本文作者：孫熊、姜懷 單位：上海工程技術大學

基于智能材料對外界刺激反饋的不同作用原理，可以著重研究溫敏、光敏、磁敏等智能材料及組元，來開發具有多用途、特殊功能的智能紡織品。由具有形狀記憶功能的纖維織制的紡織品并包含藥物，可以在醫療領域用作智能繃帶。如經聚乙二醇處理過的棉、聚酯或尼龍／聚氯酯共聚纖維，含有交聯的多元醇，這種編織或機織的紡織品遇到血液或酒精/水混合物等極性消毒溶液時會收縮。用這種紡織品做繃帶，它在血液中收縮時使傷口上所產生的壓力可以止血，而繃帶干燥時可回復至原始尺寸，壓力去除。因此，它可以用于身體某些部位出血時的包扎。在醫學領域對患者的診斷需要大量的觀測數據，而生物傳感器可測定如溫度、聲音、超聲波、運動、壓力和輻射等參數，因此這些帶有生物傳感器的智能服裝就有了“用武之地”。用塑料光纖傳感器和電子傳導纖維編織而成的“智能T恤”來探測心跳、體溫、血壓、呼吸等生理指標，能將患者的流血傷口愈合情況準確地告訴醫生以協助治療。

此外，近年來興起的納米纖維制備技術如靜電紡絲等制備出的具有良好生物相容性的無紡布納米纖維膜以及載藥介質，可以模擬天然的細胞外基質的結構和生物功能；人的大多數組織、器官在形式和結構上與納米纖維類似，這為納米纖維用于組織和器官的修復提供了可能；一些電紡原料具有很好的生物相容性及可降解性，可作為載體進入人體，并容易被吸收；加之納米纖維還有大的比表面積、孔隙率等優良特性，因此，其在生物醫學領域引起了研究者的持續關注，并已在人工肌肉、創傷修復、生物組織工程等方面得到了很好的應用。

在航空航天領域的應用

航空航天領域使用的材料需要經受住惡劣環境的影響，它需要對自身狀況進行診斷，并能自動加固或自動修復材料中的傷痕或裂紋，從而避免大災難事故的發生。航空航天飛行器的結構要求輕質、高可靠性、高維護性、高生存能力，為此，必須增加材料的智能性。目前智能材料結構在航空飛行器上的應用有智能蒙皮、自適應機翼、振動噪聲控制和結構健康監測等。

未來智能纖維及智能紡織品將會在航空航天領域發揮越來越重要的作用，紡織纖維及其制品如各種結構的預制件應用于航空航天領域不僅可以大幅度減輕器材的重量，而且也會提高整個產品的抗震性，更重要的是紡織纖維及其制品可以賦予器材相應的智能化應用。復合材料在生產過程中的工藝性不穩定，如何避免構件內部的缺陷，對飛機的安全非常重要。智能復合材料結構就能有效解決這一問題，它能夠快速超前地預報損傷點和嚴重程度。光導纖維材料就可應用于對復合材料的狀態進行監測與損傷評估，即在材料或結構的關鍵部位埋置光導纖維及其傳感器制品，這些材料及其特殊結構能夠對疲勞、腐蝕、沖擊、磨損或操作失誤、溫度等環境條件引起的結構損壞實現及時探測、定位并作出評價，并可在損壞到達臨界狀態之前發出警告，以便及時對構件進行修理或更換。

在航空領域，高性能纖維制品增強復合材料具有重要用途，未來在復合材料的設計和應用上，可以通過纖維的智能化或者植入具有智能功能的組元，來獲得整體上具有智能作用的部件。通過在纖維中加入溫敏物質來獲得溫敏纖維，并制造發動機外罩，這樣可以監控發動機的工作情況，同時可以減輕發動機的震動。未來航空航天領域凡需要智能材料發揮作用的部件，可以嘗試通過材料的智能化設計、智能組元的植入，結構的特殊化設計等來實現，例如航天員用的多功能宇航服等。

智能自修復紡織品能夠感受外界環境的變化，集感知、驅動和信息處理于一體，形成類似于生物體的具感知、自診斷、自修復功能的材料。這種材料及紡織品的自修復功能主要是將內含黏結劑的空心膠囊或玻璃纖維滲入材料中，一旦材料在外力作用下發生開裂，部分膠囊或纖維破裂，粘接液流出滲入裂紋，粘接液可使材料裂紋重新愈合，空心膠囊或玻璃纖維內部含一種催化劑或促進劑，一旦材料在外力作用下發生開裂，部分膠囊或纖維破裂，催化劑或促進劑流出促使材料內部產生生化反應而自動愈合。用這種材料預制件制備的增強復合材料，可作為飛機的機翼材料或者航天器的器件，這種材料在使用過程中，如果出現部分損壞，能夠及時修復，使材料的整體功能不至于突然喪失，減少事故的發生。

