智能材料：第四代材料开启材料科学发展的重大革命

智能材料（Intelligent material），是自20世纪90年代开始迅速发展起来的一类新型功能材料，其集仿生、纳米技术及新材料科学于一身，被称为继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料。

智能材料是由多种材料组元通过有机紧密复合或严格的科学组装而构成的材料系统，具备感知、驱动和控制三大基本功能要素。智能材料能够对环境条件及内部状态的变化做出精准、高效、适当的响应，同时还具备传感功能、信息存储功能、反馈功能、响应功能、自诊断功能和自修复能力等特征。科学家预言，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。

智能材料的特点及分类

智能材料根据功能特征划分，可将其分为感知材料和响应/ 驱动材料两大类：

感知材料对外界的刺激具有感知作用，可用于制造传感器，其可感知外界环境刺激并以此进行信息采集。感知材料种类繁多，包括电感材料、光敏材料、湿敏材料、热敏材料、气敏材料、光导纤维、声发射材料、形状记忆材料、磁致伸缩材料、压电材料、电阻应变材料等。

响应/ 驱动材料可对外界环境条件或内部状态发生的变化做出响应或驱动，可用于制造执行器。智能系统的执行器类似于生物体的肌肉，它在外界或内部状态变化时做出相应的响应，这种响应可以表现在力、位移、颜色、频率、数码显示、信息存储等各方面。可用作执行器的材料包括形状记忆材料、压电材料、电流变体、磁流变体、磁致伸缩材料、电致伸缩材料和某些智能高分子材料。

智能材料研究进展

智能材料拥有很多普通材料不具备的特殊功能，在物理、化学、电子、航空航天、生物医学等领域得到广泛应用。近些年来，形状记忆材料、自修复材料、光热敏感材料、压电材料等引起了人们的广泛关注。

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形状记忆合金

形状记忆合金（SMA）是一种具有“记忆”效应的合金，其可以在加热升温后完全消除在较低温度下发生的变形，恢复变形前的原始形状。

2016年，受铁定甲虫拥有强壮的外骨骼启发，英国BAE系统公司开发出一种新型车用悬挂系统，该悬挂系统采用镍钛记忆合金制成，可保护军用车辆免受爆炸等恶劣作战环境的影响。

2017年，美国国家航空航天局（NASA）成功研发出使用记忆合金制成的免充气轮胎。这种记忆合金可以实现在变形30%的情况下却不发生永久变形或者损坏，不会像充气轮胎一样存在泄气或者爆胎的风险。

2018年，美国德州农工大学研发一款高温形状记忆合金，可以在远高于500℃的温度下工作。这种高温形状记忆合金可以根据飞机工作模式的不同，自动改变核心排气口喷嘴的尺寸，以提高飞机在飞行状态下的运转效率。

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自修复材料

材料损伤是影响材料功能的主要原因之一，如果能对这种早期的损伤或者裂纹进行修复，那么对消除安全隐患、增强材料的强度和延长材料的使用寿命则具有重大意义，自修复材料恰恰可以满足这类需求。

2016年，美国加州大学研发出一种透明、可延展的自修复导电材料，该材料在受损后，仅需24小时即可自我修复。这种材料未来有望用于驱动人造肌肉，也可用于提高电池、电子设备和机器人的性能。

2018年，美国海军研究署和卡内基梅隆大学共同研发出可自愈金属–弹性体复合材料。这种材料制成的电路具有高度柔性，可以在极端的机械损伤下创建绕过受损区域的新电气连接，从而进行自我修复，并且无需引入外部的能量及设备，在软体机器人、仿生机器人和可穿戴电子设备领域具有巨大的应用前景。

2019年，美国南加州大学开发出了可自修复的3D打印橡胶材料。该材料在被切成两半后，置于60℃环境下2小时即可完全愈合，并且强度和功能得以保持。研究人员正在尝试将其应用于车辆部件及防弹衣。

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光敏感材料

光敏感材料是指特制参数随外界光辐射的变化而明显改变的感知智能材料，可实现电磁波谱的选择特性、复合材料的强度特性、液晶材料的自变形特性等。

2018年，美国杜克大学研制出首个非金属动态可调超材料。利用“光掺杂”工艺，实现调控电磁波从而改善卫星间的宽带通信、改进安检扫描技术的目的。

2018年，美国陆军研究实验室和美国马里兰大学宣布开发出了一种先进的自适应材料技术，可使复合材料的刚度和强度在紫外光照射下得到大幅提升。未来使用该技术有望制备出具有可控结构阻尼、轻质的新型复合材料，实现低维护、高速旋翼机概念。

2018年，美国科罗拉多大学发明出一种液晶弹性体光敏材料，其在接收特定光和热后可变形为预设形状。该液晶弹性体光敏材料未来有望用于人工肌肉、生物医学设备和机器人等领域。

智能材料的市场规模及行业格局

目前，智能材料产业正处于爆发式增长期，在航空航天、机器人、医疗、建筑等领域，其市场规模呈现出爆发增长态势。据统计，2010年全球智能材料产业市场规模约为200亿美元，2018年大约为522亿美元。预计到2025年全球智能材料市场规模将达到982亿美元，复合年均增长率将达到11.19%。

当前，日本、美国、欧洲等智能材料发展始终处于世界的前列。Smart Material、美国冶联科技、Johnson Matthey、富士陶瓷株式会社、株式会社村田制作所、新日本制铁公司、LORD、Edge Technologies、Feredyn AB、日本住友轻金属工业株式会社等公司，长期垄断全球智能材料前端技术的第一方阵。

与国外先进水平相比，我国智能材料产业发展处于起步阶段，产业离大规模实用化、商品化尚有一段距离。一方面，国内智能材料主要零散分布于功能材料产业或结构材料产业之中，智能材料产业发展不足、市场影响力较弱。另一方面，国内智能材料领域缺乏具有行业影响力的龙头企业。目前，国内紫光股份、乐普医疗、有研硅股、先锋新材、安泰科技、时代新材、冠昊生物等上市公司虽然涉足智能材料领域，但都是以兼营为主，智能材料只占其较小的市场份额，龙头企业影响力和引领作用不明显。

来源：不远高新科技。