博士班-智能材料与结构1

1、 智能材料与结构是近年来在世界上兴起并迅速发展的智能材料与结构是近年来在世界上兴起并迅速发展的材料技术的一个新领域。材料技术的一个新领域。1989年，日本高木俊宜教授提出智能材料年，日本高木俊宜教授提出智能材料（Intelligent materials）概念，它是指对环境具有可）概念，它是指对环境具有可感知可响应等功能的新材料。感知可响应等功能的新材料。美国的美国的R.E.Newnhain教授提出了灵巧教授提出了灵巧(Smart)材料的材料的概念，这种材料具有传感和执行功能。概念，这种材料具有传感和执行功能。国际上于国际上于1988年在美国召开了第一届年在美国召开了第一届“光纤机敏结构光纤机

2、敏结构与表层与表层”会议会议(Fiber Optic Smart Strusture and Skins)。（1）敏感特性）敏感特性（2）传输特性）传输特性（3）智能特性）智能特性（4）自适应特性）自适应特性 上述特性的微观结合上述特性的微观结合-智能材料智能材料 上述特性的宏观结合上述特性的宏观结合-智能结构智能结构形状记忆合金是一类具有形状记形状记忆合金是一类具有形状记忆功能的材料；忆功能的材料；产生形状记忆效应的最根本原因产生形状记忆效应的最根本原因是马氏体相变；是马氏体相变；在合适温度下马氏体相与奥氏体在合适温度下马氏体相与奥氏体相能发生可逆的变化。相能发生可逆的变化。NiTi作为一种

3、静脉通道过滤器（图作为一种静脉通道过滤器（图1）来打碎静脉）来打碎静脉中的血凝块。将合金通过一根中的血凝块。将合金通过一根ID导管，到达预定展开的位导管，到达预定展开的位置，然后去掉合金的束缚作用置，然后去掉合金的束缚作用, 其超弹性则对管壁施加恒其超弹性则对管壁施加恒定的压力，使血块破碎。定的压力，使血块破碎。 1234 图图1 将将Simon过滤器置于过滤器置于2.3mm导管内导管内(1), 然后受热膨胀然后受热膨胀(2、3、4) 以用于防止再发的肺栓塞以用于防止再发的肺栓塞 腹腔镜检查方法的发展非常迅速，现在可腹腔镜检查方法的发展非常迅速，现在可以通过微小的套针和套管在非常小的部位以通过

4、微小的套针和套管在非常小的部位进行手术（如图进行手术（如图2和图和图3）。图）。图2中的捕捉器中的捕捉器是当其中超弹性的是当其中超弹性的SMA恢复其奥氏体结构恢复其奥氏体结构和形状时，仪器才表现出弯曲形状。而图和形状时，仪器才表现出弯曲形状。而图3中的牵开器通常呈直线型，以便在套管中中的牵开器通常呈直线型，以便在套管中插入和退出，当其中的插入和退出，当其中的SMA处于马氏体状处于马氏体状态，牵开器才呈现弯曲状态。态，牵开器才呈现弯曲状态。 1234压电材料是一类具有压电效应的材料；压电材料是一类具有压电效应的材料；具有压电效应的电介质晶体在机械应力的作具有压电效应的电介质晶体在机械应力的作用下

5、将产生极化并形成表面电荷；用下将产生极化并形成表面电荷；若将这类电介质晶体置于电场中，电场的作若将这类电介质晶体置于电场中，电场的作用将引起电介质内部正负电荷中心发生相对位移用将引起电介质内部正负电荷中心发生相对位移而导致晶体发生形变。而导致晶体发生形变。压电材料的类型：压电材料的类型：压电陶瓷压电陶瓷压电聚合物材料压电聚合物材料压电复合材料压电复合材料（1）悬臂梁）悬臂梁 悬臂梁用环氧材料制成，用四片粘贴在根部悬臂梁用环氧材料制成，用四片粘贴在根部的压电致动元件模拟外界单一频率的振动干扰的压电致动元件模拟外界单一频率的振动干扰,其其布局如图布局如图4所示，再分别用两片粘贴在其它位置所示，再分

