第十一章-智能材料與結(jié)構(gòu)

--------第十一章智能材料與結(jié)構(gòu)智能材料結(jié)構(gòu)(Ｓmａrt/IｎtelligentMaｔerｉａlsandＳｔrｕctures)是一門新801998年美國弗21世紀(jì)是智能材料的世紀(jì)，目前美國已有幾十家公司經(jīng)營智能材料結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品第一節(jié) 智能材料的概念及分類功的2１世紀(jì)高分子材料的重要發(fā)展方向之一。路根據(jù)傳感元件得到的信息驅(qū)動元件動作1１－1被動結(jié)構(gòu) 控制結(jié)構(gòu) 智能結(jié)構(gòu)動結(jié)構(gòu)擾 反應(yīng) 擾動動結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)反應(yīng) 執(zhí)行器傳感器結(jié)構(gòu)擾動 反應(yīng)結(jié)構(gòu)執(zhí)行器

傳感器控制器

控制器圖1１-1智能材料與普通功能材料的區(qū)別智能材料及高分子系智能材料。兩大類。無機(jī)非金屬系智能材料的初步智能性是考慮局部可吸收外力以防止材料整體變壞此類智能材料在電流變流體、壓電陶瓷光質(zhì)變色和電質(zhì)變色材料等方面發(fā)展較快。子基復(fù)合材料等。根據(jù)結(jié)構(gòu)來分，智能材料結(jié)構(gòu)可以分成兩種類型，分述如下:(1)嵌入式智能材料在基本材料中嵌入具有傳感、動作和控制處理功能的三種原始材料，傳感元件采集和檢測外界給予的信息，控制處理器指揮驅(qū)動元件執(zhí)行相應(yīng)的動作。(２）材料本身具有一定的智能功能某些材料微結(jié)構(gòu)本身具有智能功能,能夠隨著環(huán)境和時間改變自己的性能，例如自濾波玻璃和受輻射時能自衰減的IｎP半導(dǎo)體等。目前智能材料結(jié)構(gòu)在英語中采用兩種寫法:一為INＴＥLLIGＥNTMATERＩAＬSTRUCUREＮARTＡTEIＡLSTＵCTUR“INTELLE本SMAR即具有聯(lián)想及計(jì)算能力，敏捷快速有效的能動性和有生氣的活度。目前很多文章中也將“SMARTMATＥRIAＬＳTRUCTURE”比“SMARTMATERIＡLSTRUＣTURE”第二節(jié) 智能材料結(jié)構(gòu)的信息處理方法圖11-2智能結(jié)構(gòu)的動作流程圖圖1１－２對驅(qū)動元件的要求是：驅(qū)動元件應(yīng)能和結(jié)構(gòu)基體材料很好結(jié)合，具有高的結(jié)合強(qiáng)度；要?。或?qū)動元件的頻率響應(yīng)要寬，響應(yīng)速度快，并能控制。正在研究和使用的驅(qū)動元件有形狀記憶合金、壓電元件、電流變材料、磁致伸縮材提高驅(qū)動元件本身的性能，滿足上述六條要求；改善驅(qū)動元件的激勵方法；研究多種激勵元件組合使用的方法，達(dá)到取長補(bǔ)短的目的；研究驅(qū)動元件在材料中的布置方案。第三節(jié)智能材料結(jié)構(gòu)中的驅(qū)動元件及形狀記憶合金2090德國、意大利等國都召開了學(xué)術(shù)會議或是專題學(xué)術(shù)研究會。3.1智能材料結(jié)構(gòu)中的驅(qū)動元件目前研究投入較多的智能材料的驅(qū)動元件主要有作為執(zhí)行器的開關(guān)記憶材（含形狀記憶合金、陶瓷、薄膜三個類型（壓電材料在受到應(yīng)力作用時會產(chǎn)生電荷分布,同樣在壓電材料上外加電壓時,會發(fā)生形電材料如石英、鈦酸鋇等和有機(jī)聚合物壓電材料如片聚二氟乙烯樹脂材料。壓電陶瓷還可以象制作玻璃纖維一樣制作壓電陶瓷纖維成壓電復(fù)合材料，集傳感與驅(qū)動于一體。３.2形狀記憶材料及性能（ＳhapｅMemｏｒyEffｅcｔ（SｈapeMeｍｏryAｌloys，材料在高溫下制成特定形狀,在低溫任意變形，加熱時再恢復(fù)為高溫形狀，重新冷卻還保持高溫時的形狀時，我們稱之為單程記憶效應(yīng)。例如目前國內(nèi)商品化的NiTi形狀記憶合金絲，在低溫馬氏體組織時,加外力使合金應(yīng)變<8%后,對材料加熱，溫度超過馬氏體相變點(diǎn)時,形狀回復(fù)率可達(dá)1０0%。但隨著循環(huán)次數(shù)的增加,形狀記憶特性會衰減,存在一個疲勞壽命。當(dāng)回復(fù)變形在2％以下時，疲勞壽命為1０5次,對于埋入構(gòu)件基體材料中的形狀記憶合金的初始變形很大,但回復(fù)量很小，因此它的疲勞壽命可達(dá)1０7次。對材料進(jìn)行特殊的處理,使材料能夠記住高溫和低溫狀態(tài)的兩種形狀,即加熱時恢復(fù)NiTi熱冷卻都會出現(xiàn)上述現(xiàn)象。NiＴi4０0~５00C當(dāng)試件冷卻到M

