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文檔簡介

1、第二章 智能材料張建峰,2017.042第一節(jié)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、智能材料的構(gòu)成4、智能材料的分類3智能材料是二十世紀(jì)90年代迅速發(fā)展起來的一類新型復(fù)合材料。智能材料目前還沒有統(tǒng)一的定義,不過,現(xiàn)有的智能材料的多種定義仍然是大同小異。1、什么是智能材料?4大體來說,智能材料就是指具有感知環(huán)境(包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境)刺激,對之進(jìn)行分析、處理、判斷,并采取一定的措施進(jìn)行適度響應(yīng)的智能特征的材料。 5具體來說,智能材料需具備以下內(nèi)涵:(1)具有感知功能,能夠檢測并且可以識別外界(或者內(nèi)部)的刺激強(qiáng)度,如電、光、熱、應(yīng)力、應(yīng)變、化學(xué)、核輻射等;6(2)具有驅(qū)動功能,能

2、夠響應(yīng)外界變化; (3)能夠按照設(shè)定的方式選擇和控制響應(yīng);(4)反應(yīng)比較靈敏、及時和恰當(dāng);(5)當(dāng)外部刺激消除后,能夠迅速恢復(fù)到原始狀態(tài)。7智能材料又可以稱為敏感材料,常用的有以下幾種:Intelligent material、Intelligent material and structure、Smart material、Smart material and structure、Adaptive material and structure等。 8智能材料的構(gòu)想來源于仿生學(xué),它的目標(biāo)就是想研制出一種材料,使它成為具有類似于生物的各種功能的“活”的材料。因此智能材料必須具備感知、驅(qū)動和控制這

3、三個基本要素。9但是現(xiàn)有的材料一般比較單一,難以滿足智能材料的要求,所以智能材料一般由兩種或兩種以上的材料復(fù)合構(gòu)成一個智能材料系統(tǒng)。10這就使得智能材料的設(shè)計、制造、加工和性能結(jié)構(gòu)特征均涉及到了材料學(xué)的最前沿領(lǐng)域,使智能材料代表了材料科學(xué)的最活躍方面和最先進(jìn)的發(fā)展方向。 11智能材料應(yīng)用的簡單事例:某些太陽鏡的鏡片當(dāng)中含有智能材料,這種智能材料能感知周圍的光,并能夠?qū)獾膹?qiáng)弱進(jìn)行判斷,當(dāng)光強(qiáng)時,它就變暗,當(dāng)光弱時,它就會變的透明。 122、智能材料的特征因為設(shè)計智能材料的兩個指導(dǎo)思想是材料的多功能復(fù)合和材料的仿生設(shè)計,所以智能材料系統(tǒng)具有或部分具有如下的智能功能和生命特征:13傳感功能(Sen

4、sor)能夠感知外界或自身所處的環(huán)境條件,如負(fù)載、應(yīng)力、應(yīng)變、振動、熱、光、電、磁、化學(xué)、核輻射等的強(qiáng)度及其變化。14(2)反饋功能(Feedback)可通過傳感網(wǎng)絡(luò),對系統(tǒng)輸入與輸出信息進(jìn)行對比,并將其結(jié)果提供給控制系統(tǒng)。(3)信息識別與積累功能能夠識別傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各類信息并將其積累起來。15(4) 響應(yīng)功能能夠根據(jù)外界環(huán)境和內(nèi)部條件變化,適時動態(tài)地作出相應(yīng)的反應(yīng),并采取必要行動。16(5) 自診斷能力(Self-diagnosis)能通過分析比較系統(tǒng)目前的狀況與過去的情況,對諸如系統(tǒng)故障與判斷失誤等問題進(jìn)行自診斷并予以校正。17(6)自修復(fù)能力(Self-recovery)能通過自繁殖、

5、自生長、原位復(fù)合等再生機(jī)制,來修補(bǔ)某些局部損傷或破壞。18(7)自調(diào)節(jié)能力(Self-adjusting)對不斷變化的外部環(huán)境和條件,能及時地自動調(diào)整自身結(jié)構(gòu)和功能,并相應(yīng)地改變自己的狀態(tài)和行為,從而使材料系統(tǒng)始終以一種優(yōu)化方式對外界變化作出恰如其分的響應(yīng)。193、智能材料的構(gòu)成一般來說智能材料由基體材料、敏感材料、驅(qū)動材料和信息處理器四部分構(gòu)成。20(1)基體材料基體材料擔(dān)負(fù)著承載的作用,一般宜選用輕質(zhì)材料。一般基體材料首選高分子材料,因為其重量輕、耐腐蝕,尤其具有粘彈性的非線性特征。其次也可選用金屬材料,以輕質(zhì)有色合金為主。21(2)敏感材料敏感材料擔(dān)負(fù)著傳感的任務(wù),其主要作用是感知環(huán)境變

6、化(包括壓力、應(yīng)力、溫度、電磁場、pH值等)。常用敏感材料如形狀記憶材料、壓電材料、光纖材料、磁致伸縮材料、電致變色材料、電流變體、磁流變體和液晶材料等。22(3)驅(qū)動材料因為在一定條件下,驅(qū)動材料可產(chǎn)生較大的應(yīng)變和應(yīng)力,所以它擔(dān)負(fù)著響應(yīng)和控制的任務(wù)。常用有效驅(qū)動材料如形狀記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料等。可以看出,這些材料既是驅(qū)動材料又是敏感材料,顯然起到了身兼二職的作用,這也是智能材料設(shè)計時可采用的一種思路。23(4)其它功能材料包括導(dǎo)電材料、磁性材料、光纖和半導(dǎo)體材料等。24圖所示為智能材料的基本構(gòu)成和工作原理。254、智能材料的分類 智能材料是繼天然材料、人造材料、精細(xì)材料

