第11章 机敏材料与智能材料

1、第十一章第十一章 机敏材料和智能材料机敏材料和智能材料11.1 机敏材料和智能材料的概念机敏材料和智能材料的概念 智能材料是指对环境可感知、响应和处理后，能适应环境的材料。它是一种融材料技术和信息技术于一体的新概念功能材料。 智能材料应同时具备传感(sensing)、处理(processing)和执行(actuation)三种基本功能。 （1）传感功能。首先是对所处环境条件及其变化的感知，环境条件包括力、光、电、声、磁、热等物理、化学和生物条件。其次是把环境条件及其变化转化为某种讯号传导给处理器。 （2）处理功能。包括信息积累、识别、比较、诊断、综合、判断和作出相应的反应，然后把反应转化为指令

2、，传达给执行器。 （3）执行功能。包括报警、自检测、自诊断、自监控、自校正、自适应、自分解、自增殖、自修复、自净化、自愈合和自学习等。 机敏材料的英文原名为smart material。对机敏材料也没有统一的定义。有人认为机敏材料就是智能材料，两者之间并无区别，只是名称不同。有人认为机敏材料只有传感和执行两种基本功能，比智能材料少一个处理功能。因而，从聪明程度来看，智能材料比机敏材料至少高出一个数量级，机敏材料是一种较低阶段的智能材料，所以一般把机敏材料和智能材料统称为智能材料。 理论上讲，智能材料可以从宏观到微观各种层次上来实现。宏观层次上，单一的一种材料很难同时具备传单一的一种材料很难同时

3、具备传感、处理和执行三种基本功能感、处理和执行三种基本功能。 往往要把几种材料、元件或结构组合在一起构成一个结构或系统才能同时具备上述的三种基本功能。这种结构或系统称为智能结构或系统，它是由多种结构材料（结构）、功能材料（元件或结构）所构成。在微观层次上如在分子、原子水平上，则有可能在一种材料中实现上述三种基本功能。这种材料才符合智能材料的定义。 智能材料的基本功能随着研究的进展正在逐步丰富和发展，它的智能也从低级（如机敏材料）发展到比较高级（如仿生智能材料），最终可能发展到具有类似人类的部分智能。 研究智能材料最早的国家是美国和日本。随后英、意、澳等也开展了智能材料的研究。 我国对智能材料的

4、研究也很重视，从1991年起就把智能材料列为国家自然科学基金和国家863计划的研究项目，并已取得了相当的进展。 宏观智能材料往往由结构材料和具有传感、处理或执行功能的功能材料构成。 本章介绍几种以前各章未讲到的有传感或执行功能的材料，即形状记忆材料、电流变流体、机敏窗口、刺激响应型高聚物和高分子人工肌肉材料。有的文献把这些材料也称为智能材料，这不太确切。是是二十世纪二十世纪9090年代年代迅速发展起来的迅速发展起来的一类一类新型复合材料新型复合材料，将在，将在2121世纪得到广泛研究和世纪得到广泛研究和应用的材料。应用的材料。 是指具有是指具有（包括内环境（包括内环境和外环境）和外环境），、，

5、并并的具有的具有智能特征智能特征材料材料。 目前，已经实用化的智能材料包括：形状记忆合目前，已经实用化的智能材料包括：形状记忆合金材料，如镍金材料，如镍钛材料，可用来制作汽车易损件、钛材料，可用来制作汽车易损件、人造卫星的天线等人造卫星的天线等； 电致、磁致变性材料等的应用电致、磁致变性材料等的应用 具体具体来说，来说，需具备以下需具备以下：(1)(1)具有具有，能够检测并且可以识别能够检测并且可以识别外外界界( (或者内部或者内部) )的的刺激强度刺激强度，如电、光、热、应力、，如电、光、热、应力、应变、化学、核辐射等；应变、化学、核辐射等；来源于仿生学，它的来源于仿生学，它的目标就是想目标

6、就是想研制出一种材料研制出一种材料，使它成为，使它成为的的“活活”的材料的材料。因此因此必须具备必须具备、和和这三个基本要素。这三个基本要素。但是但是现有的材料现有的材料一般比较一般比较，难以满足难以满足智能材料的要求智能材料的要求，所以，所以一般由一般由复合构成一个复合构成一个智能材料系统智能材料系统。均涉及到了均涉及到了材料学的最前沿领域材料学的最前沿领域，使智能材使智能材料代表了料代表了材料科学的最活跃方面和最先进的发材料科学的最活跃方面和最先进的发展方向展方向。 智能材料应用的简单事例：智能材料应用的简单事例：某些某些太阳镜的镜片当中太阳镜的镜片当中含有含有，这种智能材料能这种智能材料

7、能感知周围的光感知周围的光，并能够，并能够对光对光的强弱进行判断的强弱进行判断，当光强时，它就变暗，当，当光强时，它就变暗，当光弱时，它就会变的透明。光弱时，它就会变的透明。 因为设计智能材料的两个指导思想：因为设计智能材料的两个指导思想：是是和和。 智能材料系统具有或部分具有如下的智能材料系统具有或部分具有如下的和和：能够能够外界或自身所处的环境条外界或自身所处的环境条件，如负载、应力、应变、振动、热件，如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学、核辐射等的强、光、电、磁、化学、核辐射等的强度及其变化。度及其变化。可通过可通过，对系统，对系统输入与输出信输入与输出信息进行对比息进行对比，