6、别用两片粘贴在其它位置的控制压电元件的控制压电元件1和控制压电元件和控制压电元件2对致动器施加对致动器施加控制，可实现对单一频率和噪声的有效控制，结控制，可实现对单一频率和噪声的有效控制，结果表明结构的振动及噪声水平显著下降。果表明结构的振动及噪声水平显著下降。 图图4 悬臂梁布局悬臂梁布局压电致动元件压电致动元件压电控制元件压电控制元件1压电控制元件压电控制元件2（2）减振降噪园筒）减振降噪园筒 图图5 园筒布局园筒布局 用复合材料园筒进行减振降噪试验，压电元件的布置如图用复合材料园筒进行减振降噪试验，压电元件的布置如图5 端面安置了端面安置了4个个PZT元件和元件和4个传感器，园筒安排了个

7、传感器，园筒安排了6个个PZT元件和元件和6个的传感器，同样可实现对单一频率振个的传感器，同样可实现对单一频率振动和噪声的有效控制。动和噪声的有效控制。 电流变电流变(ER)液：在电场作用下，其剪切应力、粘液：在电场作用下，其剪切应力、粘度等流变性能发生显著的可逆变化。度等流变性能发生显著的可逆变化。 磁流变磁流变(MR)液：在磁场作用下，其剪切应力、液：在磁场作用下，其剪切应力、粘度等流变性能发生显著的可逆变化。粘度等流变性能发生显著的可逆变化。 电磁流变电磁流变(EMR)液：在电场或磁场的作用下，液：在电场或磁场的作用下，其剪切应力、粘度等流变性能发生显著的可逆变其剪切应力、粘度等流变性能

8、发生显著的可逆变化。化。 （3）材料研究）材料研究：ERER液：半导体高分子材料液：半导体高分子材料 金属颗粒材料金属颗粒材料 铁电体材料铁电体材料 液晶高分子材料液晶高分子材料 硅铝酸盐材料硅铝酸盐材料MRMR液：液： 磁性粒子乳滴磁性粒子乳滴 磁性粒子磁性粒子 磁性复合粒子磁性复合粒子EMREMR液：液： 磁性复合粒子磁性复合粒子应用实例应用实例图6所示。减振器中极板运动方向与ER液的流动方向垂直，利用ER液的特殊性能，可以达到减振的效果。 输入位移输入位移输出位移输出位移线性支承线性支承支承质量支承质量电流变液电流变液电极电极弹簧弹簧ER液离合器的基本类型有两种：同轴园筒型液离合器的基本

9、类型有两种：同轴园筒型和平板型，其结构如图和平板型，其结构如图7所示。所示。 hRLh图图7 同心园筒型同心园筒型（a）和平板型）和平板型 （b）ER离合器的结构离合器的结构3. 磁致伸缩材料磁致伸缩材料磁致伸缩效应磁性物质在磁化过程中因外磁场条件的改变而发生几何尺寸可逆变化的效应。而磁致伸缩智能材料是一类磁致伸缩效应强烈，具有高磁致伸缩系数的材料。它是一类具有电磁能/机械能相互转换功能的材料。TbDyFe 的值较大，机电耦合系数也高，一直是超磁致伸缩材料中研究的重点 可用作超声和水声换能器件（如超声探伤、声纳）、电信器件（如振可用作超声和水声换能器件（如超声探伤、声纳）、电信器件（如振荡器、

10、延迟线）、测量传感和控制驱动器件等。荡器、延迟线）、测量传感和控制驱动器件等。 如图8所示，图中六个单元组成一个环。随着磁场变化，环就膨胀收缩，将声波发射出去。 线圈线圈稀土棒稀土棒磁体磁体应力棒应力棒六节环六节环单节单节（2）微位移驱动器件）微位移驱动器件 P876543211. Terfenol-D 单晶单晶 2. 永磁体永磁体 3. 弹簧弹簧 4. 线圈线圈 5. 隔离层隔离层 6. 磁轭磁轭 7. 执行杆执行杆 8. 螺栓螺栓 (3) 主动隔振智能结构中的动作器主动隔振智能结构中的动作器 灵敏梁灵敏梁质量质量加速度计加速度计加速度计加速度计振动梁振动梁激振力激振力磁致伸缩磁致伸缩动作器

11、动作器将将Tb-Dy-Fe涂覆在光纤上（或直接将涂覆在光纤上（或直接将Tb-Dy-Fe 片粘合在光纤上），作为片粘合在光纤上），作为Mach-Zehnder干涉仪的信号臂，当磁场使超磁致干涉仪的信号臂，当磁场使超磁致伸缩材料发生长度变化并导致光纤的光程变伸缩材料发生长度变化并导致光纤的光程变化时，光纤干涉仪中参考臂和信号臂之间产化时，光纤干涉仪中参考臂和信号臂之间产生相对位相移动，从而可形成并输出一个触生相对位相移动，从而可形成并输出一个触发信号。也可用这种传感器构成的干涉仪直发信号。也可用这种传感器构成的干涉仪直接作高灵敏磁场测量传感器（如图接作高灵敏磁场测量传感器（如图11所示）。所示）。