7、之后的第四代功能材料。因為現(xiàn)在可用于智能材料的材料種類不斷擴(kuò)大,所以智能材料的分類也只能是粗淺的,分類方法也有多種,26若按智能材料的功能來分,可以分為光導(dǎo)纖維、形狀記憶合金、壓電、電流變體和電(磁)致伸縮材料等。若按智能材料的來源來分,可以分為金屬系智能材料、無機(jī)非金屬系智能材料和高分子系智能材料。27目前研究開發(fā)的金屬系智能材料主要有形狀記憶合金和形狀記憶復(fù)合材料兩大類;無機(jī)非金屬系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面發(fā)展較快;28高分子系智能材料的范圍很廣泛,作為智能材料的刺激響應(yīng)性高分子凝膠的研究和開發(fā)非常活躍,其次還有智能高分子膜材、智能高分子粘合劑、智能型藥物

8、釋放體系和智能高分子基復(fù)合材料等。 29第二節(jié)智能材料的使用領(lǐng)域1、在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用2、智能材料與住宅智能化3、與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相聯(lián)系的智能材料4、主動結(jié)構(gòu)聲控5、主動震動聲控301、在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用智能材料用于軍事,是隨著智能材料的發(fā)展不斷發(fā)展的一個領(lǐng)域。31因為智能材料結(jié)構(gòu)不僅象一般功能材料一樣可以承受載荷,而且它還具有了其他功能材料所不具備的功能,即能感知所處的內(nèi)外部環(huán)境變化,并能通過改變其物理性能或形狀等做出響應(yīng),借此實現(xiàn)自診斷、自適應(yīng)、自修復(fù)等功能。32所以,智能材料在軍事應(yīng)用中具有很大潛力,它的研究、開發(fā)和利用,對未來武器裝備的發(fā)展將產(chǎn)生重大影響。 目前,在各種軍事領(lǐng)域中,智能材料的

9、應(yīng)用主要涉及到以下幾個方面:33(1)智能蒙皮例如,作為智能傳感元件的光纖用于飛機(jī)機(jī)翼的智能蒙皮中;在武器平臺的蒙皮中植入傳感元件、驅(qū)動元件和微處理控制系統(tǒng)制成的智能蒙皮,可用于預(yù)警、隱身和通信。34目前美國在智能蒙皮方面的研究包括:美國彈道導(dǎo)彈防御局為導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星研制含有多種傳感器的智能蒙皮;美國海軍則重點研究艦艇用智能蒙皮,以提高艦艇的隱身性能。 35(2)結(jié)構(gòu)監(jiān)測和壽命預(yù)測智能結(jié)構(gòu)可用于實時測量結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變、溫度、裂紋,探測疲勞和受損傷情況,從而能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測和壽命預(yù)測。36例如,采用光纖傳感器陣列和聚偏氟乙烯傳感器的智能結(jié)構(gòu)可對機(jī)翼、機(jī)架以及可重復(fù)使用航天運載器進(jìn)行全壽命期實時監(jiān)

10、測、損傷評估和壽命預(yù)測;37空間站等大型在軌系統(tǒng)采用光纖智能結(jié)構(gòu),可實時探測由于交會對接碰撞、隕石撞擊或其他原因引起的損傷,對損傷進(jìn)行評估,實施自診斷。38正在研究的自診斷智能結(jié)構(gòu)技術(shù)有:光纖傳感器自診斷技術(shù);可以測量裂紋的“聲音”傳感器自診斷技術(shù);可監(jiān)測復(fù)合材料層裂的傳感器自診斷技術(shù)等。 39(3)減振降噪智能結(jié)構(gòu)用于航空、航天系統(tǒng)可以消除系統(tǒng)的有害振動,減輕對電子系統(tǒng)的干擾,提高系統(tǒng)的可靠性。如美國防高級研究計劃局資助波音公司研制的直升機(jī)智能結(jié)構(gòu)旋翼葉片,可以改善旋翼的空氣動力學(xué)性能,減小振動和噪音。40智能結(jié)構(gòu)用于艦艇,可以抑制噪聲傳播,提高潛艇和軍艦的聲隱身性能。智能結(jié)構(gòu)用于地面車輛,

11、可以提高軍用車輛的性能和乘坐的舒適度。國外正在研究的具有減振降噪功能的智能結(jié)構(gòu),主要由壓電陶瓷、形狀記憶合金和電致伸縮等新材料制成。41(4)環(huán)境自適應(yīng)結(jié)構(gòu)智能結(jié)構(gòu)制成的自適應(yīng)機(jī)翼,能夠?qū)崟r感知外界環(huán)境的變化,并可以驅(qū)動機(jī)翼彎曲、扭轉(zhuǎn),從而改變翼型和攻角,以獲得最佳氣動特性,降低機(jī)翼阻力系數(shù),延長機(jī)翼的疲勞壽命。42如當(dāng)飛機(jī)在飛行過程中遇到渦流或猛烈的逆風(fēng)時,機(jī)翼中的智能材料就能夠迅速變形,并帶動機(jī)翼改變形狀,從而消除渦流或逆風(fēng)的影響,使飛機(jī)仍能平衡地飛行。43美國的一項研究表明,在機(jī)翼結(jié)構(gòu)中使用磁致伸縮致動器,可使機(jī)翼阻力降低85%。美國波音公司和麻省理工學(xué)院聯(lián)合研究在槳葉中嵌入智能纖維,電