’時,形狀接近直線狀態(tài)，如圖11-3(b)；冷卻到Ｍ以下時,試件的形狀發(fā)生ｆ f180 C11-3(ｃ)A和A11-３（d)ｆ f和(e）的形狀。高于Ａ’的形狀（a）和低于Mf

的形狀(ｆ）之間是可逆的。圖11－3NiTi合金的全方位記憶薄片的模式圖M’/A’為中間相變態(tài)溫度ｆ ｆ圖１１-4(a）11-4(b）是超彈性材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，超過彈性極限后應(yīng)逆向進(jìn)行，即從馬氏體轉(zhuǎn)向母相，永久變形消失這種現(xiàn)象叫超彈性記憶小效應(yīng)（PME；圖11-4(c）(SMＥ)。圖１1-4超彈性材料和形狀記憶材料的應(yīng)力－應(yīng)變曲線(a）一般金屬 (ｂ）超彈性材料(c)形狀記憶合形狀記憶效應(yīng)是由于馬氏體相變造成的。除鋼鐵外，大多數(shù)合金中的馬氏體相變是可逆的，即冷卻時由母相Ｐ轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相M，即PM，加熱時馬氏體相M又逆向轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶郟,即ＭＰ。根據(jù)熱力學(xué)觀點(diǎn)，母相與馬氏體的化學(xué)自由能在T０溫度時相等,不發(fā)生轉(zhuǎn)變，必須溫度低于T0時存在的相變阻力，即溫度冷到M馬氏體相變才開始進(jìn)行。隨著溫度下降，馬氏體量會逐s漸增多,直到M溫度時，馬氏體轉(zhuǎn)變才終止。同樣理由，馬氏體要可逆的轉(zhuǎn)為母相，加熱溫f度必須高于T溫度,而且要加熱至A溫度時,母相才開始形成，直至Ａ溫度逆變才完成。通0 ｓ f常稱：M 馬氏體相變M）開始溫;ｓＭ f

M）終了溫度；A 馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶?馬氏體逆相變sA 馬氏體相變?yōu)槟阁w（馬氏體逆相變Mｆ