12、光光 源源D1D2高高 通通低低 通通PZT3dB磁性材料磁性材料3dBH+-Tb-Dy-Fe单晶磁弹性静力传感单晶磁弹性静力传感器件则实现了静态机械能向动态电器件则实现了静态机械能向动态电磁能的转换。其原理结构如图磁能的转换。其原理结构如图12所所示。该传感器为变压器式结构，静示。该传感器为变压器式结构，静态力作用在态力作用在Tb-Dy-Fe单晶棒上，使单晶棒上，使其磁化特性发生改变，从而导致变其磁化特性发生改变，从而导致变压器的交流输出信号发生变化。压器的交流输出信号发生变化。 e2e1 图图13 静电自组装薄膜材料的制作过程静电自组装薄膜材料的制作过程 重重复复第一层阳第一层阳离子聚合离

13、子聚合物单层的物单层的自组装自组装带电基带电基片片第一层阴第一层阴离子聚合离子聚合物单层的物单层的自组装自组装第二层阳第二层阳离子聚合离子聚合物单层的物单层的自组装自组装 光纤是一种介质圆柱光波导，它能够约束并引导光光纤是一种介质圆柱光波导，它能够约束并引导光波在其内部或其表面附近沿轴线方向向前传播。波在其内部或其表面附近沿轴线方向向前传播。 光纤纤芯、包层、涂覆层、护套等构成。光纤纤芯、包层、涂覆层、护套等构成。 光纤的分类：光纤的分类： 单模光纤和多模光纤；单模光纤和多模光纤； 阶跃型多模光纤、梯度型多模光纤阶跃型多模光纤、梯度型多模光纤 和阶跃型单模光纤。和阶跃型单模光纤。 光纤的制备光

14、纤的制备 传光性能好传光性能好 频带宽频带宽本身就是一个敏感元件本身就是一个敏感元件对电磁干扰不敏感，电绝缘性能好，耐高压对电磁干扰不敏感，电绝缘性能好，耐高压光纤质轻径细，可挠曲光纤质轻径细，可挠曲 n1n2n2n1n2纤芯纤芯包层包层涂覆层涂覆层护套护套 全反射全反射 光纤传光与数值孔径光纤传光与数值孔径n0200n2n12221sinnnANan2n1多模多模阶跃光纤阶跃光纤nr多模多模梯度光纤梯度光纤n2n1单模单模梯度光纤梯度光纤电 量电量检测电类传感器被测参量光 源光量检测光纤传感器被测参量 分类分类 内容内容 光纤传感器光纤传感器电类传感器电类传感器调制参量调制参量振幅：吸收、反

15、射等振幅：吸收、反射等相位：偏振相位：偏振电阻、电容、电感等电阻、电容、电感等敏感材料敏感材料温温-光敏、力光敏、力-光敏、光敏、磁磁-光敏光敏 温温-电敏、力电敏、力-电敏、电敏、磁磁-电敏电敏 传输信号传输信号光光电电传输介质传输介质光纤、光缆光纤、光缆电线、电缆电线、电缆* * 本质防爆本质防爆 适合于易燃、易爆等危险物品检测适合于易燃、易爆等危险物品检测 * * 对电绝缘对电绝缘 适合于高电压场合检测适合于高电压场合检测 * * 无感应性无感应性 适合于强电磁场干扰环境下检测适合于强电磁场干扰环境下检测 * * 化学稳定性化学稳定性 适合于环保、医药、食品工业检测适合于环保、医药、食品

16、工业检测 * * 时域变换性时域变换性 适合于多点分布测量适合于多点分布测量 * * 低损耗低损耗 * * 大容量大容量 * * 高精度高精度 * * 尺寸小尺寸小 * * 重量轻重量轻 * * 非接触式非接触式光调制器 光源及光敏器件被测参量被测参量光连接器光连接器光纤光纤解调器电连接器电连接器信号处理 组成：传感器组成：传感器 、传输系统、传输系统 、探测系统、探测系统控控 制制 室室光光 纤纤各类油罐各类油罐参数检测参数检测压力容器压力容器参数检测参数检测核工业环境核工业环境参数检测参数检测煤矿中煤矿中CH4等参数检测等参数检测控控 制制 室室光光 纤纤高压高压变压器变压器高压高压电动机