12、致流變體時可使槳葉扭轉(zhuǎn)變形達(dá)幾度。44美國陸軍在開發(fā)直升機(jī)旋翼主動控制技術(shù),將用于RAH-66武裝直升機(jī)。美國防部和航空航天局也在研究自適應(yīng)結(jié)構(gòu),包括翼片彎曲、彎曲造型/控制面造型等。45相信在不久的將來,我們用智能材料制成的飛機(jī)機(jī)翼,就可以像魚尾巴一樣行動自如、自行彎曲、自動改變形狀,從而改進(jìn)升力和阻力,使飛機(jī)飛得更高、更快。 462、智能材料與住宅智能化未來的住宅可能是這樣的:墻壁可以隨心所欲的變換顏色;椅子可以隨人體不同的需要改變溫度和形狀;一切的電器都是觸摸式的,永遠(yuǎn)不會再有觸電的危險;可視電話帶有傳感功能;。47Z-enjoy 智暢智能系統(tǒng),是基于Z-Wave 無線通信協(xié)議研發(fā)的信息

13、化平臺,具有開放性架構(gòu)設(shè)計可實現(xiàn)雙向通信,無需布線,安裝快速,維修簡單等優(yōu)勢;可將智能燈光、智能 窗簾、智能家電控制、飲水機(jī),投影幕布,門禁,遠(yuǎn)程監(jiān)控等系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理,不受時間,空間,硬件限制;可用智能手機(jī),平板電腦,電腦遠(yuǎn)程任意控制各種電器設(shè)備。48隨著智能材料的發(fā)展,尤其是毫微塑料設(shè)想的提出,有可能設(shè)計出智能化住宅。雖然目前還處于設(shè)想階段,但是已經(jīng)開始著手進(jìn)行研究,并且必然將在不久的將來成為現(xiàn)實。幾種未來的智能產(chǎn)品如下: 49(1)多功能磚多功能磚用來構(gòu)建整個房屋的結(jié)構(gòu)單元,這種結(jié)構(gòu)單元具有變通性和智能性。這種多功能磚主要由以下三個分層構(gòu)成:50第一層是功能層,能感受來自周圍的聲能、熱能

14、、光能,并能控制這些能量的輸出,如果是內(nèi)墻壁磚,還能控制和改變墻的功能;51第二層是通訊層,能為居住者提供內(nèi)外通信聯(lián)系的通道;第三層是輸送通道,可以用來輸送水和其它材料。52住戶還可以挑選合適的帶“面膜”的磚材。另外,面膜的設(shè)置及其構(gòu)形并不是一成不變的,而是很容易剝離并換上新的面膜。53面膜在磚材的最上層,它也具有多功能性。如壁膜可以使墻壁產(chǎn)生不同的色彩和圖案;54傳感膜可以接收聲波、熱能和可見光并予以減弱或增強(qiáng);地膜可產(chǎn)生耐久的色彩和圖案;界面膜可連接內(nèi)外通信線路。55(2)食物器皿56(2)食物器皿在未來的廚房里不會看到傳統(tǒng)的碗碟。在毫微塑料的桌面上,旋轉(zhuǎn)的碗不僅能測知食物的存在,而且可以

15、根據(jù)用戶的需要自動形成各種形狀的碟子,供準(zhǔn)備、烹調(diào)和上菜時使用。并且,這種盛食物的碗還具有保溫和在不使用冰箱的情況下保鮮的功能。 57(3)座椅用毫微塑料制作的坐椅不僅功能將大大增加,而且也將增加舒適程度。使用毫微塑料能改變椅座面的柔韌性和彈性,也可以形成各種型式的椅座面。58如果出于美學(xué)的考慮,或是便于人們?nèi)胱驈淖沃姓酒穑廖⑺芰弦部梢孕纬伤璧娜魏螆D案或結(jié)構(gòu),還能改變座椅本身的結(jié)構(gòu)。59由于不同年齡段的人對溫度舒適性的要求有很大區(qū)別,這種座椅還可以隨心所欲地升溫和降溫。它甚至還對人們喜愛的舒適溫度具有記憶功能。60(4)衛(wèi)生間在衛(wèi)生間里,常見設(shè)施是洗臉盆、抽水馬桶和淋浴器。采用了智能結(jié)

16、構(gòu)的衛(wèi)生間是這樣的:61在洗漱時,人們只要接觸洗臉盆支架表面的任何區(qū)域,就能調(diào)節(jié)控制水溫、水速和水流的狀態(tài)(集中噴射的水流或?qū)掗煹乃煚畹龋┕┤藗冞x擇。洗臉盆上方的鏡子能照出人的正常反轉(zhuǎn)象,還能照出真實的非反轉(zhuǎn)象。62抽水馬桶的形狀和大小可隨使用者的不同而自動變化;坐墊自動加熱至舒適的溫度,整個結(jié)構(gòu)十分輕便。63在電腦住宅的廁所里,安裝了一臺檢查身體的電腦系統(tǒng),每當(dāng)有人上廁所時,與馬桶相連的體檢裝置即自動分析大小便的情況,如發(fā)現(xiàn)異常,電腦會立即發(fā)出警報,以便及時到醫(yī)院去看病。64淋浴設(shè)備只要和多功能磚相連接,上下水、水溫和水流都能得到自動控制和調(diào)節(jié)。綜上所述,未來的智能化住宅必將顯著提高人們的

