材料科學(xué)與人類文明-第7章智能材料課件

第七章智能材料智能材料近30年研制出的一些新型功能材料，它們能隨環(huán)境、時(shí)間變化而改變自己的性能/形狀，好像具有智能其中，形狀記憶合金已嶄露頭角智能材料是20世紀(jì)90年代迅速發(fā)展起來(lái)的一類新型材料，是繼天然材料、合成高分子材料、人工設(shè)計(jì)材料之后的第四代材料智能材料使傳統(tǒng)意義下的功能材料和結(jié)構(gòu)材料之間的界線逐漸消失，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能化、功能多樣化的目標(biāo)智能材料已成為材料科學(xué)的一個(gè)重要前沿領(lǐng)域，有關(guān)研究及發(fā)展受到極大的重視通過(guò)自繁殖、自生長(zhǎng)、原位復(fù)合機(jī)制，修補(bǔ)局部損傷自診斷能力

比對(duì)目前/過(guò)去狀況，診斷并校正系統(tǒng)故障、判斷失誤等自修復(fù)能力自調(diào)節(jié)能力自動(dòng)調(diào)整自身結(jié)構(gòu)/功能，使材料始終以優(yōu)化方式響應(yīng)外界變化識(shí)別傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各類信息，并將其積累起來(lái)響應(yīng)功能適時(shí)動(dòng)態(tài)地響應(yīng)外界環(huán)境和內(nèi)部條件變化擔(dān)負(fù)著傳感任務(wù)，主要作用是感知環(huán)境變化（壓力、溫度、電磁場(chǎng)、pH值等）常用敏感材料包括形狀記憶材料、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、液晶材料等驅(qū)動(dòng)材料智能材料的構(gòu)成敏感材料在一定條件下，驅(qū)動(dòng)材料可產(chǎn)生較大的應(yīng)變和應(yīng)力，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驅(qū)動(dòng)材料又是敏感材料，起到身兼二職的作用其它功能材料包括導(dǎo)電材料、磁性材料、光纖和半導(dǎo)體材料等智能材料的基本構(gòu)成和工作原理智能材料的構(gòu)成目前尚無(wú)統(tǒng)一的定義。不過(guò)，現(xiàn)有智能材料的多種定義大同小異大體來(lái)說(shuō)，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(duì)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)的智能特征的材料智能材料的定義

智能材料又可以稱為敏感材料，常用的有以下幾種IntelligentmaterialIntelligentmaterialandstructureSmartmaterialSmartmaterialandstructureAdaptivematerialandstructure某些太陽(yáng)鏡的鏡片當(dāng)中含有智能材料，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(shí)，它就變暗，當(dāng)光弱時(shí)，它就會(huì)變的透明智能材料舉例國(guó)外智能材料的研發(fā)方面已取得很多技術(shù)突破如英國(guó)宇航公司在導(dǎo)線傳感器，可用于測(cè)試飛機(jī)蒙皮上的應(yīng)變與溫度情況英國(guó)開發(fā)出一種快速反應(yīng)形狀記憶合金，壽命期具有百萬(wàn)次循環(huán)，且輸出功率高，以它作制動(dòng)器時(shí),反應(yīng)時(shí)間僅為10秒智能材料的分類現(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，分類方法也有多種按材料功能，可分為光導(dǎo)纖維、形狀記憶合金、壓電、電流變體、電(磁)致伸縮材料等按材料來(lái)源，可分為金屬系、無(wú)機(jī)非金屬系、高分子系金屬系智能材料主要有形狀記憶合金、形狀記憶復(fù)合材料無(wú)機(jī)非金屬系智能材料有電流變體、壓電陶瓷、光致變色和電致變色材料等高分子系智能材料的范圍很廣泛，有高分子凝膠、智能高分子膜材、智能高分子粘合劑、智能型藥物釋放體系、智能高分子基復(fù)合材料等智能材料在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用智能材料結(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，能感知所處的內(nèi)外部環(huán)境變化，并能通過(guò)改變其物理性能或形狀等做出響應(yīng)，借此實(shí)現(xiàn)自診斷、自適應(yīng)、自修復(fù)等功能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(tái)中植入智能蒙皮，可用于預(yù)警、隱身和通信智能蒙皮的研究包括：含多種傳感器的導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星智能蒙皮艦艇用智能蒙皮，提高艦艇隱身性能智能結(jié)構(gòu)用于航空、航天系統(tǒng)可消除系統(tǒng)的有害振動(dòng)，減輕對(duì)電子系統(tǒng)的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性如美國(guó)防高級(jí)研究計(jì)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，可改善旋翼的空氣動(dòng)力學(xué)性能，減小振動(dòng)和噪音智能結(jié)構(gòu)用于艦艇，可抑制噪聲傳播，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，可提高軍用車輛的性能和乘坐舒適度國(guó)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智能材料在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用智能結(jié)構(gòu)制成的自適應(yīng)機(jī)翼，能夠?qū)崟r(shí)感知外界環(huán)境的變化，并可驅(qū)動(dòng)機(jī)翼彎曲、扭轉(zhuǎn)，從而改變翼型和攻角，以獲得最佳氣動(dòng)特性，降低機(jī)翼阻力系數(shù)，延長(zhǎng)機(jī)翼的疲勞壽命如當(dāng)飛機(jī)在飛行過(guò)程中遇到渦流或猛烈的逆風(fēng)時(shí)，機(jī)翼中的智能材料可迅速變形，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)仍能平衡地飛行在機(jī)翼結(jié)構(gòu)中使用磁致伸縮致動(dòng)器，可使機(jī)翼阻力降低85%在槳葉中嵌入智能纖維電致流變體，可使槳葉扭轉(zhuǎn)變形達(dá)幾度美國(guó)防部和航空航天局正在研究的環(huán)境自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，包括翼片彎曲、彎曲造型/控制面造型等在不久的將來(lái)，用智能材料制成的飛機(jī)機(jī)翼，可以像魚尾巴一樣行動(dòng)自如、自行彎曲、自動(dòng)改變形狀，從而改進(jìn)升力和阻力，使飛機(jī)飛得更高、更快智能材料在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用智能材料系統(tǒng)最成熟的應(yīng)用領(lǐng)域是主動(dòng)結(jié)構(gòu)聲控采用智能結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)結(jié)構(gòu)聲控是降低軍用系統(tǒng)噪聲的有效途徑可采用兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)結(jié)構(gòu)聲控

