智能材料智能变色材料
智能材料研究与应用
智能材料研究与应用在当今科技发展的浪潮中，智能材料无疑是最受关注的热门领域之一。
智能材料是一类具有智能响应和行为能力的材料，它们能够针对不同的环境变化产生自适应反应，包括实现力学、光学、热学和电子学等性质的自适应调节。
由于具有这种优异的性能，智能材料已经得到了广泛的研究和应用。
一、智能材料的分类目前，智能材料常常被分为四大类：形状记忆合金材料、电致变形材料、光致变色材料以及智能聚合物材料。
形状记忆合金材料是一类可以恢复原始形状的金属合金，也称之为一种“记忆性材料”。
这类材料在受到外界温度、应力、电、磁等刺激后，可以产生可逆形状变化。
铜锌铝形状记忆合金是应用最广泛的类型之一，广泛应用于微机械、航空航天和医疗等领域。
电致变形材料是另一种广泛运用的类型，也被称之为“智能陶瓷材料”。
这类材料受到电压、电子场、磁场等刺激后，可以产生可逆形状的变化。
这种材料的主要应用领域包括大型构件的精度调整、不同形态的机械臂、智能窗帘装置等。
光致变色材料是利用光线对物质的影响，使材料的化学组成产生可逆性改变的一类智能材料。
主要应用于光开关、可编程光控开关、光电场效应液晶器件等。
智能聚合物材料是指当材料在受到刺激后发生物理和化学性质变化而改变材料本质的一类材料。
通常包括电致变形聚合物、光致变形聚合物、功率聚合物等。
这种材料具有诸多储能性能，是在可调节材料科学、形状记忆应用优化、激活聚合物材料、纳米顺序构筑等方面运用的材料之一。
二、智能材料的应用智能材料具有广泛的应用前景，可以在众多领域中发挥重要作用。
1. 生物医药领域生物医药领域是智能材料的主要应用领域之一。
智能药材料的特点是可以对人体体内的环境变化产生自适应反应，从而控制药物的释放，使药物在人体内的作用时间和效果更加稳定和安全。
智能纳米材料也可以被用于治疗疾病，包括癌症、手术后等方面，使治疗效果更加明显和高效。
2. 航空航天领域智能材料在航空航天领域也得到了广泛的应用。
智能材料科学中的光致变色材料研究
智能材料科学中的光致变色材料研究随着科学技术的不断进步和人们对材料性能的需求提高，智能材料的研究与应用成为了热门领域之一。
在智能材料中，光致变色材料以其独特的光学和化学特性引起了广泛的关注。
它们能够根据外界的刺激快速改变从透明到有色的状态，具有很多潜在的应用，例如光电子设备、可调谐光学器件和显示技术等。
光致变色材料的研究起源于上世纪的热变色玻璃。
传统的热变色玻璃需要高温才能实现颜色的改变，而光致变色材料则通过光线的照射来引发变色，具有温度敏感度低、操作简便等优点。
现代光致变色材料的研究主要集中在两个方面：一是有机分子材料，二是无机晶体材料。
有机分子材料常常采用有机染料或聚合物作为基础，并通过人工合成和化学修饰来调控其光学性质。
而无机晶体材料通常由金属离子或过渡金属离子构成，它们的光致变色性能主要与配位键和晶体结构有关。
在研究中，不同的策略被采用来实现光致变色材料的设计与制备。
一种常见的方法是通过结构改变来调节材料的颜色。
例如，通过调整分子结构和键合方式，可以改变材料的能带结构，从而改变其吸收和发射光谱，实现光致变色。
另外，一些特殊的材料结构，例如纳米结构和多孔结构，也被用来制备光致变色材料。
这些结构可以通过改变光的散射和衍射来调节材料的颜色。
另一种方法是通过添加外部刺激剂来触发材料的光致变色。
光致变色材料可以受到光、热、电磁场等多种刺激的影响，对于不同的刺激剂有不同的响应。
