智能無(wú)機(jī)材料的培訓(xùn)課件

1、智能無(wú)機(jī)材料的培訓(xùn)課件概述 智能材料的概念 智能材料的設(shè)計(jì)和構(gòu)思 智能材料的特征 智能材料的研究 壓電陶瓷 形狀記憶陶瓷自修補(bǔ)、自愈合陶瓷材料陶瓷基復(fù)合材料的自診斷 智能混凝土材料 智能材料的概念 智能材料是指環(huán)境具有可感知、可響應(yīng)，并具有功能發(fā)現(xiàn)能力的新材料。它是能夠接受和響應(yīng)外部環(huán)境的信息而自動(dòng)改變自身狀態(tài)的一種新型材料，它不但可以判斷環(huán)境，而且還可順應(yīng)環(huán)境，即具有類似于活的生物肌體組織那樣的病變自診斷、外部傷口自愈合、環(huán)境自適應(yīng)、預(yù)告壽命、甚至自己分解、自己學(xué)習(xí)、自己增值、自組裝、自恢復(fù)、應(yīng)對(duì)外部刺激自身積極發(fā)生變化等功能效應(yīng)。由于這種材料不是過(guò)去常見(jiàn)的單一的、簡(jiǎn)單的組織結(jié)構(gòu)，因此常稱之

2、為智能材料系統(tǒng)。 自1989年日本高木俊宜教授提出了智能材料概念以來(lái)，先是在日本、美國(guó)，爾后是西歐，進(jìn)而世界各國(guó)的材料界都開(kāi)始研究智能材料?？茖W(xué)家們研究將必要的仿生功能引入材料，使材料和系統(tǒng)達(dá)到更高的層次，成為具有自監(jiān)測(cè)、自判斷、自結(jié)論、自指令和執(zhí)行功能的新材料。智能結(jié)構(gòu)常常把高技術(shù)傳感器或敏感元件與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料和功能材料結(jié)合在一起，賦予材料嶄新的性能，使材料變得有了“感覺(jué)”和“知覺(jué)”，能適應(yīng)環(huán)境的變化，不僅能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，而且還能自行解決問(wèn)題。例如，人們將導(dǎo)電性能較好的碳素纖維與玻璃纖維等集束在一起，制得的智能材料，在較強(qiáng)外力作用下扭曲時(shí)，其中的碳素纖維因較脆而首先被部分或全部折斷，從而使材料的

3、電阻發(fā)生相應(yīng)的變化，據(jù)此可預(yù)測(cè)出該材料受損的程度。再如在混凝土材料中，預(yù)先埋入大量裝有裂紋修補(bǔ)劑的空心纖維，當(dāng)混凝土受壓開(kāi)裂時(shí)，這些空心纖維也會(huì)裂開(kāi)一個(gè)口了，從而釋放出修補(bǔ)劑，把裂紋重新粘接起來(lái)。 智能材料有時(shí)又稱為機(jī)敏材料，而二者并非完全相同，機(jī)敏材料可以判斷環(huán)境，但不能順應(yīng)環(huán)境，機(jī)敏材料再加上控制功能就是智能材料。智能材料則不但可以判斷環(huán)境，而且還可順應(yīng)環(huán)境，即智能材料具有應(yīng)付環(huán)境條件的特性。如自我診斷，自我修復(fù)，預(yù)告壽命，自我分解，自我增生，應(yīng)付外部刺激自身積極發(fā)生變化。（日本多用）智能材料指具有智慧和智力、有思考和推理的本領(lǐng)，或具有敏捷的體會(huì)、解釋和正確決定的本領(lǐng)；（美國(guó)多用）機(jī)敏材料

