智能材料：21 世纪竞争的关键所在

　　大千世界包罗万象又千差万别，万变不离其宗的唯有材料，而人们的衣食住行用与材料密不可分。人类有史以来就没有停止过对材料的改良，通过筛选、嫁接甚至不惜采用转基因技术来改善农副产品；而非食用材料的进步则经历了天然材料、烧结材料、合成材料、复合材料等阶段，将要迎来的是智能材料时代。

　　“基于提升产品性能水平的开发将是21 世纪竞争的关键所在，而智能材料将在开发中扮演至关重要的角色。”这是2003年材料展望研讨会会后报告得出的结论，该研讨会是由英国政府资助的，召集专家来共同研讨未来技术的发展。

　　彗星1号带来的噩梦

　　民用喷气式客机时代始自1952 年5月，英国德·哈维兰公司研制的彗星1 号喷气式飞机正式投入到伦敦到约翰内斯堡的民航运营。由于使用了密封增压舱，飞机可以在万米高空飞行，从而给旅客带来高速、平稳舒适的空中旅行体验。

　　然而，在1954年1 月和4 月，2 架彗星1号在执行航班任务的途中在海洋上空相继发生了空中解体的惨剧，在给生命财产造成重大损失的同时，也给刚刚起步的喷气式民航运营蒙上了一层重重的阴影。

　　在其后的事故调查中发现，由于频繁起降带来的增压和减压过程，导致飞机机身金属材料产生裂纹并逐渐扩展开来，最终导致飞机解体。尽管人们很早就发现了金属疲劳的现象———铁丝经过反复弯曲后就会被折断，但人们对金属疲劳的深刻认识却是始于彗星1 号。

　　尽管通过采用新材料、改进结构设计的方式可以显著地降低金属的疲劳，比如说人们现在司空见惯的飞机圆角矩形舷窗，就是为了避免应力过于集中在矩形四角从而导致金属疲劳而设计的。然而，金属疲劳的噩梦依旧挥之不去。2002年5月25日，台湾华航波音747 客机在飞往香港途中坠毁于澎湖外海，事故调查表明，金属疲劳再次成为此次空难的罪魁祸首。

　　金属疲劳现象并非航空独有。1998 年6月3 日11 时许，时速200公里的列车在驶向汉堡的途中在艾雪德镇附近发生严重的出轨事故，最终造成101 人死亡、88 人受伤，成为德国历史上最惨重的铁路事故。调查认定，事故是由第2节车厢一个车轮因金属疲劳突然爆裂引起的。

　　类似的例子还能在桥梁、船舶、汽车甚至自行车上找到。选用耐金属疲劳的金属或者合金材料固然是行之有效的途径，但是只要是金属就不可能避免疲劳，区别只是程度不同。因此，对金属部件的监测就成为防范金属疲劳非常有效的手段。

　　但是传统的外置式监测方式很难满足动态实时监测的要求，毕竟人们不能在飞机机身内外布置大量的传感器并放置各种各样的仪器与设备，因为飞机的气动外形和载荷能力都不容许这样做。因此，人们寄希望于智能材料，希望其能有效预防金属疲劳所带来的危害。

　　智能材料院物联网的特殊应用与物联网各式各样的定义相类似的是，智能材料迄今也没有一个统一的定义。

　　按照互动百科“智能材料”词条给出的定义，智能材料是指具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定措施进行适度响应的、具有智能特征的材料。

　　这种刺激或者说激励所代表的物理量通常为声、光、电、磁、热、机械力（包括压力、张力等）、PH值、高能射线等。但特定的智能材料并非能够感知所有这些物理量，而是根据特定用途，赋予智能材料特定的传感能力，去感知所需探测的物理量。

　　同样，并非每种智能材料都必须完全具备智能材料的七个特点：感知、反馈、响应、识别、自诊断、自适应、自修复等功能或能力。但感知和响应功能则是所有智能材料所必须的。如果缺少了对作用其上的物理量的感知，那就谈不上智能了。

　　虽说智能材料离不开智能，但智能也是分层次的。比如说，用于太阳镜的变色玻璃，在遇到日光光谱中的紫外线照射后颜色变深，再如记忆合金，是在特定的温度环境中恢复原有的形状，或者说记忆合金感知到温度的激励后，按照预设的方案进行响应。因为缺少了计算，变色玻璃和记忆合金的“智商”显得比较低。

　　要实现智能材料更多的功能，计算是不可或缺的，而计算的前提就是借助于传感器将自然界中的非电量转化为电量，而其大前提就是要将传感器嵌入到材料中。

　　然而，将传感器嵌入到材料中谈何容易。因为很难将电源嵌入到材料中，无源传感器因此在很大程度上成为不二选择；又因为受飞机蒙皮等紧凑型应用物理尺寸的局限，多功能传感器倍受青睐。在上述一种或多种约束条件下，光纤、压电陶瓷、薄膜、半导体等传感器便成为为数不多的可供选择的传感器，而其中光纤传感器因其无源、多物理量测量等特点而成为应用的热门。

　　即便是光纤传感器，在嵌入到应力敏感材料时，依然会有很大的挑战，因为光纤的膨胀系数与多数金属的膨胀系数相差较大，为了避免因膨胀系数差异引入的应力，必须在光纤和金属之间增加膨胀系数介乎两者之间的过渡层。

　　总之，人们可以把嵌有传感器的智能材料视为物联网的特殊应用，只不过在很大程度上，这种应用需要独门绝技，并非一些自诩为物联网企业的企业敢应承下来。

　　方兴未艾的智能材料

　　今年3 月下旬，波音公司宣布，787 客机已通过机翼加载试验，试验载荷达到运营最大载荷的1.5 倍，机翼上翘高度达到7.6米，从而首架飞机有望在今年年底交付全日本航空公司。在波音787延误交付的两年多时间里，仅解决翼身结合处结构强度问题就占到了6 个月。

　　这种静力实验需要大量的模拟负载和复杂的测试设备，又由于其属于破坏性极限试验，因此，只能用在地面样机上。但这并不意味着在飞行中不需要对飞机结构强度进行监测。

　　事实恰恰相反。1973年6月3日，苏联时速达2 倍马赫的图-144 超音速客机在巴黎航展上进行飞行表演时，因紧急避让突然出现在正前方、负责航拍的法国幻影飞机而导致失速，在平飞改出时机身严重过载而超出设计极限，造成左翼折断，飞机最终在空中解体。

　　图-144的灾难使得结构健康监测（Structure Health Monitoring，SHM）成为一个很现实的问题，受限于当时的技术水平，同时也是一个十分棘手的问题。

　　伴随着技术的进步，如今SHM 已成为智能材料与结构领域中重要而特殊的应用。说其重要，是因为诸如波音、空客等飞机、旧金山金门桥等桥梁上的典型应用涉及的都是人命关天的事儿。说其特殊，是因为在SMH 中仅有传感器被放置在被监测结构内部或者表面，而信息处理以及其后按照预定方案的响应都在被监测结构之外，因此，SHM 更像是物联网的应用。

　　肩负着引领英国成为全球创新领导者的英国技术战略委员会，确定了6项关键的核心技术：高附加值制造，先进材料，纳米技术，生物科学，电子学、光子学与电气系统，信息和通信技术。其中大部分与智能材料或者物联网相关。