仿生智能材料

1、仿生智能材料第一页，共69页。一、一、 仿生学仿生学 1 1、仿生学概念、仿生学概念 2 2、生物材料与仿生材料、生物材料与仿生材料 二、智能材料二、智能材料 1 1、什么是智能材料、什么是智能材料 2 2、智能材料的特征、智能材料的特征 3 3、智能材料的构成、智能材料的构成 4 4、智能材料的应用、智能材料的应用 第二页，共69页。一、一、 仿生学仿生学 1 1、仿生学概念、仿生学概念 人类进化只有人类进化只有500500万年的历史，而生命进化已经历了约万年的历史，而生命进化已经历了约3535亿年。亿年。人类很早就认识到生物具有许多超出人类自身人类很早就认识到生物具有许多超出人类自身的功能

2、和特性。对生物的结构、形态、功能和行为等的功能和特性。对生物的结构、形态、功能和行为等进行研究，我们就会从自然中获得解决问题的智慧和进行研究，我们就会从自然中获得解决问题的智慧和灵感。灵感。第三页，共69页。水母的顺风耳，仿照水母耳朵的结构和功能，设计了水母耳风暴预测仪，能提前15小时对风暴作出预报，对航海和渔业的安全都有重要意义。 第四页，共69页。宝马H2R氢燃料汽车外型和设计的灵感来自海豚、企鹅的低阻身材。圆鼓的前脸、收起的尾部，极小的正锋面，成就了其0.21的阻力系数。同样，尺寸庞大的宝马7系得益于其流线造型，阻力系数也仅为0.29。 第五页，共69页。 美国研发出一款举世无双的“海豚

3、潜艇”，它不仅在外形上酷似海豚，而且能像海豚一样时而潜入水中，时而跃出水面做出惊险刺激的翻腾动作。第六页，共69页。仿生学仿生学(Bionics)：模仿生物系统的结构、形状、模仿生物系统的结构、形状、 原理、行为以及相互作用，原理、行为以及相互作用，建造技术系统，或者使建造技术系统，或者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学，简而言之，仿生学就是学，简而言之，仿生学就是“模仿生物的科学模仿生物的科学”。 仿生学是一门生命科学、物质科学、信息科学、仿生学是一门生命科学、物质科学、信息科学、数学和工程技术等学科相互渗透而结合成的一门边缘数学和工程技

4、术等学科相互渗透而结合成的一门边缘科学。科学。第七页，共69页。2、生物材料和仿生材料 自然界存在的天然生物材料有着人工材料无可比拟的优越性能。生物材料通常有两个定义，一是有生命过程形成的材料，如结构蛋白（蚕丝等）和生物矿物（骨、牙、贝壳等），另一个是指生物医用材料(Biomedical materials),其定义随医用材料的发展不断发展，指用于取代、修复活组织的天然或人造材料。第八页，共69页。天然生物材料是经过亿万年的自然选择与进化，在细胞调制下形成的，其基本组成单元很平常，但材料的微观结构很复杂，具有空间上的分级结构，通常是两相或多相的复合材料，表现出人工合成材料无法比拟的性能。第九页

5、，共69页。生物体的启示：生命体中特殊机能的智能化大多与其微观结构密切相关。如昆虫复眼感光膜的视觉神经纤维具微纳米结构（由紧密排列的柱状的微绒毛构成，绒毛的长度约1-2um、直径约60nm)；鲨鱼皮肤表面具有排列有序的微小鳞状突起 第十页，共69页。第十一页，共69页。仿生材料（Bio-inspired）： 受生物启发或者模拟生物的各种特性而开发的材料。 材料的仿生包括模仿天然生物材料的成分和结构特征的成分、结构仿生、模仿生物体中形成材料的过程和加工制备仿生、模仿生物体系统功能的功能仿生。第十二页，共69页。二、 智能材料1、什么是智能材料？ 材料一般分为结构材料和功能材料两大类。对结构材料主