一種是結(jié)構(gòu)振動(dòng)完全停止，使聲輻射降低到零，往往辦不到

一種是采用智能控制方法有選擇地控制輻射振動(dòng)模最好的辦法是“感覺(jué)”“具有危險(xiǎn)性”的輻射波振動(dòng)模，并用分布在整個(gè)結(jié)構(gòu)中的作動(dòng)器（壓電材料或電致流變體）控制該振動(dòng)模美國(guó)軍方采用主動(dòng)聲控涂層進(jìn)行聲信號(hào)抑制，提高潛艇主動(dòng)隱身性能,可使噪聲降低60分貝，并使?jié)撏綔y(cè)目標(biāo)的時(shí)間縮短100倍主動(dòng)聲控涂層采用壓電涂層材料和電致流變體技術(shù)的主動(dòng)消聲貼片智能材料在主動(dòng)結(jié)構(gòu)聲控中的應(yīng)用具有變通性和智能性的多功能磚由以下3個(gè)分層構(gòu)成：第一層是功能層，能感受來(lái)自周圍的聲能、熱能、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(lái)輸送水和其它材料面膜在磚材的最上層，可使墻壁產(chǎn)生不同的色彩和圖案?jìng)鞲心た梢越邮章暡?、熱能和可?jiàn)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)外通信線路智能材料在智能化住宅中的應(yīng)用能改變椅座面的柔韌性和彈性，也可形成各種型式的椅座面由于不同年齡段的人對(duì)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(duì)人們喜愛(ài)的舒適溫度具有記憶功能智能材料在智能化住宅中的應(yīng)用用毫微塑料制作的坐椅智能材料在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用人造肌肉

