智能材料是近年來在世界上興起並迅速發展的材料科學的一個新領域。早在20世紀初，由於科技發展的需要，人們設計和製造出新的人工材料，使材料的發展進入從使用到設計的曆史階段。近幾十年來，科學家們一直致力於把高技術傳感器或敏感元件與傳統的結構材料和功能材料結合在一起，賦予材料嶄新的性能，使它們能隨著環境的變化而改變性能或形狀，就像具有“智能”一樣。
近來，日本東北大學金屬材料科學研究所一位叫小鬆啟的金屬材料專家，不再研究金屬材料，而在研究膽結石、腎結石、牙齒、骨骼、指甲、毛發和細胞膜一類的東西。我們也許感到奇怪：他不是醫生，為什麼要研究膽結石呢？難道想改行嗎？原來他想通過對人體中膽結石、牙齒、指甲和皮膚等能自己生長的材料的研究，尋找一種“智能”材料。
它要求材料體係集感知、驅動和信息處理於一體，形成類似生物那樣的具有智能屬性的材料，具備自感知、自診斷、自適應、自修複等功能。
智能材料的提出有理論和技術基礎。早在20世紀初，人工材料的設計和製造使材料的發展進入從使用到設計的曆史階段。20世紀50年代之後，人們提出了自適應係統，即智能化係統。在智能結構發展過程中，人們越來越認識到智能結構的實現離不開智能材料的研究和開發。例如，1988年4月28日波音737客機在美國出現災難性斷裂事故之後，美國為避免服役飛機發生類似事故，認為飛機應有自我診斷和及時預報係統，並通過議案，要求三年內完成Smart飛機的概念設計。於是，1988年9月，美國陸軍研究辦公室組織了首屆智能材料、結構和數學的專題研討會。1989年日本航空-電子技術審議會提出了從事具有對環境變化做出響應能力的智能型材料的研究。從此，這樣的會議在國際上幾乎是每年一屆。由已公布的資料來看，美國的研究較為實用，是應用需求驅動了研究與開發；日本偏重於從哲學上澄清概念，目的是創新擬人智能的材料係統，甚至企圖與自然協調發展。因此，開始時美、日分別用“機敏”（smart）和“智能”（intelligent）一類定語，隨著這種材料的出現，人們已逐漸接受“智能材料”這一概念。
智能材料可以分為兩類：一類是對外界（或內部）的刺激強度（如應力、應變、熱、光、電、磁、化學和輻射等）具有感知的材料，通稱感知材料，用它可做成各種傳感器；另一類是對外界環境條件（或內部狀態）發生變化做出響應或驅動的材料，這種材料可以做成各種驅動（或執行）器。智能材料是利用上述材料做成傳感器和驅動器，借助現代信息技術對感知的信息進行處理並把指令反饋給驅動器，從而做出靈敏、恰當的反應，當外部刺激消除後又能迅速恢複到原始狀態。這種集傳感器、驅動器和控製係統於一體的智能材料，體現了生物的特有屬性。例如，半導體技術，可以使材料與器件集成封裝在一小塊芯片上，通過各種具有傳感性能的材料使各類信息（如力、聲、熱、光、電、磁、化學信息）互相轉換和傳遞。如果能把感知、執行和信息等三種功能材料有機地複合或集成於一體，實現材料智能化就易如反掌。
智能材料是繼天然材料、人造材料、精細材料之後的第四代功能材料。因為現在可用於智能材料的材料種類不斷擴大，所以智能材料的分類也隻能是粗淺的，分類方法也有多種。一般若按功能來分可以分為光導纖維、形狀記憶合金、壓電、電流變體和電（磁）致伸縮材料等。若按來源來分，智能材料可以分為金屬係智能材料、無機非金屬係智能材料和高分子係智能材料。目前研究開發的金屬係智能材料主要有形狀記憶合金；無機非金屬係智能材料在電流變體、壓電陶瓷、光致變色和電致變色材料等方麵發展較快；高分子係智能材料的範圍很廣泛，包括形狀記憶複合材料、智能高分子黏合劑、智能型藥物釋放體係和智能高分子基複合材料等。它們正日益受到各方麵的關注，從其結構的構思、智能結構的新製法到新型智能材料的研究和開發都十分活躍。
8.1揮之不去的形象——形狀記憶合金
