智能材料：形状记忆与自我修复 - 全球视角

智能材料，又称智能或响应性材料，被设计用于对外部刺激作出反应，以可预测的方式改变其属性或功能。这些刺激可包括温度、光、压力、电场或磁场以及化学环境。这种适应性使其用途极其广泛，应用遍及全球各行各业。本篇博文将深入探讨两种杰出的智能材料：形状记忆材料和自我修复材料。

什么是形状记忆材料？

形状记忆材料（SMMs）是一种能够“记忆”其原始形状，并在受到特定刺激（通常是温度）时恢复原状的材料。这种非凡的特性源于材料晶体结构内部的相变。

形状记忆材料的类型

• 形状记忆合金 (SMAs)： 这是一种金属合金，最常见的是镍钛合金（NiTi），也称为镍钛诺（Nitinol）。SMA同时表现出形状记忆效应（SME）和超弹性。
• 形状记忆聚合物 (SMPs)： 这是一种具有类似形状记忆行为的聚合物材料。SMP通常比SMA更轻、更便宜且更易于加工，但通常恢复力较低。

形状记忆效应

形状记忆效应基于两种晶体结构之间的固态相变：马氏体（低温）和奥氏体（高温）。当SMA或SMP处于马氏体相时，它很容易被变形。然而，当加热到其相变温度以上时，它会恢复到奥氏体相，从而恢复其预先设定的原始形状。

想象一下，弯曲一个由镍钛诺制成的回形针。在室温下它会保持弯曲状态。现在，如果你用吹风机加热这个回形针，它会神奇地恢复到原来的直线形状。这就是形状记忆效应的实际应用。

超弹性

一些SMA，特别是在略高于其相变温度时，会表现出超弹性（也称为伪弹性）。在这种状态下，材料可以承受显著的变形（对于NiTi可达8%），并在去除外加应力后自发恢复到原始形状。这与需要温度变化的形状记忆效应不同。

形状记忆材料的应用

SMA和SMP在全球各行各业中有着广泛的应用：

医疗应用

• 支架： 由镍钛诺制成的自扩张支架用于打开堵塞的动脉和其他血管。这些支架在插入时被压缩成小直径，然后在体内扩展到预设形状，提供支撑并恢复血流。包括美国、欧洲和亚洲在内的全球公司都在生产和销售这些救生设备。
• 正畸丝： SMA丝用于牙套，对牙齿施加恒定的力，逐渐将其矫直。与传统的不锈钢丝相比，这些丝提供的治疗更一致、更舒适。
• 手术工具： SMA用于微创手术的手术器械，允许在体内进行精确和可控的操作。
• 医疗植入物： SMA正在被探索用于骨固定和其他植入式设备。

航空航天应用

• 自适应机翼： SMA可用于制造自适应机翼，在飞行中改变其形状以优化性能和燃油效率。波音、空客和其他航空航天公司正在积极研究和开发这项技术。
• 可展开结构： SMA可用于在太空中展开结构，如太阳能电池板和天线。紧凑的折叠结构在到达预定位置后，通过触发形状记忆效应而展开。
• 减振： SMA可以集成到飞机结构中以抑制振动和降低噪音。

汽车应用

• 主动悬挂系统： SMA可用于主动悬挂系统，以改善乘坐舒适性和操控性。
• 发动机气门： SMA可用于控制发动机气门，提高发动机性能和燃油效率。
• 温控阀： SMA用于冷却系统，根据温度调节冷却剂流量。

消费电子产品

• 眼镜架： SMA镜架非常柔韧，即使在弯曲或扭曲后也能恢复原状。
• 手机天线： SMA可用于制造在需要时自动伸出的可伸缩天线。

机器人技术

• 执行器： SMA可用作机器人中的执行器，提供精确和可控的运动。其小尺寸和高功率重量比使其适用于小型化机器人系统。
• 软体机器人： SMP在需要柔性和可变形结构的软体机器人中特别有用。