8、并将其结果提供给，并将其结果提供给控制系统控制系统。能够识别能够识别传感网络得到的各类信息传感网络得到的各类信息并将其积累起来。并将其积累起来。能够根据能够根据外界环境和内部条件变化外界环境和内部条件变化，作出相应的反应，并采取作出相应的反应，并采取必要必要行动。行动。能通过能通过系统目前的状况与过系统目前的状况与过去去的情况，对诸如的情况，对诸如与与等等问题进行自诊断并予以校正。问题进行自诊断并予以校正。能通过能通过、等等再生机制再生机制，来修补某些，来修补某些局部损伤局部损伤或破坏或破坏。对不断变化的对不断变化的外部环境和条件外部环境和条件，能，能自身结构和功能，并相应地自身结构和功能，并

9、相应地改变自己的状态和行为改变自己的状态和行为，从而使，从而使材料系统材料系统始终始终对外界变化作出恰如对外界变化作出恰如其分的响应。其分的响应。一般来说一般来说由由、和和四部四部分构成。分构成。基体材料担负着基体材料担负着，一般宜，一般宜选用选用。一般基体材料一般基体材料，因为，因为其其重量轻重量轻、耐腐蚀耐腐蚀，尤其具有粘弹性的非，尤其具有粘弹性的非线性特征。线性特征。也也，以，以轻轻质有色合金质有色合金为主。为主。担负着担负着传感的任务传感的任务，其主要作，其主要作用是用是（包括（包括压力压力、应力应力、温度温度、电磁场电磁场、pH值值等）。等）。常用敏感材料常用敏感材料:如如、和和等。

10、等。因为在一定条件下，因为在一定条件下，可产生可产生较大较大的的，所以它担负着，所以它担负着。常用有效驱动材料如。常用有效驱动材料如、和和等。等。可以看出，这些材料既是可以看出，这些材料既是，显然起到了身兼二职的作用，这，显然起到了身兼二职的作用，这也是也是智能材料设计时可采用的一种思路智能材料设计时可采用的一种思路。包括包括、等。等。是继是继、之后的之后的第四代功能材料第四代功能材料。因为现在因为现在可用于智能材料的材料种类不可用于智能材料的材料种类不断扩大断扩大，所以，所以智能材料的分类智能材料的分类也只能是粗浅也只能是粗浅的，分类方法有多种。的，分类方法有多种。若按若按来分，可以分为来分

11、，可以分为、和和等。等。若按若按来分，可以分来分，可以分为为、和和。目前研究开发的目前研究开发的主要有主要有和和两大类；两大类；在在、和和材料等方面材料等方面发展较快；发展较快；受到外力作用后，首先受到外力作用后，首先发生发生弹性变形弹性变形，达到屈服点，就产生，达到屈服点，就产生塑性塑性变形变形，应力消除后应力消除后留下留下。但有些材料，在但有些材料，在发生了塑性变形发生了塑性变形后后，经过，经过，这种现象叫做，这种现象叫做（SME）。）。兼有兼有和和的的双重功能，可以实现双重功能，可以实现控制系统控制系统的的，如机器人、毫米级超微，如机器人、毫米级超微型机械手等。型机械手等。21世纪将成为

12、世纪将成为的时代。的时代。的的机器人的动作机器人的动作，除了除了外，外，不受任何环境条件的影响不受任何环境条件的影响，可望，可望在在、等高技等高技术领域大显身手。术领域大显身手。智能材料大多是由智能材料大多是由合合成材料成材料或或陶瓷材料陶瓷材料制成的，具有制成的，具有，其，其变化的变化的大小大小与与电场和磁场的强度电场和磁场的强度有关。有关。科学家研制成功一种科学家研制成功一种，这种材料这种材料在接通电流时在接通电流时，可以，可以。 电流变体：电流变体：19471947年，一个叫温斯洛的美国年，一个叫温斯洛的美国人发现了一个奇怪的现象。他把石膏、石灰人发现了一个奇怪的现象。他把石膏、石灰和炭

13、粉加在橄榄油中，然后加水搅成一种悬和炭粉加在橄榄油中，然后加水搅成一种悬浮液，想看看这种悬浮液能不能导电。浮液，想看看这种悬浮液能不能导电。 结果：这种悬浮液没有加上电场时，结果：这种悬浮液没有加上电场时，可以像可以像水或油一样自由地流动；可是一加上电场，水或油一样自由地流动；可是一加上电场，自由流动的液体变成固体，而且随着电场强自由流动的液体变成固体，而且随着电场强度的增加，固体的强度也在增加。度的增加，固体的强度也在增加。当撤消电当撤消电场时，它又能立即由固体变回液体。场时，它又能立即由固体变回液体。 由于这种悬浮液可以用电场来控制，因此科学家由于这种悬浮液可以用电场来控制，因此科学家们就