例如，一些光致变色材料可以在紫外光照射下发生激发态吸收，从而改变颜色。
而另一些材料则可以通过温度的变化来实现光致变色。
这种方法可以通过控制外部刺激剂的强度和频率来实现材料的精确调控。
光致变色材料还有一种重要的应用是在信息存储和显示技术领域。
光致变色材料可以通过局部照射来改变其颜色，从而实现可见光下的信息写入和擦除。
这种存储方式具有非接触、非破坏性等优点，对于高密度信息的存储和读取具有潜在的应用前景。
此外，光致变色材料在可调谐光学器件和光电子设备中也发挥着重要的作用。
智能材料在可穿戴设备中的应用
智能材料在可穿戴设备中的应用伴随着科技的快速发展，人们生活中的各个方面都得到了极大的改善，尤其是在科技与服装的结合方面，如今已经出现了许多实用性与时尚性都俱佳的可穿戴设备。
其中一个重要的因素就是智能材料的应用。
智能材料可以根据外部变化做出相应的反应，这让它们成为可穿戴设备的主要材料，从而提高了设备的便携性、功能性以及舒适度。
智能材料种类智能材料种类多样，根据特性不同可以分为以下几种：1. 压电智能材料压电智能材料是一种重要的智能材料，它们可以根据电磁力变形。
压电智能材料可在变场感应下让自身形态产生变化，有着很大的应用潜力，被广泛应用在可穿戴设备、健康监测等领域。
2. 形状记忆合金智能材料形状记忆合金智能材料可以实现在储能状态下合金的形状记忆效应，即在记忆区域快速变形后迅速返回原来的形状。
这种材料可以应用于生产发动机、汽车零部件、医疗机器人等等。
3. 光致变色智能材料光致变色智能材料可以根据光的强弱变化可变换颜色。
通过控制光线照射的方式，便可以使智能材料对物质的敏感度增强，这种材料可以应用于制作实验室设备及光电子设备。
智能材料的应用智能材料在可穿戴设备中的应用主要体现在以下几个方面：1. 温度感应有些智能材料可以根据温度变换形状，比如，可以将智能材料嵌入服装中，做成可以根据气温更改形态的服饰。
2. 健康监测通过使用智能材料作为传感器，可穿戴设备可以监测血压、心率等健康指标，并实时将数据发送到手机等平台上，用户可随时掌握自己的身体状况，给出针对性的健康建议。
3. 运动监测可穿戴设备可以利用智能材料实现运动监测，如监测用户的运动数据，包括跑步的卡路里消耗、心率变化、睡眠质量等，为用户提供更精准的运动指导。
未来展望可以预见，智能材料会在可穿戴设备行业中得到越来越广泛的应用，从而让可穿戴设备的体验变得更加智能化、人性化，为人们带来更好的生活质量。
未来，随着技术的进一步发展，智能材料的应用范围还会变得更加广泛，为人们的生活注入更多新的元素。
电致变色的新型智能材料变色龙纤维
无需染色茧丝织彩绸 太仓蚕农成功 养殖彩色蚕茧
在大 Ｉ然 中，野生蚕吐 出来 的丝是五颜六色 的， ｈ 以黄 、绿 、橙 、红为主 。但这些蚕茧产量不高 ，而且
丝 的颜 色 不 均 匀 。如 何 实 现 野 蚕 家 养 ，取 得 高 质 量 的
“ 美麟牌 ”商标荣 获辽 宁省著名商标 ，其 中远红外蚕 丝绵裤、可水洗丝绒毯 、柞蚕丝絮片是 国内外首创 的 拳头产品。 “ 美麟牌 ”柞蚕丝被是 国内唯一获 “ 中国
名牌 ”殊荣 的柞蚕丝产 品，并 以其独特的品质和美誉 度凸显出强势 的竞争力 。公司在多年的研发中 已获得 了多项 国家专利 技术和２ 省级科技 成果 ，在 以 “ 项 科 技创新为理念 ”的推动下 ，公司在柞蚕领域 中脱颖 而
出 ，成 为 中 国柞 蚕行 业 的领 军企 业 。
藁化纤有限责任公司研 制开发。该纤维具有蓄热 、放 热双 向温度调节功能 ，是一种性 能优 良、用途广泛 的