6、要要求其机械强度，而对功能材料侧重于其特有的功能。功能材料对来自外界或内部的各种信息具有感知能力的敏感材料在外界环境或内部状态发生变化时能对之作出适当的反应并产生相应动作的驱动材料第十三页，共69页。20世纪80年代，人们提出了智能材料的概念。如果能把感知、驱动（执行）和信息等三种功能材料有机地复合或集成于一体就可能实现材料的智能化。智能材料是继天然材料、人造材料、精细材料之后的智能材料是继天然材料、人造材料、精细材料之后的第四代第四代功能材料功能材料。 智能材料智能材料(Intelligent material，Smart material )是一种能从自身的表层或内部获取关于环境条件及其是

7、一种能从自身的表层或内部获取关于环境条件及其变化的信息，并进行判断、处理和作出反应，以改变变化的信息，并进行判断、处理和作出反应，以改变自身的结构与功能并使之很好地与外界相协调的具有自身的结构与功能并使之很好地与外界相协调的具有自适应性的材料系统。自适应性的材料系统。第十四页，共69页。智能材料需具备以下内涵：智能材料需具备以下内涵：（1）具有感知功能，能够检测并且可以识别外）具有感知功能，能够检测并且可以识别外 界（或者内部）的刺激强度，如电、光、界（或者内部）的刺激强度，如电、光、 热、应力、应变、化学、核辐射等；热、应力、应变、化学、核辐射等；（2）具有驱动功能，能够响应外界变化；）具有

8、驱动功能，能够响应外界变化；（3）能够按照设定的方式选择和控制响应；）能够按照设定的方式选择和控制响应；（4）反应比较灵敏、及时和恰当；）反应比较灵敏、及时和恰当；（5）当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始）当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始 状态。状态。 第十五页，共69页。智能材料必须具备智能材料必须具备感知、控制感知、控制和和驱动驱动三个基本要三个基本要素。素。 智能材料一般由两种或两种以上的材料复合构智能材料一般由两种或两种以上的材料复合构成一个智能材料系统。成一个智能材料系统。 智能材料智能材料第十六页，共69页。智能材料智能材料在材料系统或结构中，可将传感、控制在材料系统或结构中

9、，可将传感、控制 和驱动三种职能集于一身，通过自身对和驱动三种职能集于一身，通过自身对 信息的感知、采集、转换、传输和处信息的感知、采集、转换、传输和处 理，发出指令并执行和完成相应的动理，发出指令并执行和完成相应的动 作，从而赋予材料系统结构健康自诊作，从而赋予材料系统结构健康自诊 断、偏差自校正、损伤自修复与环境自断、偏差自校正、损伤自修复与环境自 适应等智能功能和生物特征，以达到增适应等智能功能和生物特征，以达到增 强结构安全、降低能量消耗和提高整体强结构安全、降低能量消耗和提高整体 性能的目的的一种材料系统和结构。性能的目的的一种材料系统和结构。2. 智能材料的特征智能材料的特征第十七

10、页，共69页。3. 智能材料的基本结构智能材料的基本结构 智能材料不是一种单一的材料，而是一个由多种材料智能材料不是一种单一的材料，而是一个由多种材料组元通过有机紧密复合或严格地科学组装而构成的材组元通过有机紧密复合或严格地科学组装而构成的材料系统，是一种智能机构。料系统，是一种智能机构。 传感器传感器执行器执行器控制器控制器智能机构智能机构材料自身材料自身能够探测能够探测到外部环到外部环境状态的境状态的变化变化能够自动能够自动地执行改地执行改变材料状变材料状态的指令态的指令能够对探测到的外部环境的变化作出判断能够对探测到的外部环境的变化作出判断，并给出相应的改变材料状态的指令，并给出相应的改

11、变材料状态的指令第十八页，共69页。智能材料的构成智能材料的构成 智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。四部分构成。 (1)基体材料基体材料 基体材料担负着承载的作用，一般宜选用轻质基体材料担负着承载的作用，一般宜选用轻质 材料。材料。 首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀。首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀。 其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。 第十九页，共69页。(2)敏感材料敏感材料敏感材料担负着传感的任务，其主要作用是感知敏感材料担负着传感的任务，其主要作用是感