4、指具有或顯示出思維的機(jī)靈和感受敏捷性，即具有計(jì)算能力、敏捷快速有效的能動(dòng)性有生氣的活度。二者有層次上的區(qū)別，即機(jī)敏材料只能作出簡(jiǎn)單線性的響應(yīng)，但智能材料可根據(jù)環(huán)境條件的變化程度非線性地使材料與之適應(yīng)以達(dá)到最佳的效果，可以說(shuō)在機(jī)敏材料的自診斷、自適應(yīng)和自愈合的基礎(chǔ)上增加了自決策功能，體現(xiàn)具有智能的高級(jí)形式，但因二者在現(xiàn)研究階段聯(lián)系多于區(qū)別，故常混用。 智能材料本身一定是復(fù)合材料，因?yàn)橹悄懿牧弦髲?fù)雜的獨(dú)特的多功能，而一種材料不可能兼?zhèn)溥@些功能，必須復(fù)合化后才能得到智能材料，智能材料又多是納米材料，這是因?yàn)榧{米材料具有許多優(yōu)異的特性，同時(shí)便于集成。智能材料的概念也在不斷地?cái)U(kuò)展，它是材料學(xué)、電子學(xué)、

5、信息科學(xué)、生命科學(xué)等眾多學(xué)科與技術(shù)的交叉產(chǎn)物。目前正在研究發(fā)展之中的自愈合復(fù)合材料、自應(yīng)變復(fù)合材料等，這是可以把某種處于暫穩(wěn)態(tài)的材料作為潛在組分與其它常規(guī)條件下起作用的材料復(fù)合，一旦出現(xiàn)異常狀態(tài)（如受力損傷等）則在外場(chǎng)的作用下（如力場(chǎng)）使?jié)撛诮M分所處的暫穩(wěn)態(tài)變成穩(wěn)定態(tài)而起到應(yīng)有的效能，以達(dá)到自愈合和自應(yīng)變的目的。有關(guān)智能材料的研究剛剛開(kāi)始，定義尚不統(tǒng)一，但其內(nèi)涵一般應(yīng)包括五個(gè)方面:(1)具有感知功能,能檢測(cè)并可識(shí)別外界(或內(nèi)部)的刺激，如應(yīng)力、應(yīng)變、熱、光、電、磁、化學(xué)或核輻射等;(2)具有驅(qū)動(dòng)特性及響應(yīng)環(huán)境變化功能;(3)能以設(shè)定的方式選擇和控制響應(yīng);(4)反應(yīng)靈敏、恰當(dāng);(5)外部刺激條件

6、消除后,能迅速回復(fù)到原始狀態(tài)。因此,智能材料應(yīng)具備感知、處理和驅(qū)動(dòng)三個(gè)基本要素。 由于現(xiàn)有的單一均質(zhì)材料通常難以具備多功能的智能特性,因此,往往需要兩種或幾種材料的復(fù)合,構(gòu)成一個(gè)智能材料體系，這是復(fù)雜材料體系的復(fù)合。它的設(shè)計(jì)、制備、加工及結(jié)構(gòu)和性能表征均涉及材料科學(xué)中最前沿的領(lǐng)域，集中反映和代表了材料科學(xué)的最高水平和最新發(fā)展方向。智能材料的設(shè)計(jì)和構(gòu)思 智能材料的構(gòu)想源自仿生，目標(biāo)是要獲得具有類似生物材料的結(jié)構(gòu)及功能的“活”材料系統(tǒng)。它能夠感知外界環(huán)境的刺激或內(nèi)部狀態(tài)所發(fā)生的變化，通過(guò)材料自身的信息處理和某種反饋機(jī)制，能實(shí)時(shí)地改變材料自身一個(gè)或多個(gè)性能參數(shù)，作出恰當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，同變化后的環(huán)境相適應(yīng)。

7、智能材料設(shè)計(jì)的思路與以下幾種因素有關(guān)：1）材料開(kāi)發(fā)的歷史，結(jié)構(gòu)材料功能材料智能材料；2）人工智能計(jì)算機(jī)的影響，也就是生物計(jì)算機(jī)的未來(lái)模式、學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)、三維識(shí)別計(jì)算機(jī)對(duì)材料提出的新要求；3）從材料設(shè)計(jì)的角度考慮智能材料的制造；4）軟件功能引入材料；5）對(duì)材料的期望；6）能量的傳遞；7）材料具有時(shí)間軸的觀點(diǎn)，如壽命預(yù)告功能、自修復(fù)功能，甚至自學(xué)習(xí)、自增殖和自凈化功能，因外部刺激時(shí)間軸可對(duì)應(yīng)作出積極自變的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即仿照生物體所具有的功能。 通過(guò)對(duì)生物結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的研究和考察,智能材料有了可借鑒的設(shè)計(jì)及建造思想、模型和方法.從仿生學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，智能材料應(yīng)具有或至少是部分具有以下一些生物智能特性：(1)感