14、把它叫做们就把它叫做“电流变体电流变体”，并把这种现象称为，并把这种现象称为“温斯洛现象温斯洛现象”。 软体遥控器软体遥控器 ：采用了软体的设计，看上去就像是：采用了软体的设计，看上去就像是瘫死在那里一样。不过一旦遥控器启动，它就会变瘫死在那里一样。不过一旦遥控器启动，它就会变得坚硬起来，就像是复活了一样。不仅如此，启动得坚硬起来，就像是复活了一样。不仅如此，启动后，遥控器内还会发出光亮，非常漂亮。后，遥控器内还会发出光亮，非常漂亮。 如果向如果向空心复合梁空心复合梁中中充入充入，在外电场的作用下在外电场的作用下，这种，这种液体材料就会液体材料就会变硬变硬，从而使梁变成僵硬状。，从而使梁变成僵

15、硬状。还可以用作还可以用作在地震时在地震时能能自动自动加固建筑物加固建筑物的基础的基础。目前目前智能材料的主流是智能材料的主流是，是近是近期才发展起来的一种新型功能材料。期才发展起来的一种新型功能材料。 物质有热胀冷缩的现象。除了加热外，磁物质有热胀冷缩的现象。除了加热外，磁场和电场也会导致物体尺寸的伸长或缩短场和电场也会导致物体尺寸的伸长或缩短 发现物质的磁致伸缩效应后，人们就一直发现物质的磁致伸缩效应后，人们就一直想利用这一物理效应来制造有用的功能器件想利用这一物理效应来制造有用的功能器件与设备。与设备。 研究和发展了一系列磁致伸缩材料，主研究和发展了一系列磁致伸缩材料，主要有三大类：即：

16、磁致伸缩的金属与合金，要有三大类：即：磁致伸缩的金属与合金，如镍基合金（如镍基合金（NiNi， NiNiCoCo合金，合金， NiNiCoCoCrCr合金）和铁基合金（如合金）和铁基合金（如 F eF eNiNi合金，合金， FeFeAlAl合金，合金， FeFe CoCoV V合金等）和铁氧体磁合金等）和铁氧体磁致伸缩材料。致伸缩材料。 稀土超磁致伸缩材料稀土超磁致伸缩材料 指的是对指的是对软磁体软磁体进行进行磁化磁化后，其后，其形状、大小会发生变化的物理现象。形状、大小会发生变化的物理现象。 磁致伸缩现象具有磁致伸缩现象具有各向异性各向异性。当长度为。当长度为l l的磁的磁性材料在磁化方向

17、上的长度变化为性材料在磁化方向上的长度变化为LL时，磁时，磁致伸缩率可表示为：致伸缩率可表示为：=L/l=L/l。由于磁致伸。由于磁致伸缩率一般在缩率一般在1010-5-5以下，所以对磁致伸缩效应的以下，所以对磁致伸缩效应的应用远不如对应用远不如对压电效应压电效应的应用广泛。的应用广泛。 到到2020世纪世纪6060、7070年代后，发现了伸缩率在年代后，发现了伸缩率在1010-3-3的的超磁致伸缩材料超磁致伸缩材料。磁致伸缩效应才重新受。磁致伸缩效应才重新受到重视。到重视。 在电磁场的作用在电磁场的作用下下可以产生可以产生，也可以，也可以转化为转化为电磁能电磁能。 声波仪：声波仪：发射机是一

18、种声源讯号的发射器，发射机是一种声源讯号的发射器，由它向电致材料（或磁制）制成的换能器输送由它向电致材料（或磁制）制成的换能器输送电脉冲，激励换能器的晶片，使电脉冲，激励换能器的晶片，使之振动而产生之振动而产生声波声波，向岩体发射。，向岩体发射。 声波在岩体中以弹性波形式传播，然后由接声波在岩体中以弹性波形式传播，然后由接收换能器加以接收，该换能器将声能转换成电收换能器加以接收，该换能器将声能转换成电子讯号送到接收机，经放大后在接收机的示波子讯号送到接收机，经放大后在接收机的示波管屏幕上显示波形。若将接收机与微机连接，管屏幕上显示波形。若将接收机与微机连接，则可对声波讯号进行数字处理。则可对声

19、波讯号进行数字处理。具有具有磁磁、等特点等特点，在国，在国防、航空航天和高技术领域应用极为防、航空航天和高技术领域应用极为广泛。广泛。（1）由于）由于比比传传统材料统材料在性能上有了惊人的提高，所以在在性能上有了惊人的提高，所以在电器、家电、通讯器材、电脑电器、家电、通讯器材、电脑等生产领域等生产领域，逐渐取代了逐渐取代了传统的磁传统的磁致伸缩材料和电致伸缩材料致伸缩材料和电致伸缩材料，使产品升级使产品升级和更新换代更加容易。和更新换代更加容易。对于对于的应用，目前的应用，目前，美国位居各国之首美国位居各国之首，其成功标志在于开，其成功标志在于开发出了一系列发出了一系列，如如以及以及等。等。我

20、国对我国对新产品的开新产品的开发发也呈现出良好的发展势头。也呈现出良好的发展势头。如开发出的大功率如开发出的大功率，应用于应用于三峡工程和地球物理勘探三峡工程和地球物理勘探；开发出；开发出的的；是一种能是一种能在光的激在光的激发下发下的玻璃。的玻璃。含含卤化银卤化银的的光色玻璃受到光色玻璃受到照射时，照射时，氯化银晶体分解为氯化银晶体分解为Ag和和Cl原子，析出的原子，析出的使玻璃颜色使玻璃颜色变深，从而变深，从而阻止阳光的透过阻止阳光的透过。发生的光化学反应如下：发生的光化学反应如下： 式中，式中，h 1为为短波激活光能短波激活光能；h 2为为长长波光源光能波光源光能；为；为加热退色效应加热