什么是自我修复材料？

自我修复材料是一类智能材料，具有自主修复损伤（如裂缝或划痕）的能力，从而延长其使用寿命并提高其可靠性。这种自我修复能力模仿了生物体中的自然愈合过程。

自我修复机制的类型

自我修复材料采用多种机制来实现自我修复：

• 基于胶囊的修复： 这种方法涉及将含有修复剂的微胶囊嵌入材料中。当裂纹扩展并使胶囊破裂时，修复剂被释放并填充裂缝，固化后修复损伤。
• 血管网络： 类似于人体的血管，血管网络可以被整合到材料中，将修复剂输送到损伤部位。
• 本征修复： 这种方法依赖于材料通过可逆化学键或分子纠缠进行自我修复的固有能力。当损伤发生时，这些键断裂，但它们可以自发地重新形成，从而闭合裂缝。
• 可逆聚合物网络： 这些材料包含可逆的化学键，这些键在应力下可以断裂和重新形成，使材料能够适应损伤并随时间愈合。
• 仿生修复： 研究人员正从生物系统（如植物和动物的自我修复能力）中汲取灵感，以开发新的自我修复材料。

自我修复材料的应用

自我修复材料有潜力通过增强产品的耐久性、安全性和可持续性来彻底改变各个行业：

涂料和油漆

• 汽车涂料： 自我修复涂料可以修复轻微的划痕和螺旋纹，让汽车更长时间保持如新。全球主要汽车制造商正在探索并在部分车型上应用自我修复透明涂层。
• 防护涂料： 自我修复涂料可用于保护结构免受腐蚀和磨损，延长其使用寿命并降低维护成本。
• 船舶涂料： 自我修复涂料可以防止海洋生物在船体上生长，从而减少阻力并提高燃油效率。

建筑材料

• 自我修复混凝土： 将细菌或其他微生物掺入混凝土混合物中。当裂缝形成时，这些微生物被激活并产生碳酸钙，从而填充裂缝并修复损伤。这项技术正在全球各种基础设施项目中进行研究和测试，以增强耐久性和减少维护。
• 自我修复沥青： 可以将含有再生剂的微胶囊添加到沥青中，以修复裂缝并延长道路的使用寿命。

电子产品

• 柔性电子产品： 自我修复聚合物可用于制造柔性和可拉伸的电子设备，这些设备在损坏后可以自我修复。这对于可穿戴电子设备和传感器尤为重要。
• 电池： 自我修复材料可用于通过修复裂缝和防止电解液泄漏来提高电池的安全性和寿命。

航空航天

• 飞机结构： 自我修复材料可用于修复飞机结构的损伤，如机身或机翼的裂缝，从而提高安全性并降低维护成本。
• 航天器组件： 自我修复材料可用于保护航天器组件免受辐射和微流星体撞击，延长其在严酷太空环境中的使用寿命。

纺织品

• 自我修复织物： 自我修复涂层可应用于织物以修复撕裂和刺破，延长衣物和其他纺织品的使用寿命。这在防护服和运动服中特别有用。

挑战与未来方向

尽管智能材料潜力巨大，但在其广泛应用之前，仍有几个挑战需要解决：

• 成本： 制造智能材料的成本可能很高，这限制了其在某些应用中的使用。
• 耐久性： 一些智能材料，特别是SMP和自我修复材料的耐久性需要提高，以承受恶劣的环境条件。
• 可扩展性： 扩大智能材料的生产以满足工业需求可能具有挑战性。
• 环境影响： 需要仔细考虑制造和处置智能材料对环境的影响。
• 长期性能： 需要更多的研究来了解智能材料的长期性能和可靠性。

尽管存在这些挑战，智能材料领域的研究和开发正在迅速推进。未来的方向包括：

• 开发具有增强性能和功能的新型及改良型智能材料。
• 在人工智能和生物技术等新兴领域探索智能材料的新应用。
• 提高智能材料制造的成本效益和可扩展性。
• 开发可持续和环保的智能材料。
• 将智能材料集成到日常产品中，以提高其性能、耐久性和可持续性。

全球研发

智能材料的研发是一项全球性的努力，世界各地的大学、研究机构和公司都做出了重大贡献。美国、德国、日本、韩国、中国和英国等国家在这一领域处于领先地位。国际合作和知识共享对于加速智能材料的开发和应用至关重要。

结论

智能材料，包括形状记忆材料和自我修复材料，代表了材料科学和工程领域的一次范式转变。它们响应外部刺激和适应变化条件的能力为创新和技术进步开辟了一个充满可能性的世界。随着研究和开发不断突破可能性的界限，我们可以期待在未来几年看到更多智能材料的突破性应用，影响各行各业并改善全球人民的生活。从医疗设备到航空航天结构，智能材料注定将在塑造未来中扮演关键角色。