8、知;(2)反饋;(3)信息積累和識(shí)別;(4)判斷能力和預(yù)見(jiàn)性;(5)響應(yīng)性;(6)自維修;(7)自診斷;(8)自動(dòng)動(dòng)態(tài)平衡及自適應(yīng)等。 智能材料系統(tǒng)的組元許多材料本身具有內(nèi)在的一些“智能”特性，例如，一些材料的性能如顏色、形態(tài)、尺寸、機(jī)械性能等隨環(huán)境或使用條件的變化而改變,具有內(nèi)在的自診斷、學(xué)習(xí)和預(yù)見(jiàn)能力、刺激-響應(yīng)能力以及對(duì)信號(hào)的識(shí)別和區(qū)分能力；還有一些材料的結(jié)構(gòu)或成分可隨工作條件而變化，從而具有一種對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)和自調(diào)節(jié)功能；一些材料的電性能、光性能及其他物理或化學(xué)性能隨外部條件不同而變化，因而除了識(shí)別和區(qū)分信號(hào)、自診斷、和抗刺激能力外，還可發(fā)展成具有動(dòng)態(tài)自動(dòng)平衡及自維修功能。具有各種獨(dú)特

9、功能或性能并可用于建構(gòu)智能材料系統(tǒng)的材料正在不斷豐富和完善。 智能材料是材料領(lǐng)域中正在形成的一門新興學(xué)科。智能材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)是當(dāng)前工程學(xué)科發(fā)展的前沿，智能材料將是21世紀(jì)的新材料，它的問(wèn)世將發(fā)生一場(chǎng)劃時(shí)代的材料革命，因而引起世界各國(guó)科學(xué)家的高度關(guān)注，投入大量的人力、物力進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)，并取得重大進(jìn)展和一些成果。到現(xiàn)在為止，真正意義上的智能材料系統(tǒng)還沒(méi)有制造出來(lái)，正在研制的和應(yīng)用的“智能”材料系統(tǒng)，通常仍是機(jī)敏材料系統(tǒng)，這里的敏感器和驅(qū)動(dòng)器仍是分立的，而不是微觀連續(xù)分布的。根據(jù)材料的來(lái)源，智能材料可分為金屬智能材料、無(wú)機(jī)智能材料和智能高分子材料。目前有三種智能材料：壓電陶瓷、形狀記憶合金、電磁流

10、變體。它們的共同點(diǎn)是本身能感受電磁信號(hào)或熱能等物理信號(hào)，并隨之發(fā)生明顯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化或者形狀體積的變化。 國(guó)外已研制成功并實(shí)現(xiàn)了商品化的該類材料有兩類：一類可用做智能材料系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)器材料(即執(zhí)行器材料)，如形狀記憶材料、電流變體、磁流變體、電致伸縮材料、磁致伸縮材料、功能凝膠等。由于這些材料可根據(jù)溫度、電場(chǎng)或磁場(chǎng)的變化來(lái)改變自身的形狀、尺寸、位置、剛性、頻率、阻尼、內(nèi)耗或結(jié)構(gòu)，因而對(duì)環(huán)境具有自適應(yīng)功能。另一類是光導(dǎo)纖維、壓電陶瓷、壓電高分子、應(yīng)變合金及其他特種傳感器材料等，它們都可用做智能材料系統(tǒng)中的傳感網(wǎng)絡(luò)材料。 目前研究和應(yīng)用的無(wú)機(jī)智能材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)有：壓電陶瓷、電致伸縮陶瓷、形狀

