智能材料是近年来在世界上兴起并迅速发展的材料科学的一个新领域。早在20世纪初，由于科技发展的需要，人们设计和制造出新的人工材料，使材料的发展进入从使用到设计的历史阶段。近几十年来，科学家们一直致力于把高技术传感器或敏感元件与传统的结构材料和功能材料结合在一起，赋予材料崭新的性能，使它们能随着环境的变化而改变性能或形状，就像具有“智能”一样。
近来，日本东北大学金属材料科学研究所一位叫小松启的金属材料专家，不再研究金属材料，而在研究胆结石、肾结石、牙齿、骨骼、指甲、毛发和细胞膜一类的东西。我们也许感到奇怪：他不是医生，为什么要研究胆结石呢？难道想改行吗？原来他想通过对人体中胆结石、牙齿、指甲和皮肤等能自己生长的材料的研究，寻找一种“智能”材料。
它要求材料体系集感知、驱动和信息处理于一体，形成类似生物那样的具有智能属性的材料，具备自感知、自诊断、自适应、自修复等功能。
智能材料的提出有理论和技术基础。早在20世纪初，人工材料的设计和制造使材料的发展进入从使用到设计的历史阶段。20世纪50年代之后，人们提出了自适应系统，即智能化系统。在智能结构发展过程中，人们越来越认识到智能结构的实现离不开智能材料的研究和开发。例如，1988年4月28日波音737客机在美国出现灾难性断裂事故之后，美国为避免服役飞机发生类似事故，认为飞机应有自我诊断和及时预报系统，并通过议案，要求三年内完成Smart飞机的概念设计。于是，1988年9月，美国陆军研究办公室组织了首届智能材料、结构和数学的专题研讨会。1989年日本航空-电子技术审议会提出了从事具有对环境变化做出响应能力的智能型材料的研究。从此，这样的会议在国际上几乎是每年一届。由已公布的资料来看，美国的研究较为实用，是应用需求驱动了研究与开发；日本偏重于从哲学上澄清概念，目的是创新拟人智能的材料系统，甚至企图与自然协调发展。因此，开始时美、日分别用“机敏”（smart）和“智能”（intelligent）一类定语，随着这种材料的出现，人们已逐渐接受“智能材料”这一概念。
8没有生命，却懂人情——智能材料
生物体与智能系统的对比智能材料可以分为两类：一类是对外界（或内部）的刺激强度（如应力、应变、热、光、电、磁、化学和辐射等）具有感知的材料，通称感知材料，用它可做成各种传感器；另一类是对外界环境条件（或内部状态）发生变化做出响应或驱动的材料，这种材料可以做成各种驱动（或执行）器。智能材料是利用上述材料做成传感器和驱动器，借助现代信息技术对感知的信息进行处理并把指令反馈给驱动器，从而做出灵敏、恰当的反应，当外部刺激消除后又能迅速恢复到原始状态。这种集传感器、驱动器和控制系统于一体的智能材料，体现了生物的特有属性。例如，半导体技术，可以使材料与器件集成封装在一小块芯片上，通过各种具有传感性能的材料使各类信息（如力、声、热、光、电、磁、化学信息）互相转换和传递。如果能把感知、执行和信息等三种功能材料有机地复合或集成于一体，实现材料智能化就易如反掌。
智能材料的基本组成材料智能材料是继天然材料、人造材料、精细材料之后的第四代功能材料。因为现在可用于智能材料的材料种类不断扩大，所以智能材料的分类也只能是粗浅的，分类方法也有多种。一般若按功能来分可以分为光导纤维、形状记忆合金、压电、电流变体和电（磁）致伸缩材料等。若按来源来分，智能材料可以分为金属系智能材料、无机非金属系智能材料和高分子系智能材料。目前研究开发的金属系智能材料主要有形状记忆合金；无机非金属系智能材料在电流变体、压电陶瓷、光致变色和电致变色材料等方面发展较快；高分子系智能材料的范围很广泛，包括形状记忆复合材料、智能高分子黏合剂、智能型药物释放体系和智能高分子基复合材料等。它们正日益受到各方面的关注，从其结构的构思、智能结构的新制法到新型智能材料的研究和开发都十分活跃。