21、退色效应。),(),(0000,2IBrClAgIBrClAh h1玻璃变色过程中，发生的光化学反应如下：玻璃变色过程中，发生的光化学反应如下：在没有紫外线照射时，原来分解产生的在没有紫外线照射时，原来分解产生的又又重新结合重新结合恢复为恢复为无色的无色的氯化银氯化银AgCl，玻璃，玻璃(镜片镜片)褪色。褪色。因此，变色眼镜因此，变色眼镜在阳光下在阳光下，在室内在室内则恢复则恢复。 若若配料中加入少量配料中加入少量，就能显著地，就能显著地提高敏感性提高敏感性，并，并。如加入如加入Cu2O时，时， 是一种增感剂是一种增感剂在氯化银晶体中在氯化银晶体中作为作为，它，它 的存在增加了光解银原子的存在

22、增加了光解银原子Ag0的浓度，使玻璃的变暗灵敏度大大的浓度，使玻璃的变暗灵敏度大大提高。提高。h1 20,2CuAgCuAgh具有具有随光的波长和强度的随光的波长和强度的变化而自动调节光的透过率变化而自动调节光的透过率的自适应特性，的自适应特性，因而被称为因而被称为，除用作，除用作外，还用作外，还用作、以及、以及等。等。 高分子智能材料高分子智能材料：成分是水和一种聚合物的混：成分是水和一种聚合物的混合物合物, ,低温下是透明的胶状半流体低温下是透明的胶状半流体, ,当天气变暧当天气变暧时时, ,它就变成白色它就变成白色, ,这一变化过程是可逆的这一变化过程是可逆的. . 聚合物的一部分是油质

23、成分聚合物的一部分是油质成分, ,在低温时油质在低温时油质成分把水分子以一种冰冻的方式聚集在这种聚成分把水分子以一种冰冻的方式聚集在这种聚合物纤维的周围合物纤维的周围, ,就像就像 一件冰茄克衫一件冰茄克衫,这种像这种像绳子似的聚合物是成串排列起来的绳子似的聚合物是成串排列起来的, ,呈透明状呈透明状, ,可以透过可以透过90%90%的光线的光线. . 当它被加热时当它被加热时, ,这种聚合物分子就像这种聚合物分子就像 面面条在沸水里条在沸水里 那样翻滚那样翻滚, ,并抛弃它们的像冰并抛弃它们的像冰似的似的 冰茄克衫冰茄克衫,使聚合物纤维得以聚在一使聚合物纤维得以聚在一起起, ,此时此时,云胶

24、云胶 又从清澈透明变成为白色又从清澈透明变成为白色, ,可阻挡可阻挡90%90%的光的光. .这种变化可在两三度温差这种变化可在两三度温差范围内完成范围内完成. . 建筑物如果具有像这样的建筑物如果具有像这样的 皮肤皮肤,就就可以适应周围的环境可以适应周围的环境. .当天气寒冷时当天气寒冷时, ,它它就变成透明的就变成透明的, ,让阳光照射进来让阳光照射进来; ;当天气当天气暖和且必须把阳光挡住时暖和且必须把阳光挡住时, ,它就变得半它就变得半透明透明. . 充满云胶的多层玻璃充满云胶的多层玻璃, ,不仅可用不仅可用作天花板作天花板, ,而且可用作墙壁而且可用作墙壁. . 11.2 形状记忆材

25、料形状记忆材料 一、一、形状记忆材料的概念形状记忆材料的概念 形状记忆材料是指具有一定初始形状的材料经形变并固定成另一种形状后，通过热、光、电等物理刺激或化学刺激的处理又可恢复成初始形状的材料。 二、形状记忆合金二、形状记忆合金 形状记忆合金：通过热弹性与马氏体相变及其反转而具有形状记忆效应的由两种以上金属元素所构成的材料。 （一）形状记忆合金的基本原理 （二）形状记忆合金的种类和发展 （三）形状记忆合金的应用 三、三、形状记忆高聚物形状记忆高聚物 形状记忆高聚物是由固定相（硬相）和软化硬化可逆相（软相）构成，通过可逆相的可逆变化而具有形状记忆效应。 （一）形状记忆高聚物的基本原理 （二）形状

26、记忆高聚物的种类 （三）形状记忆高聚物的应用 一、一、形状记忆效应形状记忆效应 二、形状记忆效应的机理二、形状记忆效应的机理(Mechanism) 三、相变超弹性三、相变超弹性(Pseudoelasticity) 四、形状记忆合金材料四、形状记忆合金材料(SMA Materials) 五、形状记忆合金的应用五、形状记忆合金的应用(Applications) 六、材料学方面的问题六、材料学方面的问题(Problems) 形状记忆合金 形状记忆效应形状记忆效应: : 19611961年美国海军军械实验室首先研究了年美国海军军械实验室首先研究了Ni-TiNi-Ti合金的形状记忆效应。合金的形状记忆效

