新型功能材料 (1).

1、王王 念念重慶交通大學(xué)重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院材料科學(xué)與工程系土木建筑學(xué)院材料科學(xué)與工程系功功 能能 材材 料料功能材料功能材料第第1818章章 新型功能材料新型功能材料功能材料功能材料功能材料功能材料功能材料功能材料是是二十世紀(jì)二十世紀(jì)90年代年代迅速發(fā)展迅速發(fā)展起來(lái)的一類起來(lái)的一類新型復(fù)合材料新型復(fù)合材料。智能材料目前智能材料目前還沒(méi)有統(tǒng)一的定義還沒(méi)有統(tǒng)一的定義，不，不過(guò)，現(xiàn)有的過(guò)，現(xiàn)有的智能材料的多種定義智能材料的多種定義仍然是大仍然是大同小異。同小異。功能材料功能材料大體來(lái)說(shuō)，大體來(lái)說(shuō)，就是指具有就是指具有（包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境）（包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境），、，并，并的的智能特征的材料智能特

2、征的材料。 功能材料功能材料具體來(lái)說(shuō)，具體來(lái)說(shuō)，需具備以下需具備以下：(1)具有具有，能夠檢測(cè)并且可以識(shí)能夠檢測(cè)并且可以識(shí)別別外界外界(或者內(nèi)部或者內(nèi)部)的的刺激強(qiáng)度刺激強(qiáng)度，如電、光、，如電、光、熱、應(yīng)力、應(yīng)變、化學(xué)、核輻射等；熱、應(yīng)力、應(yīng)變、化學(xué)、核輻射等；功能材料功能材料(2)具有具有，能夠，能夠響應(yīng)外界變化響應(yīng)外界變化； (3)能夠能夠按照設(shè)定的方式按照設(shè)定的方式；(4)反應(yīng)比較反應(yīng)比較、和和；(5)當(dāng)外部刺激消除后當(dāng)外部刺激消除后，能夠，能夠。功能材料功能材料又可以稱為又可以稱為，常用，常用的有以下幾種：的有以下幾種：Intelligent material、Intelligent

3、material and structure、Smart material、Smart material and structure、Adaptive material and structure等。等。 功能材料功能材料來(lái)源于仿生學(xué)，它的來(lái)源于仿生學(xué)，它的目標(biāo)就是想目標(biāo)就是想研制出一種材料研制出一種材料，使它成為，使它成為的的“活活”的材料的材料。因此因此必須具備必須具備、和和這三個(gè)基本要素。這三個(gè)基本要素。功能材料功能材料但是但是現(xiàn)有的材料現(xiàn)有的材料一般比較一般比較，難以難以滿足智能材料的要求滿足智能材料的要求，所以，所以一般一般由由復(fù)合構(gòu)成一個(gè)復(fù)合構(gòu)成一個(gè)智智能材料系統(tǒng)能材料系統(tǒng)。功能材

4、料功能材料這就使得這就使得均涉及到了均涉及到了材料學(xué)的最材料學(xué)的最前沿領(lǐng)域前沿領(lǐng)域，使智能材料代表了，使智能材料代表了材料科學(xué)的材料科學(xué)的最活躍方面和最先進(jìn)的發(fā)展方向最活躍方面和最先進(jìn)的發(fā)展方向。 功能材料功能材料智能材料應(yīng)用的簡(jiǎn)單事例：智能材料應(yīng)用的簡(jiǎn)單事例：某些某些太陽(yáng)鏡的鏡片當(dāng)中太陽(yáng)鏡的鏡片當(dāng)中含有含有，這種智能材料能這種智能材料能感知周圍的光感知周圍的光，并能夠，并能夠?qū)鈱?duì)光的強(qiáng)弱進(jìn)行判斷的強(qiáng)弱進(jìn)行判斷，當(dāng)光強(qiáng)時(shí)，它就變暗，當(dāng)，當(dāng)光強(qiáng)時(shí)，它就變暗，當(dāng)光弱時(shí)，它就會(huì)變的透明。光弱時(shí)，它就會(huì)變的透明。 功能材料功能材料因?yàn)橐驗(yàn)樵O(shè)計(jì)智能材料的兩個(gè)指導(dǎo)思想設(shè)計(jì)智能材料的兩個(gè)指導(dǎo)思想是是和和，

5、所，所以以智能材料系統(tǒng)智能材料系統(tǒng)具有或部分具有如下的具有或部分具有如下的和和：功能材料功能材料能夠能夠外界或自身所處的環(huán)境條外界或自身所處的環(huán)境條件件，如負(fù)載、應(yīng)力、應(yīng)變、振動(dòng)、熱、，如負(fù)載、應(yīng)力、應(yīng)變、振動(dòng)、熱、光、電、磁、化學(xué)、核輻射等的強(qiáng)度光、電、磁、化學(xué)、核輻射等的強(qiáng)度及其變化。及其變化。功能材料功能材料可通過(guò)可通過(guò)，對(duì)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)輸入與輸出信輸入與輸出信息進(jìn)行對(duì)比息進(jìn)行對(duì)比，并將其結(jié)果提供給，并將其結(jié)果提供給控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)。能夠識(shí)別能夠識(shí)別傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各類信息傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各類信息并將其積累起來(lái)。并將其積累起來(lái)。功能材料功能材料能夠根據(jù)能夠根據(jù)外界環(huán)境和內(nèi)部條件變化外界環(huán)境和內(nèi)

6、部條件變化，作出相應(yīng)的反應(yīng)作出相應(yīng)的反應(yīng)，并采取必要并采取必要行動(dòng)行動(dòng)。功能材料功能材料能通過(guò)能通過(guò)系統(tǒng)目前的狀況與過(guò)系統(tǒng)目前的狀況與過(guò)去的情況去的情況，對(duì)諸如，對(duì)諸如與與等等問(wèn)題問(wèn)題進(jìn)行自診斷并予以校正。進(jìn)行自診斷并予以校正。功能材料功能材料能通過(guò)能通過(guò)、等等再生機(jī)制再生機(jī)制，來(lái)修補(bǔ)某些，來(lái)修補(bǔ)某些局部損傷局部損傷或破壞或破壞。功能材料功能材料對(duì)不斷變化的對(duì)不斷變化的外部環(huán)境和條件外部環(huán)境和條件，能，能自身結(jié)構(gòu)和功能，并相應(yīng)地自身結(jié)構(gòu)和功能，并相應(yīng)地改變自己的狀態(tài)和行為改變自己的狀態(tài)和行為，從而使，從而使材料系統(tǒng)材料系統(tǒng)始終始終對(duì)外界變化作出恰如對(duì)外界變化作出恰如其分的響應(yīng)。其分的響應(yīng)。功能

7、材料功能材料一般來(lái)說(shuō)一般來(lái)說(shuō)由由、和和四部四部分構(gòu)成。分構(gòu)成。功能材料功能材料基體材料擔(dān)負(fù)著基體材料擔(dān)負(fù)著，一般宜，一般宜選用選用。一般基體材料一般基體材料，因?yàn)椋驗(yàn)槠淦渲亓枯p重量輕、耐腐蝕耐腐蝕，尤其具有粘彈性的非，尤其具有粘彈性的非線性特征。線性特征。也也，以，以輕輕質(zhì)有色合金質(zhì)有色合金為主。為主。功能材料功能材料擔(dān)負(fù)著擔(dān)負(fù)著傳感的任務(wù)傳感的任務(wù)，其主要作，其主要作用是用是（包括（包括壓力壓力、應(yīng)力應(yīng)力、溫度溫度、電磁場(chǎng)電磁場(chǎng)、pH值值等）。等）。常用敏感材料常用敏感材料如如、和和等。等。功能材料功能材料因?yàn)橐驗(yàn)樵谝欢l件下在一定條件下，可產(chǎn)生較大可產(chǎn)生較大的的，所以它擔(dān)負(fù)著，所以它擔(dān)負(fù)