12、知 环境变化（包括压力、应力、温度、电磁场、环境变化（包括压力、应力、温度、电磁场、 PH值等）。值等）。 常用敏感材料：形状记忆材料、压电材料、光纤常用敏感材料：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、磁致伸缩材料、电致变色 材料、电流变体、磁流变体和液材料、电流变体、磁流变体和液 晶材料等。晶材料等。 第二十页，共69页。(3)驱动材料驱动材料因为在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和因为在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和 应力，所以它担负着响应和控制的任务。应力，所以它担负着响应和控制的任务。 常用有效驱动材料：形状记忆材料、压电材料、常用有效驱动材料：形状记

13、忆材料、压电材料、 电流变体和磁致伸缩材料等。电流变体和磁致伸缩材料等。 (4)其它功能材料其它功能材料 包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。 第二十一页，共69页。如：将光导纤维、形状记忆合金和镓砷化合物半导体如：将光导纤维、形状记忆合金和镓砷化合物半导体 控制电路埋入复合材料中。控制电路埋入复合材料中。光导纤维光导纤维传感元件传感元件(检测结构中的检测结构中的 应变和温度应变和温度)形状记忆合金形状记忆合金执行元件执行元件 (使结构动作使结构动作 改变性状改变性状)半导体控制电路半导体控制电路控制系统控制系统(根据传感元件的信根据传感元件

14、的信 息驱动元件动作息驱动元件动作)智能材料智能材料第二十二页，共69页。智能结构的动作流程图智能结构的动作流程图识别识别分析分析判断判断行动行动驱动元件驱动元件自适应地改变结构形状、刚度、自适应地改变结构形状、刚度、位置、应力状态、固有频率等位置、应力状态、固有频率等智能材料智能材料第二十三页，共69页。智能变色材料智能变色材料由于光、电、热等外界条件的作用，使料内部结由于光、电、热等外界条件的作用，使料内部结构发生变化从而改变材料对光波吸收的特性，使构发生变化从而改变材料对光波吸收的特性，使材料呈现出不同的颜色。材料呈现出不同的颜色。l光色玻璃光色玻璃l电致变色薄膜电致变色薄膜智能材料智能

15、材料第二十四页，共69页。光色玻璃光色玻璃(变色玻璃变色玻璃) 能够随照射光强的变化而改变颜色。能够随照射光强的变化而改变颜色。原因：原因：含有在光照下能发生可逆变化的亚稳态色心：含有在光照下能发生可逆变化的亚稳态色心：在光波的照射下，色心的光吸收特性发生改变，从而在光波的照射下，色心的光吸收特性发生改变，从而使光色玻璃表现出随光照而改变颜色的特性。使光色玻璃表现出随光照而改变颜色的特性。l同相型光色玻璃同相型光色玻璃l异相型光色玻璃异相型光色玻璃智能材料智能材料第二十五页，共69页。同相型光色玻璃同相型光色玻璃亚稳态色心与玻璃基质具有相同亚稳态色心与玻璃基质具有相同 的相。的相。如：光学玻璃

16、的组分中加入氧化铈（选择吸收）如：光学玻璃的组分中加入氧化铈（选择吸收） 色心：能变价的铈离子色心：能变价的铈离子紫蓝光波紫蓝光波4f5d铈离子内电子跃迁铈离子内电子跃迁铈离子恢复电子状态铈离子恢复电子状态4f5d光减弱光减弱玻璃逐渐由高透明玻璃逐渐由高透明态转向深黄褐色态转向深黄褐色玻璃逐渐恢复高玻璃逐渐恢复高透明态透明态第二十六页，共69页。异相型光色玻璃异相型光色玻璃亚稳态色心是与玻璃基质不同的亚稳态色心是与玻璃基质不同的 光敏晶相物质。光敏晶相物质。如：如：卤化银光色玻璃卤化银光色玻璃 色心：色心：卤化银晶体卤化银晶体玻璃组分中玻璃组分中加入卤化银加入卤化银光照光照(紫外到蓝紫波段紫外

17、到蓝紫波段)析出游离态银离子析出游离态银离子对光散射强对光散射强(着色状态着色状态)光化学反应光化学反应高温熔融冷却高温熔融冷却析出亚微米尺析出亚微米尺度的卤化银度的卤化银对光散射很小对光散射很小(高透明状态高透明状态)无光照无光照银离子化合成卤化银银离子化合成卤化银去除光照去除光照室温热激活室温热激活第二十七页，共69页。光色玻璃的应用：光色玻璃的应用：图图18 变色太阳镜变色太阳镜汽车、飞机、船舶的前向玻璃或观察窗玻璃，起汽车、飞机、船舶的前向玻璃或观察窗玻璃，起防眩作用等。防眩作用等。智能材料智能材料第二十八页，共69页。电致变色薄膜电致变色薄膜电致变色现象电致变色现象(Electroc