17、生活質(zhì)量 。653、與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相聯(lián)系的智能材料(1)人造肌肉(2)人造皮膚(3)在藥物自動投入系統(tǒng)上的應(yīng)用(4)智能材料的兩種抗癌應(yīng)用66(1)人造肌肉因為生物彈性材料能模擬活體生物,而且其力量和反應(yīng)速度均接近于人體的肌肉。所以這種材料可以應(yīng)用于人體組織的修復(fù),而且它們還具有與生物體的相容性,隨著傷口的愈合,這種聚合物就會在體內(nèi)逐漸降解,最后將會消失。 67(2)人造皮膚人造皮膚智能材料,可以感知溫度、熱流的變化以及各種應(yīng)力的大小,并且有良好的空間分辨力。這種智能材料還可以分辨表面狀況,例如,粗糙度、摩擦力等。68(2)人造皮膚69(3)在藥物自動投入系統(tǒng)上的應(yīng)用科學(xué)家正在研制一種能根據(jù)血液中

18、的葡萄糖濃度而擴(kuò)張收縮的聚合物,這種聚合物可制成人造胰細(xì)胞,將它注入糖尿病患者的血液中,小球就可模擬胰細(xì)胞工作,使病人的血糖濃度始終保持在平常的水平上。 70(4)智能材料的兩種抗癌應(yīng)用、如圖所示是一種有效的抗癌藥物膠囊,即藥物“導(dǎo)彈”。71圖中的疏水性藥物載體形成了“導(dǎo)彈”的疏水內(nèi)核,而親水性部分則在內(nèi)核周圍形成了一個水化物外殼。所形成的這種高分子聚合物膠囊是一種智能型藥物載體,它能自動避免被機(jī)體內(nèi)單核吞噬細(xì)胞捕獲而有效的到達(dá)癌細(xì)胞所在地。72、90年代后期,研制出用對電磁場敏感的鐵氧體包覆Ti-Ni形狀記憶合金絲制成了癌癥溫?zé)岑煼ㄓ冕槨?3首先,通過導(dǎo)管將這種針植入病人癌變部位,由于形狀記

19、憶作用,這種針會發(fā)生彎曲變形現(xiàn)象;其次,在通過渦流效應(yīng)產(chǎn)生高頻電磁場作用下,形狀記憶合金針將能夠產(chǎn)生一定的熱量而使癌變區(qū)得到萎縮。 744、主動結(jié)構(gòu)聲控智能材料系統(tǒng)中最成熟的應(yīng)用領(lǐng)域大概就是主動結(jié)構(gòu)聲控。采用智能結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動結(jié)構(gòu)聲控是降低軍用系統(tǒng)噪聲的有效途徑。75一般說來,可以采用兩種方法來實現(xiàn)主動結(jié)構(gòu)聲控。一種是簡單地使結(jié)構(gòu)完全停止振動,顯然它可以使聲輻射降低到零,這是一種強(qiáng)制性的方法,往往也是辦不到的。 76另一種就是采用智能控制方法,它是指有選擇地控制輻射振動模。該方法的效率取決于對材料系統(tǒng)相互作用的基本物理現(xiàn)象的認(rèn)識和智能材料系統(tǒng)的自適應(yīng)能力。 77因為,并不是所有的振動模都輻射“具

20、有危險性”的聲波,減少系統(tǒng)的質(zhì)量和功耗也同樣是必須考慮的因素。78因而最好的辦法是“感覺”輻射“具有危險性”的輻射波振動模,并使用分布在整個結(jié)構(gòu)中的作動器(壓電材料或電致流變體)對產(chǎn)生的該振動模進(jìn)行控制。79美國軍方提出采用主動聲控涂層進(jìn)行聲信號抑制,提高潛艇主動隱身性能。這項技術(shù)將使噪聲降低60分貝,并使?jié)撏綔y目標(biāo)的時間縮短100倍。這種主動聲控涂層將采用壓電涂層材料和采用電致流變體技術(shù)的主動消聲貼片。 805、主動震動控制震動會極大地降低工程系統(tǒng)的性能,如降低對地觀測衛(wèi)星的傳感器精度,減弱跟蹤和預(yù)警衛(wèi)星跟蹤目標(biāo)的能力,使制導(dǎo)武器性能下降,導(dǎo)致系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)的疲勞破壞,此外還會干擾空間站的微

21、重力環(huán)境等。81采用壓電材料、形狀記憶合金或電致流變體的智能結(jié)構(gòu)均可實現(xiàn)振動的主動控制,提高軍用系統(tǒng)的性能。如采用智能結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動震動控制,可降低直升機(jī)旋翼的振動振幅以及產(chǎn)生可控的扭曲形變,提高直升機(jī)的有效載荷,使速度增加,戒備能力提高。 82空間系統(tǒng)的主動震動控制智能結(jié)構(gòu),主要采用壓電陶瓷或電致伸縮材料作為作動器。考慮的主要因素是低功耗、耐久性、疲勞特性、穩(wěn)定性和溫度環(huán)境效應(yīng)等問題,同時還考慮控制器的小型化。83傳感器可用光纖和壓電材料。當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受到外力作用振動并產(chǎn)生形變時,壓電應(yīng)變傳感器可產(chǎn)生與壓力成正比的表面電荷,控制系統(tǒng)對傳感器測量的信號進(jìn)行處理后,再給壓電作動器反饋一個適當(dāng)?shù)碾妷海?/p>