17、电动机强电磁干扰强电磁干扰电气设备电气设备微波微波设备设备取样取样送检送检样品样品光谱仪光谱仪被测物被测物光纤光纤光纤光谱仪光纤光谱仪被测物被测物OTDR技术技术用于分布检测用于分布检测埋入式功能型光纤传感器件埋入式功能型光纤传感器件 激光器信 号处理电路传感光纤传感光纤12D13dB耦合器耦合器3dB耦合器耦合器参考光纤参考光纤( a )透射式透射式LDPIN光纤光纤光纤光纤P P腔腔h( b )反射式反射式LDPIN光纤光纤P P腔腔偏振型埋入式光纤应变传感器偏振型埋入式光纤应变传感器 激光激光二极管二极管1/4波片波片光学准直器光学准直器透镜透镜透镜透镜检偏镜检偏镜光敏管光敏管光纤光纤带

18、有光纤的带有光纤的复合材料梁复合材料梁 缠绕式光纤传感器缠绕式光纤传感器 多模光纤多模光纤钢丝绳索钢丝绳索puF宽带宽带光源光源光纤法光纤法-柏分析器柏分析器压电单元压电单元扫描波形扫描波形WDS - 波 长 调 制 系 统WDM - 波 长 分 度 倍 增 器 掺 饵 光 纤WDMBBM - 宽 带 反 射 镜1550nm Laser Radiation980 nm Laser RadiationWDSWDS二 极 管1*4分 光 器 激 光980nmWDMWDSWDMWDMWDS布 拉 格 光 栅预 构 钢 筋 上 的附 着 在 水 泥 梁 耦 合 器 无 反 射 低 损 耗 导 入 光

19、纤 受 保 护 的自诊断光纤智能材料结构与应用自诊断光纤智能材料结构与应用 智能材料结构中光纤传感器的结构与特点智能材料结构中光纤传感器的结构与特点 智能材料结构系统最基本的组成要素之一，是具有智能材料结构系统最基本的组成要素之一，是具有能感知内外环境变化的神经传感系统。能感知内外环境变化的神经传感系统。 光纤的特点：光纤的特点：具有细径、柔韧、质轻，优良的可埋性；具有细径、柔韧、质轻，优良的可埋性； 集信息传感、传输于一体；集信息传感、传输于一体； 便于实现分布式传感或多点复用；便于实现分布式传感或多点复用； 宽频带与高数据传输速率；宽频带与高数据传输速率； 抗电磁干扰；抗电磁干扰； 耐高温

20、、腐蚀。耐高温、腐蚀。 光纤传感器是在智能材料结构研究中最适宜的传感光纤传感器是在智能材料结构研究中最适宜的传感器形式。器形式。应用实例应用实例 （1）用于复合材料中的Mach-Zehnder光纤传感器 （2）用于复合材料中的Michelson光纤传感器 （3）用于复合材料中的Fabry-Perot光纤传感器 (4) 用于智能锚索系统和混凝土结构内部裂缝检测的光纤微弯传感器智能锚索结构示意图实验系统结构示意图光时域反射计（OTDR）记录的 传感器输出信号示意图后向散射光损耗量与梁挠度的相关曲线自适应智能材料结构与应用自适应智能材料结构与应用 自适应智能材料结构指的是将基体材料、传感自适应智能材

21、料结构指的是将基体材料、传感和驱动材料以及微电子处理控制系统集成或融和驱动材料以及微电子处理控制系统集成或融合在一起形成一个整体。合在一起形成一个整体。这个整体不仅具有承受载荷、传递运动的能力，这个整体不仅具有承受载荷、传递运动的能力，而且具有检测、动作、改变结构的特性等功能。而且具有检测、动作、改变结构的特性等功能。该结构可根据不断变化着的外界环境和自身状该结构可根据不断变化着的外界环境和自身状况，在自诊断的基础上作自适应调整，使其始况，在自诊断的基础上作自适应调整，使其始终处于最佳工作状态。终处于最佳工作状态。应用实例：应用实例： 悬臂梁主动振动控制系统结构 主动控制系统流程图实验用方形板件由玻璃纤维实验用方形板件由玻璃纤维/环氧树脂复环氧树脂复合材料制成，在板的上、下表面分别粘固合材料制成，在板的上、下表面分别粘固两套两套SMA丝网络，图中是一套平面丝