在環境衛生領域的應用

環保用智能紡織材料在未來環境領域將會有重要的應用前景，比如具有清潔功能的智能紡織品，它的開發可以沿著兩條思路進行，一是利用紡織品表面特有的幾何尺寸的形狀界面結構，經過材料界面技術處理后，由于織物表面尺寸低凹的表面可使吸附氣體原子穩定存在，所以在宏觀表面上相當于有一層穩定的氣體薄膜，使油和水無法與材料的表面直接接觸，從而顯示出卓越的拒水和拒油性能，而對纖維的原有理化性能如纖維強度、染料親和力、透氣性等沒有影響，甚至還能增加殺菌、防輻射、防霉等特殊效果。當這類材料表面粘附灰塵后，在有水滴出現時，水滴就會將灰塵帶走，還原來紡織品表面一個清潔的原貌。這就是所謂的抗灰塵、防水智能紡織品。另一條途徑是通過紡織品后整理，通過在纖維表面改性整理，引入具有光催化降解功能的二氧化鈦，紡織品在紫外光照射下，其表面的有機污染物被分解，進而被去除，恢復到原有的清潔表面。

在軍事領域的應用

在軍事方面智能材料也有應用優勢。如智能材料應用于潛水艇上，能夠改變形狀，清除湍流，使流動的噪聲減弱，潛艇隱蔽性更好，這些智能材料或其組元材料可以通過使用特種紡織纖維或紡織品織物來實現。

自然界中，蜘蛛絲具有很高的強度、很高的彈性和韌性，能夠捕捉昆蟲。通過模仿蜘蛛絲的這種特殊結構，研究人員利用嵌段的軟段聚氨酯與硬段聚氨酯制成彈性纖維，用這些彈性纖維織成的紡織品在一定受力范圍內具有良好的彈性恢復能力，也即是具有形狀記憶功能。這種紡織品有望應用于水下潛艇表面或飛機機翼表面上智能系統的組元部件。當潛艇在水下航行時，由于水的阻力，其表面能夠適應阻力而變形，這樣能夠減小潛艇的整個阻力，當潛艇停止航行時，其表面又恢復原樣。

現代戰場情況十分復雜，士兵應穿高度智能化的作戰服。服裝能夠感知可能來臨的危險，避免生化武器和自然環境帶來危害，既有隱蔽功能，還要輕便、易穿著。未來的這種智能作戰服設計思路，可從自然界仿生學的角度出發來設計其功能。如松果殼根據環境濕度能夠自動開啟和閉合；水藻的眼點對不同的光會呈現出不同的顏色；含羞草對外界的刺激會作出收縮曲張反應。根據自然界中這些奇特的現象，可以通過士兵穿著服裝上的傳感器探測其周圍的氣體，當探測到某種毒氣時，傳感器發出信號使頭盔中的透氣孔自動關閉，避免士兵受毒氣傷害；由對不同光照具有變色功能的纖維制成的作戰服，在一定條件下，能夠更好地隱蔽；嵌有生化感應器和超微感應器的軍服，可監測士兵的心率、血壓和體表溫度等指標，辨別出受傷部位，使該部位周圍的軍服收縮，并釋放出軍服自備的消毒抗菌材料或血凝藥物等，具有一定的治療功能。

未來智能紡織品在作戰軍服上的應用是一個多學科交叉的問題，涉及仿生學、材料學、化學、物理、機械和電子技術等領域。隨著納米技術的興起，它與智能紡織材料的結合，將為今后納米智能紡織品的研究與開發提供巨大的空間。如美國最新研制的納米軍裝及納米防彈頭盔，頭盔中的超微計算機具有防護、通訊、指揮分析以及全天候火力瞄準等功能；軍服材料上的納米太陽能傳導電池與超微存貯器相連，確保整個系統的能量供應。當遇到生化攻擊時，服裝材料內的織物分子就會發生變化，不讓生物毒素進入身體內部。通過傳感器植入技術，在其中嵌入一些光導纖維傳感器，一旦傳感器接觸到某些氣體、電磁能、生物化學或其他有毒介質時，被激發產生一種報警信號，提醒暴露在有毒氣體中的士兵，以提高生存能力，這就是傳感器檢測智能作戰服。

此外，指揮系統最好能夠掌握每位士兵在戰場上的情況，這就需要一種智能定位紡織品或者將此項功能加入到作戰軍服上。這種服裝配有個人局域網、全球定位系統、電子指南針及速度檢測器。衣服中的個人局域網有數據傳輸、功率和信號控制等功能，可以聯入幾個裝置，它們通過一個配有小型顯示器的遙控設備進行集中控制，小型顯示器可以置于衣袖上或佩戴在頭上。