纺织 原料 。该纤维２ ０ 中国国际纺织纱线 （ ０７ 秋冬） 展览 会上展 出以来 ，经不 断攻 克技术难关 ， 日前在吉林化 纤有 限公司短纤 二车间试纺成功 。经检测 ，试纺产品
电致变色的新型智能材料变色龙纤维
一
种如变色龙般敏感的材料 ，目前 由复旦大学高分
子科学系聚合物分子工程教育部重点实验室、先进材料 实验室研制成功。这种具有电致变色的新型智能材料是
天然彩色丝，一直是科技工作者梦寐 以求的 目标 。 苏州大学蚕 桑研究所从２ 世纪９ 年代起 就致 力于 Ｏ ０ 彩色茧的研究，２ ０ 年，苏大与柬埔 寨合作 ，在柬埔 ００
光响应智能材料
光响应智能材料
1. 光致变色材料
这类材料在光照下会发生可逆的颜色变化,常见的有溶液型和固体型光致变色材料。
它们被广泛应用于光敏打印、光存储、智能窗户等领域。
2. 光致形变材料
当光照射到这些材料时,它们会发生可控的弯曲或扭曲形变。
这种性质可用于制造光驱动微型机器人、智能遮阳系统等。
3. 光致凝胶材料
这是一类由高分子网络和溶剂组成的凝胶材料,在光照下会发生体积相变或形状变化。
它们可应用于人工肌肉、智能阀门等领域。
4. 光致液晶材料
当光照射到这种材料时,其液晶排列方式会发生改变,从而导致光学性质的可逆变化。
这一性质使其成为光开关、全息存储等的理想选择。
光响应智能材料的独特性质,为材料科学和相关应用领域带来了新的机遇和挑战。
未来,通过分子设计和材料改性等手段,人们将开发出更多种类的光响应智能材料。
智能材料及其在汽车制造行业中的应用
智能材料及其在汽车制造行业中的应用智能材料是近年来新兴的材料科学研究领域，它采用了物理、化学、生物等学科的交叉方法，将传感、控制、信息处理三者融为一体，形成了具有自适应、自修复、自对准等智能性质的材料。
在汽车制造行业中，智能材料的应用可以提高汽车的安全性、舒适性和节能性，具有广阔的发展前景。
一、智能材料的种类及特点智能材料主要包括形状记忆合金、光致变色材料、液晶聚合物、压电材料、磁致伸缩材料等。
这些材料都具有一些特殊的性质，比如可以自主变形、自适应、自修复等，这些特性使得智能材料具有许多广泛的应用。
形状记忆合金是目前应用比较广泛的一种智能材料，它可以发生记忆效应，即在特定外界条件下，由变形态转化为所设定的原始形态。
这种材料因此具有自适应、自动控制的效果，被广泛应用于汽车制造行业中。
压电材料可以在受到电场、压力、温度等外界条件的作用下发生形变和应力的变化，这些特殊的性质使得压电材料能够被广泛应用于汽车的控制系统之中。
比如，目前的汽车ABS制动系统中就采用了压电陶瓷的压力传感器。
液晶聚合物属于一种新型的可光透性的机械设备结构材料，其采用液晶分子的取向变化来实现自动调节透光度。
这种材料因而具有一定的舒适性和节能性，被广泛应用于汽车的隔热和光控玻璃中。
二、智能材料在汽车制造行业中的应用智能材料在汽车制造行业中的应用,主要表现在以下几个方面。
（一）安全性能提升智能材料的应用可以有效提升汽车的安全性能。
其中形状记忆合金在汽车碰撞预警系统中得到广泛应用，其中碰撞传感器、缓冲装置等部分采用了形状记忆合金材料，在车辆碰撞时形状记忆合金材料会自动恢复原始形态，从而缓冲撞击力量，减少车辆损毁和乘员伤害。
同时，压电材料也可以被广泛应用于汽车的安全系统中，如侧面碰撞、车门和车窗破碎等情况，使用压电材料使得车辆可以自动弹开，从而保护车内乘员的安全。
（二）舒适性提高智能材料的应用也可以提高汽车的舒适性。
