第2章-智能材料 (课堂PPT)

第二章智能材料，张建峰，2017.04，1，1，2，第一节智能材料的基本原理，1，智能材料2，智能材料特征3，智能材料构成4，智能材料分类，3，智能材料是20世纪90年代快速发展的新型复合材料。 虽然智能材料还没有统一的定义，但现有智能材料的许多定义仍然相同。 1、什么是智能材料？4 .一般来说，智能材料是指具有感知环境(包括环境和外环境)刺激，对其进行分析、处理、判断，并采取一定措施适度响应的智能特征的材料。 5、具体来说，智能材料需要具有以下含义： (1)具有感知功能，可以检测和识别外界(或内部)的刺激强度，例如电、光、热、应力、应变、化学、放射能等，(6)具有驱动功能，可以响应外界的变化，(3)按照设定反应敏感，及时，适当的(5)外部刺激消失后，可以马上恢复到原来的状态。 7、智能材料也称为敏感材料，常用的有智能材料、智能材料、智能材料、智能材料、自适应材料8、智能材料的构想源于仿生学，目标是开发出能成为具有与生物相似各种功能的“活”材料的材料。 因此，智能材料必须具备感知、驱动、控制三个基本要素。 9、然而，现有材料一般是单一的，难以满足智能材料的要求，因此智能材料通常通过组合两种或多种材料来构成一个智能材料系统。 10、这涉及到智能材料的设计、制造、加工和性能结构特征与材料学的最尖端领域，智能材料代表了材料科学最活跃的方面和最先进的发展方向。 11、智能材料应用的简单事例：太阳镜的镜头含有智能材料，该智能材料能感知周围光，判断光的强弱，光强时变暗，光弱时变透明。 12、2、智能材料的特征设计因为智能材料两种指导思想是材料的多功能复合和材料的仿生设计，所以智能材料系统具有以下智能功能和生命特征：13、传感功能(Sensor )是外界或自身所处的环境条件，如负荷、应力、应变、振动、振动(14 )反馈功能(2)可以通过传感器网络将系统输入与输出信息进行比较，并将结果提供给控制系统。 (3)信息识别和存储功能可以识别和存储通过传感器网络获得的各种信息。 15、(4)响应功能可以根据外部环境和内部条件的变化适时动态地应对，并采取必要的行动。 16、(5)自我诊断能力(Self-diagnosis )可以通过分析系统的当前状况和过去的状况，自我诊断并修正系统的故障和判断错误等问题。 17、(6)自我恢复能力可通过自我增殖、自我生长、原位复合等再生机制来修复局部损伤和破坏。 (7)自我调节能力(Self-adjusting )可以对不断变化的外部环境和条件及时自动调整自己的结构和功能，并相应地改变自己的状态和行动，因此材料系统总是以最佳方式对外界变化作出适当的响应。 19、19、3、智能材料的结构一般由基材、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分组成。20、(1)基材、基材承担着负载的作用，一般应该选择轻量材料。 一般的基材具有高分子材料优先、轻量耐腐蚀，特别是粘弹性的非线性特征。 其次选择金属材料，以轻量有色合金为主。(21，(2)敏感材料、敏感材料承担传感作用，其主要作用是感知环境变化(包括压力、应力、温度、电磁场、pH值等)。 形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色材料、电流变化、磁变化、液晶材料等敏感材料常用。 (22、(3)驱动材料在一定条件下，驱动材料会产生大的应变和应力，因此承担着响应和控制的任务。 通常，可以使用形状记忆材料、压电材料、电流变化体、磁致伸缩材料等有效驱动材料。 这些材料无论是驱动材料还是敏感材料，显然起到了双重作用，这也是智能材料设计中可以采用的想法。 (23 )其他功能材料、导电材料、磁性材料、光纤、半导体材料等。 24、图显示了智能材料的基本结构和工作原理。25、4、智能材料的分类，智能材料是继天然材料、人工材料、微细材料之后的第四代功能材料。 