《智能材料》课件.pptx

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智能材料,0720103009杨伟,智能材料基本原理智能材料的使用领域智能材料主要种类小节,.智能材料基本原理,1、什么是智能材料2、智能材料的特征3、智能材料的构成4、智能材料的分类,1、什么是智能材料？

智能材料是二十世纪90年代迅速发展起来的一类新型复合材料。

大体来说，智能材料就是指具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料。

具体来说，智能材料需具备以下内涵：

具有感知功能，能够检测并且可以识别外界（或者内部）的刺激强度，如电、光、热、应力、应变、化学、核辐射等；具有驱动功能，能够响应外界变化；（3）能够按照设定的方式选择和控制响应；反应比较灵敏、及时和恰当；当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。

智能材料的构想来源于仿生学，它的目标就是想研制出一种材料，使它成为具有类似于生物的各种功能的“活”的材料。

独角仙的外壳可以随着外界空气变潮湿其外壳的颜色由绿色变成黑色。

它所呈现的外壳结构特征将成为未来一种智能材料的重要特性，科学家可以依据这种特征研制作为湿度探测器的新型材料，它可用于在食品加工厂监控湿气指数。

2、智能材料的特征,因为设计智能材料的两个指导思想是材料的多功能复合和材料的仿生设计，所以智能材料系统具有或部分具有如下的智能功能和生命特征：

传感功能：

能够感知外界或自身所处的环境条件，如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学、核辐射等的强度及其变化。

反馈功能：

可通过传感网络，对系统输入与输出信息进行对比，并将其结果提供给控制系统。

信息识别与积累功能：

能够识别传感网络得到的各类信息并将其积累起来。

响应功能：

能够根据外界环境和内部条件变化，适时动态地作出相应的反应，并采取必要行动。

自诊断能力：

能通过分析比较系统目前的状况与过去的情况，对诸如系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予以校正。

自修复能力：

能通过自繁殖、自生长、原位复合等再生机制，来修补某些局部损伤或破坏。

3、智能材料的构成,一般来说智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。

（1）基体材料,基体材料担负着承载的作用，一般宜选用轻质材料。

一般基体材料首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀，尤其具有粘弹性的非线性特征。

其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。

（2）敏感材料,敏感材料担负着传感的任务，其主要作用是感知环境变化（包括压力、应力、温度、电磁场、pH值等）。

常用敏感材料如形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色材料、电流变体、磁流变体和液晶材料等。

（3）驱动材料,因为在一定条件下，驱动材料可产生较大的应变和应力，所以它担负着响应和控制的任务。

常用有效驱动材料如形状记忆材料、压电材料、电流变体和磁致伸缩材料等。

可以看出，这些材料既是驱动材料又是敏感材料，显然起到了身兼二职的作用，这也是智能材料设计时可采用的一种思路。

图所示为智能材料的基本构成和工作原理。

4、智能材料的分类,智能材料是继天然材料、人造材料、精细材料之后的第四代功能材料。

按智能材料的功能来分，可以分为光导纤维、形状记忆合金、压电、电流变体和电（磁）致伸缩材料等。

1、在军事领域中的应用2、与现代医学相联系的智能材料3、主动震动声控,二.智能材料的使用领域,1、在军事领域中的应用,目前，在各种军事领域中，智能材料的应用主要涉及到以下几个方面：

（1）智能蒙皮,例如光纤作为智能传感元件用于飞机机翼的智能蒙皮中，或者在武器平台的蒙皮中植入传感元件、驱动元件和微处理控制系统制成的智能蒙皮，可用于预警、隐身和通信。

结构监测和寿命预测智能结构可用于实时测量结构内部的应变、温度、裂纹，探测疲劳和受损伤情况，从而能够对结构进行监测和寿命预测。

减振降噪智能结构用于航空、航天系统可以消除系统的有害振动，减轻对电子系统的干扰，提高系统的可靠性。

（4）环境自适应结构,智能结构制成的自适应机翼，能够实时感知外界环境的变化，并可以驱动机翼弯曲、扭转，从而改变翼型和攻角，以获得最佳气动特性，降低机翼阻力系数，延长机翼的疲劳寿命。

2、与现代医学相联系的智能材料,

（1）人造肌肉因为生物弹性材料能模拟活体生物，而且其力量和反应速度均接近于人体的肌肉。

所以这种材料可以应用于人体组织的修复，而且它们还具有与生物体的相容性，随着伤口的愈合，这种聚合物就会在体内逐渐降解，最后将会消失。

美国加州大学洛杉矶分校的研究人员所制造出的一种人造肌肉,

（2）人造皮肤,人造皮肤智能材料，可以感知温度、热流的变化以及各种应力的大小，并且有良好的空间分辨力。

这种智能材料还可以分辨表面状况，例如，粗糙度、摩擦力等。

（3）人工关节,（4）人造血管,3、主动震动控制,震动会极大地降低工程系统的性能，采用压电材料、形状记忆合金或电致流变体的智能结构均可实现振动的主动控制，提高系统的性能。