22、使其產(chǎn)生反向變形力,從而產(chǎn)生對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的阻尼作用,使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的振動隨之迅速減弱。84自適應(yīng)結(jié)構(gòu)的主動振動控制,另一項主要應(yīng)用是可能消除航天器控制系統(tǒng)與柔性結(jié)構(gòu)的相互干擾作用。未來大型柔性航天結(jié)構(gòu)因其振動頻率低于控制系統(tǒng)的頻率,會導(dǎo)致有害的控制結(jié)構(gòu)干擾作用。必須從結(jié)構(gòu)優(yōu)化、阻尼減振方面考慮。85在地震多發(fā)區(qū)應(yīng)用智能結(jié)構(gòu)的建筑物通過振動控制,將大大提高建筑物的抗震性。 86第三節(jié)智能材料主要種類1、形狀記憶合金; 2 、電流變體和磁流變體;3 、磁致伸縮材料; 4 、壓電陶瓷; 5 、電致伸縮陶瓷; 6 、智能材料系統(tǒng); 7 、光致變色玻璃; 8 、電致變色材料;871、形狀記憶合金一般金屬材料受

23、到外力作用后,首先發(fā)生彈性變形,達(dá)到屈服點,就產(chǎn)生塑性變形,應(yīng)力消除后留下永久變形。88但有些材料,在發(fā)生了塑性變形后,經(jīng)過合適的熱過程,能夠回復(fù)到變形前的形狀,這種現(xiàn)象叫做形狀記憶效應(yīng)(SME)。89具有形狀記憶效應(yīng)的材料,一般是兩種以上金屬元素組成的合金,稱為形狀記憶合金(SMA)。形狀記憶合金可以分為三種: 90 形狀記憶合金在較低的溫度下變形,加熱后可恢復(fù)變形前的形狀,這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應(yīng)。(1) 單程記憶效應(yīng)91(2)雙程記憶效應(yīng)某些合金加熱時恢復(fù)高溫相形狀,冷卻時又能恢復(fù)低溫相形狀,稱為雙程記憶效應(yīng)。92(3)全程記憶效應(yīng)加熱時恢復(fù)高溫相形狀,冷卻時

24、變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤睿Q為全程記憶效應(yīng)。93三種記憶效應(yīng)如下圖所示。目前,已開發(fā)成功的形狀記憶合金有TiNi基形狀記憶合金、銅基形狀記憶合金、鐵基形狀記憶合金等。 94最早關(guān)于形狀記憶效應(yīng)的報道是由Chang及Read等人在1952年作出的。他們觀察到Au-Cd合金中相變的可逆性。后來在Cu-Zn合金中也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象,但當(dāng)時并未引起人們的廣泛注意。95直到1962年,Buehler及其合作者在等原子比的TiNi合金中,觀察到具有宏觀形狀變化的記憶效應(yīng),才引起了材料科學(xué)界與工業(yè)界的重視。到70年代初,CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合金中也發(fā)現(xiàn)了與馬氏體相變有關(guān)的形狀記憶

25、效應(yīng)。96幾十年來,有關(guān)形狀記憶合金的研究已逐漸成為國際相變會議和材料會議的重要議題,并為此召開了多次專題討論會,不斷豐富和完善了馬氏體相變理論。97在理論研究不斷深入的同時,形狀記憶合金的應(yīng)用研究也取得了長足進(jìn)步,其應(yīng)用范圍涉及機(jī)械、電子、化工、宇航、能源和醫(yī)療等許多領(lǐng)域。98形狀記憶合金的具體應(yīng)用工業(yè)應(yīng)用:(1)利用單程形狀記憶效應(yīng)的單向形狀恢復(fù)。如管接頭、天線、套環(huán)等。99(2)外因性雙向記憶恢復(fù)。即利用單程形狀記憶效應(yīng)并借助外力隨溫度升降做反復(fù)動作,如熱敏元件、機(jī)器人、接線柱等。100(3)內(nèi)因性雙向記憶恢復(fù)。即利用雙程記憶效應(yīng)隨溫度升降做反復(fù)動作,如熱機(jī)、熱敏元件等。但這類應(yīng)用記憶衰

26、減快、可靠性差,不常用。 101(4)超彈性的應(yīng)用。如彈簧、接線柱、眼鏡架等。 102醫(yī)學(xué)應(yīng)用:TiNi合金的生物相容性很好,利用其形狀記憶效應(yīng)和超彈性的醫(yī)學(xué)實例相當(dāng)多。如血栓過濾器、脊柱矯形棒、牙齒矯形絲、腦動脈瘤夾、接骨板、髓內(nèi)針、人工關(guān)節(jié)、心臟修補(bǔ)元件、人造腎臟用微型泵等。103人工關(guān)節(jié)104人造牙齒105脊柱修復(fù)支架106人造血管107心臟起搏器108人工心臟瓣膜109高科技應(yīng)用展望:20世紀(jì)是機(jī)電學(xué)的時代。傳感-集成電路-驅(qū)動是最典型的機(jī)械電子控制系統(tǒng),但復(fù)雜而龐大。110形狀記憶材料兼有傳感和驅(qū)動的雙重功能,可以實現(xiàn)控制系統(tǒng)的微型化和智能化,如全息機(jī)器人、毫米級超微型機(jī)械手等。11