现在，因为智能材料可以使用的材料种类扩大，所以智能材料的分类也很粗糙，分类方法也多种多样，26、根据智能材料的功能，可以分为光纤、形状记忆合金、压电、电流变化体和电(磁)伸缩材料等。 根据智能材料的来源，可以分为金属类智能材料、无机非金属类智能材料、高分子类智能材料。 27、目前研究开发的金属类智能材料主要有形状记忆合金和形状记忆复合材料两种无机非金属类智能材料在电流变化体、压电陶瓷、光致变色和电致变色材料等方面发展迅速，28、高分子类智能材料范围广， 作为智能材料的刺激响应性高分子凝胶的研究和开发很活跃，其次有智能高分子薄膜材料、智能高分子粘合剂、智能药物释放系和智能高分子基复合材料等。29、第二节智能材料的使用领域1、在军事领域的应用2、智能材料和住宅智能3、与现代医学相关的智能材料4、有源结构音响控制5、有源振动音响控制、30，1、在军事领域的应用智能材料被用于军事，是随着智能材料的发展而不断发展的领域。 31、智能材料的结构不仅能像一般的功能材料一样承受载荷，而且还具有其他功能材料所没有的功能，可以感知内部环境的变化，通过改变其物理性能和形状等作出响应，实现自我诊断、适应、自我修复等功能。 因此，智能材料在军事应用上有很大潜力，其研究、开发和利用对未来武器装备的发展产生重大影响。 目前，在各种军事领域中，智能材料的应用主要涉及以下方面：33，(1)智能皮肤，例如作为智能传感器元件的光纤，用于飞机机翼智能皮肤的武器平台的皮肤上，有传感器元件、驱动元件、微处理控制系统34、目前，美国的智能皮肤研究包括美国弹道导弹防御局为导弹预警卫星开发包含多种传感器的智能皮肤，美国海军重点研究舰艇用智能皮肤，提高舰艇的隐藏性能。 35、(2)结构监测和寿命预测，智能结构能实时测量结构内部的应变、温度、裂纹，检测疲劳和损伤情况，从而能监测结构预测寿命。 36、例如，通过采用光纤传感器阵列和聚偏氟乙烯传感器的智能结构，能够对可再利用翼、框架、宇宙载波的全寿命期间进行实时监视、损伤评价和寿命预测，37， 空间站等大型轨道系统采用光纤智能结构，可以实时检测交接碰撞、陨石碰撞等原因引起的损伤，评价损伤，实施自我诊断。38、正在研究的自诊断智能结构技术是光纤传感器的自诊断技术，是一种能够测量裂纹的“声音”传感器的自诊断技术，是一种能够监测复合材料层裂的传感器的自诊断技术等。39、(3)减振噪音、智能结构用于航空航天系统，能消除系统中的有害振动，减轻对电子系统的干扰，提高系统的可靠性。 例如，美国高级研究计划局帮助波音公司开发的直升机智能结构的机翼，可以改善机翼的空气力学性能，减少振动和噪音。 40、智能结构可用于舰艇，抑制噪音传播，提高潜艇和军舰的隐声性能。 智能结构用于地面车辆，可以提高军用车辆的性能和乘坐舒适度。 国外研究的具有减振降噪功能的智能结构，主要由压电陶瓷、形状记忆合金、电致伸缩等新材料制成。 41、(4)由环境适应结构、智能结构制成的适应翼，可以实时感知外部环境的变化，驱动翼的弯曲、扭转来改变翼型和迎角，得到最佳气压特性，降低翼阻力系数，延长翼的疲劳寿命。 42、飞机在飞行中遇到旋涡和激烈逆风时，机翼中的智能材料会迅速变形，使机翼变形消除旋涡和逆风的影响，使飞机平衡飞行。 43、美国研究表明，在叶片结构中使用磁致伸缩驱动器，叶片阻力会减少85%。 美国波音公司和麻省理工大学合作，研究在刀片中嵌入智能纤维，在电流发生变化时可以使刀片多次扭转变形。 44、美国陆军正在开发直升机旋翼主动控制技术，用于RAH-66武装直升机。 美国国防部和航空航天局也在研究适应结构。 副翼的弯曲、弯曲造型/控制面的造型等。 45、相信在不久的将来，我们用智能材料制作的飞机机翼，可以像鱼尾一样自由移动，可以自己弯曲，自动改变形状，改善升力和阻力，使飞机飞得更高，更快。 46、2、智能材料和住宅智能未来住宅，墙壁可以随意改变颜色的椅子可以根据人体需要改变温度和形状的所有电器都触摸，所以没有触电的危险，可视电话具有传感功能。 