18、hromism)材料在电场作材料在电场作用下所引起的颜色变化，这种变化是可逆的、连续用下所引起的颜色变化，这种变化是可逆的、连续可调的可调的(透过率、吸收率、反射率三者比例关系可透过率、吸收率、反射率三者比例关系可调调）。）。应用：智能窗应用：智能窗(调节玻璃透光特性调节玻璃透光特性)机理：机理：一些氧化物薄膜在电场的作用下能够发生一些氧化物薄膜在电场的作用下能够发生电子的交换电子的交换，导致颜色的改变。，导致颜色的改变。 智能材料智能材料第二十九页，共69页。 智能窗结构示意图智能窗结构示意图着色和退色的电化学反应如下：着色和退色的电化学反应如下： Ni1-xO(初始态初始态) + yM+

19、+ ye- MyNi1-xO (着色态着色态) MyNil-xO (着色态着色态) My-2N1-xO(退色态退色态) + 2M+ + 2e-氧化还原的电化学反应氧化还原的电化学反应玻璃基片玻璃基片透明电极透明电极(氧化铟锡膜氧化铟锡膜)离子注入膜离子注入膜快离子导体隔膜快离子导体隔膜电致变色膜电致变色膜(-WO3、NiO薄膜薄膜) 蓝色、灰色蓝色、灰色第三十页，共69页。法拉利首款自动硬顶敞篷车法拉利首款自动硬顶敞篷车玻璃车顶采用了利用电场变化来改变颜色的电致变色技玻璃车顶采用了利用电场变化来改变颜色的电致变色技术，可术，可对透过率进行对透过率进行5级调整级调整。 智能窗的应用：智能窗的应用

20、：智能材料智能材料第三十一页，共69页。汽车防眩目后视镜汽车防眩目后视镜汽车夜间行驶时根据后面行驶车辆前大灯射出的光线照射到汽车夜间行驶时根据后面行驶车辆前大灯射出的光线照射到后视镜上产生的眩目光程度，后视镜上产生的眩目光程度，自动控制后视镜的透光度，以减少自动控制后视镜的透光度，以减少后视镜镜面的反射光强度后视镜镜面的反射光强度，使驾驶员既能舒服的通过后视镜了解，使驾驶员既能舒服的通过后视镜了解后面行驶车辆及行人的情况，又能安全驾驶汽车。后面行驶车辆及行人的情况，又能安全驾驶汽车。 汽车防眩目后视镜汽车防眩目后视镜是当前玻璃制造业是当前玻璃制造业前沿产品前沿产品-电致变电致变色玻璃在汽车上的

21、色玻璃在汽车上的应用。应用。智能材料智能材料第三十二页，共69页。4 . 智能材料的应用智能材料的应用在军事领域中的应用在军事领域中的应用智能材料与住宅智能化智能材料与住宅智能化 与现代医学相联系的智能材料与现代医学相联系的智能材料 阅读材料阅读材料智能材料智能材料第三十三页，共69页。在军事领域中的应用在军事领域中的应用第三十四页，共69页。（1）智能蒙皮）智能蒙皮 光纤作为智能传感元件用于飞机机翼的智能蒙皮中，光纤作为智能传感元件用于飞机机翼的智能蒙皮中，或者在武器平台的蒙皮中植入传感元件、驱动元件和或者在武器平台的蒙皮中植入传感元件、驱动元件和微处理控制系统制成的智能蒙皮，可用于预警、隐