27、121世紀(jì)將成為材料電子學(xué)的時代。形狀記憶合金的機(jī)器人的動作,除了溫度外,不受任何環(huán)境條件的影響,可望在反應(yīng)堆、加速器、太空實驗室等高技術(shù)領(lǐng)域大顯身手。1122、電流變體和磁流變體電致、磁致變體智能材料大多是由合成材料或陶瓷材料制成的,具有在電場或磁場的作用下發(fā)生變性的能力,其變化的大小與電場和磁場的強(qiáng)度有關(guān)。113科學(xué)家研制成功一種電致變性材料,這種材料在接通電流時,可以從液體變?yōu)榻咏腆w。如果向空心復(fù)合梁中充入電流變性液體材料,在外電場的作用下,這種液體材料就會變硬,從而使梁變成僵硬狀。114將電致變性現(xiàn)象與傳感器結(jié)合起來,就可以實現(xiàn)使復(fù)合梁隨著負(fù)載的變化而改變其性質(zhì)。這將是裝配結(jié)構(gòu)智能化

28、的一個突破性的新起點。115電致變性材料還可以用作在地震時能自動加固建筑物的基礎(chǔ)。此外,磁致變性材料在機(jī)電工業(yè)中也有廣泛的用途。1163、磁致伸縮材料目前磁致伸縮智能材料的主流是稀土磁致伸縮材料,稀土超磁致伸縮材料是近期才發(fā)展起來的一種新型功能材料。117磁致伸縮材料在電磁場的作用下可以產(chǎn)生微變形或聲能,也可以將微變形或聲能轉(zhuǎn)化為電磁能。118磁致伸縮智能材料具有磁致伸縮值大、機(jī)械響應(yīng)速度快和功率密度高特點,在國防、航空航天和高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。119磁致伸縮智能材料的主要用途(1)由于稀土超大磁致伸縮材料比傳統(tǒng)材料在性能上有了驚人的提高,所以在電器、家電、通訊器材、電腦等生產(chǎn)領(lǐng)域,稀土磁

29、致伸縮材料逐漸取代了傳統(tǒng)的磁致伸縮材料和電致伸縮材料,使產(chǎn)品升級和更新?lián)Q代更加容易。120(2)由于稀土超大磁致伸縮材料的獨特的性能,可被用于開發(fā)新一代的元器件,如精密控制系統(tǒng)(如油料控制、導(dǎo)彈發(fā)射控制裝置等),聲光發(fā)射系統(tǒng)(如信號處理、聲納掃描、超聲、水聲等),以及換能器、驅(qū)動器等的開發(fā)。 121對于磁致伸縮智能材料的應(yīng)用,目前,美國位居各國之首,其成功標(biāo)志在于開發(fā)出了一系列用于軍事目的的尖端產(chǎn)品,如艦艇水下聲納探測系統(tǒng)以及導(dǎo)彈發(fā)射控制裝置等。122我國對磁致伸縮智能材料新產(chǎn)品的開發(fā)也呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭。如開發(fā)出的大功率巖體聲波探測器,應(yīng)用于三峽工程和地球物理勘探;開發(fā)出的井下物理法采油裝

30、置;1234、壓電陶瓷 壓電效應(yīng) 陶瓷的壓電機(jī)理 壓電陶瓷材料的組成與種類124 壓電效應(yīng)在某些晶體材料上施加機(jī)械力時,晶體表面會產(chǎn)生電荷,這種現(xiàn)象稱正壓電效應(yīng)。在一定范圍內(nèi),電荷密度與作用力成正比。相反,在晶體上施加電場時,晶體會產(chǎn)生幾何變形,稱逆壓電效應(yīng)。125晶體的對稱性決定了材料能否產(chǎn)生壓電性。顯然,壓電效應(yīng)只存在于沒有對稱中心的晶體中。126壓電效應(yīng)的本質(zhì)機(jī)械作用(應(yīng)力與應(yīng)變)引起了晶體的極化,從而導(dǎo)致介質(zhì)兩端表面出現(xiàn)相反的束縛電荷。 127(2) BaTiO3陶瓷的壓電機(jī)理BaTiO3晶體中,氧形成八面體,Ti位于氧八面體的中心,Ca處于八個八面體的間隙。 BaOTi128陶瓷由許

31、多排列無序的小晶粒構(gòu)成,具有各向同性,不顯示壓電性。經(jīng)電場處理后,陶瓷存在剩余極化強(qiáng)度,它是以束縛電荷的形式表現(xiàn)出來,且由各向同性變成各向異性,從而具有壓電性。129由于束縛電荷的作用,在陶瓷片兩極板上吸附了一層表面電荷(如圖所示),這些吸附電荷與片內(nèi)束縛電荷數(shù)量相等,符號相反,起屏蔽和抵消片內(nèi)極化強(qiáng)度對外界的作用。 Ti電場處理后的陶瓷片130當(dāng)在瓷片上加一個與極化方向平行的外力時,在應(yīng)力的作用下瓷片發(fā)生形變,即極化方向c軸被壓縮,使Ti4+位移變小,片內(nèi)極化強(qiáng)度變小,因而釋放出部分原來被吸附的表面電荷,這就是被壓縮后出現(xiàn)的壓電效應(yīng)(正壓電)。其過程示意所示:131Ti電場處理后的陶瓷片外力