8、著。常用有效驅(qū)動(dòng)材料常用有效驅(qū)動(dòng)材料如如、和和等。等。可以看出，這些材料既是可以看出，這些材料既是，顯然起到了身兼二職的作用，這，顯然起到了身兼二職的作用，這也是也是智能材料設(shè)計(jì)時(shí)可采用的一種思路智能材料設(shè)計(jì)時(shí)可采用的一種思路。功能材料功能材料包括包括、等。等。功能材料功能材料圖所示為智能材料的圖所示為智能材料的。功能材料功能材料是繼是繼、之后的之后的第四代功能材料第四代功能材料。因?yàn)楝F(xiàn)在因?yàn)楝F(xiàn)在可用于智能材料的材料種類不可用于智能材料的材料種類不斷擴(kuò)大斷擴(kuò)大，所以，所以智能材料的分類智能材料的分類也只能是粗淺也只能是粗淺的，分類方法也有多種，的，分類方法也有多種，功能材料功能材料若按若按來(lái)分

9、，可以分為來(lái)分，可以分為、和和等。等。若按若按來(lái)分，可以分為來(lái)分，可以分為、和和。功能材料功能材料目前研究開發(fā)的目前研究開發(fā)的主要有主要有和和兩大類；兩大類；在在、和和材料等方面發(fā)材料等方面發(fā)展較快；展較快；功能材料功能材料的范圍很廣泛，作為的范圍很廣泛，作為智能材料的智能材料的的研究和的研究和開發(fā)非?；钴S，開發(fā)非?；钴S，其次還有其次還有、和和等。等。 功能材料功能材料功能材料功能材料受到外力作用后，受到外力作用后，首先發(fā)生首先發(fā)生彈性變形彈性變形，達(dá)到屈服點(diǎn)，就，達(dá)到屈服點(diǎn)，就產(chǎn)生產(chǎn)生塑性變形塑性變形，應(yīng)力消除后應(yīng)力消除后留下留下。（詳見第三講）。（詳見第三講）功能材料功能材料智能材料大多是

10、由智能材料大多是由合合成材料成材料或或陶瓷材料陶瓷材料制成的，具有制成的，具有，其，其變化的變化的大小大小與與電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度有關(guān)。有關(guān)。功能材料功能材料科學(xué)家研制成功一種科學(xué)家研制成功一種，這種材料這種材料在接通電流時(shí)在接通電流時(shí)，可以，可以。如果向如果向空心復(fù)合梁空心復(fù)合梁中充入中充入，在外電場(chǎng)的作用下在外電場(chǎng)的作用下，這種，這種液體材液體材料就會(huì)變硬料就會(huì)變硬，從而使梁變成僵硬狀。，從而使梁變成僵硬狀。功能材料功能材料將將現(xiàn)象與現(xiàn)象與結(jié)合起結(jié)合起來(lái)，就可以實(shí)現(xiàn)使來(lái)，就可以實(shí)現(xiàn)使復(fù)合梁隨著負(fù)載的復(fù)合梁隨著負(fù)載的變化變化而而改變其性質(zhì)改變其性質(zhì)。這將是。這將是智能化的智能化的

11、一個(gè)突破性的新起點(diǎn)。一個(gè)突破性的新起點(diǎn)。功能材料功能材料還可以用作還可以用作在地震在地震時(shí)時(shí)能能自動(dòng)加固建筑物的基礎(chǔ)自動(dòng)加固建筑物的基礎(chǔ)。此外，此外，在在機(jī)電工業(yè)機(jī)電工業(yè)中也有廣泛的用途。中也有廣泛的用途。功能材料功能材料目前目前智能材料的主流是智能材料的主流是，是近是近期才發(fā)展起來(lái)的一種新型功能材料。期才發(fā)展起來(lái)的一種新型功能材料。功能材料功能材料在電磁場(chǎng)的作用在電磁場(chǎng)的作用下下可以產(chǎn)生可以產(chǎn)生，也可以，也可以轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為電磁能電磁能。功能材料功能材料具有具有磁磁、和和特點(diǎn)，在國(guó)防、航空航天和高技術(shù)領(lǐng)特點(diǎn)，在國(guó)防、航空航天和高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。域應(yīng)用極為廣泛。功能材料功能材料（1 1）由

12、于）由于比比傳傳統(tǒng)材料統(tǒng)材料在性能上有了驚人的提高，所以在在性能上有了驚人的提高，所以在電器、家電、通訊器材、電腦電器、家電、通訊器材、電腦等生產(chǎn)領(lǐng)域，等生產(chǎn)領(lǐng)域，逐漸取代了逐漸取代了傳統(tǒng)的磁致傳統(tǒng)的磁致伸縮材料和電致伸縮材料伸縮材料和電致伸縮材料，使產(chǎn)品升級(jí)和，使產(chǎn)品升級(jí)和更新?lián)Q代更加容易。更新?lián)Q代更加容易。功能材料功能材料（2 2）由于）由于的獨(dú)的獨(dú)特的性能，可被用于特的性能，可被用于，如如（如油料控制、導(dǎo)彈發(fā)射（如油料控制、導(dǎo)彈發(fā)射控制裝置等），控制裝置等），（如信號(hào)處（如信號(hào)處理、聲納掃描、超聲、水聲等），以及理、聲納掃描、超聲、水聲等），以及等的開發(fā)。等的開發(fā)。 功能材料功能材料對(duì)于

13、對(duì)于的應(yīng)用，目前，的應(yīng)用，目前，美國(guó)位居各國(guó)之首美國(guó)位居各國(guó)之首，其成功標(biāo)志在于開發(fā)，其成功標(biāo)志在于開發(fā)出了一系列出了一系列，如，如以及以及等。等。功能材料功能材料我國(guó)對(duì)我國(guó)對(duì)新產(chǎn)品的開新產(chǎn)品的開發(fā)發(fā)也呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢(shì)頭。也呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢(shì)頭。如開發(fā)出的大功率如開發(fā)出的大功率，應(yīng)用于應(yīng)用于三峽工程和地球物理勘探三峽工程和地球物理勘探；開發(fā)出；開發(fā)出的的；功能材料功能材料功能材料功能材料在某些晶體材料上在某些晶體材料上施加機(jī)械力施加機(jī)械力時(shí)，晶體時(shí)，晶體表面會(huì)表面會(huì)產(chǎn)生電荷產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱，這種現(xiàn)象稱。在一定范圍內(nèi)，在一定范圍內(nèi)，。相反，在晶體上相反，在晶體上施加電場(chǎng)施加電場(chǎng)時(shí)，晶體會(huì)時(shí)

14、，晶體會(huì)產(chǎn)產(chǎn)生幾何變形生幾何變形，稱，稱。功能材料功能材料決定了材料決定了材料能否產(chǎn)能否產(chǎn)生壓電性生壓電性。顯然，壓電效應(yīng)只存在于顯然，壓電效應(yīng)只存在于中。中。功能材料功能材料，從而導(dǎo)致，從而導(dǎo)致介質(zhì)兩端表面介質(zhì)兩端表面。 功能材料功能材料加上電場(chǎng)之后加上電場(chǎng)之后，不僅存在，不僅存在產(chǎn)生的應(yīng)變，而且還存在產(chǎn)生的應(yīng)變，而且還存在，并且，并且，后一效應(yīng)稱為，后一效應(yīng)稱為。功能材料功能材料即即是一種是一種，外加電場(chǎng)所產(chǎn)生的，外加電場(chǎng)所產(chǎn)生的可表示為可表示為S = dE + ME2 + NE3 + 式中，式中，dE是一階的線性耦合效應(yīng)，即壓是一階的線性耦合效應(yīng)，即壓電效應(yīng)；系數(shù)電效應(yīng)；系數(shù)d稱為壓電常

15、數(shù)；稱為壓電常數(shù)；ME2，NE3，為高階的非線性耦合效應(yīng)，或電致伸縮效為高階的非線性耦合效應(yīng)，或電致伸縮效應(yīng)；系數(shù)應(yīng)；系數(shù)M、N等為電致伸縮常數(shù)。等為電致伸縮常數(shù)。功能材料功能材料是利用是利用產(chǎn)生微小應(yīng)變產(chǎn)生微小應(yīng)變，并能，并能由電場(chǎng)非常精由電場(chǎng)非常精確地加以控制確地加以控制的陶瓷。的陶瓷。 功能材料功能材料由于由于非常微弱非常微弱，通常，通常電致伸縮效應(yīng)是指電致伸縮效應(yīng)是指。大多數(shù)材料的電致伸縮效應(yīng)都非常大多數(shù)材料的電致伸縮效應(yīng)都非常小，而在小，而在中，此效應(yīng)為中，此效應(yīng)為應(yīng)應(yīng)變的主體變的主體。功能材料功能材料兼具兼具的壓電陶瓷，的壓電陶瓷，在構(gòu)筑在構(gòu)筑智能系統(tǒng)的功能材料智能系統(tǒng)的功能材料中