11、記憶陶瓷、光導(dǎo)纖維、電致流變流體、自修補(bǔ)和自愈合陶瓷以及機(jī)敏無(wú)機(jī)復(fù)合材料、變色玻璃等。智能材料的特征 智能材料的特征包括：材料的多功能復(fù)合；材料的仿生形。因?yàn)樵O(shè)計(jì)智能材料的兩個(gè)指導(dǎo)思想是材料的多功能復(fù)合和材料的仿生設(shè)計(jì)，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：（1）傳感功能（Sensor）（2）反饋功能（Feedback）（3）信息識(shí)別與積累功能（4）響應(yīng)功能（5）自診斷能力（Self-diagnosis）（6）自修復(fù)能力（Self-recovery）（7）自調(diào)節(jié)能力（Self-adjusting）一般來(lái)說(shuō)智能材料由基體材料、敏感材料、驅(qū)動(dòng)材料和信息處理器四部分構(gòu)成。（1）基體

12、材料基體材料擔(dān)負(fù)著承載的作用，選取基體材料主要看材料所使用的環(huán)境，以及對(duì)材料的要求。一般宜選用輕質(zhì)材料。一般基體材料首選高分子材料，因?yàn)槠渲亓枯p、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。（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)境變化（包括壓力、應(yīng)力、溫度、電磁場(chǎng)、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。（3）驅(qū)動(dòng)材料因?yàn)樵谝欢l件下驅(qū)動(dòng)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(dòng)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。

13、可以看出，這些材料既是驅(qū)動(dòng)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(jì)時(shí)可采用的一種思路。（4）信息處理器類似人的大腦，接受信息，分析信息，并發(fā)出相應(yīng)的指令。智能材料的研究 現(xiàn)在科學(xué)家們對(duì)智能材料的研究主要集中在以下一些方面：（1）在建筑方面，科學(xué)家正集中力量研制使橋梁、高大的建筑設(shè)施以及地下管道等能自診其“健康”狀況，并能自行“醫(yī)治疾病”的材料。這方面，英國(guó)伊利斯諾大學(xué)的科學(xué)家的研究已經(jīng)有了成效。該大學(xué)建筑研究中心開(kāi)發(fā)出了兩種“自愈合”纖維，這兩種纖維能分別感知混凝土中的裂紋和鋼筋的腐蝕。粘合裂紋的纖維是用玻璃絲和聚丙烯制成的多孔狀中空纖維，將其摻入混凝土中后，在混凝土過(guò)渡

14、撓曲時(shí)，它會(huì)被撕裂，從而釋放出一些化學(xué)物質(zhì)，來(lái)填充和粘合混凝土中的裂縫。另一種纖維能感知造成鋼筋腐蝕的酸度。若把這種纖維包在鋼筋周圍，當(dāng)鋼筋周圍的酸度達(dá)到一定值時(shí)，纖維的涂層就溶解，從纖維中釋放出阻止混凝土中的鋼筋被腐蝕的物質(zhì)?？茖W(xué)家還設(shè)計(jì)出了這樣一種含敏感材料的水泥地下水管，它可以自我察覺(jué)到混凝土中的裂縫，并能在水管破裂漏水之前發(fā)出預(yù)警信號(hào)。（2）在飛機(jī)制造方面，科學(xué)家正在研制具有如下功能的智能材料。當(dāng)飛機(jī)在飛行中遇到渦流或猛烈的逆風(fēng)時(shí)，機(jī)翼中的智能材料能迅速變形，并帶動(dòng)機(jī)翼改變形狀，從而消除渦流或逆風(fēng)的影響，使飛機(jī)仍能平穩(wěn)的飛行?？蛇M(jìn)行損傷評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)的飛機(jī)自診斷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可自行判

15、斷突然的結(jié)構(gòu)損傷和累積損傷，根據(jù)飛行經(jīng)歷和損傷數(shù)據(jù)預(yù)計(jì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的壽命，從而在保證安全的情況下，大大減少停飛檢修次數(shù)和常規(guī)維護(hù)費(fèi)用，使商業(yè)飛機(jī)能獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。這方面的研究還沒(méi)有獲得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。 現(xiàn)在只是有人設(shè)想將光纖埋入機(jī)翼中，正常情況下，光能通過(guò)光纖從機(jī)翼的一側(cè)傳到另一側(cè)，但當(dāng)機(jī)翼中出現(xiàn)應(yīng)力或裂痕時(shí)，經(jīng)光纖傳播的光線位置會(huì)偏離，甚至光還可能被遮擋。根據(jù)傳播的光線的變化，計(jì)算機(jī)可以算出機(jī)翼中的應(yīng)力或劈裂狀況，從而向駕駛員進(jìn)行險(xiǎn)情預(yù)報(bào)。此外，還有人設(shè)想用智能材料制成涂料，涂在機(jī)身和機(jī)翼上，當(dāng)機(jī)身或機(jī)翼內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力時(shí)，涂料會(huì)改變顏色，以此告警。（3）在醫(yī)療方面，智能材料和結(jié)構(gòu)可用來(lái)制造無(wú)需馬達(dá)