例如，光致变色材料可以被应用于车窗上，让驾驶员和乘客根据阳光的强度自动调节车内透光度。
(智能材料与结构系统)第2章智能材料
(智能材料与结构系统)第2章智能材料1. 引言智能材料是一种能够响应外部刺激并改变其物理性质的材料。
它具有智能感知、自适应调节和灵活响应等特点，在许多领域都有着广泛的应用。
本章将介绍智能材料的概念、分类和应用等内容。
2. 智能材料的概念智能材料是指能够基于外部刺激作出一定响应的材料。
这种响应可以是物理性质的改变，如形状、颜色、光学特性等，也可以是化学性质的改变，如溶解度、反应速率等。
智能材料可以感知环境变化或接收控制信号，并作出相应的动作。
智能材料可以分为两类：一类是被动响应型智能材料，另一类是主动响应型智能材料。
被动响应型智能材料是指在外界刺激下发生物理性质的变化，如热敏材料、压敏材料等。
主动响应型智能材料是指能够根据外界刺激主动改变其物理性质的材料，如形状记忆合金、光敏材料等。
3. 智能材料的分类智能材料可以根据其响应机制进行分类。
常见的智能材料分类包括形状记忆材料、光敏材料、热敏材料、电致变色材料等。
3.1 形状记忆材料形状记忆材料是一类能够在外界刺激下恢复其原始形状的材料。
形状记忆效应是指材料在经历过塑性变形后能够回复到其原始形状的能力。
常见的形状记忆材料包括形状记忆合金和形状记忆聚合物等。
3.2 光敏材料光敏材料是能够对光信号做出响应的材料。
光敏材料可以根据光信号的不同强度、波长和频率做出不同的响应。
光敏材料广泛应用于光电子器件、光学器件和光学传感器等领域。
3.3 热敏材料热敏材料是能够对温度变化做出响应的材料。
热敏材料可以根据温度的不同改变其物理性质，如导电性、热导性等。
热敏材料在温度控制、温度传感器等领域有着广泛的应用。
3.4 电致变色材料电致变色材料是能够在受到电场刺激时改变其颜色的材料。
电致变色材料广泛应用于智能窗户、显示器件和光学涂层等领域。
4. 智能材料的应用智能材料在许多领域都有着广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：•智能结构：智能材料可以用于构建智能结构，如形状记忆合金用于航空航天领域中的控制杆；光敏材料用于自动调节建筑窗户的透光度。
电致变色智能材料的应用与发展
电致变色智能材料的应用与发展首先，电致变色智能材料在光学器件领域具有重要应用。
例如，电致变色智能材料可以被用于制造智能调节车窗玻璃，通过调节材料的颜色，可以有效地遮挡紫外线和可见光，降低车内温度，提高驾驶舒适性。
此外，它还可以应用于智能调节窗帘、智能手表表盘等产品，实现光的调节和屏蔽。
其次，电致变色智能材料在建筑领域也具有巨大潜力。
它可以被用于制造智能调节玻璃窗，通过调节材料的颜色和透明度，实现室内光线的调节和屏蔽，有效降低太阳能的透过量，达到节能环保的目的。
此外，电致变色智能材料还可以应用于建筑外立面等场合，实现建筑外观的美化和装饰效果。
此外，电致变色智能材料还可以应用于电子产品领域。
例如，它可以被用于制造智能手机屏幕，通过调节材料的颜色和亮度，实现对屏幕显示效果的改变，提高用户体验。
另外，电致变色智能材料还可以用于制造智能眼镜、智能手表等电子产品，实现屏幕显示和信息交互的智能化。
除了上述应用外，电致变色智能材料还有许多其他潜在的应用领域。
例如，它可以被应用于环境监测领域，通过材料颜色的改变可以反映环境中各种污染物的浓度和类型，实现实时监测和警告。