47、Z-enjoy智能系统是基于Z-Wave无线通信协议开发的信息化平台，可以通过开放的体系结构设计实现双向通信，具有无需布线、实现迅速、维护简单等优点的智能灯、智能灯可以统一管理水印服务器、投影幕、出入口、远程监视等系统，通过不受时间、空间、硬件限制的智能手机、平板电脑、电脑，远程自由控制各种电子设备。 48、随着智能材料的发展，特别是纳米塑料的构想的提出，有可能设计智能住宅。 现在虽然还处于构想阶段，但已经着手研究，不久的将来必然会成为现实。 一些未来的智能产品如下：49、(1)多功能砖用于构建房屋整体结构单元，该结构单元具有灵活性和智能性。 该多功能砖主要由以下三层构成：50，第一层是功能层，可以感受到来自周围的声能、热能、光能，可以控制这些能量的输出，如果是内壁砖，也可以控制和改变墙的功能52、居民也可以选择适当的带“口罩”的砖。 另外，口罩的设置和形状并不一定，可以简单地揭下新的口罩进行更换。 53、口罩位于砖材的最上层，也具有多功能性。 像壁膜一样可以在壁上制作不同的颜色和图案，54、传感膜可以接收声波、热能和可见光，可以减弱或增强的地膜可以制作耐久性颜色和图案的界面膜可以连接内外的通信线路。55、(2)食物器皿、56、(2)食物器皿、未来厨房看不到传统餐具。 在纳米塑料桌上，旋转的碗不仅能感知食物的存在，还能根据用户的需要自动形成各种形状的盘子，用于准备、烹饪、烹饪。 另外，装这个食物的碗还具有不使用保温和冰箱而保持新鲜的功能。57、(3)片材，纳米塑料制作的片材，不仅能大幅增加功能，还能增加舒适度。 使用纳米塑料，可以改变椅子座面的柔软性和弹性，形成各种形状的椅子座面。 从美学上考虑，58，只要方便人们坐下或从座位上站起来，纳米塑料就可以形成任何图案或结构，也可以改变座位本身的结构。 59、不同年龄层对温度舒适性的要求有很大差异，因此该座位可以自由升温和降温。 对人们喜欢的舒适温度也有记忆功能。 60、(4)厕所、厕所中常见的设施有洗脸盆、厕所、淋浴。 采用智能结构的厕所，只要接触、61、洗脸台表面的某个地方，就能调节水温、流速、水流的状态(集中喷射的水流或宽的窗帘状等)来选择。 脸盆上的镜子可以反映人正常的翻转像，也可以反映真正的非翻转像。 62、厕所的形状和大小可以根据使用者自动变化的坐垫自动加热到舒适的温度，结构整体变轻。 63、计算机住宅厕所设有体检的计算机系统，每次上厕所时，厕所连接的体检装置会自动分析尺寸，一旦发现异常，计算机就会立即发出警报去医院。 64、淋浴设备连接多功能砖，上下水、水温和水流自动控制和调节。 如上所述，未来的智能住宅可以提高人们的生活质量。 65，3，与现代医学相关的智能材料(1)人工肌肉(2)人工皮肤(3)在药物自动投入系统中的应用(4)智能材料的两种抗癌应用，66(1)人工肌肉，因为生物弹性材料能模拟生物，其力量和反应速度接近人体的肌肉。 因此，这种材料可以应用于人体组织的修复，而且与生物相匹配，随着伤口的愈合，该聚合物在体内逐渐分解，最终消失。 67、(2)人工皮肤、人工皮肤智能材料能感知温度、热流变化和各种应力大小，具有良好的空间分辨率。 这种智能材料还能识别表面状况，例如粗糙度、摩擦力等。 (68，(2)人工皮肤，(69，(3)在药物自动投药系统中的应用，科学家正在研制可根据血液中葡萄糖浓度扩张收缩的聚合物。 该聚合物能制备人工胰细胞，注入糖尿病患者的血液中后，血球就能模拟胰细胞的工作，使患者的血糖浓度始终保持在正常水平。 70、(4)智能材料的两种抗癌应用是I，如图所示有效的抗癌剂胶囊，即药物“导弹”。 71、图中的疏水性药物载体形成了“导弹”的疏水核，亲水性部分在核的周围形成了水合物壳。 形成的这个高分子聚合物胶囊是智能型药物载体，可以被生物体内的单核吞噬细胞捕获，自动避免有效地到达癌细胞所在地。72、90年代后期，使用对电磁场敏感的铁氧体包复的Ti-Ni形状记忆合金线，开发了癌症温热疗法用针。 73、首先，将该针通过导管植入患者的癌变部位，通过形状记忆作用，该针发生弯曲变形现象，接着，通过涡流效应产生的高频电磁场，形状记忆合金针产生一定的热，使癌变区萎缩。74，4，有源结构声学控制智能材料系统中最成熟的应