16、控制并有觸覺(jué)響應(yīng)的假肢。這些假肢可模仿人體肌肉的平滑運(yùn)動(dòng)，利用其可控的形狀回復(fù)作用力，靈巧地抓起易碎物體，如盛滿水的紙杯等。根據(jù)人體內(nèi)部狀況投放適量藥物的藥物自動(dòng)投放系統(tǒng)也是智能材料一顯身手的領(lǐng)地。日本東京女子醫(yī)學(xué)院已經(jīng)推出一種能根據(jù)血液中的葡萄糖濃度而擴(kuò)張和收縮的聚合物。葡萄糖濃度低時(shí)，聚合物條帶會(huì)縮成小球，葡萄糖濃度高時(shí)，小球會(huì)伸展成帶，借助于這一特性，這種聚合物可制成人造胰細(xì)胞。將用這種聚合物包封的胰島素小球，注入糖尿病患者的血液中，小球就可以模擬胰細(xì)胞工作；血液中的血糖濃度高時(shí)，小球釋放出胰島素，血糖濃度低時(shí)，胰島素就密封。這樣，病人血糖濃度就會(huì)始終保持在正常的水平上。（4）軍事方面，

17、除飛機(jī)以外，智能材料還能降低軍用系統(tǒng)噪聲。美國(guó)軍方發(fā)明出一種可涂在潛艇上的智能材料，它可使?jié)撏г肼暯档?0分貝，并使?jié)撏綔y(cè)目標(biāo)的時(shí)間縮短100倍。關(guān)于航空航天飛機(jī)下面有較為詳細(xì)的介紹。（5）智能材料的再一個(gè)重要成果就是形狀記憶合金。使用形狀記憶合金可以做成衛(wèi)星天線，進(jìn)行信號(hào)接收和發(fā)送；還有人用記憶合金制成了溫室窗戶自動(dòng)開(kāi)閉器。當(dāng)溫室溫度升至25oC時(shí)，窗戶自動(dòng)打開(kāi)；溫度降至18oC時(shí)，窗戶自動(dòng)關(guān)閉。（6）除形狀記憶合金外，近年來(lái)科學(xué)家們還開(kāi)發(fā)出了一些其他的智能材料。法國(guó)開(kāi)發(fā)出了一種可防止復(fù)印的油墨。這種油墨在通常情況下呈黑色，但在強(qiáng)光照射下會(huì)“隱形”。用這種油墨印刷的文件或書籍可以防止別人復(fù)

18、印。（7）德國(guó)研制成了一種稱為“施馬蒂斯”的智能塑料，這種塑料能根據(jù)受力的情況，時(shí)而變硬，時(shí)而變軟。用這種塑料做汽車上的緩沖器，能有效的減輕外來(lái)撞擊的影響（以柔克剛）。據(jù)說(shuō)用這種塑料制成的油箱被坦克壓過(guò)也不會(huì)破裂。把這種塑料用于建筑，建筑物能具有很強(qiáng)的抗震性能；用這種塑料制成藥丸膠囊，藥物可以在藥丸到達(dá)人體內(nèi)的指定部位時(shí)才被釋放。（8）此外，日本還發(fā)明了一種當(dāng)溫度高時(shí)顏色會(huì)改變的智能材料，有關(guān)廠家已用這種材料制成了附在食品包裝上的標(biāo)簽，當(dāng)食品被儲(chǔ)存在溫度過(guò)高的地方時(shí)，標(biāo)簽就改變顏色，發(fā)出警告。（9）當(dāng)前，科學(xué)家已經(jīng)能將體積極小的信號(hào)傳感器和微電子計(jì)算器埋入材料中，這種智能材料在局部出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，