提及一般的金屬材料，如金、銀、銅、鐵、鋁等，人們大都耳熟能詳，如數家珍。但是，您聽說過有“記憶”本領的金屬材料——形狀記憶合金嗎？傳統觀念認為，隻有人和某些動物才有“記憶”的能力，非生物是不可能有這種能力的。難道合金也會和人一樣具有記憶能力嗎？答案是肯定的，形狀記憶合金就是這樣一類具有神奇“記憶”本領的新型功能材料。
1963年，美國海軍軍械研究室在一項研究中發現，將彎彎曲曲的鎳鈦合金絲一根根地拉直後，當它們的溫度升到一定值的時候，這些已經被拉得筆直的合金絲，突然又魔術般地迅速恢複到原來彎彎曲曲的形狀，而且和原來的形狀絲毫不差。再反複多次試驗，每次結果都完全一致，被拉直的合金絲隻要達到一定溫度，便立即恢複到原來那種彎彎曲曲的模樣。就好像在從前被“凍”得失去知覺時被人們改變了形狀，而當溫度升高到一定值的時候，它們突然“蘇醒”過來了，“記憶”起了自己原來的模樣，於是便恢複了自己的“本來麵目”。
實驗科學家們把這種現象稱為形狀記憶效應。具有這種效應的合金稱為形狀記憶合金。鎳鈦合金的轉變溫度為40℃，也有人將其形象地稱之為“喚醒溫度”或“記憶溫度”。
經過幾十年的研究和探索，科學家們又相繼發現了銅鋁鋅合金、銅鎳鋁合金、鐵鉑合金等多種形狀記憶合金。這些形狀記憶合金能“記住”以前的形狀，從本質上講，是由合金內部微觀結構固有的變化規律決定的。固態金屬合金中，原子是按一定的規律有序排列的。但隨著環境溫度的變化，有些合金的內部原子的排列方式會隨之發生變化。當溫度回到原來的數值時，合金內部原子的排列又會恢複到原來的排列方式。
形狀記憶合金不僅單次“記憶”能力幾乎可達百分之百，即恢複到和原來一模一樣的形狀，更可貴之處在於這種“記憶”本領即使重複500萬次以上也不會產生絲毫疲勞斷裂。因此，形狀記憶合金享有“永不忘本”“百折不撓”等美譽。
人們常說螞蟻有本事，是因為即使是當今奧運會舉重冠軍也不過僅能舉起自身重量的2倍左右，而螞蟻卻能舉起自身重量的20倍。但是若與形狀記憶合金相比，螞蟻就隻能甘拜下風，因為形狀記憶合金（以鎳鈦合金為例）的出力本領可達自身重量的100倍以上。形狀記憶合金能撐起自身重量100倍以上的重量，電動機的驅動力可達自身重量的50倍，而螞蟻和人則分別是20倍和2倍。由此可見，形狀記憶合金才是名副其實的大力士。
8.1.1形狀記憶合金的發展曆程
形狀記憶合金是一種新型的功能材料，它已成為功能材料領域的研究熱點之一。最早在金屬中發現形狀記憶效應可追溯到20世紀30年代。1938年，美國的Greningerh和Mooradian在銅鋅合金中發現了馬氏體的熱彈性轉變。隨後，蘇聯的Kurdiumov對這種現象進行了研究。1951年，Chang和Read在金鎘合金中用光學顯微鏡觀察到馬氏體界麵隨溫度的變化而發生遷移，這是最早觀察到金屬形狀記憶效應的報道。然而在當時，這些現象的發現隻被看作是個別材料的特殊現象而未能引起人們足夠的興趣和重視。直到1963年，美國海軍武器實驗室Buehler等人開發並成功研製出具有實用價值的鎳鈦記憶合金後，才廣泛引起了人們的興趣，對形狀記憶合金的研究從此進入了一個新的階段。1969年，Raychem公司首次將鎳鈦合金製成管接頭應用於美國F14戰鬥機上；1970年，美國將鎳鈦記憶合金絲製成宇宙飛船用天線。這些應用大大激勵了國際上對形狀記憶合金的研究與開發。從此以後，形狀記憶合金開始廣泛應用於生產、生活的各個領域。在各國申請的有關形狀記憶合金的技術專利已逾萬件，投入市場付諸應用的實例已有上百種。同時，隨著智能材料、智能機構研究的興起，又將形狀記憶合金的應用推向了更廣泛的領域。目前，有關形狀記憶合金研究的科技論文數已位居馬氏體相變研究領域之首，而且該類材料所涉及的應用領域極其廣泛。