16、，是重要中，是重要的材料之一。的材料之一。功能材料功能材料具有具有機(jī)電機(jī)電、聲聲、光光、熱熱、彈彈等等多種功能及其多種功能及其耦合效應(yīng)耦合效應(yīng)，可用作，可用作壓力、溫度壓力、溫度、光、光等多種等多種。又具有又具有位移控制精度高位移控制精度高(0.01 m)、響應(yīng)快響應(yīng)快(10 s)、推動(dòng)力大推動(dòng)力大(40MPa)、驅(qū)動(dòng)功率低驅(qū)動(dòng)功率低和和工作頻率寬工作頻率寬等優(yōu)點(diǎn)。等優(yōu)點(diǎn)。功能材料功能材料一些實(shí)用化及正進(jìn)行研究的一些實(shí)用化及正進(jìn)行研究的如下：如下：功能材料功能材料 這是利用這是利用制制成的，它可以成的，它可以自動(dòng)感覺雨量自動(dòng)感覺雨量并并自動(dòng)調(diào)節(jié)擋自動(dòng)調(diào)節(jié)擋風(fēng)玻璃上的雨刷至最佳速度風(fēng)玻璃上的雨刷

17、至最佳速度。功能材料功能材料 這是利用這是利用、和和的疊合的疊合研制成的研制成的，這套智能系統(tǒng)具有這套智能系統(tǒng)具有識(shí)別路面識(shí)別路面(粗糙度粗糙度)并進(jìn)行并進(jìn)行自我調(diào)節(jié)自我調(diào)節(jié)的功能，可以的功能，可以使粗糙路面產(chǎn)生的使粗糙路面產(chǎn)生的振動(dòng)減至最低振動(dòng)減至最低，從而，從而提高乘坐舒適性提高乘坐舒適性。功能材料功能材料 用于用于振動(dòng)頻率低于振動(dòng)頻率低于500Hz的消聲的消聲，是，是由由、和和組成。組成。功能材料功能材料 這類這類，是由，是由兩種或兩種以兩種或兩種以上功能陶瓷上功能陶瓷進(jìn)行進(jìn)行組合后組合后形成的一種形成的一種，這種，這種復(fù)合功能塊復(fù)合功能塊會(huì)呈現(xiàn)會(huì)呈現(xiàn)一些新一些新效應(yīng)效應(yīng)，稱為，稱為。功

18、能材料功能材料 模仿自然界生物具有的特性模仿自然界生物具有的特性構(gòu)思仿生構(gòu)思仿生物物，研究，研究像尾鰭和鳥翼那樣柔軟像尾鰭和鳥翼那樣柔軟，能折疊能折疊又很結(jié)實(shí)的又很結(jié)實(shí)的智能材料用作智能材料用作，并，并有有效利用自然界的波浪和風(fēng)能效利用自然界的波浪和風(fēng)能。 功能材料功能材料它是利用壓電陶瓷的它是利用壓電陶瓷的，直接，直接把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能輸出，輸出，而不需要而不需要通常使用的電磁線圈通常使用的電磁線圈。功能材料功能材料這種新型這種新型，具有，具有結(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單構(gòu)簡(jiǎn)單、起動(dòng)快起動(dòng)快、轉(zhuǎn)矩大轉(zhuǎn)矩大、體積小體積小、功耗低功耗低等特點(diǎn)，主要用作等特點(diǎn)，主要用作自動(dòng)控制、自動(dòng)控制、機(jī)器人機(jī)

19、器人等的致動(dòng)器。等的致動(dòng)器。功能材料功能材料它是由若干層它是由若干層( (PZT)PZT)壓壓電陶瓷塊電陶瓷塊構(gòu)成的，構(gòu)成的，既作為既作為又作為又作為。功能材料功能材料 功能材料功能材料當(dāng)當(dāng)落到落到上時(shí)，上時(shí)，球的沖擊球的沖擊力力產(chǎn)生產(chǎn)生； 電壓脈沖電壓脈沖通過(guò)通過(guò)加以加以放大和調(diào)整放大和調(diào)整，然后，然后返回并施加到返回并施加到壓電塊的壓電塊的；突然突然，把金屬球拋出把金屬球拋出壓電塊所在的孔壓電塊所在的孔，使球，使球爬出，落入爬出，落入另一孔內(nèi)，再盤旋上升，如此周而復(fù)始。另一孔內(nèi)，再盤旋上升，如此周而復(fù)始。功能材料功能材料科學(xué)家最近研制成功一種科學(xué)家最近研制成功一種，如果將其如果將其放入壁紙

20、中放入壁紙中，就可以大大，就可以大大減小冰減小冰箱或空調(diào)機(jī)的噪聲箱或空調(diào)機(jī)的噪聲，給住戶創(chuàng)造了一個(gè)安，給住戶創(chuàng)造了一個(gè)安靜的居住環(huán)境。靜的居住環(huán)境。 功能材料功能材料是一種能是一種能在光的激在光的激發(fā)下發(fā)下的玻璃。的玻璃。功能材料功能材料含鹵化銀含鹵化銀的的光色玻璃受到光色玻璃受到照射時(shí)，照射時(shí)，氯化銀晶體分解為氯化銀晶體分解為AgAg和和ClCl原子，析出的原子，析出的使玻璃顏色使玻璃顏色變深，從而變深，從而阻止陽(yáng)光的透過(guò)阻止陽(yáng)光的透過(guò)。發(fā)生的光化學(xué)反應(yīng)如下：發(fā)生的光化學(xué)反應(yīng)如下： 功能材料功能材料式中，式中，h 1為為短波激活光能短波激活光能；h 2為為長(zhǎng)長(zhǎng)波光源光能波光源光能；為；為加熱

21、退色效應(yīng)加熱退色效應(yīng)。),(),(0000,2IBrClAgIBrClAh h 1玻璃變色過(guò)程中，發(fā)生的光化學(xué)反應(yīng)如下：玻璃變色過(guò)程中，發(fā)生的光化學(xué)反應(yīng)如下：功能材料功能材料在沒(méi)有紫外線照射時(shí)，原來(lái)分解產(chǎn)生的在沒(méi)有紫外線照射時(shí)，原來(lái)分解產(chǎn)生的又又重新結(jié)合重新結(jié)合恢復(fù)為恢復(fù)為無(wú)色的氯化無(wú)色的氯化銀銀AgClAgCl，玻璃，玻璃( (鏡片鏡片) )褪色。褪色。因此，變色眼鏡因此，變色眼鏡在陽(yáng)光下在陽(yáng)光下，在室內(nèi)在室內(nèi)則恢復(fù)則恢復(fù)。 功能材料功能材料若配料中加入少量若配料中加入少量，就能顯，就能顯著地著地提高敏感性提高敏感性，并，并。如加入如加入Cu2O時(shí)，時(shí)， 是一種增感劑。是一種增感劑。功能材料

22、功能材料在氯化銀晶體中在氯化銀晶體中作為作為，它，它 的存在增加了光解銀原子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的濃度，使玻璃的變暗靈敏度大大提高。提高。h 1 20,2CuAgCuAgh功能材料功能材料具有具有隨光的波長(zhǎng)和強(qiáng)度的隨光的波長(zhǎng)和強(qiáng)度的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)光的透過(guò)率變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)光的透過(guò)率的自適應(yīng)特性，的自適應(yīng)特性，因而被稱為因而被稱為，除用作，除用作外，還用作外，還用作、以及、以及等。等。 功能材料功能材料是是在外加電場(chǎng)作用下在外加電場(chǎng)作用下，材料由于材料由于導(dǎo)致導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或價(jià)結(jié)構(gòu)或價(jià)態(tài)發(fā)生可逆變化態(tài)發(fā)生可逆變化，進(jìn)而，進(jìn)而調(diào)節(jié)材料的透過(guò)與反調(diào)節(jié)材料的透過(guò)與反射特性