32、的作用陶瓷的正壓電效應(yīng)示意圖132當(dāng)壓力撤去后,陶瓷片恢復(fù)原狀(膨脹過程),這時c軸變長,Ti4+位移增大,陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度也變大,因此,電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。133當(dāng)在瓷片上施加與極化方向相同的電場時,此時增大了極化強(qiáng)度,表示Ti4+位移增大,晶胞c軸變長,瓷片發(fā)生伸長形變,此時,電能變?yōu)闄C(jī)械能(逆壓電)。此過程示意如下:134Ti電場處理后的陶瓷片電場的作用陶瓷的逆壓電效應(yīng)示意圖135另外,對于鐵電晶體來說,它不僅具有自發(fā)極化的性質(zhì),而且這種自發(fā)極化的方向會因外電場的方向而產(chǎn)生反向。 136 壓電陶瓷材料的組成與種類無機(jī)壓電材料共有兩種:壓電晶體(如石英SiO2);壓電

33、陶瓷。137壓電陶瓷材料的組成與種類十分廣泛,壓電陶瓷在組成上可以是二元、三元和四元系統(tǒng);在結(jié)構(gòu)上可以有ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)或鎢青銅結(jié)構(gòu)。138最常用的壓電陶瓷有鈦酸鉛PbTiO3 (PT)、鋯鈦酸鉛Pb(Ti1-xZrx)O3 (PZT)、改性鋯鈦酸鉛及三元系壓電陶瓷。所謂三元系是指在PZT二元系基礎(chǔ)上添加第三組元化合物。139一般第三組元化合物大都是A(BB“)O3型復(fù)合鈣鈦礦型化合物。如鈮鎂鋯鈦酸鉛Pb(Mgl/3Nb2/3)xZryTizO3、鈮鋅鋯鈦酸鉛Pb(Znl/3Nb2/3)xZryTizO3等。140三元、四元系壓電陶瓷具有在更寬廣范圍內(nèi)調(diào)整組成和性能的優(yōu)點,有利于制備高性能

34、的壓電陶瓷。 1415、電致伸縮陶瓷壓電材料加上電場之后,不僅存在逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)變,而且還存在一般電介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生的應(yīng)變,并且該應(yīng)變與電場強(qiáng)度的平方成正比,后一效應(yīng)稱為電致伸縮效應(yīng)。142即電致伸縮效應(yīng)是一種高階非線性機(jī)電耦合效應(yīng),外加電場所產(chǎn)生的應(yīng)變s可表示為S = dE + ME2 + NE3 + 式中,dE是一階的線性耦合效應(yīng),即壓電效應(yīng);系數(shù)d稱為壓電常數(shù);ME2,NE3,為高階的非線性耦合效應(yīng),或電致伸縮效應(yīng);系數(shù)M、N等為電致伸縮常數(shù)。143電致伸縮陶瓷是利用電致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生微小應(yīng)變,并能由電場非常精確地加以控制的陶瓷。 144由于高階耦合效應(yīng)非常微弱,通常電致伸縮效應(yīng)是

35、指二階效應(yīng)。大多數(shù)材料的電致伸縮效應(yīng)都非常小,而在電致伸縮陶瓷中,此效應(yīng)為應(yīng)變的主體。1456、智能材料系統(tǒng)兼具傳感與驅(qū)動性能的壓電陶瓷,在構(gòu)筑智能系統(tǒng)的功能材料中,是重要的材料之一。146壓電材料具有機(jī)電、聲、光、熱、彈等多種功能及其耦合效應(yīng),可用作壓力、溫度、光等多種傳感器。壓電驅(qū)動器又具有位移控制精度高(0.01m)、響應(yīng)快(10s)、推動力大(40MPa)、驅(qū)動功率低和工作頻率寬等優(yōu)點。147一些實用化及正進(jìn)行研究的壓電類智能材料系統(tǒng)如下:148(1)智能雨刷 這是利用BaTiO3陶瓷的壓電效應(yīng)制成的,它可以自動感覺雨量并自動調(diào)節(jié)擋風(fēng)玻璃上的雨刷至最佳速度。149(2)高級轎車中的減震

36、裝置 這是利用正壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)的疊合研制成的智能減震器,這套智能系統(tǒng)具有識別路面(粗糙度)并進(jìn)行自我調(diào)節(jié)的功能,可以使粗糙路面產(chǎn)生的振動減至最低,從而提高乘坐舒適性。150(3)有源消聲 用于振動頻率低于500Hz的消聲,是由壓電陶瓷拾音器、諧振器、模擬聲線圈和數(shù)字信號處理集成電路組成。(4)智能安全系統(tǒng)及智能傳輸系統(tǒng)151(5)利用組合功能效應(yīng)來設(shè)計和制備新型智能材料和器件 這類智能材料系統(tǒng),是由兩種或兩種以上功能陶瓷進(jìn)行組合后形成的一種新型復(fù)合陶瓷功能塊,這種復(fù)合功能塊會呈現(xiàn)一些新效應(yīng),稱為組合功能效應(yīng)。152(6)用壓電陶瓷制備仿生物 模仿自然界生物具有的特性構(gòu)思仿生

