第十二章   智能高分子
     概述
智能高分子材料的发展
智能材料的构想来源于仿生，它的目标就是想研制出一种材料，使它能称为具有类似于生物的各种功能的“活”的材料。因此，智能材料必须具有感知、驱动和控制这三个基本要素。
20世纪50年代，出现了智能结构这一概念，当时把它称为自适应系统。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。于是在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门会；随后，1989午日本航空—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，有关智能结构及智能材料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、需求为主推动研究与开发；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，早期研究时美、日分别用“机敏”和“智能”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。
    1989年日本高木俊宣教授给智能材料做了较为明确的定义，即智能材料是指对环境具有感知、可响应，并具有功能发现能力的新材料。此外，美国的R E．Newnham教授提出了灵巧材料概念，也有人称为机敏材料。这种材料具有传感和执行功能。他将该类材料分三种：第—种是能响应外界变化的材料称为被动灵巧材料；第二种是能识别变化，经执行线路能诱发反馈回路，而且响应环境变化的材料称为主动灵巧构料；第三种是感知、执行功能并且响应环境变化，从而改变性能系数的材料，称为很灵巧材料，即称为智能材料。
    20世纪90年代以来，日本、美国、西欧等世界各国的材料界都开始研究智能材料。科学工作者又将必要的仿生功能引人材料，使材料和系统达到更高的层次，成为具有自检测、自判断、自结论、自指令和执行功能的新材料。从而，智能结构材料常常把高技术传感器或敏感元件与传统结构材料和功能材料结合在一起，赋予材料崭新的性能，使无生命的材料变得有了“感觉”和“知觉”，能适应环境的变化，不仅能发现问题，而且还能自行解决问题。
    从研究的机理上看，智能材料来自于功能材料，功能材料有两类：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。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就可实现材料的智能化。
    由于智能材料和系统的性能及所带功能可随环境而变化，其应用前景十分广泛。飞机的机翼引入智能系统后，能响应空气压力和飞行速度而改变其形状；进入太空的灵巧结构上设置了消震系统，能补偿失重，防止金属疲劳；潜水艇能改变形状，消除湍流，使流动的噪声不易被测出而便于隐蔽；金属智能结构材料能自行检测损伤和抑制裂缝扩展，具有自修复功能，确保了结构物的可靠性；高技术中采用许多灵巧系统，增加使用功能。其中还有智能水净化装置可感知而且能除去有害污染物；电致变色门窗可响应气候的变化和人的活动，调节热流和采光；智能卫生间能分析尿样，做出早期诊断；智能药物释放体系响应血糖浓度，释放胰岛素，维持血糖浓度在正常值；自愈自涂膜可以自动将裂缝愈合，保证防水、防潮、防透工程。
二、智能材料的分类
    智能材料是最近二十年才出现的新功能材料。它的研究呈开放和发散性，涉及到化学、物理学、材料学、电子学、人工智能、信息技术、计算机技术、生物技术、加工技术及控制论、仿生学和生命科学、海洋工程和航空等前沿学科及高技术领域，拥有广泛的应用前景和巨大的社会效益。目前智能材料的分类常按其组成来划分。
1 金属系智能材料
金属智能材料，主要指形状记忆合金材料(SMA)，形状记忆合金是一类重要的执行器材料，可用其控制振动和结构变形。形状记忆是热弹性马氏体相变合金所呈现的效应，金属受冷却、剪切由体心立方晶格位移转变成马氏体相。形状记忆就是加热时马氏体低温相转变至母相而回复到原来形状。
目前研究开发的金属系智能材料主要有形状记忆合金和形状记忆复合材料两大类。
2 无机非金属系智能材料
    无机非金属系智能材料主要在压电陶瓷、电致伸缩陶瓷，电(磁)流变体、光致变色和电致变色材料等方面发展较快。
3 高分子系智能材料
    由于人工合成高分子材料的品种多，范围广，所形成的智能材料因此也极其广泛，其中主要有智能凝胶、形状记忆高分子、智能型药物控制释放体系，压电聚合物、智能高分子粘合剂、智能膜等高分子智能材料。
有些智能材料如形状记忆材料，既可以是金属系形状记忆合金，又可以是形状记忆陶瓷，也可以是形状记忆聚合物。既有磁致伸缩合金，也有磁致伸缩陶瓷。因此，也有从智能材料的自感知、自判断和自结论、自执行的角度出发，分为自感知能材料(传感器)、自判断智能材料(信息处理器)以及自执行智能材料(驱动器)。
在上述智能材料中，智能高分子是一类当受到外界环境的物理、化学乃至生物信号变化刺激时，其某些物理或化学性质会发生突变的高分子材料。智能高分子也常被称为“刺激响应性高分子”、“环境敏感性高分子”等，是一种能感觉周围环境变化，而且针对环境的变化能采取响应对策的高分子材料。这是通过分子设计和有机合成的方法使高分子材料本身具有生物所赋予的高级功能，如自我修复与自我增强功能，认识与鉴别功能，刺激与响应功能等。目前主要的智能高分子材料有以下几类。
（1）智能高分子凝胶
 这是一种三维高分子网络和溶剂组成的体系。这类高分子凝胶材料可随环境的变化而产生可逆的、非连续的体积变化。高分子凝胶的溶胀收缩循环可用于化学阀、吸附分离、传感器和记忆材料。循环提供的动力可用来设计“化学发动机”，网孔的可控件可以用于药物释放体系。
（2）形状记忆高分子材料
形状记忆高分子材料是利用结晶或半结晶高分了材料经过辐射交联或化学交联后形成的具有记忆效应的一类新型智能高分子材料。在医疗上，形态记忆高分子树脂可代替传统的石膏绷带。具有生物降解性的形状记忆高分子材料可做医用组合缝合器材、止血钳等。航空上，形状记忆高分子树脂被用于机冀的震动控制。利用高分子形状记忆材料可制备出热收缩管和热收缩膜等。
（3）智能织物
这类织物具有可逆收缩，受潮湿时收缩，干燥后恢复到原始尺寸，湿态收缩率可达35％。可用于传感与执行系统、微型马达及生物医用压力与压缩装置。如压力绷带，它在血液中收缩，在伤口上所产生的压力有止血的作用，绷带干燥时压力消除。目前，分子纳米技术与计算机、检测器、微米或纳米机器的结合，又使织物的智能水平大大提高。
（4）智能高分子膜
 用高分子凝胶制成的膜能实现可逆变形，并能承受一定的压力。它的智能化是通过膜的组成、结构和形态来实现的。目前研究的智能高分子膜主要是可起到“化学阀”的作用。但是目前对于化学阀功能的高分子膜应用范围还比较窄，尚有赖于新材料的开发。
（5）智能高分子复合材料
新的高分子复合材料具有自愈合、自应变等功能。在航空领域，
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