生物彈性材料能模擬活體生物的功能，其力量和反應(yīng)速度接近于人體肌肉組織修復(fù)材料生物材料與生物體相容，可應(yīng)用于人體組織修復(fù)。隨著傷口的愈合，材料在體內(nèi)逐漸降解，最后被吸收或派出人造皮膚可感知溫度、熱流變化、應(yīng)力大小，有良好的空間分辨力藥物自動(dòng)投入系統(tǒng)根據(jù)血糖濃度而擴(kuò)張/收縮的聚合物，可制成人造胰細(xì)胞。注入糖尿病患者血液中，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20世紀(jì)90年代后期，采用對(duì)電磁場(chǎng)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冕樛ㄟ^(guò)導(dǎo)管將癌癥溫?zé)岑煼ㄓ冕樦踩氩∪税┳儾课唬捎谛螤钣洃涀饔?，針?huì)彎曲變形在高頻電磁場(chǎng)作用下，癌癥溫?zé)岑煼ㄓ冕槍⒛軌虍a(chǎn)生一定的熱量，使癌變區(qū)萎縮智能材料在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用癌癥溫?zé)岑煼ㄓ冕樦悄懿牧现饕N類形狀記憶合金電流變體和磁流變體磁致伸縮材料壓電陶瓷電致伸縮陶瓷光致變色玻璃電致變色材料形狀記憶合金一般金屬材料受到外力作用后，首先發(fā)生彈性變形，在屈服點(diǎn)后產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力消除后留下永久變形有些材料發(fā)生塑性變形后，經(jīng)合當(dāng)?shù)臒崽幚?，可回?fù)到變形前的形狀。這種現(xiàn)象叫做形狀記憶效應(yīng)(SME)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)形狀記憶合金是一種超彈性合金，變形大大超過(guò)屈服極限后，一旦除去載荷，它能緩慢返回原形形狀記憶合金鎳-鈦合金（又稱NT合金）具有記憶功能能引起記憶合金形狀改變的條件是溫度全程Ti-Ni記憶合金花形狀記憶合金形狀記憶合金的歷史1952Chang及Read等最早報(bào)道形狀記憶效應(yīng)，觀察到Au-Cd合金中相變的可逆性后來(lái)發(fā)現(xiàn)，Cu-Zn合金也存在同樣現(xiàn)象，但未引起廣泛注意1962美國(guó)海軍軍械實(shí)驗(yàn)室主任冶金師Buehler等在等原子比的TiNi合金中觀察到宏觀形狀變化的記憶效應(yīng)，引起了材料科學(xué)界與工業(yè)界的重視

Buehler把海軍軍械實(shí)驗(yàn)室的英文簡(jiǎn)寫NOL加在合金后命名，組成了“Nitinol”，即為著名的“鎳鈦諾”名稱的來(lái)源20世紀(jì)70年代初發(fā)現(xiàn)CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合金的形狀記憶效應(yīng)，與馬氏體相變有關(guān)電流變體和磁流變體大多由高分子或陶瓷材料制成，在電、磁場(chǎng)作用下具有變形能力，其變性能力與電場(chǎng)或磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)在接通電時(shí)可從液體變?yōu)楣腆w的電致變性材料如果向空心梁中充入電流變性液體材料，在電場(chǎng)作用下，液體材料變硬，從而使梁變成僵硬狀利用電致變性材料可在地震時(shí)自動(dòng)加固建筑物磁致伸縮材料主流是稀土磁致伸縮材料。在電磁場(chǎng)作用下可產(chǎn)生微變形或聲能，也可將微變形或聲能轉(zhuǎn)化為電磁能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、功率密度高的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國(guó)防、航空航天和高技術(shù)領(lǐng)域主要用途美國(guó)：軍事目的尖端產(chǎn)品，如艦艇水下聲納探測(cè)系統(tǒng)、導(dǎo)彈發(fā)射控制裝置等我國(guó)：開發(fā)的大功率巖體聲波探測(cè)器，應(yīng)用于三峽工程和地球物理勘探稀土超大磁致伸縮材料可用于開發(fā)新一代精密控制系統(tǒng)(如油料控制、導(dǎo)彈發(fā)射控制裝置)、聲光發(fā)射系統(tǒng)(如信號(hào)處理、聲納掃描、超聲、水聲等)、換能器、驅(qū)動(dòng)器等壓電陶瓷壓電效應(yīng)在某些晶體材料上施加機(jī)械力時(shí)，晶體表面會(huì)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(chǎng)時(shí)，晶體會(huì)產(chǎn)生變形，稱逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)的本質(zhì)機(jī)械作用引起晶體極化，導(dǎo)致介質(zhì)兩端表面出現(xiàn)相反的束縛電荷