23、射特性，表現(xiàn)為，表現(xiàn)為。功能材料功能材料通常由通常由多層結(jié)構(gòu)多層結(jié)構(gòu)組成，即組成，即/ / / /。當(dāng)當(dāng)兩組電極之間建立電場(chǎng)兩組電極之間建立電場(chǎng)時(shí)，離子時(shí)，離子經(jīng)過(guò)離子導(dǎo)體經(jīng)過(guò)離子導(dǎo)體發(fā)生發(fā)生，從而導(dǎo)致，從而導(dǎo)致電致變色薄膜的光學(xué)性能發(fā)電致變色薄膜的光學(xué)性能發(fā)生變化生變化。功能材料功能材料無(wú)機(jī)電致變色材料無(wú)機(jī)電致變色材料有有NiO、 -WO3。近年來(lái)利用近年來(lái)利用薄膜材料薄膜材料的的制造了制造了“電開關(guān)電開關(guān)”自動(dòng)控制靈巧窗自動(dòng)控制靈巧窗，用于，用于建筑采光建筑采光等。等。 功能材料功能材料1、功能材料功能材料用于軍事，是用于軍事，是隨著智能隨著智能材料的發(fā)展材料的發(fā)展不斷發(fā)展的一個(gè)領(lǐng)域。不斷

24、發(fā)展的一個(gè)領(lǐng)域。功能材料功能材料因?yàn)橐驗(yàn)椴粌H象不僅象一樣可以一樣可以，而且它還具有了，而且它還具有了其其他功能材料所不具備的功能他功能材料所不具備的功能，即能，即能，并能，并能，借此，借此。功能材料功能材料所以，所以，在軍事應(yīng)用中在軍事應(yīng)用中具有很具有很大潛力，它的研究、開發(fā)和利用，對(duì)大潛力，它的研究、開發(fā)和利用，對(duì)將產(chǎn)生重大影響。將產(chǎn)生重大影響。 目前，在各種軍事領(lǐng)域中，目前，在各種軍事領(lǐng)域中，主要涉及到以下幾個(gè)方面：主要涉及到以下幾個(gè)方面：功能材料功能材料例如，例如，作為智能傳感元件的作為智能傳感元件的用于用于飛機(jī)機(jī)翼的飛機(jī)機(jī)翼的中；中；在在植入植入、和和制成的制成的，可用于，可用于、和和

25、。功能材料功能材料目前美國(guó)在目前美國(guó)在包括：包括：美國(guó)美國(guó)彈道導(dǎo)彈防御局彈道導(dǎo)彈防御局為為研制研制含有多種傳感器的智能蒙皮；含有多種傳感器的智能蒙皮；美國(guó)海軍則重點(diǎn)研究美國(guó)海軍則重點(diǎn)研究，以提高以提高艦艇的隱身性能艦艇的隱身性能。 功能材料功能材料可用于可用于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變、溫度、裂紋，探測(cè)疲勞和受損傷情應(yīng)變、溫度、裂紋，探測(cè)疲勞和受損傷情況況，從而能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行，從而能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行。功能材料功能材料例如，采用例如，采用和和的的可對(duì)可對(duì)機(jī)翼、機(jī)架機(jī)翼、機(jī)架以以及可重復(fù)使用及可重復(fù)使用航天運(yùn)載器航天運(yùn)載器進(jìn)行進(jìn)行、和和；功能材料功能材料等大型等大型在軌系統(tǒng)在軌系統(tǒng)采用采用，可，可由于交

26、會(huì)由于交會(huì)對(duì)接碰撞對(duì)接碰撞、隕石撞擊隕石撞擊或其他原因或其他原因，。功能材料功能材料正在研究的正在研究的有：有：自診斷技術(shù)；自診斷技術(shù)；u可以測(cè)量裂紋的可以測(cè)量裂紋的自診斷自診斷技術(shù)；技術(shù)；u可可自診斷技自診斷技術(shù)等。術(shù)等。 功能材料功能材料用于用于航空、航天系統(tǒng)航空、航天系統(tǒng)可以可以，。如美如美國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局資助波音公司資助波音公司研制的研制的，可以改善，可以改善旋翼的空氣動(dòng)力學(xué)性能旋翼的空氣動(dòng)力學(xué)性能，減小振動(dòng)和噪音減小振動(dòng)和噪音。功能材料功能材料用于用于，可以，可以抑制噪聲傳抑制噪聲傳播播，提高潛艇和軍艦的聲隱身性能提高潛艇和軍艦的聲隱身性能。用于用于，可以，可以提

27、高軍提高軍用車輛的性能和乘坐的舒適度用車輛的性能和乘坐的舒適度。國(guó)外正在研究的具有國(guó)外正在研究的具有的的智能結(jié)構(gòu)智能結(jié)構(gòu)，主要由，主要由、和和等新材料制成。等新材料制成。功能材料功能材料制成的制成的，能夠，能夠?qū)崒?shí)時(shí)感知外界環(huán)境的變化時(shí)感知外界環(huán)境的變化，并可以，并可以驅(qū)動(dòng)機(jī)翼驅(qū)動(dòng)機(jī)翼彎曲、扭轉(zhuǎn)彎曲、扭轉(zhuǎn)，從而，從而改變翼型和攻角改變翼型和攻角，以獲，以獲得得，。功能材料功能材料如當(dāng)飛機(jī)如當(dāng)飛機(jī)在飛行過(guò)程中在飛行過(guò)程中遇到遇到或或猛烈的猛烈的時(shí)，機(jī)翼中的時(shí)，機(jī)翼中的就能就能夠迅速夠迅速，并，并，從，從而而消除渦流或逆風(fēng)的影響消除渦流或逆風(fēng)的影響，使飛機(jī)仍能，使飛機(jī)仍能平衡地飛行。平衡地飛行。功

28、能材料功能材料美國(guó)的一項(xiàng)研究表明，在美國(guó)的一項(xiàng)研究表明，在中中使用使用，可使，可使機(jī)翼阻力降低機(jī)翼阻力降低85%。美國(guó)美國(guó)波音公司波音公司和和麻省理工學(xué)院麻省理工學(xué)院聯(lián)合研聯(lián)合研究究，電致流變體時(shí)電致流變體時(shí)可可達(dá)幾度。達(dá)幾度。功能材料功能材料美國(guó)陸軍在開發(fā)美國(guó)陸軍在開發(fā)，將用于，將用于RAH-66武裝直升機(jī)。武裝直升機(jī)。美國(guó)防部和航空航天局也在研究美國(guó)防部和航空航天局也在研究，包括，包括翼片彎曲翼片彎曲、彎曲造型彎曲造型/控控制面造型制面造型等。等。功能材料功能材料可能是這樣的：可能是這樣的：可以隨可以隨心所欲的心所欲的變換顏色變換顏色；可以隨人體不同的可以隨人體不同的需要需要改變溫度和形狀

29、改變溫度和形狀；一切的；一切的都是觸摸都是觸摸式的，永遠(yuǎn)不會(huì)再有觸電的危險(xiǎn)；式的，永遠(yuǎn)不會(huì)再有觸電的危險(xiǎn)；帶有傳感功能；帶有傳感功能；。功能材料功能材料隨著隨著的發(fā)展，尤其是的發(fā)展，尤其是設(shè)想的提出，有可能設(shè)計(jì)出設(shè)想的提出，有可能設(shè)計(jì)出。雖然目前還處于雖然目前還處于設(shè)想階段設(shè)想階段，但是已經(jīng)開，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(lái)始著手進(jìn)行研究，并且必然將在不久的將來(lái)成為現(xiàn)實(shí)。成為現(xiàn)實(shí)。幾種幾種如下：如下： 功能材料功能材料用來(lái)用來(lái)構(gòu)建整個(gè)房屋構(gòu)建整個(gè)房屋的結(jié)構(gòu)單元，的結(jié)構(gòu)單元，這種結(jié)構(gòu)單元這種結(jié)構(gòu)單元具有具有和和。這種這種主要由以下主要由以下三個(gè)分層三個(gè)分層構(gòu)成：構(gòu)成：功能材料功

30、能材料第一層是第一層是，能感受，能感受來(lái)自周圍來(lái)自周圍的的、，并能，并能控制這些能控制這些能量的輸出量的輸出，如果是，如果是內(nèi)墻壁磚內(nèi)墻壁磚，還能，還能；功能材料功能材料第二層是第二層是，能為居住者提供，能為居住者提供；第三層是第三層是，可以用來(lái)，可以用來(lái)。功能材料功能材料住戶還可以挑選合適的住戶還可以挑選合適的。另外，面膜的設(shè)置及其構(gòu)形并不是一成另外，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。不變的，而是很容易剝離并換上新的面膜。功能材料功能材料面膜面膜在磚材的最上層在磚材的最上層，它也，它也具有多具有多功能性功能性。如如可以可以使墻壁產(chǎn)生不同的色彩使墻壁產(chǎn)生不同的色