３．２．1形狀記憶合金形狀記憶合金是研究最早的一種材料，它的操作功能主要分為５個方面。①單程記憶效應(yīng):在低于Ｍ溫度之下時,加壓力樣品變形，去掉壓力時不能完全恢復(fù)，ｆ當(dāng)加熱到A之上時殘存的形變才能恢復(fù)。f②雙程記憶合金效應(yīng)，當(dāng)溫度冷卻到Mｆ之下時自發(fā)的形變產(chǎn)生,當(dāng)溫度再升到Ａｆ之上時形變恢復(fù)。③形變恢復(fù)應(yīng)力,在Mf應(yīng)力產(chǎn)生。Mf⑤超彈性或偽彈性效應(yīng),在AfA載后樣品的形變又完全恢復(fù)。形狀記憶合金這些特有的功能與外界溫度和內(nèi)部的馬氏體相應(yīng)密切相關(guān)的關(guān)系。Ni—TiNi—Ti—Cu、Ｃu—Ｚn—AlCu—Aｌ—ＮiFｅ—Mn—Si而具有潛在應(yīng)用的體系有Ni—Ａl和Ｎｉ—Ti—Zi合金體系，目前在制備或性能上還有一些缺陷。在所有形狀記憶合金體系中Ni—Ti合金是最具有使用價值的，有人做過數(shù)百萬次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其恢復(fù)性能仍然保持。ＴiNi等原子比的TiNii元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55~56物相容性,因而得到廣泛的應(yīng)用,特別在醫(yī)學(xué)與生物上的應(yīng)用是其他形狀記憶合金所不能替TiNｉNi含量每增加０.１％，相變溫度會降低10Ｃ。第三元素對TiNiFeＣｏ等過渡族金屬的加入均可引起MsNiTeRRCuNｉ后,Ms為獲得記憶效應(yīng),一般將加工后的合金材料在室溫加工成所需要的形狀并加以固定,隨后在400-500能。成形，隨后于200－300保溫使之定形.此種在較低溫度處理的記憶元件及形狀回復(fù)特性較差。富Ｎi的TiＮｉ40０-５0０時效處理若干時間（5001MsMs溫度,根據(jù)所需的形狀將試件進(jìn)行一定限度的可以回復(fù)AｆMs以下,再變形試件使之成均可自動的反復(fù)記憶高低溫時的二種形狀。這種記憶訓(xùn)練實(shí)際上就是強(qiáng)制變形。對于Ti-51％(原子分?jǐn)?shù)力所致。６％（態(tài)的溫度只需稍高于Aｆ溫度即可。銅基形狀記憶合金等。銅基形狀記憶合金的相變溫度對合金成分和處理?xiàng)l件極敏感－Ａl-4.０Ni10001０與１00Ｍｓ-１160無論是CuZnAl還是CuAlNi合金，相變溫度對Al含量都很敏感。下列經(jīng)驗(yàn)公式可供合金設(shè)計(jì)時參考:CuZnAｌ Ｍs=2221－52x質(zhì)量分))-1３7ｘ(%Ａl(質(zhì)量分))CｕAlNi Mｓ=２2９３-45x(%Ni(質(zhì)量分))-13４x(%Ａl(質(zhì)量分))CuＡlNiNiＴi合金低2-3Ti、Zr、V、B等微量元素,或者采用急冷凝固法或粉末燒結(jié)等方法使合金晶粒細(xì)化，達(dá)到改善合金性能的目的。鐵基形狀記憶合金早期發(fā)現(xiàn)的鐵基形狀記憶合金FePｔ和FeＰd１982年有關(guān)FｅMnＳi鐵基形狀記憶合金的最大回復(fù)應(yīng)變量為2%,超過此形變量將產(chǎn)生滑移變形，導(dǎo)致ε-馬氏體與奧氏體界面的移動發(fā)生困難。合金與CuＺnAｌ合金，CuAｌＮiＦeMnSｉ系記憶合金也在開發(fā)應(yīng)用中。這些合金由于成分不TｉNｉFeＭnSiTiNiCuＺnAl形狀記憶陶瓷是0８—1，但這也許適合某些特定的場合。圖11－５ 形狀記憶陶瓷的結(jié)構(gòu)圖11-5E間群為B為金屬離子,這里APｂ2+)Ｂ(Ｚr4+Ti4+圖1１－6PZT平衡相圖B1１-6所示。