在建筑領域的應用

利用智能材料的自診斷、自調節、自修復功能，可快速檢測環境濕度、溫度，取代溫控線路和保護線路；利用熱電效應和熱記憶效應的聚合物材料可用于智能化多功能自動報警和智能紅外攝像，取代檢測線路；利用智能纖維制作的混凝土，可取代復雜的檢測線路。未來智能紡織品在建筑領域的應用主要可以從材料本身的智能特性和具體使用環境角度考慮，利用智能纖維或紡織品的特性來構筑智能混凝土，使之成為具有自感知、記憶、自適應、自修復等特性的多功能材料。這些特性可以有效地預報混凝土材料內部的損傷、滿足結構自我安全檢測需要、防止結構潛在的脆性破壞，并能根據檢測結果自動進行修復，從而顯著提高混凝土結構的安全性和耐久性。

將碳纖維和玻璃纖維強化的樹脂置于混凝土中，碳纖維是導體，假如碳纖維混凝土受壓炸裂，切斷碳纖維，整個建筑物的電阻增加，導電量改變，成為建筑物出現問題的信號，而玻璃纖維卻仍保持完好，使建筑物不至于突然坍塌。這種特殊的混凝土可以用于海底建筑物，也可以用于建筑高速公路和跨海大橋。隨著自修復材料的發展，具有自修復功能的智能纖維及其制品也可以應用到這種混凝土中，當混凝土發生開裂時，隨著纖維的斷裂，會從纖維中釋放出“黏結劑”把裂紋牢牢地焊接在一起，對混凝土的斷裂起到一定的修復作用。

在混凝土磚及大壩上，工程結構的過量位移或變形會導致結構失穩并造成破壞。運用光纖技術可以實現對大壩結構連續可靠的監測。將光纖位移極限信號裝置潛入土工布，置于大壩底端或相應的中間層中，可用于檢測大壩縫隙變化，光纖應變計可用于縫隙或不透水瀝青混凝土水壩狀態變化的長期監測，環形光纖傳感器分為兩路，分別連接壩體的兩邊，用一特別的材料封裝在大壩混凝土中心。當應變計用力鎖定模式安裝時，徑向變化可引起傳感器傳輸性質的變化。光纖技術的這一特性，能為大水壩、橋梁和重要性的工程結構所用，實現結構的在線檢測和傷害評估。

在日常生活領域的應用

隨著高科技的發展和材料科學的進步，材料的加工技術日新月異，這給智能材料尤其是智能紡織品的發展帶來了新的契機。智能纖維、智能紡織品以及由他們作為組元材料構建的智能系統，不但在生物、醫學、航空航天、環境衛生、軍事、建筑等領域發揮著重要作用，而且在人們日常生活中的應用也越來越廣泛。

隨著生活水平的提高，人們對服裝的追求不再是簡單的保暖御寒，越來越多的新穎、特殊且智能的元素被引入進去，不僅滿足了人們的基本需求，而且實現了一些特殊的功能。如變色紡織品，與普通紡織品一樣穿著舒適，可隨意折疊、洗滌和進行各種整理，在此基礎上植入其它特殊功能，同時各種電子產品直接嵌入面料中，使變色紡織品與普通紡織品看起來沒什么兩樣。尤其是針對普通消費者的紡織品，不僅要有強大的功能性，還要符合美學和時尚的要求，它需要將時尚與科技結合到紡織品中，才能被人們所喜愛。智能防水透紡織品是使水滴（或液滴）不能滲入織物，而人體散發的汗氣能通過織物擴散傳遞到外界，不致于在衣服和皮膚間積累或冷凝，感覺不到發悶現象的功能性織物。它是在人類為抵御大自然的侵害、不斷提高自我保護的情況下出現的，集防風、雨、雪；御寒保暖；美觀舒適于一身的高技術紡織品。以蓄熱調溫纖維基元材料開發的智能保溫紡織品，具有積極式的主動保溫功能，穿著智能調溫紡織品的人體與外界環境之間的熱量流動減少或者被中斷，從而在人體與外界環境之間建立一種相對的動態熱平衡，對人體起到積極的溫度調節作用。不僅能令人們在嚴冬感到溫暖如春，在酷暑也能感到絲絲涼意。形狀記憶纖維可以制成不同的產品，如泳衣、緊身衣等。可以直接機織成針織品、襪口和其他衣物的領口、袖口。此外，通過在服裝中植入智能元件和電子產品，可開發音樂服裝、電子服裝等，隨著今后電子信息技術的發展和應用，智能電子服裝必將受到越來越多的關注，多功能與多智能化將成為主流趨勢。此外，一些特殊的智能材料如光致變色纖維、熱致變色纖維和溫敏變色纖維及其組元系統，已被逐漸應用在床罩、燈罩、浴罩、窗簾、汽車內飾等裝飾領域，并且顯示出良好的前景。