19、計(jì)算器收到信號(hào)后會(huì)發(fā)生指令，使一些形狀記憶合金和膠粘劑之類的物質(zhì)發(fā)生變化，起到自動(dòng)加固的作用。（10）在機(jī)器人制造方面，科學(xué)家研制出一種由硅、橡膠和金屬組成的復(fù)合材料，它是一種極敏感的力敏材料。只要對(duì)它施加輕微的壓力，電阻值就會(huì)自動(dòng)降低，從而引起電路中電流的變化。當(dāng)這一電信號(hào)傳遞到電腦，機(jī)器人便會(huì)產(chǎn)生一定的動(dòng)作去完成指定的任務(wù)。比如要機(jī)器人拿起一個(gè)蘋果，蘋果重量產(chǎn)生的壓力所引起的電流信號(hào)能使電腦判斷出“這是一個(gè)蘋果”，于是指揮機(jī)器人使用適當(dāng)?shù)牧⑻O果握住。（11）有一種光敏變色玻璃，它含有磷、鋁、銀等光敏材料。當(dāng)陽(yáng)光強(qiáng)烈時(shí)，會(huì)自動(dòng)降低透明度，使室內(nèi)光線柔和；當(dāng)室內(nèi)光線太弱時(shí)，又會(huì)自動(dòng)提高透明度

20、，讓更多的室外光線透過(guò)。其效果如同有人在為自己拉上或打開(kāi)窗簾一般。美國(guó)加州大學(xué)的研究人員在兩層玻璃中涂上一層只有頭發(fā)絲1/100那么厚的鎘涂層敏感材料，只要按一下電鈕，窗玻璃就會(huì)改變顏色，從而達(dá)到調(diào)整室內(nèi)光照和溫度的效果。英國(guó)英克化學(xué)公司推出一種新款時(shí)裝，它能在2833C的溫度范圍內(nèi)，隨溫度的改變，變幻出豐富的色彩。例如，28C時(shí)呈紅色；33C時(shí)又呈藍(lán)色。模特兒穿在身上時(shí)，由于身體各部位體溫的變化，會(huì)使服裝顯現(xiàn)如同彩虹般的迷人色彩。原來(lái)，這種時(shí)裝面料所用的染料是一種熱敏液晶材料。這家公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)成功變色范圍從零下20C到100C以上的各種熱敏變色液晶材料。由于這些材料對(duì)溫度的變化極為靈敏，有望

21、為工業(yè)、醫(yī)學(xué)和某些領(lǐng)域的研究和應(yīng)用，提供一個(gè)嶄新的研究手段。壓電陶瓷 某些材料在機(jī)械力作用下產(chǎn)生變形，會(huì)引起表面帶電的現(xiàn)象，而且其表面電荷密度與應(yīng)力成正比，這稱為正壓電效應(yīng)（力電）。反之，在某些材料上施加電場(chǎng)，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，而且其應(yīng)變與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，這稱為逆壓電效應(yīng)（電力）。如果施加的是交變電場(chǎng)，材料將隨著交變電場(chǎng)的頻率作伸縮振動(dòng)。施加的電場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，振動(dòng)的幅度越大。正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。壓電材料是能夠把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能，反之亦然的材料。表征這一功能的主要參數(shù)有：壓電系數(shù)d、電壓系數(shù)g和機(jī)電耦合系數(shù)k。常用的壓電陶瓷有鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛以及三元系壓電陶瓷等。壓電陶瓷的