37、物,研究像尾鰭和鳥翼那樣柔軟,能折疊又很結(jié)實的智能材料用作智能機(jī)翼,并有效利用自然界的波浪和風(fēng)能。 153(7)壓電陶瓷馬達(dá)它是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng),直接把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能輸出,而不需要通常使用的電磁線圈。154這種新型壓電陶瓷馬達(dá),具有結(jié)構(gòu)簡單、起動快、轉(zhuǎn)矩大、體積小、功耗低等特點,主要用作自動控制、機(jī)器人等的致動器。155(8)壓電陶瓷Pachinkom游戲機(jī)它是由若干層鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷塊構(gòu)成的,壓電塊既作為傳感器又作為執(zhí)行器。156壓電陶瓷Pachinkom游戲機(jī) 157當(dāng)金屬球落到陶瓷壓電塊上時,球的沖擊力產(chǎn)生壓電電壓; 電壓脈沖通過反饋系統(tǒng)加以放大和調(diào)整,然后返回并施加

38、到壓電塊的執(zhí)行器部分;陶瓷壓電塊突然膨脹變形,把金屬球拋出壓電塊所在的孔,使球沿著螺旋軌道爬出,落入另一孔內(nèi),再盤旋上升,如此周而復(fù)始。158科學(xué)家最近研制成功一種壓電晶體,如果將其放入壁紙中,就可以大大減小冰箱或空調(diào)機(jī)的噪聲,給住戶創(chuàng)造了一個安靜的居住環(huán)境。 1597、 光致變色玻璃光致變色玻璃是一種能在光的激發(fā)下發(fā)生變色反應(yīng)的玻璃。160含鹵化銀的堿鋁硼硅酸鹽光色玻璃受到紫外光和可見光照射時,氯化銀晶體分解為Ag和Cl原子,析出的銀原子團(tuán)簇使玻璃顏色變深,從而阻止陽光的透過。發(fā)生的光化學(xué)反應(yīng)如下: 161式中,h1為短波激活光能;h2為長波光源光能;為加熱退色效應(yīng)。h1玻璃變色過程中,發(fā)生

39、的光化學(xué)反應(yīng)如下:162在沒有紫外線照射時,原來分解產(chǎn)生的銀和鹵素原子又重新結(jié)合恢復(fù)為無色的氯化銀AgCl,原于團(tuán)簇解體,玻璃(鏡片)褪色。因此,變色眼鏡在陽光下變深,在室內(nèi)則恢復(fù)透明。 163若配料中加入少量敏化劑,就能顯著地提高敏感性,并增大光致變色的變暗能力。如加入Cu2O時,Cu+ 是一種增感劑。164Cu+在氯化銀晶體中作為空穴的捕獲中心,它 的存在增加了光解銀原子Ag0的濃度,使玻璃的變暗靈敏度大大提高。h1165光致變色玻璃具有隨光的波長和強(qiáng)度的變化而自動調(diào)節(jié)光的透過率的自適應(yīng)特性,因而被稱為光敏型智能玻璃,除用作變色眼鏡外,還用作汽車防護(hù)玻璃、航天器窗口、激光防護(hù)、以及裝飾等。

40、 1668、 電致變色材料電致變色的原理是在外加電場作用下,材料由于電子、離子的雙注入導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或價態(tài)發(fā)生可逆變化,進(jìn)而調(diào)節(jié)材料的透過與反射特性,表現(xiàn)為材料顏色的變化。167電致變色器件通常由多層結(jié)構(gòu)組成,即透明電極/電致變色薄膜/離子儲備層/電極。當(dāng)兩組電極之間建立電場時,離子由離子儲備層經(jīng)過離子導(dǎo)體在電致變色膜中發(fā)生注入和抽出,從而導(dǎo)致電致變色薄膜的光學(xué)性能發(fā)生變化。168無機(jī)電致變色材料有NiO、-WO3。近年來利用薄膜材料的電致變色特性制造了“電開關(guān)”自動控制靈巧窗,用于建筑采光等。 169第四節(jié)熱點應(yīng)用1、仿生學(xué)和航空航天用智能材料2、智能傳感器3、象鳥一樣飛的空中轎車4、太陽能智能服

41、裝1701、仿生學(xué)和航空航天用智能材料“個人航空器” 、“空中汽車” 的核心技術(shù)是“智能”材料。這種物質(zhì)具有神奇的特性,它可以根據(jù)指令彎曲、可以“感受”壓力、當(dāng)放入磁場中,還可以從液態(tài)變成固態(tài)。171現(xiàn)在有些飛機(jī)已經(jīng)具有可調(diào)機(jī)翼,如挪威的F-14雄貓飛機(jī)和B-1超音速轟炸機(jī)。這些飛機(jī)將剛性的機(jī)翼通過巨大、沉重的曲軸安裝在機(jī)身上。作為對比,形態(tài)工程的科學(xué)家們所設(shè)想的機(jī)翼可以根據(jù)指令而展開。這種機(jī)翼是使用“形態(tài)記憶”合金或其他新穎的材料制成,可以彎曲產(chǎn)生新的形狀。“形態(tài)記憶”合金具有獨特的性能,當(dāng)提供足夠的熱量后,它可以很快的恢復(fù)原有形狀,任何形狀都可以最終恢復(fù)成它原有的狀態(tài)。172在形態(tài)工程研究的新型材料中,形態(tài)記憶合金

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