8.1挥之不去的形象——形状记忆合金
提及一般的金属材料，如金、银、铜、铁、铝等，人们大都耳熟能详，如数家珍。但是，您听说过有“记忆”本领的金属材料——形状记忆合金吗？传统观念认为，只有人和某些动物才有“记忆”的能力，非生物是不可能有这种能力的。难道合金也会和人一样具有记忆能力吗？答案是肯定的，形状记忆合金就是这样一类具有神奇“记忆”本领的新型功能材料。
1963年，美国海军军械研究室在一项研究中发现，将弯弯曲曲的镍钛合金丝一根根地拉直后，当它们的温度升到一定值的时候，这些已经被拉得笔直的合金丝，突然又魔术般地迅速恢复到原来弯弯曲曲的形状，而且和原来的形状丝毫不差。再反复多次试验，每次结果都完全一致，被拉直的合金丝只要达到一定温度，便立即恢复到原来那种弯弯曲曲的模样。就好像在从前被“冻”得失去知觉时被人们改变了形状，而当温度升高到一定值的时候，它们突然“苏醒”过来了，“记忆”起了自己原来的模样，于是便恢复了自己的“本来面目”。形状记忆效应可用简单实验演示，原本弯弯曲曲形状的记忆合金丝经拉直后，只要放入盛有热水的烧杯中，合金丝就会迅速恢复到和原来一模一样的弯弯曲曲的形状。
图8-3形状记忆效应简易演示实验科学家们把这种现象称为形状记忆效应。具有这种效应的合金称为形状记忆合金。镍钛合金的转变温度为40℃，也有人将其形象地称之为“唤醒温度”或“记忆温度”。
经过几十年的研究和探索，科学家们又相继发现了铜铝锌合金、铜镍铝合金、铁铂合金等多种形状记忆合金。这些形状记忆合金能“记住”以前的形状，从本质上讲，是由合金内部微观结构固有的变化规律决定的。固态金属合金中，原子是按一定的规律有序排列的。但随着环境温度的变化，有些合金的内部原子的排列方式会随之发生变化。当温度回到原来的数值时，合金内部原子的排列又会恢复到原来的排列方式。
形状记忆合金不仅单次“记忆”能力几乎可达百分之百，即恢复到和原来一模一样的形状，更可贵之处在于这种“记忆”本领即使重复500万次以上也不会产生丝毫疲劳断裂。因此，形状记忆合金享有“永不忘本”“百折不挠”等美誉。
人们常说蚂蚁有本事，是因为即使是当今奥运会举重冠军也不过仅能举起自身重量的2倍左右，而蚂蚁却能举起自身重量的20倍。但是若与形状记忆合金相比，蚂蚁就只能甘拜下风，因为形状记忆合金（以镍钛合金为例）的出力本领可达自身重量的100倍以上。形状记忆合金能撑起自身重量100倍以上的重量，电动机的驱动力可达自身重量的50倍，而蚂蚁和人则分别是20倍和2倍。由此可见，形状记忆合金才是名副其实的大力士。