此外，电致变色智能材料还可以应用于纺织品领域，实现智能调节衣物颜色和透明度，为用户提供更加舒适和个性化的服饰体验。
总的来说，电致变色智能材料具有广泛的应用前景和发展潜力。
它在光学器件、建筑、电子产品等领域中的应用正在逐渐取得突破，并且有望在其他行业中得以应用和发展。
随着科学技术和工程的不断进步，电致变色智能材料的性能和应用领域还将不断拓展，为人们的生活和工作带来更多便利和创新。
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13 螺噁嗪类化合物是20世纪70年代在螺吡喃基础上发展 起来的光致变色化合物。 合成方法、光谱性质及光致变色反应机理等与螺吡喃 类化合物相似。 螺噁嗪类化合物的分子结构与光致变色反应见式2。
螺环化合物的闭环体通常为无色或浅色，在光激发 下使螺原子环系的碳-杂原子单键发生异裂，形成 一个大的π共体系，从而使其吸收光谱红移而显色， 颜色变化明显。
1
第七章 智能变色材料
世界正因为有了颜色而五光十色，生活正因为有 了颜色而变得多姿多彩，这一切都来自于大自然的馈 赠和人类的聪明才智。随着科技一日千里，人类已经
2
能用多种方式来表现颜色、应用颜色，其中变色材料
的研制和应用给我们带来耳目一新的“多彩”生活。
在外界激发源的作用下，一种物质或一个体系发
生颜色明显变化的现象称为变色性。在气体、液体或
4
光致变色是一种可逆的化学反应，这是一个重要的 判断标准。在光作用下发生的不可逆反应，也可导致颜 色的变化，只属于一般的光化学范畴，而不属于光致变 色范畴。
λA和λB分别代表化合物A和B的最 大吸收波长。当使用λA波长的光照 射化合物A时，化合物A会发生一 定的反应生成化合物B，表现在紫 外可见光谱上，就会导致A的吸收 逐渐减弱，而B的吸收逐渐增强。 此过程在外观上一般都会表现出颜 色的加深，称为光成色过程。反过 来，当使用λB波长的光照射化合物 B时或物质B吸热时，会出现相反 的现象，此过程一般称为光消色过 程。
桥环化合物
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俘精酸酐是丁二酸酐的二亚甲基衍生物，通过价键 互变异构发生分子内周环反应，产生光致变色现象。 俘精酸酐类变色材料具有良好的光、热稳定性和抗 疲劳性，存储寿命长。 光致变色反应见式3：
15 杂环基取代的二芳基乙烯类化合物在紫外光激发下， 化合物顺旋闭环生成显色体，而显色体在可见光照 射下又能发生相反的变化，即周环化反应； 近年来研究最为广泛； 具有良好的光致变色性、热稳定性、抗疲劳性及响 应速度快等诸多优点； 典型g+ + Clhv1 hv2，Δ
Ag0 + Cl0
不吸收可见光, 呈透明态
对可见光强烈吸收, 呈着色态
★着色过程：变暗与退色相互竞争达到稳定着色程度
★添加Br或I，使敏感性移向长波长
★添加敏化剂(CuO) ，提高着色灵敏度
Ag+ + Cu
+
hv1 hv2，Δ
Ag0 + Cu2+
★得到特定色调：引入着色剂：锰、钙、钴、镍等 的氧化物
开环-闭环型变色分子 结异构型变色分子 氧化还原型变色分子
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1、开环-闭环型变色分子 主要包括若干杂环和芳环组成的螺环化合物和桥环 化合物。 螺环化合物主要有螺吡喃类、螺噁嗪类衍生物。 桥环化合物主要有俘精酸酐类、二芳杂环基乙烯类 和吲哚啉噁唑烷类衍生物。
螺环化合物
12