27、应。 在一次试验中他们将试验用弯曲的镍在一次试验中他们将试验用弯曲的镍- -钛合金钛合金丝拉直后升温试验时，发现已经被拉直的镍丝拉直后升温试验时，发现已经被拉直的镍- -钛合金丝突然又全部恢复到原来弯曲的形状钛合金丝突然又全部恢复到原来弯曲的形状, , 而且和原来一模一样而且和原来一模一样, , 具有良好的形状记忆效具有良好的形状记忆效应。应。合金的这种记忆效应是由合金的合金的这种记忆效应是由合金的 “相变相变化化”来实现的，随着温度的改变，合金的来实现的，随着温度的改变，合金的结构从一相转变到另一相。结构从一相转变到另一相。记忆合金的开发迄今不过记忆合金的开发迄今不过20余年，但由余年，但由

28、于其在各领域的特效应用，正广为世人所于其在各领域的特效应用，正广为世人所瞩目，被誉为瞩目，被誉为神奇的功能材料神奇的功能材料。形状记忆效应形状记忆效应 形状记忆合金形状记忆合金在较低的温度下在较低的温度下变形，变形，加热加热后后可恢复变形前的形状，这种可恢复变形前的形状，这种称为称为。 某些合金某些合金，称为，称为。，称为，称为。三种三种如下图所示。如下图所示。 目前，已开发成功的形状记忆合金有目前，已开发成功的形状记忆合金有形状记忆合金、形状记忆合金、形状记忆合金、形状记忆合金、形形状记忆合金等。状记忆合金等。 钢淬火变硬的现象钢淬火变硬的现象图图11.1马氏体相变晶体学模型马氏体相变晶体学

29、模型f.c.c. b.c.c马氏体相变马氏体相变二、形状记忆效应的机理二、形状记忆效应的机理马氏体相变平面示意图马氏体相变平面示意图马氏体相变的基本特征马氏体相变的基本特征无扩散切变型相变无扩散切变型相变点阵不变平面应变点阵不变平面应变固定取向关系固定取向关系马氏体片内具有亚结构马氏体片内具有亚结构相变具有可逆性相变具有可逆性临界转变温度临界转变温度马氏体相变与其他相变一样，具有可逆马氏体相变与其他相变一样，具有可逆性。当冷却时，由高温母相变为马氏体相，性。当冷却时，由高温母相变为马氏体相，称为冷却相变，用称为冷却相变，用Ms、Mf分别表示马氏分别表示马氏体相变开始与终了的温度。体相变开始与终

30、了的温度。加热时发生马氏体逆变为母相的过程。加热时发生马氏体逆变为母相的过程。该逆相变的起始和终止温度分别用该逆相变的起始和终止温度分别用As与与Af表示。表示。 马氏体相变的一些临界温度马氏体相变的一些临界温度一般材料的相变温度滞后（一般材料的相变温度滞后（As-Ms）非）非常大，例如常大，例如Fe-Ni合金约合金约400。各个马氏。各个马氏体片几乎在瞬间就达到最终尺寸，一般不体片几乎在瞬间就达到最终尺寸，一般不会随温度降低而再长大。会随温度降低而再长大。在记忆合金中，相变滞后程度小，例如在记忆合金中，相变滞后程度小，例如Au-47.5%Cd（原子分数）合金的相变滞（原子分数）合金的相变滞后

31、仅为后仅为15。冷却过程中形成的马氏体会。冷却过程中形成的马氏体会随着温度变化而继续长大或收缩，母相与随着温度变化而继续长大或收缩，母相与马氏体相的界面随之进行弹性式的推移。马氏体相的界面随之进行弹性式的推移。 形状记忆效应与其组织变化有关，这种组织形状记忆效应与其组织变化有关，这种组织变化就是马氏体相变。形状记忆合金应具备以变化就是马氏体相变。形状记忆合金应具备以下三个条件：下三个条件：l马氏体相变是热弹性类型的；马氏体相变是热弹性类型的；l马氏体相变通过孪生马氏体相变通过孪生(切变切变)完成，而不是通完成，而不是通过滑移产生；过滑移产生；l母相和马氏体相均属有序结构。母相和马氏体相均属有序

32、结构。 由母相中形成马氏体时，产生一定的应变。由母相中形成马氏体时，产生一定的应变。显然，不同取向的马氏体变体的应变在母相中显然，不同取向的马氏体变体的应变在母相中的方向是不同的。的方向是不同的。 当某一变体在母相中形成时，产生某一方当某一变体在母相中形成时，产生某一方向的应变场，随变体的长大，应变能不断增加，向的应变场，随变体的长大，应变能不断增加，变体的长大越来越困难。为降低应变能，在已变体的长大越来越困难。为降低应变能，在已形成的变体周围会形成新的变体，新变体的应形成的变体周围会形成新的变体，新变体的应变方向与已形成的变体的应变场互相抵消或部变方向与已形成的变体的应变场互相抵消或部分抵消