22、身微处理控制系统制成的智能蒙皮，可用于预警、隐身和通信。和通信。 第三十五页，共69页。（2）结构监测和寿命预测）结构监测和寿命预测 u采用光纤传感器和聚偏氟乙烯传感器的智能采用光纤传感器和聚偏氟乙烯传感器的智能 结构可对机翼、机架以及可重复使用航天运结构可对机翼、机架以及可重复使用航天运 载器进行全寿命期实时监测、损伤评估和寿载器进行全寿命期实时监测、损伤评估和寿 命预测；命预测；u空间站等大型在轨系统采用光纤智能结构，空间站等大型在轨系统采用光纤智能结构， 可实时探测由于交会对接碰撞、陨石撞击或可实时探测由于交会对接碰撞、陨石撞击或 其他原因引起的损伤，对损伤进行评估，实其他原因引起的损伤

23、，对损伤进行评估，实 施自诊断。施自诊断。 第三十六页，共69页。（3）环境自适应结构）环境自适应结构 智能结构制成的自适应机翼，能够实时智能结构制成的自适应机翼，能够实时感知外感知外界环境的变化界环境的变化，并可以，并可以驱动机翼弯曲、扭转驱动机翼弯曲、扭转，从，从而而改变翼型和攻角改变翼型和攻角，以获得最佳气动特性，降低，以获得最佳气动特性，降低机翼阻力系数，延长机翼的疲劳寿命。机翼阻力系数，延长机翼的疲劳寿命。 在机翼结构中使用在机翼结构中使用磁致伸缩致动器磁致伸缩致动器，可使机翼阻力，可使机翼阻力降低降低85%。第三十七页，共69页。智能材料与住宅智能化智能材料与住宅智能化 第三十八页

24、，共69页。（1）多功能砖）多功能砖 具有变通性和智能性。具有变通性和智能性。主要由四个分层构成：主要由四个分层构成：第一层是功能层，能感受来自周围的声能、热能、光能，并能控第一层是功能层，能感受来自周围的声能、热能、光能，并能控制这些能量的输出；制这些能量的输出；第二层是通讯层，能为居住者提供内外通信联系的通道；第二层是通讯层，能为居住者提供内外通信联系的通道；第三层是输送通道，可以用来输送水和其它材料；第三层是输送通道，可以用来输送水和其它材料；第四层面膜是砖材的最上层，也具有多功能性。如壁膜可以使墙第四层面膜是砖材的最上层，也具有多功能性。如壁膜可以使墙壁产生不同的色彩和图案；传感膜可以

25、接收声波、热能和可见光壁产生不同的色彩和图案；传感膜可以接收声波、热能和可见光并予以减弱或增强；地膜可产生耐久的色彩和图案；界面膜可连并予以减弱或增强；地膜可产生耐久的色彩和图案；界面膜可连接内外通信线路。接内外通信线路。 第三十九页，共69页。（2）食物器皿）食物器皿 在毫微塑料的桌面上旋转的碗不仅能测知食物的存在，在毫微塑料的桌面上旋转的碗不仅能测知食物的存在，而且可以根据用户的需要自行形成各种形状的碟子，供而且可以根据用户的需要自行形成各种形状的碟子，供准备、烹调和上菜时使用。并且这种盛食物的碗还具有准备、烹调和上菜时使用。并且这种盛食物的碗还具有保温和在不使用冰箱的情况下保鲜的功能。保

26、温和在不使用冰箱的情况下保鲜的功能。 第四十页，共69页。（3）座椅）座椅 用毫微塑料制作的坐椅不仅功能将大大增加，而且也将增加舒用毫微塑料制作的坐椅不仅功能将大大增加，而且也将增加舒适程度。适程度。使用毫微塑料能改变椅座面的柔韧性和弹性，也可以形成各使用毫微塑料能改变椅座面的柔韧性和弹性，也可以形成各种型式的椅座面。种型式的椅座面。毫微塑料可以形成所需的任何图案或结构，还能改变座椅本身的毫微塑料可以形成所需的任何图案或结构，还能改变座椅本身的结构。结构。由于不同年龄段的人对温度舒适性的要求有很大区别，座椅还由于不同年龄段的人对温度舒适性的要求有很大区别，座椅还可以随心所欲地升温和降温，甚至对