31、彩和圖案和圖案；功能材料功能材料可以可以接收聲波、熱能和可見光接收聲波、熱能和可見光并予以并予以減弱或增強(qiáng)減弱或增強(qiáng)；可產(chǎn)生可產(chǎn)生耐久的色彩和圖案耐久的色彩和圖案；可可連接內(nèi)外通信線路連接內(nèi)外通信線路。功能材料功能材料在未來(lái)的在未來(lái)的不會(huì)看到傳統(tǒng)的碗碟。不會(huì)看到傳統(tǒng)的碗碟。在毫微在毫微塑料的桌面上，塑料的桌面上，旋轉(zhuǎn)的碗不僅能旋轉(zhuǎn)的碗不僅能，而且可以而且可以根據(jù)用戶的需要根據(jù)用戶的需要，供準(zhǔn)備、烹調(diào)和上菜時(shí)使用。供準(zhǔn)備、烹調(diào)和上菜時(shí)使用。并且，這種并且，這種還具有還具有和和在不使用在不使用冰箱的情況下冰箱的情況下的功能。的功能。 功能材料功能材料用用制作的坐椅不僅制作的坐椅不僅將大大將大大，而

32、且也將，而且也將。使用毫微塑料使用毫微塑料能改變椅座面的能改變椅座面的和和，也可以形成，也可以形成各種型式的椅座面各種型式的椅座面。功能材料功能材料如果如果出于美學(xué)的考慮出于美學(xué)的考慮，或是便于人們，或是便于人們或從座椅中或從座椅中，毫微塑料也可以，毫微塑料也可以，還能，還能。功能材料功能材料由于由于不同年齡段的人不同年齡段的人對(duì)對(duì)的的要求有很大區(qū)別，這種座椅還要求有很大區(qū)別，這種座椅還可以隨心所可以隨心所欲地欲地。它甚至還。它甚至還對(duì)人們喜愛的對(duì)人們喜愛的舒適溫度舒適溫度具有具有。功能材料功能材料在衛(wèi)生間里，常見設(shè)施是在衛(wèi)生間里，常見設(shè)施是、和和。采用了智能結(jié)構(gòu)的衛(wèi)生間是這樣的：采用了智能結(jié)

33、構(gòu)的衛(wèi)生間是這樣的：功能材料功能材料在洗漱時(shí)在洗漱時(shí)，人們只要，人們只要接觸洗臉盆支架接觸洗臉盆支架表面的任何區(qū)域表面的任何區(qū)域，就能，就能、（集中噴射的水流或?qū)掗煟袊娚涞乃骰驅(qū)掗煹乃煚畹龋┕┤藗冞x擇。的水簾狀等）供人們選擇。洗臉盆上方的洗臉盆上方的能照出人的正常能照出人的正常，還能照出真實(shí)的，還能照出真實(shí)的。功能材料功能材料的的隨使用者的隨使用者的不同而自動(dòng)變化；不同而自動(dòng)變化；自動(dòng)加熱至舒適的溫度，整個(gè)結(jié)自動(dòng)加熱至舒適的溫度，整個(gè)結(jié)構(gòu)十分輕便。構(gòu)十分輕便。功能材料功能材料在電腦住宅的在電腦住宅的里，安裝了一臺(tái)里，安裝了一臺(tái)，每當(dāng)有人上廁所時(shí)，與馬，每當(dāng)有人上廁所時(shí)，與馬桶相連的桶相

34、連的即自動(dòng)分析大小便的情況，即自動(dòng)分析大小便的情況，如發(fā)現(xiàn)異常，電腦會(huì)立即發(fā)出警報(bào)，以便及如發(fā)現(xiàn)異常，電腦會(huì)立即發(fā)出警報(bào)，以便及時(shí)到醫(yī)院去看病。時(shí)到醫(yī)院去看病。功能材料功能材料只要和只要和相連接，相連接，上下上下水水、水溫水溫和和水流水流都能得到自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)。都能得到自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)。綜上所述，未來(lái)的綜上所述，未來(lái)的必將顯著必將顯著提高人們的生活質(zhì)量提高人們的生活質(zhì)量 。功能材料功能材料功能材料功能材料因?yàn)橐驗(yàn)槟苣苣M活體生物模擬活體生物，而，而且其且其均接近于人體的肌肉。均接近于人體的肌肉。所以這種材料可以應(yīng)用于所以這種材料可以應(yīng)用于，而且它們還具有而且它們還具有與生物體的相容性與生物體的相

35、容性，隨著傷，隨著傷口的愈合，這種聚合物就會(huì)在體內(nèi)口的愈合，這種聚合物就會(huì)在體內(nèi)逐漸降解逐漸降解，最后將會(huì)消失。，最后將會(huì)消失。 功能材料功能材料，可以，可以、以及各種以及各種，并且有，并且有。這種智能材料還可以這種智能材料還可以，例如，例如，粗糙度粗糙度、摩擦力摩擦力等。等。功能材料功能材料科學(xué)家正在研制一種能科學(xué)家正在研制一種能，這種聚合物，這種聚合物可制成可制成，將它，將它注入糖尿病患者的注入糖尿病患者的血液中血液中，小球就可，小球就可模擬胰細(xì)胞工作模擬胰細(xì)胞工作，使病人使病人的血糖濃度的血糖濃度始終保持在平常的水平上。始終保持在平常的水平上。 功能材料功能材料、如圖所示是一種有效的、如

36、圖所示是一種有效的，即，即。功能材料功能材料圖中的圖中的疏水性疏水性形成了形成了“導(dǎo)彈導(dǎo)彈”的的疏水內(nèi)核疏水內(nèi)核，而，而則則在內(nèi)核周圍在內(nèi)核周圍形成了形成了一個(gè)一個(gè)。所形成的這種所形成的這種是一種是一種，它能，它能而而有效的到達(dá)癌細(xì)胞所在地有效的到達(dá)癌細(xì)胞所在地。功能材料功能材料、90年代后期，研制出用年代后期，研制出用對(duì)電磁場(chǎng)對(duì)電磁場(chǎng)敏感的敏感的制成了制成了。功能材料功能材料首先，首先，通過(guò)導(dǎo)管通過(guò)導(dǎo)管將這種針將這種針植入病人癌植入病人癌變部位變部位，由于，由于，這種針會(huì)發(fā)，這種針會(huì)發(fā)生生現(xiàn)象；現(xiàn)象；其次，在通過(guò)其次，在通過(guò)渦流效應(yīng)產(chǎn)生渦流效應(yīng)產(chǎn)生，形狀記憶合金針形狀記憶合金針將能夠?qū)⒛軌蚨?/p>

37、使而使癌變區(qū)得到萎縮癌變區(qū)得到萎縮。 功能材料功能材料智能材料系統(tǒng)中智能材料系統(tǒng)中最成熟的應(yīng)用領(lǐng)域最成熟的應(yīng)用領(lǐng)域大大概就是概就是。采用智能結(jié)構(gòu)進(jìn)行采用智能結(jié)構(gòu)進(jìn)行是是的有效途徑。的有效途徑。功能材料功能材料一般說(shuō)來(lái)，可以采用一般說(shuō)來(lái)，可以采用來(lái)實(shí)現(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)結(jié)構(gòu)聲控主動(dòng)結(jié)構(gòu)聲控。一種是簡(jiǎn)單地一種是簡(jiǎn)單地，顯然它可以顯然它可以使聲輻射降低到零使聲輻射降低到零，這是一種，這是一種強(qiáng)制性的方法強(qiáng)制性的方法，往往也是辦不到的。，往往也是辦不到的。 功能材料功能材料另一種就是采用另一種就是采用，它是，它是指指。該方法的效率取決于該方法的效率取決于和和。 功能材料功能材料因?yàn)?，并不是所有的因?yàn)椋⒉皇撬?/p>