螺吡喃是最早进行研究且研究较广泛深入的一类有 机光致变色化合物。 光致变色现象在1952年被发现 生色过程是通过分子中的C-O键发生异裂，导致构 象的转换和电子的重新排布，生成具有共轭结构的 开环化合物。 变色反应见式1：
5
正常状态 第二种状态
光线移开
一种颜色(或者无色) 第二种颜色
暴露在光或其它适当波长范围的辐照之下
原来的状态
原来的颜色
6 光致变色的材料早在1867年就有所报道，但直至 1956年Hirshberg提出光致变色材料应用于光记录 存储的可能性之后，才引起了广泛的注意。
随着科学研究的不断深入，对光致变色的定义除 了单分子反应体系外，还包括多组分反应模式、 环式反应模式(多稳态可逆反应模式)、多光子光致 变色反应体系。
7
具有实际应用的光致变色材料需具备以下特征: ①A，B必须有足够的热稳定性； ②A，B必须有足够长的循环寿命，即较高的耐疲 劳性； ③A，B的吸收光谱至少有一个在可见光区； ④A，B的响应速度应足够快； ⑤A，B的变色反应灵敏度高； ⑥A，B具有足够的稳定性； ⑦A，B的颜色视差显著； ⑧合成工艺简单，成本低廉。 其中最重要的是呈色体必须有足够的热稳定性 和耐疲劳性。
固体中都可以观察到变色性，外界激发源可以是光、
电、热和压力等。
3
变色玻璃
当作用在玻璃上的光强、光谱组成、温度、热 量、电场或电流产生变化时，玻璃的光学性能将 发生相应的变化，从而使其在部分或全部太阳能 光谱范围内从一个高透态变为部分反射或吸收态， 使玻璃发生变色反应,也可根据需要动态地控制穿 透玻璃的能量。
类型: 光致变色
电致变色 热致变色等
7.1 光致变色材料
光致变色(photochromism)现象是指一个化合物 (A) 在受到一定波长的光辐照下，可进行特定的化学反应， 获得产物(B)，由于结构的改变导致其吸收光谱发生明显 的变化(发生颜色变化)，而在另一波长的光照射下或热 的作用下，又能恢复到原来的形式。这种在光的作用下 能发生可逆颜色变化的化合物，称为光致变色化合物。
实用的光致变色材料
有机化合物； Zn、Cd、Hg、Cu和Ag的一些无机化合物
光致变色玻璃：在光的激发下发生变色反应的玻璃 原理： 在某些玻璃组成中添加了很细的 AgCl 微晶。当 紫外线辐照时，离子Ag+还原成原子Ag。此时银原子 团簇影响光的入射，产生深色效应；在没有紫外线 照射时，Ag原子转变为离子Ag+，原子团簇解体，镜 片褪色。
光致变色玻璃的组成
基体：碱金属硼硅酸盐玻璃 Ag浓度：0.2～0.7％(质量百分数)
10
卤素：Cl、Br和I或它们的结合，浓度：千分之几
敏化剂浓度：0.01％
典型情况
卤化银粒子平均直径：＜10nm
颗粒的平均间距：50-80nm
体积浓度：1015-1016个/cm3
有机光致变色材料
根据光致变色机理可大致分为：
2、结构异构型变色分子 分子结构的异构：顺反异构、构象异构、互变异构、 几何异构和单聚-多聚异构 偶氮类和席夫碱类化合物是结构异构型变色分子的 典型代表 偶氮类化合物通过键的顺反异构化反应而产生颜色 的变化，该类化合物的颜色变化不太明显 光致变色反应见式5：
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17 水杨醛缩苯胺类席夫碱是席夫碱类光致变色化合 物的典型代表，其光致变色过程涉及质子转移， 显示出由黄到橘红的颜色变化。 特点：抗疲劳性好，不易光化学降解，成色-消色 循环可达到104~105次；光响应速度快。 其变色反应见式6：