27、人们喜爱的舒适温度具有可以随心所欲地升温和降温，甚至对人们喜爱的舒适温度具有记忆功能。记忆功能。 第四十一页，共69页。与现代医学相联系的智能材料与现代医学相联系的智能材料 第四十二页，共69页。（1）人造肌肉）人造肌肉 生物弹性材料能模拟活体生物，而且其力量生物弹性材料能模拟活体生物，而且其力量 和反应速度均接近于人体的肌肉。和反应速度均接近于人体的肌肉。 生物弹性材料可以应用于人体组织的修复，生物弹性材料可以应用于人体组织的修复， 具有与生物体的相容性，随着伤口的愈合，具有与生物体的相容性，随着伤口的愈合， 这种聚合物就会在体内逐渐降解，最后将会这种聚合物就会在体内逐渐降解，最后将会 消失

28、。消失。 第四十三页，共69页。（2）人造皮肤）人造皮肤意大利比萨大学的科研人员为了使机器人与意大利比萨大学的科研人员为了使机器人与 真人更接近，让它的皮肤具有感觉功能，研真人更接近，让它的皮肤具有感觉功能，研 制成功一种人造皮肤智能材料。制成功一种人造皮肤智能材料。 材料可以感知温度、热流的变化以及各种应材料可以感知温度、热流的变化以及各种应 力的大小，并且有良好的空间分辨力。力的大小，并且有良好的空间分辨力。 这种智能材料还可以分辨表面状况，例如，这种智能材料还可以分辨表面状况，例如， 粗糙度、摩擦力等。粗糙度、摩擦力等。 第四十四页，共69页。（3）在药物自动投入系统上的应用）在药物自动

29、投入系统上的应用 科学家正在研制一种能科学家正在研制一种能根据血液中的葡萄糖根据血液中的葡萄糖 浓度而扩张收缩的聚合物浓度而扩张收缩的聚合物，这种聚合物可制，这种聚合物可制 成人造胰细胞，将它注入糖尿病患者的血液成人造胰细胞，将它注入糖尿病患者的血液 中，小球就可模拟胰细胞工作，使病人的血中，小球就可模拟胰细胞工作，使病人的血 糖浓度始终保持在平常的水平上。糖浓度始终保持在平常的水平上。 第四十五页，共69页。 6060年代初的一天，美国海军军械实验室的研究人员领来了一批镍年代初的一天，美国海军军械实验室的研究人员领来了一批镍钛合金丝，也许是制造过程中处理不当，合金丝被弄弯了，他们只能钛合金丝

30、，也许是制造过程中处理不当，合金丝被弄弯了，他们只能一根一根地将合金丝校直。有人顺手把校直的合金丝堆放在炉子的旁一根一根地将合金丝校直。有人顺手把校直的合金丝堆放在炉子的旁边。这时意外的事情发生了，一些校直的的合金丝在炉温的烘烤下，边。这时意外的事情发生了，一些校直的的合金丝在炉温的烘烤下，不一会儿就恢复到原来弯曲的形状。于是不得不重新校直合金丝。起不一会儿就恢复到原来弯曲的形状。于是不得不重新校直合金丝。起初，他们没有在意，还是把校直的合金丝堆放在炉旁，结果合金丝又初，他们没有在意，还是把校直的合金丝堆放在炉旁，结果合金丝又弯曲了，这种现象重复出现了多次，直到人们把校直的合金丝换了一弯曲了，

31、这种现象重复出现了多次，直到人们把校直的合金丝换了一地方堆放，不再受到炉温的烘烤以后，合金丝才继续保持挺直的形状地方堆放，不再受到炉温的烘烤以后，合金丝才继续保持挺直的形状。 军械实验室的研究人员紧紧地抓住了上述的意外的事情军械实验室的研究人员紧紧地抓住了上述的意外的事情，开展反复的实验研究，终于发现含，开展反复的实验研究，终于发现含50%50%镍和镍和50%50%钛的合金在温钛的合金在温度升高度升高4040以上时，能以上时，能“记住记住”自己原来的形状。自己原来的形状。科学家把这种现象叫做形状记忆效应，具有记忆功能的合金称为形状记忆合金。科学家把这种现象叫做形状记忆效应，具有记忆功能的合金称