38、有的都輻射都輻射“”的聲波，的聲波，也同樣是必須考慮的因素。也同樣是必須考慮的因素。功能材料功能材料因而最好的辦法是因而最好的辦法是“”輻射輻射“”的的，并使用，并使用分布分布在整個(gè)結(jié)構(gòu)中的在整個(gè)結(jié)構(gòu)中的（壓電材料或電致（壓電材料或電致流變體）對(duì)產(chǎn)生的流變體）對(duì)產(chǎn)生的該振動(dòng)模進(jìn)行控制該振動(dòng)模進(jìn)行控制。功能材料功能材料美國(guó)軍方提出采用美國(guó)軍方提出采用進(jìn)行進(jìn)行，提高，提高潛艇主動(dòng)隱身性能潛艇主動(dòng)隱身性能。這。這項(xiàng)技術(shù)將使項(xiàng)技術(shù)將使噪聲降低噪聲降低6060分貝分貝，并使，并使?jié)撏綕撏綔y(cè)目標(biāo)的時(shí)間縮短測(cè)目標(biāo)的時(shí)間縮短100100倍。倍。這種這種將采用將采用和采用和采用的的主動(dòng)消聲貼片主動(dòng)消聲貼片。

39、 功能材料功能材料震動(dòng)會(huì)極大地震動(dòng)會(huì)極大地降低工程系統(tǒng)的性能降低工程系統(tǒng)的性能，如，如降低降低的的，減弱跟蹤減弱跟蹤和預(yù)警衛(wèi)星跟蹤目標(biāo)的能力和預(yù)警衛(wèi)星跟蹤目標(biāo)的能力，使制導(dǎo)武器性使制導(dǎo)武器性能下降能下降，導(dǎo)致系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)的疲勞破壞導(dǎo)致系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，此，此外還會(huì)外還會(huì)干擾空間站的微重力環(huán)境干擾空間站的微重力環(huán)境等。等。功能材料功能材料采用采用、或或的的均可均可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的主動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的主動(dòng)控制，提高軍用系統(tǒng)的性能。提高軍用系統(tǒng)的性能。如如進(jìn)行進(jìn)行主動(dòng)震動(dòng)控制主動(dòng)震動(dòng)控制，可，可以及以及，提高直升機(jī)的有效載荷提高直升機(jī)的有效載荷，使速度使速度增加增加，戒備能力提高戒備能力提高。 功能材

40、料功能材料空間系統(tǒng)的空間系統(tǒng)的，主，主要采用要采用或或作為作動(dòng)器。作為作動(dòng)器。考慮的主要因素考慮的主要因素是是、等問(wèn)題，同時(shí)等問(wèn)題，同時(shí)還考慮還考慮。功能材料功能材料可用可用和和。當(dāng)系統(tǒng)結(jié)。當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受到構(gòu)受到外力作用振動(dòng)外力作用振動(dòng)并并產(chǎn)生形變產(chǎn)生形變時(shí)，時(shí)，可產(chǎn)生與壓力成正比的可產(chǎn)生與壓力成正比的表面電荷表面電荷，對(duì)傳感器測(cè)量的信號(hào)進(jìn)行處理后，對(duì)傳感器測(cè)量的信號(hào)進(jìn)行處理后，再給再給反饋一個(gè)適當(dāng)?shù)碾妷?，使其反饋一個(gè)適當(dāng)?shù)碾妷海蛊洚a(chǎn)生產(chǎn)生，從而產(chǎn)生，從而產(chǎn)生，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)隨之迅速減弱使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)隨之迅速減弱。功能材料功能材料的的主動(dòng)振動(dòng)控制主動(dòng)振動(dòng)控制，另一項(xiàng)主，另一項(xiàng)主要應(yīng)用是可能

41、要應(yīng)用是可能。未來(lái)大型未來(lái)大型因其因其振動(dòng)頻率低振動(dòng)頻率低于控制系統(tǒng)的頻率于控制系統(tǒng)的頻率，會(huì)導(dǎo)致有害的控制結(jié)，會(huì)導(dǎo)致有害的控制結(jié)構(gòu)干擾作用。必須從構(gòu)干擾作用。必須從結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化、阻尼減振阻尼減振方方面考慮。面考慮。功能材料功能材料在在應(yīng)用應(yīng)用智能結(jié)構(gòu)的建智能結(jié)構(gòu)的建筑物筑物，將大大，將大大提高建筑提高建筑物的抗震性物的抗震性。 功能材料功能材料 18.2 18.2 梯度功能材料梯度功能材料o 梯度功能材料及其特點(diǎn)梯度功能材料及其特點(diǎn) o 熱防護(hù)梯度功能材料熱防護(hù)梯度功能材料 o 梯度折射率材料梯度折射率材料 o 梯度功能材料的應(yīng)用梯度功能材料的應(yīng)用 功能材料功能材料18.2.1 梯度功能

42、材料及其特點(diǎn)梯度功能材料及其特點(diǎn)概念的提出概念的提出 許多結(jié)構(gòu)件會(huì)遇到各種服役條件，因此，要求材料的許多結(jié)構(gòu)件會(huì)遇到各種服役條件，因此，要求材料的性能應(yīng)隨構(gòu)件中的位置而不同性能應(yīng)隨構(gòu)件中的位置而不同。 例如：例如：菜刀菜刀刃部堅(jiān)硬；而其它地方具有高強(qiáng)度和韌性。刃部堅(jiān)硬；而其它地方具有高強(qiáng)度和韌性。 同樣地，一個(gè)同樣地，一個(gè)齒輪齒輪輪體必須有好的韌性，而其表面則必須堅(jiān)輪體必須有好的韌性，而其表面則必須堅(jiān)硬和耐磨。硬和耐磨。渦輪葉片渦輪葉片的主體必須高強(qiáng)度、高韌性和抗蠕變，的主體必須高強(qiáng)度、高韌性和抗蠕變，而它的外表面必須耐熱和抗氧化。而它的外表面必須耐熱和抗氧化。 功能材料功能材料 航空航天事業(yè)

43、的快速發(fā)展，對(duì)材料的機(jī)械性能提出航空航天事業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)材料的機(jī)械性能提出越來(lái)越苛刻的要求。越來(lái)越苛刻的要求。例如，當(dāng)例如，當(dāng)航天飛機(jī)航天飛機(jī)往返大氣層，飛行速度超過(guò)往返大氣層，飛行速度超過(guò)25馬赫茲馬赫茲時(shí)，其時(shí)，其表面溫度高達(dá)表面溫度高達(dá)2000。而燃燒室的溫度更高，燃燒氣體溫度。而燃燒室的溫度更高，燃燒氣體溫度可超過(guò)可超過(guò)2000，燃燒室的熱流量大于，燃燒室的熱流量大于5MWrn2，其空氣入，其空氣入口的前端熱通量達(dá)口的前端熱通量達(dá)50MWm2，對(duì)如此巨大熱量必須采取，對(duì)如此巨大熱量必須采取冷卻的措施，因此燃燒室壁內(nèi)外溫差大于冷卻的措施，因此燃燒室壁內(nèi)外溫差大于1000。功能材料功能材

44、料 傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的金屬材料金屬材料難以滿足這種苛刻的使用環(huán)境，而金屬難以滿足這種苛刻的使用環(huán)境，而金屬表面陶瓷涂層材料或金屬與陶瓷表面陶瓷涂層材料或金屬與陶瓷復(fù)合材料復(fù)合材料在此高溫環(huán)境中使在此高溫環(huán)境中使用時(shí)，由于二者的用時(shí)，由于二者的熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)相差較大，往往在金屬和陶瓷相差較大，往往在金屬和陶瓷的界面處產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致出現(xiàn)的界面處產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致出現(xiàn)剝落或龜裂剝落或龜裂現(xiàn)象而使現(xiàn)象而使材料失效。材料失效。 構(gòu)件中材料成分和性能的突然變化常常會(huì)導(dǎo)致明顯的構(gòu)件中材料成分和性能的突然變化常常會(huì)導(dǎo)致明顯的局部局部應(yīng)力集中應(yīng)力集中。 如果材料逐步過(guò)渡，應(yīng)力集中就會(huì)大大降如果材料逐