22、應(yīng)用范圍非常廣泛，而且與人類的生活密切相關(guān)。其應(yīng)用大致可歸納為以下四方面。（1）能量轉(zhuǎn)換。壓電陶瓷可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，故可用于制造壓電打火機(jī)、壓電點(diǎn)火機(jī)、移動(dòng)X光機(jī)電源、炮彈引爆裝置等。用壓電陶瓷也可以把電能轉(zhuǎn)換為超聲振動(dòng)，用于探尋水下魚群，對(duì)金屬進(jìn)行無(wú)損探傷，以及超聲清洗、超聲醫(yī)療等。（2）傳感。用壓電陶瓷制成的傳感器可用來(lái)檢測(cè)微弱的機(jī)械振動(dòng)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，可應(yīng)用于聲納系統(tǒng)、氣象探測(cè)、遙感遙測(cè)、環(huán)境保護(hù)、家用電器等。（3）驅(qū)動(dòng)。壓電驅(qū)動(dòng)器是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生形變，以精確地控制位移，可用于精密儀器與精密機(jī)械、微電子技術(shù)、光纖技術(shù)及生物工程等領(lǐng)域。（4）頻率控制。壓電陶瓷還可以

23、用來(lái)制造各種濾波器和諧振器。形狀記憶陶瓷所謂形狀記憶效應(yīng)，是指一定形狀的固體材料，在某種條件下經(jīng)過(guò)一定的塑性變形，然后加熱到這種材料固有的某一臨界溫度以上時(shí)，材料又完全恢復(fù)到原來(lái)形狀的現(xiàn)象。具有形狀記憶效應(yīng)的材料，即為形狀記憶材料。形狀記憶效應(yīng)最先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)。20世紀(jì)80年代科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在一些陶瓷和高分子材料中也存在形狀記憶效應(yīng)。由于其巨大的應(yīng)用前景，科技和產(chǎn)業(yè)界對(duì)形狀記憶效應(yīng)的基礎(chǔ)理論、材料制備以及應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究?，F(xiàn)在記憶材料已發(fā)展成一類重要的功能材料。形狀記憶效應(yīng)有兩種形式單向形狀記憶效應(yīng)(b) 雙向形狀記憶效應(yīng)形狀記憶材料記憶原理形狀記憶材料為何會(huì)具備這種奇特的記憶效應(yīng)呢？從本

24、質(zhì)上說(shuō)是由于材料內(nèi)部微觀組織的變化所引起的。分析表明，這類材料存在著一對(duì)可逆轉(zhuǎn)變的晶體結(jié)構(gòu)。如含有Ti和Ni各為50的記憶合金，有兩種晶體結(jié)構(gòu)，一種是菱形的，另一種是立方體的，這兩種晶體結(jié)構(gòu)相互轉(zhuǎn)變的溫度是一定的。高于這一溫度，它會(huì)由菱形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎襟w結(jié)構(gòu)；低于這一溫度，又由立方體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱庑谓Y(jié)構(gòu)。晶體結(jié)構(gòu)類型改變了，它的形狀也就隨之改變。能引起記憶材料形狀改變的條件是溫度。形狀記憶陶瓷同時(shí)具有鐵彈性和鐵電性的陶瓷材料有很好的形狀記憶效應(yīng)。鐵彈性是指某些電介質(zhì)材料在一定溫度范圍內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線相似于鐵磁體的磁滯回線特征的性能，鐵彈性在沒(méi)有外力作用下的晶體內(nèi)存在自發(fā)應(yīng)變區(qū)，故具有恢復(fù)自發(fā)

25、應(yīng)變的能力。產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)。若陶瓷材料還有鐵電性，則不但在一定溫度范圍內(nèi)可自發(fā)極化，而且在外電場(chǎng)下，此自發(fā)極化隨外電場(chǎng)取向，這種鐵彈鐵電材料的自發(fā)應(yīng)變能力不僅可通過(guò)機(jī)械力控制，而且能由電場(chǎng)調(diào)節(jié)。目前，研究的形狀記憶陶瓷，是以含有氧化鋯成分為特點(diǎn)的形狀記憶元件。陶瓷的形狀記憶效應(yīng)與合金的相比還有如下一些差別：首先，陶瓷相變的熱滯較大；第二，它的形狀記憶變形的量較?。坏谌?，每次記憶循環(huán)中都有較大的不可恢復(fù)變形，隨循環(huán)次數(shù)的增加，累積變形增加，最終導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)；第四，沒(méi)有雙程記憶效應(yīng)。 自愈合陶瓷材料 材料一旦產(chǎn)生缺陷，在無(wú)外界作用情況下，材料本身具有自我恢復(fù)的能力稱為自愈合。自愈合的途徑：輸入熱