33、。有均匀体积变化，无明显形状改变。分抵消。有均匀体积变化，无明显形状改变。马氏体的自适应形成马氏体的自适应形成 对组织为自适应马氏体的样品施加外力时，对组织为自适应马氏体的样品施加外力时，在较在较小的应力作用下，马氏体变体以其应变方小的应力作用下，马氏体变体以其应变方向与外加应力相适应而再取向。向与外加应力相适应而再取向。 即变体的应变方向与外加应力方向最接近的即变体的应变方向与外加应力方向最接近的变体通过吞并其它应变方向与外加应力不相适变体通过吞并其它应变方向与外加应力不相适应的变体而长大应的变体而长大，直至整个样品内的各个不同，直至整个样品内的各个不同取向的变体最终转变成一个变体。取向的变

34、体最终转变成一个变体。样品显示出样品显示出宏观形状的变化。卸去应力后，变形保持下来。宏观形状的变化。卸去应力后，变形保持下来。 马氏体的再取向马氏体的再取向 只有将其加热到只有将其加热到Af以上，由于热弹性马以上，由于热弹性马氏体在晶体学上可逆性，也就是在相变中形氏体在晶体学上可逆性，也就是在相变中形成的各个马氏体变体和母相的特定位向的点成的各个马氏体变体和母相的特定位向的点阵存在严格的对应关系，因此逆相变时，只阵存在严格的对应关系，因此逆相变时，只能回到原有的母相状态，这样也就回复到原能回到原有的母相状态，这样也就回复到原状。状。这就是形状记忆的基本原理。这就是形状记忆的基本原理。由上述讨论

35、可知，具有形状记忆效应的合金由上述讨论可知，具有形状记忆效应的合金应具备如下条件：应具备如下条件：马氏体相变是热弹性的；但只是必要条件马氏体相变是热弹性的；但只是必要条件马氏体点阵的不变切变为孪变，亚结构为马氏体点阵的不变切变为孪变，亚结构为孪晶或位错；孪晶或位错；母相和马氏体均为有序点阵结构；母相和马氏体均为有序点阵结构；相变时在晶体学上具有完全可逆性。相变时在晶体学上具有完全可逆性。必须指出的是：近来开发的铁系等少必须指出的是：近来开发的铁系等少量合金通过非热弹性马氏体相变也可显量合金通过非热弹性马氏体相变也可显示形状记忆效应，因此热弹性马氏体并示形状记忆效应，因此热弹性马氏体并不是具有形

36、状记忆效应的必要条件。不是具有形状记忆效应的必要条件。近年来，在陶瓷材料、高分子材料也近年来，在陶瓷材料、高分子材料也发现了记忆效应。发现了记忆效应。三、相变超弹性三、相变超弹性 马氏体还可由应力诱发产生，马氏体还可由应力诱发产生， 在高于在高于Ms的某的某一温度（一温度（Md）以下对合金施加外力引起马氏体）以下对合金施加外力引起马氏体相变所形成的马氏体称相变所形成的马氏体称应力应力诱发马氏体诱发马氏体。应力。应力去除后，变形马氏去除后，变形马氏体又变回该温度下的稳定母体又变回该温度下的稳定母相，恢复母相原来形状，应变消失相，恢复母相原来形状，应变消失,这种现象称这种现象称超弹或伪弹性超弹或伪

37、弹性应力诱发马氏体相变的合金的马氏体数量应力诱发马氏体相变的合金的马氏体数量为外加应力的函数，即当施加的外应力增加为外加应力的函数，即当施加的外应力增加时，母相转变成马氏体相的数量增加，当应时，母相转变成马氏体相的数量增加，当应力减少时则进行逆相变使母相增多。力减少时则进行逆相变使母相增多。 外应力对诱发相变的作用不仅与合金种类外应力对诱发相变的作用不仅与合金种类有关，而且受试验温度的影响。在有关，而且受试验温度的影响。在Ms以上，以上，某一定温度以下，应力或形变会导致马氏体某一定温度以下，应力或形变会导致马氏体的形成，将此温度称为的形成，将此温度称为Md温度。温度。 形状记忆过程形状记忆过程

38、马氏体自适应形马氏体自适应形（Ms Mf）宏观均匀变形，宏观均匀变形，无明显形状变化无明显形状变化马氏体再取向马氏体再取向（ Mf以下施以下施加一定限度内加一定限度内的应力），有的应力），有明显形状变化明显形状变化马氏体逆转变回马氏体逆转变回母相，形状变化母相，形状变化消失消失施加应力马氏体沿施加应力马氏体沿应力方向择优形成应力方向择优形成（Md以下），有明以下），有明显形状变化显形状变化卸除应力马氏体卸除应力马氏体逆转变回母相逆转变回母相（Af以上），形以上），形状变化消失状变化消失超弹性过程超弹性过程四、形状记忆合金材料四、形状记忆合金材料 已发现的形状记忆合金种类很多，可以已发现的形状记

39、忆合金种类很多，可以分为分为Ti-Ni系、铜系、铁系合金三大类。目系、铜系、铁系合金三大类。目前已实用化的形状记忆合金只有前已实用化的形状记忆合金只有Ti-Ni系合系合金和铜系合金。金和铜系合金。1、Ni-Ti形状记忆合金形状记忆合金 基本特点：基本特点：具有良好的力学性能，抗疲劳，具有良好的力学性能，抗疲劳，耐磨损，抗腐蚀。耐磨损，抗腐蚀。记忆效应优良、生物相容性记忆效应优良、生物相容性好等一系列的优点。但制造过程较复杂、价格好等一系列的优点。但制造过程较复杂、价格高昂。高昂。 用极薄的记忆合金材料用极薄的记忆合金材料先在正常情况下按预定要先在正常情况下按预定要求做好，然后降低温度把求做好，