45、步過(guò)渡，應(yīng)力集中就會(huì)大大降低。低。功能材料功能材料 為了有效解決此類耐熱材料，日本學(xué)者新野正之、平為了有效解決此類耐熱材料，日本學(xué)者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三等人于井敏雄和渡邊龍三等人于1987年首次提出了金屬和超耐年首次提出了金屬和超耐熱陶瓷梯度化結(jié)合這一新奇想法，即梯度功能材料熱陶瓷梯度化結(jié)合這一新奇想法，即梯度功能材料(FGM)的新概念。的新概念。梯度功能材料梯度功能材料(functionally gradient materials，縮寫，縮寫FGM) 是兩種或多種材料復(fù)合成組分和結(jié)構(gòu)呈是兩種或多種材料復(fù)合成組分和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)梯度變化連續(xù)梯度變化的的一種新型復(fù)合材料；它的設(shè)計(jì)要求功能、

46、性能隨機(jī)件內(nèi)部一種新型復(fù)合材料；它的設(shè)計(jì)要求功能、性能隨機(jī)件內(nèi)部位置的變化而變化，通過(guò)優(yōu)化構(gòu)件的整體性能而得以滿足。位置的變化而變化，通過(guò)優(yōu)化構(gòu)件的整體性能而得以滿足。功能材料功能材料18.218.2.2 .2 梯度功能材料的特點(diǎn)與分類梯度功能材料的特點(diǎn)與分類 （一）（一） 主要特征：主要特征： () 材料的組分和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)梯度變化。材料的組分和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)梯度變化。 () 材料內(nèi)部沒(méi)有明顯的界面。材料內(nèi)部沒(méi)有明顯的界面。 () 材料的性質(zhì)也相應(yīng)呈連續(xù)梯度變化。材料的性質(zhì)也相應(yīng)呈連續(xù)梯度變化。功能材料功能材料表表18-1 梯度功能材料與混雜材料和復(fù)合材料的比較梯度功能材料與混雜材料和復(fù)合材料的比

47、較 梯度功能材料是一種集各種梯度功能材料是一種集各種組分組分(如金屬、陶瓷、纖維、如金屬、陶瓷、纖維、聚合物等聚合物等)、結(jié)構(gòu)、物性參數(shù)和物理、結(jié)構(gòu)、物性參數(shù)和物理、化學(xué)、生物化學(xué)、生物等單一或綜等單一或綜合性能都呈連續(xù)變化，以適應(yīng)不同環(huán)境，實(shí)現(xiàn)某一特殊功能的合性能都呈連續(xù)變化，以適應(yīng)不同環(huán)境，實(shí)現(xiàn)某一特殊功能的一類新型材料。一類新型材料。 功能材料功能材料梯度功能材料能夠以幾種方式來(lái)改善一個(gè)構(gòu)件的梯度功能材料能夠以幾種方式來(lái)改善一個(gè)構(gòu)件的熱機(jī)械特征熱機(jī)械特征： () 熱應(yīng)力熱應(yīng)力值可減至最小，而且適宜地控制熱應(yīng)力達(dá)到峰值可減至最小，而且適宜地控制熱應(yīng)力達(dá)到峰值的臨界位置；值的臨界位置； ()

48、 對(duì)于一給定的熱機(jī)械載荷作用推遲對(duì)于一給定的熱機(jī)械載荷作用推遲塑性屈服和失效塑性屈服和失效的發(fā)生；的發(fā)生； () 抑制自由邊界與界面交接處的嚴(yán)重的應(yīng)力集中和奇異抑制自由邊界與界面交接處的嚴(yán)重的應(yīng)力集中和奇異性；性； () 與突變的界面相比，可以通過(guò)在成分中引入連續(xù)的或與突變的界面相比，可以通過(guò)在成分中引入連續(xù)的或逐級(jí)的梯度來(lái)提高不同固體逐級(jí)的梯度來(lái)提高不同固體(如金屬和陶瓷如金屬和陶瓷)之間的之間的界面結(jié)合界面結(jié)合強(qiáng)度；強(qiáng)度； 功能材料功能材料 () 可以通過(guò)對(duì)界面的力學(xué)性能梯度進(jìn)行調(diào)整來(lái)降低可以通過(guò)對(duì)界面的力學(xué)性能梯度進(jìn)行調(diào)整來(lái)降低裂紋裂紋沿著或穿過(guò)一個(gè)界面擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力；沿著或穿過(guò)一個(gè)界面擴(kuò)

49、展的驅(qū)動(dòng)力； () 通過(guò)逐級(jí)的或連續(xù)的梯度可以方便地在通過(guò)逐級(jí)的或連續(xù)的梯度可以方便地在延性基底延性基底上沉上沉積厚的積厚的脆性涂層脆性涂層(厚度一般大于厚度一般大于1mm)； () 通過(guò)調(diào)整表面層成分中的梯度，可消除表面銳利壓通過(guò)調(diào)整表面層成分中的梯度，可消除表面銳利壓痕根部的奇異場(chǎng)，或改變壓痕周圍的痕根部的奇異場(chǎng)，或改變壓痕周圍的塑性變形特征塑性變形特征。功能材料功能材料（二）梯度功能材料分類（二）梯度功能材料分類 1.組合方式上：組合方式上： 金屬陶瓷、金屬非金屬、陶瓷陶瓷、陶瓷非金金屬陶瓷、金屬非金屬、陶瓷陶瓷、陶瓷非金屬以及非金屬塑料等多種結(jié)合方式；屬以及非金屬塑料等多種結(jié)合方式；

50、功能材料功能材料 2.組成變化上：組成變化上： 梯度功能整體型梯度功能整體型(組成從一側(cè)到另一側(cè)呈梯度漸變的結(jié)構(gòu)材組成從一側(cè)到另一側(cè)呈梯度漸變的結(jié)構(gòu)材料料)，梯度功能，梯度功能涂履型涂履型(在基體材料上形成組成漸變的涂層在基體材料上形成組成漸變的涂層)和梯度和梯度功能功能連接型連接型(粘接兩個(gè)基體間的接縫組成呈梯度變化粘接兩個(gè)基體間的接縫組成呈梯度變化)； 3.功能上：功能上： 熱防護(hù)梯度功能材料和梯度折射率材料等。熱防護(hù)梯度功能材料和梯度折射率材料等。 功能材料功能材料18.2.3 梯度功能材料的制備方法梯度功能材料的制備方法 圖圖18-1 制作制作方法的分類方法的分類 功能材料功能材料1.

51、氣相沉積法氣相沉積法 分為：物理氣相沉積分為：物理氣相沉積(PVD)(PVD)法、化學(xué)氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積(CVD)(CVD)法和物理法和物理- -化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積(PVD-CVD)(PVD-CVD)法，法， 優(yōu)點(diǎn)：不用燒結(jié)，沉積層致密牢固，組成可連續(xù)優(yōu)點(diǎn)：不用燒結(jié)，沉積層致密牢固，組成可連續(xù)變化。變化。功能材料功能材料a.a.物理氣相沉積法物理氣相沉積法(PVD) 通過(guò)加熱等通過(guò)加熱等物理方法物理方法使源物質(zhì)使源物質(zhì)(如金屬等如金屬等)蒸發(fā)，蒸發(fā)，進(jìn)而使蒸氣沉積在基體上成膜。進(jìn)而使蒸氣沉積在基體上成膜。特點(diǎn)：特點(diǎn)：可以制得多層不同物質(zhì)的膜，但用該法制得的膜較可以制得多層不同物質(zhì)的

52、膜，但用該法制得的膜較薄，且每層膜只能是某種物質(zhì)。薄，且每層膜只能是某種物質(zhì)。功能材料功能材料b.b.化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法(CVD) 通過(guò)兩種氣相物質(zhì)在反應(yīng)器中均勻混合，在一定通過(guò)兩種氣相物質(zhì)在反應(yīng)器中均勻混合，在一定的條件下發(fā)生的條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)，使生成的固相物質(zhì)在基板上沉，使生成的固相物質(zhì)在基板上沉積。積。特點(diǎn)：特點(diǎn)：可以通過(guò)選擇合成溫度，調(diào)節(jié)原料氣的流量和壓力等來(lái)可以通過(guò)選擇合成溫度，調(diào)節(jié)原料氣的流量和壓力等來(lái)控制控制FGM各成分的組分比和結(jié)構(gòu)，而且可鍍復(fù)雜形狀的表面材各成分的組分比和結(jié)構(gòu)，而且可鍍復(fù)雜形狀的表面材料，沉積面光滑致密，沉積率高，因而成為制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)的料，