26、能，當(dāng)特制的具備愈合功能金屬基復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生缺陷時(shí)，會(huì)導(dǎo)致預(yù)埋的的鋼管纖維破裂，此時(shí)對(duì)材料簡(jiǎn)單加熱可令管內(nèi)低熔點(diǎn)合金流出快速輸運(yùn)至缺陷處令其愈合。輸入電能，設(shè)想材料經(jīng)一段疲勞試驗(yàn)后，內(nèi)部產(chǎn)生一定的微觀缺陷，此時(shí)若能輸入一定電能，或大電流脈沖處理，均可令材料內(nèi)部缺陷得以改善。清華大學(xué)孔向陽(yáng)等在氮化硅陶瓷中加入少量鈮化合物，有效地阻止氮化硅陶瓷在1000高溫下的氧化。這是因?yàn)榈杼沾杀砻娓邷匮趸裳趸鑼?，此氧化硅層極容易進(jìn)一步結(jié)晶化并伴隨體積收縮，并在表面形成微細(xì)裂紋，而當(dāng)添加一定量的鈮化合物時(shí)，鈮在氮化硅表面形成了一系列鈮的過(guò)渡氧化物層有：NbONb2O3NbO2Nb2O5，這些氧化物為

27、玻璃態(tài)，呈致密狀覆蓋在表面，隔斷了氧氣向內(nèi)部的侵入，提高了陶瓷的抗氧化性能，表明添加氮化鈮(NbN)的Si3N4陶瓷的高溫氧化層具有一定的抗氧化自適應(yīng)性。張偉剛等利用彌散在基體中的非氧化物納米陶瓷顆粒氧化成膜，實(shí)現(xiàn)了碳材料的自愈合抗氧化性。如他們?cè)贑B4CSiC中彌散納米SiC，在高溫下，陶瓷相大量氧化，特別是碳化硼氧化成黏度很小的B2O3，由于毛細(xì)管作用引起脫碳層顆粒收縮致密化，使氧的擴(kuò)散系數(shù)(DDoRTo)大大降低，并隨孔徑的減小而減小。清華大學(xué)李建保等利用微波的選擇性加熱，使陶瓷復(fù)合材料得到裂紋自愈合和性能自恢復(fù)的效果，方法是將微波吸收性強(qiáng)的TiC或NbC顆粒，加入到氮化硅復(fù)合材料中，在

28、微波照射下，碳化物優(yōu)先加熱，溫度高于周圍的基質(zhì)氮化硅和晶界，從而促使碳化物顆粒向周圍擴(kuò)散并愈合周圍的微細(xì)裂紋和孔隙。研究發(fā)現(xiàn)，氮化硅復(fù)合材料在500高溫淬火熱震使材料內(nèi)部形成裂紋，導(dǎo)致強(qiáng)度從550MPa下降到360MPa。但是經(jīng)微波輻射處理后，強(qiáng)度又恢復(fù)到起初的550MPa，這為陶瓷微細(xì)裂紋的自愈合和材料性能的自恢復(fù)開(kāi)辟了新的途徑。自愈合技術(shù)路線在日本,以東北大學(xué)三橋博三教授為首的日本學(xué)者將內(nèi)含粘結(jié)劑的空心膠囊摻入混凝土材料中,一旦混凝土在外力作用下發(fā)生開(kāi)裂,部分膠囊破裂,粘結(jié)液流出深入裂縫,粘結(jié)液可使混凝土裂縫重新愈合。 美國(guó)伊利諾伊斯大學(xué)的在1994年采用類似的方法,將空心玻璃纖維中注入縮醛高分子溶液作為粘結(jié)劑,埋入混凝土中,使混凝土產(chǎn)生自愈合效果 。具有的自愈合能力的材料有以下幾部分組成:1)一種內(nèi)部損壞的因素，諸如一個(gè)導(dǎo)致開(kāi)裂的動(dòng)力荷載。2)一種釋放修復(fù)化學(xué)制品的刺激物。3)一種用于修復(fù)的纖維。4)一種修復(fù)用化學(xué)制品，