40、然后降低温度把它压成一团，装进登月舱它压成一团，装进登月舱带上天去。放到舱面上以带上天去。放到舱面上以后，在阳光照射下温度升后，在阳光照射下温度升高，当达到转变温度时，高，当达到转变温度时，天线又天线又“记记”起了自己的起了自己的本来面貌，变成一个巨大本来面貌，变成一个巨大的半球形。的半球形。 注意：实用成分的注意：实用成分的TiNi合金在固溶处理后，如果随合金在固溶处理后，如果随后的冷却不够快后的冷却不够快(如炉冷如炉冷)，就会产生，就会产生Ti2Ni和和Ni3Ti这三这三个金属间化合物，由于这两种相不具有可逆性，因而个金属间化合物，由于这两种相不具有可逆性，因而破坏了形状记忆效果。需要尽量

41、避免该类相的产生。破坏了形状记忆效果。需要尽量避免该类相的产生。基本相基本相 TiNi相：相： 表征材料记忆性能的主要参数：包括表征材料记忆性能的主要参数：包括记忆合金随温度变化所表现出的形状回复记忆合金随温度变化所表现出的形状回复程度，回复应力，使用中的疲劳寿命，也程度，回复应力，使用中的疲劳寿命，也就是经历一定热循环或应力循环后记忆特就是经历一定热循环或应力循环后记忆特性的衰减情况。此外，性的衰减情况。此外，相变温度相变温度及正、逆及正、逆相变的温度滞后更是关键参数。相变的温度滞后更是关键参数。影响记忆特性主要参数的因素有：合影响记忆特性主要参数的因素有：合金的成分、成材工艺、热处理金的成

42、分、成材工艺、热处理( (包括冷、包括冷、热加工热加工) )条件及其使用情况等。条件及其使用情况等。 1)1)成分：是最敏感因素之一：成分：是最敏感因素之一：NiNi含量每增加含量每增加0.10.1，相变温度降低，相变温度降低1010。2)2)第三元素第三元素: : Fe、Co可降低可降低Ms；Cu置换置换Ni可可减少相变滞后，节约合金成本；减少相变滞后，节约合金成本；Nb使相变使相变滞后明显增加；开发的宽滞后记忆合金。滞后明显增加；开发的宽滞后记忆合金。3)3)杂质元素杂质元素: :碳、氢、氧等降低碳、氢、氧等降低Ms。4)4)时效温度、时效时间明显影响相变温度。时效温度、时效时间明显影响相

43、变温度。 (2) 影响相变温度的因素影响相变温度的因素(3) 合金合金制备制备 由高纯电介镍与海绵钛作原料，采用高由高纯电介镍与海绵钛作原料，采用高频感应炉与自耗炉频感应炉与自耗炉(电弧熔炼法电弧熔炼法)或等离子或等离子体与电弧熔炼法获得了体与电弧熔炼法获得了TiNi合金铸锭。合金铸锭。随后在随后在700800进行热加工，包括模进行热加工，包括模锻、挤压及轧制。丝状产品可通过冷拔，锻、挤压及轧制。丝状产品可通过冷拔，每次加工率小于每次加工率小于20，为消除加工硬化，为消除加工硬化，冷加工期间可在冷加工期间可在700-800进行多次退火。进行多次退火。五、形状记忆合金的应用五、形状记忆合金的应用

44、(Applications)l 形状记忆合金在工程上的应用很多，最早形状记忆合金在工程上的应用很多，最早的应用就是的应用就是作各种结构件，如紧固件、连接件、作各种结构件，如紧固件、连接件、密封垫等。另外，也可以用于一些控制元件，密封垫等。另外，也可以用于一些控制元件，如一些与温度有关的传感及自动控制。如一些与温度有关的传感及自动控制。 1. 工业上的应用工业上的应用 连接件：用作连接件，是形状记忆合金用量连接件：用作连接件，是形状记忆合金用量最大的一项用途。连接方法是预先将管接头内最大的一项用途。连接方法是预先将管接头内径做成比待接管外径小径做成比待接管外径小4%，在，在Ms以下马氏体非以下马

45、氏体非常软，可将接头扩张插入管子，在高于常软，可将接头扩张插入管子，在高于As的使的使用温度下，接头内径将复原。用温度下，接头内径将复原。 (a)成型成型(TAf)Af)(b)弯曲应变弯曲应变(TM f) ) (c)插入插入(TAfAf工作温度工作温度) ) 形状记忆合金铆接件铆接示意图形状记忆合金铆接件铆接示意图 利用形状记忆合金也可以利用形状记忆合金也可以制作成制作成消防报警装置及电器消防报警装置及电器设备的保安装置设备的保安装置。当发生火。当发生火灾时，记忆合金制成的弹灾时，记忆合金制成的弹簧簧发生形变，启动消防报警装发生形变，启动消防报警装置，达到报警的目的。置，达到报警的目的。SMA