32、为形状记忆合金。阅读材料阅读材料有记忆的金属有记忆的金属第四十六页，共69页。科学家早在科学家早在6060年代就发现了钛镍合金是有年代就发现了钛镍合金是有“记忆记忆”的。这种的。这种“记忆金属记忆金属”制成的卫星自制成的卫星自展天线在升空前只有巴掌大小，到了太空展天线在升空前只有巴掌大小，到了太空加热后就会展开到四五米！加热后就会展开到四五米！ 第四十七页，共69页。3. 形状记忆合金形状记忆合金 形状记忆效应形状记忆效应(Shape Memory Effect):一旦取一旦取消外力或改变温度消外力或改变温度,使发生塑性变形后的合金又使发生塑性变形后的合金又能恢复原来的形状。能恢复原来的形状。

33、 形状记忆效应有三种形式形状记忆效应有三种形式:单向形状记忆效单向形状记忆效应、双向形状记忆效应和全方位形状记忆效应。应、双向形状记忆效应和全方位形状记忆效应。第四十八页，共69页。冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却变形变形变形变形变形变形加热加热加热加热加热加热高温时形状高温时形状 (a) (b) (c)第四十九页，共69页。5 5、科普展览会上有一种神奇的金属花，科普展览会上有一种神奇的金属花，记忆合金记忆合金”花朵花朵”，它的花瓣是用记忆，它的花瓣是用记忆合金制成的，具有记忆能力，灯光一照合金制成的，具有记忆能力，灯光一照会绽开。会绽开。第五十页，共69页。双程双程CuZnAl记忆

34、合金花记忆合金花 采用采用CuZnAl记记忆合金片，以热水或忆合金片，以热水或热风为热源，开放温热风为热源，开放温度为度为6585，闭，闭合温度为室温。花蕾合温度为室温。花蕾直径直径80mm,展开直径展开直径200mm。动作幅度为。动作幅度为1800。另外，可据用。另外，可据用户要求订做。户要求订做。第五十一页，共69页。 工业常用工业常用形状记忆合金作开关，用于火警探形状记忆合金作开关，用于火警探测系统等。测系统等。 由于生物相容性好，由于生物相容性好，Ti-Ni合金是目前医学合金是目前医学领域使用的唯一的形状记忆合金。领域使用的唯一的形状记忆合金。 形状记忆合金更多的潜在应用是埋置在形状记

35、忆合金更多的潜在应用是埋置在材料里组成智能复合材料。材料里组成智能复合材料。第五十二页，共69页。记忆钉子记忆钉子 菲力浦公司研制了一种由“记忆金属”制成的钉子,把它安在汽车外胎上，当气温降低、公路结冰时，钉子会“自动”从外胎里伸出来，防止车轮打滑。 “记忆金属”食道架能在喉部膨胀成新的食道。必要时只要向食道里加上冰块，“食道”又会遇冷收缩，从而可轻易取出，使失去进食功能的食道癌患者提高了生活质量。 记忆食道支架记忆食道支架 用这种“记忆金属”造出汽车，万一被撞瘪，只要浇上一桶热水就可恢复到原来的形状。汽车第五十三页，共69页。 人们盖上用记忆合金丝混合羊毛织成的毛毯后，如毛毯温度过热，它就会

36、自动掀开一部分，适当降低温度，使人睡得更安稳。记忆毛毯记忆毛毯记忆照明灯记忆照明灯 法国巴黎用形状记忆合金制造的城市照明灯，有两瓣随着灯的亮灭而逐渐张开或合上的金属叶片。白天，路灯熄灭，叶片合上；傍晚，路灯亮起灯泡发热，叶片受热而逐渐张开，使灯泡显露出来。第五十四页，共69页。形状记忆合金的特点形状记忆合金材料是一形状记忆合金材料是一种新型的功能材料，其种新型的功能材料，其特点是在一定的外力作特点是在一定的外力作用下可以改变其形态用下可以改变其形态(形状和体积形状和体积)，但当温，但当温度升高到某一定值时，度升高到某一定值时，它又可完全恢复原来的它又可完全恢复原来的形态。形态。 通过形状记忆合

37、金模仿肌肉的收缩来实现人工肌肉的功能。用背部的金属纤维振动翅膀第五十五页，共69页。形状记忆合金的用途（一）在航空上的应用月球上的“奇葩”在室温下用形状记忆合金制成抛在室温下用形状记忆合金制成抛物面天线，然后把它揉成直径物面天线，然后把它揉成直径5厘米以下的小团，放入阿波罗厘米以下的小团，放入阿波罗11号的舱内，在月面上经太阳号的舱内，在月面上经太阳光的照射加热使它恢复到原来光的照射加热使它恢复到原来的抛物面形状。这样就能用空的抛物面形状。这样就能用空间有限的火箭舱运送体积庞大间有限的火箭舱运送体积庞大的天线了。的天线了。 第五十六页，共69页。 宇宙飞船登月的月面天线宇宙飞船登月的月面天线

