智能材料研发现状及其在建筑应用上的展望

　　材料是人类生活和生产的基础，研究者一般将其划分为结构材料和功能材料两大类，对结构材料的研发主要要求其机械强度，而对功能材料的要求则侧重于其特有的功能。智能材料的概念最早由日本高木俊宜教授在1989年提出，是指能够感知环境变化，并通过自我判断和结论而实现和执行指令的材料。其不同于传统结构材料和功能材料，它模糊了两者之间的界限，由于它功能特殊，使得逐渐发展出结构功能化、功能智能化的特征。

　　随着对智能材料研究的深入，对智能材料的定义变得更加严格，目前的概念即是指在材料系统或结构中，可将传感、控制和驱动三种职能集于一身，通过自身对信息的感知、采集、转换、传输的处理，发出指令，并执行和完成相应动作，从而具有模仿生物体的自增值性、自修复性、自诊断性、自学习性和环境适应性。智能材料在目前文献中的提法大都为机敏材料（Smart Materia1）、智能材料（Intelligent Materia1），而机敏结构（Smart Structure）、自适应结构（Adaptive Structure）、智能结构（Intelligent Structure），则是指将感元件、驱动元件和控制系统结合或融合在机体测量中而形成的一种器件复合结构。

　　智能材料的基础是功能材料。功能材料通常可分为两大类，一类被称为驱动材料，它可以根据温度、电场或磁场的变化来改变自身的颜色、形状、尺寸、位置、刚性、阻尼、相位、内耗或结构等性能，因而对环境具有自适应功能，可用以制成各种执行器；另一类被称为感知材料，它是指材料对于来自外界或内部的刺激强度及变化（如应力、应变、热、光、电、磁、化学和辐射等）具有感知力，可以用来制成各种传感器。同时，具有敏感材料与驱动材料特征的材料才能被称为智能材料。智能材料通常不是一种单一的材料，而是一个由多种材料系统组元通过有机紧密或严格的科学组装而构成的一体化系统，是敏感材料、驱动材料和控制材料（系统）的有机合成。

　　智能材料的分类

　　智能材料有庞大的家族，随着研究的深入，更多的新材料逐渐被加入其中。如果按照智能材料的应变能力来分类，其系统庞杂而难于理解，图一是按照智能材料功能区分汇集的图表资料，第一类是改变性能，第二类是改变能量：

　　应用案例

　　由于智能材料的优异性能，同时在许多高新技术领域都具有巨大的潜力和应用前景，使之一直成为许多技术发达国家的优先发展项目，并在国防、军事、医疗、航天、交通、水利众多方面都被广泛关注和研究，成果有些已经被利用在实际工程中，有些已经在实验室获得突破。然而在建筑方面的应用，智能材料基本还停留在记忆合金和压电材料对结构振动的控制、变色玻璃立面以及相变材料等几大方面，本文试图探索智能材料在可适应建筑这个前沿课题方面的应用：

　　电活性聚合物

　　电活性聚合物（Electroactive polymers,EAP），是指能够在电流、电压或电场作用下产生物理形变的聚合物材料，其显著特征是能够将电能转化为机械能。电活性聚合物驱动器具有应变高、柔软性强、质轻、无噪声等特点，与肌肉有着极为相似的特性，而且密度小、回弹力大，另外具有类似生物肌肉的高抗撕裂强度，这些性能已经超过了肌肉，被公认为是最有前途的替代肌肉材料，所以EAP也被称为人工肌肉。EAP可以产生的应变比电活性陶瓷大两个数量级，并且较形状记忆合金的更快响应速度及固有的振动阻尼性的优异性能，使其在医疗、宇航员和士兵的增力外骨架、微型仿生飞行机器上有无可估量的应用前景。

　　离子电活性聚合物复合材料（ionic EAP）是EAP的一种，其工作原理是，离子在没有电场的情况下随机分布，一旦施加电场，离子向聚合物的阳极一侧聚接触，并造成聚合物的一侧弯曲。

　　电活性聚合物在建筑上的应用还停留在实验室和概念阶段，2010年底苏黎世联邦理工大学（ETHZ）的建筑系和瑞士联邦材料科学实验室的联合研究项目，形变（Shape shift）——走向软质建筑，研究了如何应用EAP来构建一个可动态地适应外部环境的轻质结构系统。

　　整个系统基于一个多层复合菱形单元，由上至下的材料层分别是：硅绝缘层、传导粉末层、5X5预应力合金聚合物薄膜、传导粉末层、硅绝缘层、丙烯框架、5.00V电压连接。加电压后，EAP聚合薄膜开始变形，并牵引丙烯框架弯曲，同时EAP薄膜仍旧保持光滑的双曲抛物面和透明性，EAP薄膜以持续的、可控的变形表现出良好的可操作性和稳定性，使结构的变形可控、可逆变，并具有一定的强度和阻尼性。

　　菱形的EAP单元通过不同的组合方式可以形成空间结构体系，通过电压可控制单个或多个单元的变形，从而达到整体空间结构的多种形式的转化，并同时保持结构的一定刚度。然而该项目专注于结构性能的研究，要应用于实际工程项目，EAP薄膜的防火、保温、防潮以及采光隔热等问题都需要以长期研究和实验逐步解决，研究者对其大面积的应用、预筑、加工、产品化、施工、维护、操作、造价都需要考虑和研究。

图二

图三

　　图二是形变项目模型的透视图，我们可以预想下一代张拉膜结构会变得更加智能，拥有更加丰富的形态和外观，同时更加适应外环境。目前，商业化的智能材料厂家和传统建筑材料厂家很少。