智能材料的雏形

三、智能材料的雏形——从恒温驱蚊器谈起

在前面，我们简单谈到了从敏感材料到灵巧材料、智能材料的发展过程以及各种材料的含义。一般认为智能材料及结构（系统）正在发展和形成的过程之中。然而事物的发生和发展阶段往往是不能截然分割的，这就是说在新生事物尚未正式成熟之前，它便已孕育在原有母体的腹中，即使到了新生事物的概念已被确立乃至新型材料已经出现，它仍然会存在诸多不尽完善之处。对于智能材料也是如此，早在二十多年以前，一些智能材料的雏形，如变色太阳眼镜、恒温热敏电阻陶瓷驱蚊器等，便在敏感材料的应用中显现于人们的生活之中。

人们一定会熟悉，每当夏季夜晚，将一片驱蚊药片放在一个陶瓷片加热器上，便可按照设计要求，在某一设定温度（约105^oC）下一夜保持不变。加热器温度既不会过低使药片熄灭，也不会过高使药片过快燃尽或造成不安全的火患。这不像一个有脑筋的人，在专门伺候吗？把它称为“智能型”的电热器应该是言不为过的。那么是什么原因致使加热陶瓷片能自始至终不偏不倚地保持在预设温度呢?

原来当人们研究敏感材料时，发现一种掺杂稀土元素的钛酸钡高介电系数（ε）铁电陶瓷，其室温体积电阻率（ρ）值为10²⁻³Ω·cm⁻¹，但是当温度变化造成晶体结构变化后，该值会迅速猛增近5个数量级。该材料体电阻率的温度曲线具有正温度系数，即随着温度上升而增加，并在一个被称为“居里温度（点）T_c”的点出现尖锐的极大值，如图4-3所示。而这个居里温度当经过严格的组分配方设计及对制作工艺的控制后，还能够变化和被调节。人们根据驱蚊药片加热的需要，将居里温度设定在了105^oC。也就是说，当t <T_c时，当对瓷片两侧表面涂覆的银电极施加电压后，由于材料具有适当的阻值，在较大电流的作用下成为一个发热元件，温度上升，药片被加热。当温度上升至居里点，即t=T_c时，由于材料的电阻值剧烈增加，流过其中的电流则急剧下降几个数量级，这样陶瓷片因为流通电流太小，温度也就随之迅速降低了，这就好像一个灵敏度很高的自动开关处于切断状态；当温度下降以后，材料电阻值重又立即下降，电流则又再度迅速增大，这时自动开关再次处于接通状态，温度重又立即随之上升。这样便周而复始，使驱蚊药片很灵敏地始终在所设定的温度上下波动。它不需要外控电路，完全依靠自身的负反馈效应，并且具有自诊断、自控制功能，十分明显但又非常巧妙地具备了智能材料的特征。

图4-3　掺杂钛酸钡瓷料体电阻率的温度曲线

再如，目前已为人们司空见惯的变色太阳镜，就是一种光致变色材料。当被室外强光照射时，由于光化学反应而着色，达到遮光的目的；当回到室内或较阴暗处时，则又恢复原有的透明可视状态。显然这又是一种具有智能的材料。

以下将给读者介绍几类发展较为成熟、又饶有趣味的智能材料实例。