38、宇宙飞船登月之后，为了将月球上收集到的各种信息发回地球，必须在月球上架设直径为好几米的半月面天线。要把这个庞然大物直接放入宇宙飞船的船舱中几乎是不可能。科研人员先用硬度和刚性非常好的镍钛合金在40以上制成半球面的月面天线，再让天线冷却到28以下。这时合金内部发生了结晶构造转变，变得非常柔软，很容易把天线折叠成小球似的一团，放进宇宙飞船的船舱里。到达月球以后，宇航员把变软的天线放在月面上，借助于太阳光照射或其它热源的烘烤使环境温度超过40，这时天线像一把折叠伞自动张开，迅速投入正常的工作。 阅读材料阅读材料第五十七页，共69页。第五十八页，共69页。形状记忆合金的用途（二） 在医学上的应用在医学

39、上的应用 合金作为驱动元件，具有可动的肩、肘、腕及手指合金作为驱动元件，具有可动的肩、肘、腕及手指的微型机械手。手指和手腕靠的微型机械手。手指和手腕靠TiNiTiNi合金螺旋弹簧的合金螺旋弹簧的伸缩实现开闭和弯曲动作，肘和肩是靠直线状伸缩实现开闭和弯曲动作，肘和肩是靠直线状的的TiNiTiNi合金丝的伸缩做弯曲动作，各个形状记忆合金丝的伸缩做弯曲动作，各个形状记忆合金驱动元件都由直接通上的脉宽可调电流加以控合金驱动元件都由直接通上的脉宽可调电流加以控制。制。 第五十九页，共69页。 6 6、医疗上用镍钛形状记忆合金制造牙、医疗上用镍钛形状记忆合金制造牙齿的矫正器、凝血过滤器，脑动脉瘤手齿的矫正

40、器、凝血过滤器，脑动脉瘤手术夹钳、人造心脏瓣膜、脊椎矫正器、术夹钳、人造心脏瓣膜、脊椎矫正器、骨折部位的定位夹具等，给病人带来福骨折部位的定位夹具等，给病人带来福音。音。 将将“记忆金属记忆金属”做成做成“金属食道支金属食道支架架”，能在患者喉部膨胀成新的食道，必，能在患者喉部膨胀成新的食道，必要时只要向食道里加冰块，要时只要向食道里加冰块，“食道食道”又会又会遇冷收缩，从而可轻易取出。遇冷收缩，从而可轻易取出。 第六十页，共69页。 随着社会的发展，我们对金属的认识也在增加随着社会的发展，我们对金属的认识也在增加。并且，也希望新的材料的诞生。也许在不远。并且，也希望新的材料的诞生。也许在不远

41、将来，我们都会拥有一辆由将来，我们都会拥有一辆由“记忆金属记忆金属”制作制作的汽车，我们再也不怕把汽车碰撞的凹凸不平而心的汽车，我们再也不怕把汽车碰撞的凹凸不平而心痛惋惜了。这种痛惋惜了。这种“记忆金属记忆金属”即是即是镍钛合金镍钛合金。如。如把这样一块金属进行加热，它将形成一定的形把这样一块金属进行加热，它将形成一定的形态。冷却后，任意揉皱，或使它弯曲，再加热态。冷却后，任意揉皱，或使它弯曲，再加热后，它又恢复了原状。后，它又恢复了原状。变形汽车变形汽车第六十一页，共69页。科学家还用记忆合金做科学家还用记忆合金做成食道支架，对失去进成食道支架，对失去进食功能的食道癌患者来食功能的食道癌患者来说，说，“记忆金属记忆金属”食道食道架能在喉部膨胀成新的食架能在喉部膨胀成新的食道，必要时只要向食道里道，必要时只要向食道里加上冰块，加上冰块，“食道食道”又又会遇冷收缩