形状记忆合金是名副其实的大力士8.1.1形状记忆合金的发展历程形状记忆合金是一种新型的功能材料，它已成为功能材料领域的研究热点之一。最早在金属中发现形状记忆效应可追溯到20世纪30年代。1938年，美国的Greningerh和Mooradian在铜锌合金中发现了马氏体的热弹性转变。随后，苏联的Kurdiumov对这种现象进行了研究。1951年，Chang和Read在金镉合金中用光学显微镜观察到马氏体界面随温度的变化而发生迁移，这是最早观察到金属形状记忆效应的报道。然而在当时，这些现象的发现只被看作是个别材料的特殊现象而未能引起人们足够的兴趣和重视。直到1963年，美国海军武器实验室Buehler等人开发并成功研制出具有实用价值的镍钛记忆合金后，才广泛引起了人们的兴趣，对形状记忆合金的研究从此进入了一个新的阶段。1969年，Raychem公司首次将镍钛合金制成管接头应用于美国F14战斗机上；1970年，美国将镍钛记忆合金丝制成宇宙飞船用天线。这些应用大大激励了国际上对形状记忆合金的研究与开发。从此以后，形状记忆合金开始广泛应用于生产、生活的各个领域。在各国申请的有关形状记忆合金的技术专利已逾万件，投入市场付诸应用的实例已有上百种。同时，随着智能材料、智能机构研究的兴起，又将形状记忆合金的应用推向了更广泛的领域。目前，有关形状记忆合金研究的科技论文数已位居马氏体相变研究领域之首，而且该类材料所涉及的应用领域极其广泛。
8.1.2记忆合金的应用
形状记忆合金的历史只有70多年，开发迄今不过20余年，但由于其在各领域的特效应用，正广为世人所瞩目，被誉为“神奇的功能材料”，其实用价值相当广泛，其应用范围涉及机械、电子、化工、宇航、能源和医疗等许多领域。
目前，仅镍钛，铜锌铝和铜铝镍合金具有实用价值，它们已被誉为一种热驱动的功能材料，又由于兼具感知和驱动功能，亦称机敏材料，受到广泛重视。
（1）医疗临床应用
形状记忆合金在现代临床医疗领域内已获得广泛应用，正扮演着不可替代的重要角色。例如，各类人体腔内支架、心脏修补器、血栓过滤器、口腔正畸器、人造骨骼、伤骨固定加压器、脊柱矫形棒、栓塞器、节育环、医用介入导丝和手术缝合线，等等，都可以用形状记忆合金制成。记忆合金支架经过预压缩变形后，能够经很小的腔隙安放到人体血管、消化道、呼吸道、胆道、前列腺腔道以及尿道等各种狭窄部位。支架扩展后形成的记忆合金骨架，在人体腔内支撑起狭小的腔道，这样就能起到很好的治疗效果。
医用腔内支架的应用原理示意除了腔内支架方面的应用以外，在骨外科治疗领域，形状记忆合金同样有不凡的表现。众所周知，传统的骨伤手术器械包括接骨钢板、螺钉、螺母、钢丝等，手术时医生要进行钻孔、楔入、捆扎等复杂操作，对患者的机体不可避免地造成人为损伤。与传统不锈钢器械相比，应用形状记忆合金制成的记忆合金骨科内固定器械，可以使骨科手术开始告别钻孔、楔入、捆扎等复杂工序。手术时，医生先低温（0～5℃）冷却记忆合金器械，然后根据需要改变其抱合部位的形状，安装于患者骨伤部位。待患者体温将其“加热”到设定的温度时，器械的变形部分便恢复到原来设计的形状，从而将伤骨紧紧抱合，起到固定与支撑的作用。由于材料自身的记忆功能十分稳定，良好的“抱合力”使病人手术的愈合期也大大缩短。所示记忆合金支架在医药上的应用。
（2）日常生活应用记忆合金同我们的日常生活已经是休戚相关。仅以记忆合金制成的弹簧为例，把这种弹簧放在热水中，弹簧的长度立即伸长，再放到冷水中，它会立即恢复原状。利用形状记忆合金弹簧可以控制浴室水管的水温，在热水温度过高时通过“记忆”功能，调节或关闭供水管道，避免烫伤。
作为一类新兴的功能材料，形状记忆合金的很多新用途正不断被开发，例如用形状记忆合金制作移动电话天线、智能牙刷，以及可任意变形的眼镜架等。不久的将来，汽车的外壳也可以用记忆合金制作。如果不小心碰瘪了，只要用电吹风加加温就可恢复原状，既省钱又省力，十分方便。
