Im Gegensatz zu herkömmlichen Materialien zeichnen sich Smart Materials durch extrem intensive Reaktionen auf eine Veränderung physikalischer Reize wie elektrische oder magnetische Felder aus. Die Philosophie der Verwendung intelligenter Materialien für technische Artefakte besteht darin, das Design und den Bau zu vereinfachen sowie die technische Leistung technischer Produkte zu erhöhen.
Die Reaktion einer (intelligenten) Struktur aus smartem Material ist entweder eine Aktuierung (=Änderung der Form der smarten Struktur) oder sensorisch wie die Erzeugung einer elektrischen Spannung. Smart Materials werden nach ihrer Fähigkeit zur kontrollierten Formänderung und nach sensorischen Funktionen beurteilt.
Diese Materialklasse ermöglicht eine sehr einfache Umsetzung von Funktionen in tragenden mechanischen Strukturen.
Während bei Artefakten wie Maschinen oder Gebäuden diese Funktionen durch das Hinzufügen von Aktoren oder Sensoren realisiert werden, stellen intelligente Strukturen diese Funktionen neben der mechanischen Belastung auf sehr einfache und elegante Weise bereit. Ein Beispiel ist eine aerodynamische Flügelstruktur aus Formgedächtnismetall, die sich bei Temperaturänderungen stark verformt. Anstelle komplexer struktureller Lösungen zur Veränderung der aerodynamischen Form, wie aerodynamische Klappen, machen intelligente Materialien diese technischen Elemente überflüssig.
Bekannte intelligente Materialien sind Formgedächtnislegierungen und Kunststoffe, magnetostriktive Metalle und piezoelektrische Materialien. Die Piezomaterialien haben den enormen Vorteil, dass durch Änderung einer elektrischen Spannung Formänderungen ausgelöst werden können, die von einer elektronischen Steuerung einfach kommandiert werden können. Außerdem sind sie von Natur aus sehr schnell.
Smart Materials wurden intensiv in Forschungsprojekten eingesetzt und in Technologiedemonstratoren getestet. . Formgedächtnismaterialien wurden in Programmen untersucht, um Tragflächen für Flugzeuge zu realisieren, die die aerodynamischen Nachteile von Klappen, nämlich das Öffnen von Spalten in der Tragfläche während des Klappenbetriebs, vermeiden.
In Hubschrauberflügeln wurden piezoelektrische Materialien untersucht, die eine schnelle Formänderung des Tragflügels während der Rotation des Rotors ermöglichen. Diese schnell reagierenden Klingen ermöglichen die Unterdrückung von Vibrationen und Geräuschen. Piezomaterialien eignen sich aufgrund ihrer schnellen Reaktion ideal zur Aufhebung von Körperschallschwingungen in Maschinen oder geräuschdämpfenden Strukturen. Sie schienen sehr attraktiv für Antivibrations- und Antilärmsysteme in Flugzeugrümpfen zu sein.
Der Einsatz von Smart Materials in Flugzeugen wurde intensiv untersucht und demonstriert, wird aber aufgrund des immensen technischen Aufwands bei Prototyping und Qualifizierung wohl noch ein Thema der fernen Zukunft sein. Piezoelektrische Stapelaktoren hingegen werden bereits in ultrapräzisen Inspektionsmaschinen oder Produktionsmaschinen in der Halbleiterfertigung oder wissenschaftlichen Instrumenten eingesetzt. Die aktive Optik im Hubble-Weltraumteleskop ist berühmt für ihre Leistung. Es basiert auf piezoelektrischen Aktoren, die die Form optischer Spiegel anpassen, um die optische Leistung zu verbessern.
Piezoelektrische Materialien haben beide Eigenschaften. Der direkte piezoelektrische Effekt ist eine Sensoreigenschaft. das Bauteil aus piezoelektrischem Material erzeugt bei Krafteinwirkung eine elektrische Spannung. Quarz und Keramiken wie PZT haben diese Eigenschaft. Gleichzeitig verändern Körper aus piezoelektrischem Material unter dem Einfluss einer elektrischen Spannung ihre Form. Dies wird als indirekter piezoelektrischer Effekt bezeichnet.
Piezo-Stacks haben heute die größten technischen und wirtschaftlichen Bedeutung aller bekannten Smart Materials ein. Sie werden vielfach in wissenschaftlichen Instrumenten (Teilchenbeschleuniger, adaptive Optik von Teleskopen) und in fortschrittlichen Industriemaschinen (aktive9 Vibrationsreduktion, höchstpräzise Positionierung etc.) angewendet.