不同量的離子置換PZTAＦE 電場 FE當(dāng)電場降低,材料回復(fù)到原始狀態(tài)還是保持鐵電相狀態(tài)，取決于材料的確切組成，一般在相圖邊界線上的亞穩(wěn)態(tài)比較容易形成形狀記憶陶瓷。圖1１－7鏡面自適應(yīng)結(jié)構(gòu)形狀記憶陶瓷主要用于在空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的自適應(yīng)調(diào)整上11－7可用在哈伯望遠(yuǎn)鏡、日冕儀等，另外形狀記憶陶瓷還有希望用作能量儲存執(zhí)行元件。形狀記憶薄膜備Ti—Ni、Au—Cd3.3形狀記憶合金的應(yīng)用從2０世紀(jì)7用作控溫器件的記憶合金絲被制成圓柱形螺旋彈簧作為熱敏驅(qū)動元件。其特點(diǎn)時利用CuＺｎＡl利用偏壓彈簧使形狀記憶元件具有雙向動作功能的還有機(jī)器人手臂、肘、腕、指等動形狀記憶合金作為機(jī)械執(zhí)行器的主要優(yōu)點(diǎn)有:①機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、安全、常見的結(jié)構(gòu)有絲狀和螺圈狀。②在無重力的工作條件下能產(chǎn)生清潔、靜音的無火花的操作，特別適合航天航空領(lǐng)域。③高的能/1０ｇ/重比遠(yuǎn)高于其他執(zhí)行器。這意味著形狀記憶合金非常適于微執(zhí)行技術(shù)。④高阻尼性能,在沖擊波和震動能量下，SMA的阻尼效率高達(dá)９0%。牙線上，它可以在歪斜的牙上產(chǎn)生很小的而又持續(xù)的力使歪牙扶正。用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的記憶合金除了具備所需要的形狀記憶或超彈性特性外,還必須滿足化TiＮi合金滿足上述條件。TｉNiTｉNi合金在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用較廣的有口腔牙齒矯形絲以及外科中各種矯形棒、骨連接器、血管夾、凝血慮器等。近年來血管擴(kuò)張?jiān)葢?yīng)用也見報(bào)道。牙齒矯形絲是利用TiＮi時,即使產(chǎn)生很大的變形也能保持適宜的矯正力,不僅操作方便,療效好,而且可減輕患者的TｉNi10%仍不會發(fā)生塑性變形。圖11－８和CｏCr形。TｉNi圖11－8用于矯形絲的各種材料的負(fù)載與變形曲線脊柱側(cè)彎矯形用哈氏棒通常是用不銹鋼制成，但由于植入人體后以及在隨后使用中，合金棒記憶處理成直棒,然后在Mｓ彎成與人體畸形脊柱相似的形狀（彎曲應(yīng)力小于8iNｉ合金棒逐漸回復(fù)到高溫相狀態(tài)，產(chǎn)生足夠的矯正力。TｉNi合金的Af溫度定在體溫以（(<Ms)骨折等環(huán)患處，患者痛苦少，功能恢復(fù)快,是非常行之有效的方法。形狀記憶合金更多的潛在應(yīng)用是埋置在材料里組成智能復(fù)合材料，如美國把在F—16戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼上。用于自修復(fù)功能，在機(jī)器人上用來制造人造肌肉。第四節(jié)智能材料的應(yīng)用首先開展智能材料結(jié)構(gòu)研究的是美國軍界,約在198４年美國陸軍科研局就旋翼飛行器1988FY9２_ＦＹ9６UＲ1UR1資助課題包括材料年規(guī)劃,投入大量資金。日本繼美國以后,在日本技術(shù)局主持下，開展智能材料結(jié)構(gòu)的研究。它們與美國聯(lián)合擴(kuò)大。11-9所示１1—10