在地震多发区应用智能结构的建筑物通过振动控制，将大大提高建筑物的抗震性。

美国科学家最近检验了一种设想，即利用一种智能合金作为固定桥梁道路的缆绳，它能在地震过程中伸长，而在震后重新收紧并将桥梁道路拉回原来的位置。

这样，高架桥梁道路就有可能避免在地震中四分五裂。

利用镍钛诺形状记忆合金（SMA）制成的缆索能够有助于抵御地震或者飓风,三.智能材料主要种类,1、形状记忆合金；、磁致伸缩材料；、压电陶瓷；,1、形状记忆合金,一般金属材料受到外力作用后，首先发生弹性变形，达到屈服点，就产生塑性变形，应力消除后留下永久变形。

但有些材料，在发生了塑性变形后，经过合适的热过程，能够回复到变形前的形状，这种现象叫做形状记忆效应（SME）。

具有形状记忆效应的材料，一般是两种以上金属元素组成的合金，称为形状记忆合金（SMA）。

形状记忆合金可以分为三种：

单程记忆效应形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。

双程记忆效应某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。

（）全程记忆效应加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。

三种记忆效应如下图所示。

目前，已开发成功的形状记忆合金有TiNi基形状记忆合金、铜基形状记忆合金、铁基形状记忆合金等。

、磁致伸缩材料,目前智能材料的主流是稀土磁致伸缩材料，磁致伸缩材料在电磁场的作用下可以产生微变形或声能，也可以将微变形或声能转化为电磁能。

磁致伸缩智能材料具有磁致伸缩值大、机械响应速度快和功率密度高特点，在国防、航空航天和高技术领域应用极为广泛。

4，磁致伸缩的应用实例：

（1）磁致伸缩液位仪：

随着科学技术的迅猛发展，高新技术在各行业中得到了广泛的应用，高科技含量的磁致伸缩液位传感器，应用于各类储罐的液位测量。

该种液位仪具有精度高、环境适应性强、安装方便等特点。

因此，广泛应用于石油、化工等液位测量领域，并逐渐取代了其它传统的传感器，成为液位测量中的精品。

（2）MTS磁致伸缩位移传感器：

高精度、多种规格、长行程非接触式测量模块组装、坚固耐用敏感元件平均无故障时（MTBF）长达23年真正的绝对位置输出、无需重新标定或定期维修。

适用于高温、高压、高振荡及空间狭小环境安装方便、快捷，不需定期标定和维护冶金工业连铸、冷热轧、AGC控制、模件成型等。

、压电陶瓷,压电效应陶瓷的压电机理,压电效应,在某些晶体材料上施加机械力时，晶体表面会产生电荷，这种现象称正压电效应。

在一定范围内，电荷密度与作用力成正比。

相反，在晶体上施加电场时，晶体会产生几何变形，称逆压电效应。

晶体的对称性决定了材料能否产生压电性。

显然，压电效应只存在于没有对称中心的晶体中。

压电效应的本质,机械作用（应力与应变）引起了晶体的极化，从而导致介质两端表面出现相反的束缚电荷。

（2）BaTiO3陶瓷的压电机理,BaTiO3晶体中，氧形成八面体，Ti位于氧八面体的中心，Ca处于八个八面体的间隙。

Ba,TiO,陶瓷由许多排列无序的小晶粒构成，具有各向同性，不显示压电性。

经电场处理后，陶瓷存在剩余极化强度，它是以束缚电荷的形式表现出来，且由各向同性变成各向异性，从而具有压电性。

由于束缚电荷的作用，在陶瓷片两极板上吸,附了一层表面电荷（如图所示），这些吸附电荷与片内束缚电荷数量相等，符号相反，起屏蔽和抵消片内极化强度对外界的作用。

Ti电场处理后的陶瓷片,当在瓷片上加一个与极化方向平行的外力时，在应力的作用下瓷片发生形变，即极化方向c轴被压缩，使Ti4+位移变小，片内极化强度变小，因而释放出部分原来被吸附的表面电荷，这就是被压缩后出现的压电效应（正压电）。

其过程示意所示：

Ti,外力的作用,电场处理后的陶瓷片陶瓷的正压电效应示意图,当压力撤去后，陶瓷片恢复原状（膨胀过程），这时c轴变长，Ti4+位移增大，陶瓷片内极化强度也变大，因此，电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。

当在瓷片上施加与极化方向相同的电场时，此时增大了极化强度，表示Ti4+位移增大，晶胞c轴变长，瓷片发生伸长形变，此时，电能变为机械能（逆压电）。

此过程示意如下：

Ti,电场的作用,电场处理后的陶瓷片陶瓷的逆压电效应示意图,小结,智能材料一般由两种或两种以上的材料复合构成一个智能材料系统。

这就使得智能材料的设计，制造，加工和性能结构特征均涉及到了材料学的最前沿领域，使智能材料代表了材料科学的最活跃方面和最先进的发展方向。

如果说20世纪的人类社会文明的标志是合成料，那么下个世纪将会是智能材料的时代。

谢谢！