如何表征工程材料的疲劳性能

一、坏事变成好事——从追求材料性能的稳定到利用材料性能的变化

材料是人类文明进步的重要标志之一，材料的每一次进步都会带来人类生活水平的一次质的飞跃，材料科学与技术的进步和发展往往会成为生产力发展的标志，甚至成为一个历史时期的里程碑。进入20世纪之后，各种新材料的产生更是日新月异，越来越受到研究者的重视。从常被人提起的半导体材料、精细陶瓷材料、超导材料、具有特异性能的纳米材料、敏感材料直至近年来出现的一种有“感觉”和“知觉”的仿生智能材料。

通常来说，人们在选择和使用一种材料或用其制作器件的时候，往往期望它的性能稳定不随外界环境的改变而变化。小到一台收音机，比如构成收音机调谐回路的电阻器、电容器或电感线圈的值会随着环境温度、湿度等条件变化而变化，那么就会导致谐振频率的漂移而无法准确收听节目，这是使用者最烦心的事；大到导弹、卫星的发射，由于它在宇空飞行中温度、加速度、气压、辐射强度等条件都会发生激烈的变化，使用环境极为苛刻，这便要求其中的任何一个元器件，乃至任何一种材料的技术参数，都必须保证能精确地控制在某个允许的范围之内，对于性能的稳定性和可靠性有着极其严格的要求，否则将会造成不堪设想的后果，甚至惨重的损失。所以在产品的制作过程中，性能参数的精度和环境试验至关重要，也更为用户关注。

然而参数的绝对精确不变总是不可能做到的，就在人们想方设法精心控制产品精确度的同时，事情往往又会向着它的对立面发展。即人们在其长期的生产实践中，恰恰正是从这种参数不稳定的“坏事”中，得到了非常有益的启示，并巧妙地利用这种不稳定因素发挥重要作用，最终还形成了一个举足轻重的技术领域。比如，当人们发现温度或湿度改变会引起材料的电阻值或电容量（由于介电系数ε值改变）变化时，便产生了一种逆向思维，进而反过来恰当利用这些参数的变化规律来测定温度、湿度等信息。这时，由于矛盾对立的双方发生了逆向变异，反而期望这种不稳定性越大、越严重越好。我们把这种随着外界条件有规律变化的材料称为“敏感材料”（Sensitive Material），通常这些环境的变化包括物理的、化学的和生物的自然信息。随着电子和信息技术的发展，这些引起人们兴趣的“自然信息”首先通过敏感材料，被采集并转换成为“电信息”，然后进行放大、处理和加工，最后再被应用。

广义地说，敏感材料是一种能把物理量、化学量或生物量转变成便于利用的电信号的材料。人们通常将它的敏感功能与人类五大感觉器官相比拟：即光敏材料具有视觉功能，声敏材料具有听觉功能，气敏材料具有嗅觉功能，化学敏材料具有味觉功能，压敏、力敏、热敏材料等具有触觉功能。甚至某些敏感材料更超出了人体器官的感觉能力，比如它们还能够感知眼睛不可见的紫外或红外线辐射，能感知电场和磁场，乃至无色无味的气体等。

不难想象，敏感材料的类别和形式是非常繁复的。读者可根据不同的要求，从不同的角度对其进行分类，如根据性能转换原理（基于物理、化学或生物的效应）、用途、输出信号类型以及材料类别、制作工艺等来分类。物理类可包括：力、热、电、磁、光、声、辐射等敏感材料；化学类包括：化学吸附、电化学反应、离子过程、湿度效应、气体效应等敏感材料；生物类则包括：生理量、生物量、霉特性及免疫特性等敏感材料。如果从另一角度来看，也可按照用途进行分类：力敏（压力、扭力、振动、真空度）、热敏、湿敏、气敏、电磁敏、位移敏、速度及加速度敏、射线辐射敏、生物敏等敏感材料。按照其所用材料的类别则可分为：金属、聚合物、陶瓷敏感材料或导体、绝缘体、半导体、磁性敏感材料。按材料的晶体结构分为单晶、多晶、非晶敏感材料等等，不一而足。

总之，近年来敏感材料及以此制成的传感器已形成了一个十分庞大的产业链。据统计，全球研发机构已达6000余家，产品达20 000余种，目前年产值已从1998年的325亿美元增至2006年的506亿美元。美国国家半导体公司（National Semiconductor）首席执行官 Brian Halla日前在 Semico Summit会议上指出：全球无处不在的传感器，将为半导体及其相关产品和技术带来爆炸式的需求，同时创造了亿万个工作岗位。

敏感材料的外延：智能材料（Intelligent Material）是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，它将支撑着未来高技术的发展，使传统意义上的功能材料和结构材料之间的界线逐渐淡化，从而实现了材料结构的功能化、功能的多样化。科学家们预言，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。