46、火灾报警器火灾报警器 在航天上在航天上，可用形状记忆合金制作航天，可用形状记忆合金制作航天用天线，将合金在母相状态下焊成抛物面形，用天线，将合金在母相状态下焊成抛物面形，在马氏体状态下压成团，送上太空后在马氏体状态下压成团，送上太空后, ,在阳在阳光加热下又恢复抛物面形。此外，超弹性合光加热下又恢复抛物面形。此外，超弹性合金作为机械储能材料也很有前景。金作为机械储能材料也很有前景。 利用超弹性可制作手机天线、眼镜架、胸衣托利用超弹性可制作手机天线、眼镜架、胸衣托架、耳机托架等。架、耳机托架等。用记忆合金制作的眼用记忆合金制作的眼镜架。当这种眼镜架镜架。当这种眼镜架弯曲时，只要将它放弯曲时，只要

47、将它放入入55。C的温水中，即的温水中，即可恢复到原来的形状可恢复到原来的形状 。各种医用引导丝和支架各种医用引导丝和支架六、材料学方面的问题六、材料学方面的问题 形状记忆合金在应用上还存在不少材料学方面的问题形状记忆合金在应用上还存在不少材料学方面的问题. 相变点调整：相变点调整：相变点与合金种类、成分及热处理条件有相变点与合金种类、成分及热处理条件有关关, 尤其对成分非常敏感。如尤其对成分非常敏感。如Ti-Ni合金合金Ni含量含量(at)由由50%变变到到51%时，时，Ms点则由点则由60变到变到-30，As点由点由78变到变到-12。对。对Ti-Ni合金可用不同相变点粉末混合合金可用不同

48、相变点粉末混合, 使相变点控使相变点控制在制在2之内。之内。 淬透性：淬透性：合金缓冷时大多要发生共析分解，需要提高淬合金缓冷时大多要发生共析分解，需要提高淬透性透性, 可通过合金化解决。如在可通过合金化解决。如在Cu-Zn合金中加合金中加Al.11.3 电流变流体电流变流体 一、电流变流体的概念一、电流变流体的概念 在电场作用下，材料的流变性质发生变化，称之为电场致流变效应，简称电流变效应。 具有电流变效应的流体均可称为电流变流体。 电流变流体是指一种含有两相或两相以上的悬浮体，在外加电场作用下，能在极短时间内，其流变性能发生显著变化，如表观粘度和弹性模量剧增几个数量级，由液体向固体转变，这

49、种转变是可逆的，电场除去后，固体很快变回成液体。 二、电流变效应的机理二、电流变效应的机理 三、电流变流体的组成和种类三、电流变流体的组成和种类 四、电流变流体的应用前景四、电流变流体的应用前景11.4 机敏窗口机敏窗口 一、机敏窗口的概念一、机敏窗口的概念 电色窗口是一种利用电致变色原理，由基体玻璃和电致变色系统构成的一种窗口。这种窗口在外电场作用下，引起颜色的可逆变化，从而可调节其对光的吸收率、透过率和反射率三者的比例关系。因而是一种光、热可调性窗口。由于具有调节执行功能，又称之为机敏窗口。 二、机敏窗口的特征值和对它的要求二、机敏窗口的特征值和对它的要求 三、机敏窗口的结构三、机敏窗口的

50、结构 四、机敏窗口的调光和调热原理四、机敏窗口的调光和调热原理 五、电致变色层五、电致变色层 （一）无机电致变色材料 （二）高聚物电致变色材料 （三）复合型电致变色材料 六、离子导体层六、离子导体层 七、离子储存层七、离子储存层 八、透明导电层八、透明导电层 九、机敏窗口的制备方法九、机敏窗口的制备方法 十、机敏窗口的种类、发展方向和应用前景十、机敏窗口的种类、发展方向和应用前景11.5 刺激效应型高聚物刺激效应型高聚物 一、刺激响应型高聚物的概念一、刺激响应型高聚物的概念 刺激响应型高聚物是一类对于外界环境微小物理或化学刺激能发生迅速响应，而使自身的某些物理或化学性质发生相应突变的聚合物。

51、二、刺激响应水凝胶二、刺激响应水凝胶 （一）高聚物水凝胶的溶胀机理 （二）刺激响应水凝胶的种类 三、其他刺激响应型高聚物三、其他刺激响应型高聚物 （一）温度响应高聚物 （二）刺激响应高聚物水溶液 （三）载体表面的刺激响应高聚物 （四）刺激响应高聚物膜 （五）刺激响应高聚物的应用11.6 高分子人工肌肉材料高分子人工肌肉材料 一、高分子人工肌肉材料的概念一、高分子人工肌肉材料的概念 天然肌肉的主要特征之一是将化学能等温高效地直接转变为机械能。高分子人工肌肉材料：具有天然肌肉将化学能等温高效地直接转变为机械能的特性的材料。(收缩性差距) 二、高分子人工肌肉的特征值和对它的要求二、高分子人工肌肉的特征值和对它的要求 三、高分子人工肌肉的种类、发展动向和应用前三、高分子人工肌肉的种类、发展动向和应用前景景 （一）MC型人工肌肉 （二）EMC型人工肌肉11.2 智能材料和结构的研究及应用智能材料和结构的研究及应用 智能材料的研究一开始就受到了国际上的普