壓電效應(yīng)只存在于沒(méi)有對(duì)稱中心的晶體中BaTiO3陶瓷的壓電機(jī)理陶瓷由小晶粒無(wú)序排列而構(gòu)成，具有各向同性，不顯示壓電性經(jīng)電場(chǎng)處理后，陶瓷出現(xiàn)剩余極化強(qiáng)度，由各向同性變成各向異性，從而具有壓電性壓電陶瓷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，吸附電荷與片內(nèi)束縛電荷數(shù)量相等、符號(hào)相反在瓷片上加與極化方向平行的外力時(shí)，瓷片發(fā)生形變，Ti4+位移變小、極化強(qiáng)度變小，釋放出部分原來(lái)被吸附的表面電荷，出現(xiàn)壓電效應(yīng)當(dāng)壓力撤去后，陶瓷片恢復(fù)原狀(膨脹過(guò)程)，Ti4+位移增大、極化強(qiáng)度增大大，電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象BaTiO3陶瓷的壓電機(jī)理壓電陶瓷BaTiO3陶瓷的壓電機(jī)理壓電陶瓷在瓷片上施加與極化方向相同的電場(chǎng)時(shí)，Ti4+位移增大，極化強(qiáng)度增大，瓷片伸長(zhǎng)形變，電能變?yōu)闄C(jī)械能(逆壓電)壓電陶瓷材料的種類壓電陶瓷無(wú)機(jī)壓電材料共有兩種：壓電晶體(如石英SiO2)、壓電陶瓷在組成上，壓電陶瓷包括二元、三元和四元系在結(jié)構(gòu)上，壓電陶瓷可以是ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)或鎢青銅結(jié)構(gòu)常用壓電陶瓷：鈦酸鉛PbTiO3(PT)、鋯鈦酸鉛Pb(Ti1-xZrx)O3(PZT)、改性鋯鈦酸鉛、三元系壓電陶瓷三元系是指在PZT基礎(chǔ)上添加第三組元化合物第三組元化合物大都是復(fù)合鈣鈦礦型，如鈮鎂鋯鈦酸鉛、鈮鋅鋯鈦酸鉛壓電材料具有機(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(1)智能雨刷利用BaTiO3陶瓷制成，可自動(dòng)感覺(jué)雨量，并自動(dòng)調(diào)節(jié)雨刷至最佳速度(2)高級(jí)轎車中的減震裝置利用正壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)、電致伸縮效應(yīng)而制成的智能減震器，具有識(shí)別路面(粗糙度)并自我調(diào)節(jié)的功能，可使粗糙路面產(chǎn)生的振動(dòng)減至最低(3)有源消聲由壓電陶瓷拾音器、諧振器、模擬聲線圈和數(shù)字信號(hào)處理集成電路組成，用于振動(dòng)頻率低于500Hz的消聲(4)壓電陶瓷馬達(dá)利用逆壓電效應(yīng)，把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，不需要電磁線圈壓電材料的應(yīng)用壓電陶瓷電致伸縮陶瓷在電場(chǎng)作用下，壓電材料不僅由于逆壓電效應(yīng)而產(chǎn)生應(yīng)變，而且還存在一般電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的應(yīng)變，并且該應(yīng)變與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，后一效應(yīng)稱為電致伸縮效應(yīng)電致伸縮效應(yīng)是非線性機(jī)-電耦合效應(yīng)，外加電場(chǎng)E所產(chǎn)生的應(yīng)變S可表示為

S=dE+ME2+NE3+…dE是一階線性耦合效應(yīng)，即壓電效應(yīng)；系數(shù)d為壓電常數(shù)；ME2，NE3，…為高階非線性耦合效應(yīng)，或電致伸縮效應(yīng)；系數(shù)M、N等為電致伸縮常數(shù)利用電致伸縮效應(yīng)，電致伸縮陶瓷可產(chǎn)生微小應(yīng)變，并能由電場(chǎng)加以精確的控制高階耦合效應(yīng)非常微弱，通常電致伸縮效應(yīng)是指二階效應(yīng)大多數(shù)材料的電致伸縮效應(yīng)都非常小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)的玻璃含AgCl的堿鋁硼硅酸鹽玻璃受到紫外-可見(jiàn)光照射時(shí)，AgCl晶體分解為Ag和Cl原子，析出的Ag原子團(tuán)簇使玻璃顏色變深，從而阻止陽(yáng)光的透過(guò)h1為短波激活光能,h2為長(zhǎng)波光源光能,△為加熱退色效應(yīng)在沒(méi)有紫外線照射時(shí)，Ag和Cl原子重新結(jié)合為無(wú)色AgCl，玻璃(鏡片)褪色因此，變色眼鏡在陽(yáng)光下變深，在室內(nèi)則恢復(fù)透明光致變色玻璃在配料中加入少量敏化劑，可顯著提高敏感性，增大光致變色能力如Cu+是一種增感劑，在AgCl晶體中成為空穴的捕獲中心，增加光解Ag0濃度，大大提高玻璃的變暗靈敏度光致變色玻璃隨光波長(zhǎng)和強(qiáng)度的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)光的透過(guò)率，也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)電致變色材料無(wú)機(jī)電致變色材料有NiO、-WO3原理在電場(chǎng)作用下，電子、離子注入材料，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或價(jià)態(tài)發(fā)生可逆變化，材料顏色發(fā)生變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)材料的透過(guò)與反射特性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(chǔ)備層/電極當(dāng)兩組電極之間建立電場(chǎng)時(shí)，離子由離子儲(chǔ)備層經(jīng)過(guò)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)生變化利用薄膜材料的電致變色特性，可制造“電開關(guān)”自動(dòng)控制的靈巧窗，用于建筑采光控制釋放載體材