53、沉積面光滑致密，沉積率高，因而成為制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)的FGM的表觀涂層關(guān)鍵技術(shù)之一。的表觀涂層關(guān)鍵技術(shù)之一。功能材料功能材料c.c.物理物理-化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 (PVD-CVD) 綜合了綜合了PVD法和法和CVD法的優(yōu)點(diǎn)。法的優(yōu)點(diǎn)。CVD法的沉積法的沉積溫度一般高于溫度一般高于 PVD法的沉積溫度，故在基體的法的沉積溫度，故在基體的低溫低溫側(cè)采用側(cè)采用PVD法，高溫側(cè)采用法，高溫側(cè)采用CVD法法。 例如：例如：TiTiC、TiTiN、TiTiAlN和和SiCCTiC等等 功能材料功能材料2.等離子噴涂法等離子噴涂法基本原理：基本原理： 使用使用粉末狀物質(zhì)粉末狀物質(zhì)作為噴涂材料，以氮?dú)?、氬氣?/p>

54、作為噴涂材料，以氮?dú)?、氬氣等氣體氣體為為載體，吹入等離子射流中，粉末在被加熱熔融后進(jìn)一步加速，載體，吹入等離子射流中，粉末在被加熱熔融后進(jìn)一步加速，以極高速度以極高速度沖撞沖撞在基材表面形成涂層。在基材表面形成涂層。關(guān)鍵：精確控制組分比、噴涂關(guān)鍵：精確控制組分比、噴涂壓力壓力、噴涂、噴涂速度速度和噴涂顆粒的和噴涂顆粒的粒度粒度等參數(shù)，以調(diào)整等參數(shù)，以調(diào)整FGMFGM的組織結(jié)構(gòu)和成分。的組織結(jié)構(gòu)和成分。要求：材料不能分解要求：材料不能分解功能材料功能材料 等離子體放電燒結(jié)（等離子體放電燒結(jié)（SPSSPS） 是日本最近幾年開發(fā)的一種是日本最近幾年開發(fā)的一種新型陶瓷燒結(jié)工藝技術(shù)。新型陶瓷燒結(jié)工藝技術(shù)

55、。 SPSSPS法具有內(nèi)部加熱和快速升溫特點(diǎn)，可用于需要抑制晶粒法具有內(nèi)部加熱和快速升溫特點(diǎn)，可用于需要抑制晶粒生長(zhǎng)的燒結(jié)，也可以通過(guò)模具設(shè)計(jì)生長(zhǎng)的燒結(jié)，也可以通過(guò)模具設(shè)計(jì) 來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度梯度，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度梯度，從而滿足梯度功能材料燒結(jié)工藝的需要。滿足梯度功能材料燒結(jié)工藝的需要。 利用利用SPSSPS法來(lái)燒結(jié)法來(lái)燒結(jié)SiSi3 3N N4 4、 SiCSiC、AlAl2 2O O3 3、ZrOZrO2 2陶瓷和陶瓷和Ti-Al Ti-Al 系系金屬間化合物等。金屬間化合物等。 東北大學(xué)已利用東北大學(xué)已利用SPSSPS燒燒 結(jié)成功地制備了結(jié)成功地制備了金屬金屬陶瓷系和高分子陶瓷系和高分子陶瓷系梯度

56、功能材料。陶瓷系梯度功能材料。 功能材料功能材料3.自蔓延高溫合成法自蔓延高溫合成法基本原理：基本原理： 將金屬粉末和陶瓷粉末按梯度化填充，將金屬粉末和陶瓷粉末按梯度化填充，加壓加壓壓實(shí)，從成壓實(shí)，從成形體的一端點(diǎn)火燃燒，反應(yīng)自行向另一端傳播，利用粉末狀混形體的一端點(diǎn)火燃燒，反應(yīng)自行向另一端傳播，利用粉末狀混合物間化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量和反應(yīng)的自傳播性，使材料合物間化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量和反應(yīng)的自傳播性，使材料燒結(jié)燒結(jié)和和合成。合成。功能材料功能材料特點(diǎn)：利用高放熱反應(yīng)的能量使化學(xué)反應(yīng)自動(dòng)持續(xù)下去，最特點(diǎn)：利用高放熱反應(yīng)的能量使化學(xué)反應(yīng)自動(dòng)持續(xù)下去，最適合于生成熱大的化合物的合成，如適合于生成熱大的化

57、合物的合成，如AlN、TiC、TiB2等等 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：操作過(guò)程簡(jiǎn)單，反應(yīng)迅速，能耗低，純度高操作過(guò)程簡(jiǎn)單，反應(yīng)迅速，能耗低，純度高缺點(diǎn)：材料致密度低缺點(diǎn)：材料致密度低功能材料功能材料改進(jìn)：改進(jìn)：( (提高密度提高密度) ) 電磁加壓電磁加壓自蔓延技術(shù)合成自蔓延技術(shù)合成TiB2Cu系梯度功能材料；系梯度功能材料； 自蔓延和自蔓延和熱等靜壓熱等靜壓相結(jié)合，研制了成分為相結(jié)合，研制了成分為TiCTiC+10Ni/ TiC +20NiTiC+30Ni 的的大型梯度功能大型梯度功能TiCNi材料；材料； 爆炸爆炸壓實(shí)生坯和自蔓延高溫合成技術(shù)制備了壓實(shí)生坯和自蔓延高溫合成技術(shù)制備了A1A12 2O O3

58、 3TiTi系梯系梯度功能材料（理論密度從度功能材料（理論密度從82829494 ） 功能材料功能材料4.顆粒梯度排列法顆粒梯度排列法優(yōu)點(diǎn)：比較適合制備大體積的梯度材料，優(yōu)點(diǎn)：比較適合制備大體積的梯度材料，缺點(diǎn)：工藝比較復(fù)雜，制品有一定的孔隙率，尺寸缺點(diǎn)：工藝比較復(fù)雜，制品有一定的孔隙率，尺寸受模具限制。受模具限制。功能材料功能材料a.a.顆粒直接填充法：顆粒直接填充法： 將金屬、陶瓷或晶須等的粒子將金屬、陶瓷或晶須等的粒子(粒度約為粒度約為0.1微米至幾微米至幾十微米十微米)，按一定的梯度分布直接填充到模具中經(jīng)過(guò)加壓、，按一定的梯度分布直接填充到模具中經(jīng)過(guò)加壓、燒結(jié)而成；燒結(jié)而成；b.b.薄

59、膜疊層法：薄膜疊層法： 將金屬和陶瓷粉末摻入微量膠粘劑、分散劑等，用振將金屬和陶瓷粉末摻入微量膠粘劑、分散劑等，用振動(dòng)磨制成泥漿，并脫除氣泡壓成薄膜，然后將這些不同成動(dòng)磨制成泥漿，并脫除氣泡壓成薄膜，然后將這些不同成分和結(jié)構(gòu)的薄膜進(jìn)行疊層、燒結(jié)。分和結(jié)構(gòu)的薄膜進(jìn)行疊層、燒結(jié)。 功能材料功能材料18.2.4 梯度功能材料的應(yīng)用梯度功能材料的應(yīng)用 高強(qiáng)度耐熱材料高強(qiáng)度耐熱材料 梯度折射光學(xué)材料梯度折射光學(xué)材料 生物醫(yī)學(xué)材料生物醫(yī)學(xué)材料 電子材料電子材料 功能材料功能材料功能材料功能材料功能材料功能材料功能材料功能材料18.3 功功 能能 復(fù)復(fù) 合合 材材 料料功能材料功能材料2022-6-16功能

60、復(fù)合材料157功能材料功能材料功能材料功能材料是指除是指除以外以外而提而提供供的復(fù)合材料，如的復(fù)合材料，如、等功能復(fù)合材料。等功能復(fù)合材料。功能材料功能材料主要由主要由一種或多種一種或多種和和組成。組成。18.3.2 功能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)功能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)18.3.2.1 功能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)原則功能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)原則柔韌性磁體：柔韌性磁體：u磁粉磁粉 功能體功能體u橡膠和塑料橡膠和塑料 基體基體 黏結(jié)和賦形作用，黏結(jié)和賦形作用，并同時(shí)改善材料的物理機(jī)械性能并同時(shí)改善材料的物理機(jī)械性能功能材料功能材料在在中，其中，其功能功能性質(zhì)性質(zhì)雖然由雖然由功能體功能體提供，但提供，但基體基體不僅起到不僅起到，