功能材料和智能材料概述

1、功能材料和智能材料概述2 目 录第一章 绪论 第二章 智能材料第三章 储氢材料第四章 磁性材料第五章 功能陶瓷材料第六章 纳米材料第七章 超导材料第八章 医用生物材料 3第一节智能材料基本原理1、什么是智能材料2、智能材料的特征3、智能材料的构成4、智能材料的分类4智能材料是二十世纪90年代迅速发展起来的一类新型复合材料，将在21世纪得到广泛研究和应用的材料。 智能材料：是指具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的具有智能特征材料。 1、什么是智能材料？5 目前，已经实用化的智能材料包括：形状记忆合金材料，如镍钛材料，可用来制作汽车易损件

2、、人造卫星的天线等； 电致、磁致变性材料等的应用具体来说，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界(或者内部)的刺激强度，如电、光、热、应力、应变、化学、核辐射等；6智能材料的构想来源于仿生学，它的目标就是想研制出一种材料，使它成为具有类似于生物的各种功能的“活”的材料。因此智能材料必须具备感知、驱动和控制这三个基本要素。7但是现有的材料一般比较单一，难以满足智能材料的要求，所以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。 智能材料的设计、制造、加工和性能结构特征均涉及到了材料学的最前沿领域，使智能材料代表了材料科学的最活跃方面和最先进的发展方向。

3、8智能材料应用的简单事例：某些太阳镜的镜片当中含有智能材料，这种智能材料能感知周围的光，并能够对光的强弱进行判断，当光强时，它就变暗，当光弱时，它就会变的透明。 92、智能材料的特征因为设计智能材料的两个指导思想：是材料的多功能复合和材料的仿生设计。 智能材料系统具有或部分具有如下的智能功能和生命特征：10传感功能（Sensor）能够感知外界或自身所处的环境条件，如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学、核辐射等的强度及其变化。11(2)反馈功能（Feedback）可通过传感网络，对系统输入与输出信息进行对比，并将其结果提供给控制系统。(3)信息识别与积累功能能够识别传感网络得到的各类信

4、息并将其积累起来。12(4) 响应功能能够根据外界环境和内部条件变化，适时动态地作出相应的反应，并采取必要行动。13(5) 自诊断能力（Self-diagnosis）能通过分析比较系统目前的状况与过去的情况，对诸如系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予以校正。14（6）自修复能力（Self-recovery）能通过自繁殖、自生长、原位复合等再生机制，来修补某些局部损伤或破坏。15（7）自调节能力（Self-adjusting）对不断变化的外部环境和条件，能及时地自动调整自身结构和功能，并相应地改变自己的状态和行为，从而使材料系统始终以一种优化方式对外界变化作出恰如其分的响应。163、智能材料的

5、构成一般来说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。17（1）基体材料基体材料担负着承载的作用，一般宜选用轻质材料。一般基体材料首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀，尤其具有粘弹性的非线性特征。其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。18（2）敏感材料敏感材料担负着传感的任务，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）。常用敏感材料:如形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色材料、电流变体、磁流变体和液晶材料等。19（3）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应力，所以它担负着响应和控制的任务。常用有效驱动材料如形状

6、记忆材料、压电材料、电流变体和磁致伸缩材料等。可以看出，这些材料既是驱动材料又是敏感材料，显然起到了身兼二职的作用，这也是智能材料设计时可采用的一种思路。20（4）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。214、智能材料的分类 智能材料是继天然材料、人造材料、精细材料之后的第四代功能材料。因为现在可用于智能材料的材料种类不断扩大，所以智能材料的分类也只能是粗浅的，分类方法有多种。22若按智能材料的功能来分，可以分为光导纤维、形状记忆合金、压电、电流变体和电（磁）致伸缩材料等。若按智能材料的化学成分来分，可以分为金属系智能材料、无机非金属系智能材料和高分子系智能材料。23目前研究

7、开发的金属系智能材料主要有形状记忆合金和形状记忆复合材料两大类；无机非金属系智能材料：在电流变体、压电陶瓷、光致变色和电致变色材料等方面发展较快；24常用的智能材料1、形状记忆合金一般金属材料受到外力作用后，首先发生弹性变形，达到屈服点，就产生塑性变形，应力消除后留下永久变形。25但有些材料，在发生了塑性变形后，经过合适的热过程，能够回复到变形前的形状，这种现象叫做形状记忆效应（SME）。26形状记忆材料兼有传感和驱动的双重功能，可以实现控制系统的微型化和智能化，如机器人、毫米级超微型机械手等。2721世纪将成为材料电子学的时代。形状记忆合金的机器人的动作，除了温度外，不受任何环境条件的影响，

8、可望在反应堆、加速器、太空实验室等高技术领域大显身手。282、电流变体和磁流变体电致、磁致变体智能材料大多是由合成材料或陶瓷材料制成的，具有在电场或磁场的作用下发生变性的能力，其变化的大小与电场和磁场的强度有关。29科学家研制成功一种电致变性材料，这种材料在接通电流时，可以从液体变为接近固体。30电流变体：1947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。结果：这种悬浮液没有加上电场时，可以像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，而且随着电场强度的增加，固体的强度也在增加。当撤消电

9、场时，它又能立即由固体变回液体。31 由于这种悬浮液可以用电场来控制，因此科学家们就把它叫做“电流变体”，并把这种现象称为“温斯洛现象”。 软体遥控器 ：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。32 如果向空心复合梁中充入电流变性液体材料，在外电场的作用下，这种液体材料就会变硬，从而使梁变成僵硬状。 电致变性材料还可以用作在地震时能自动加固建筑物的基础。333、磁致伸缩材料目前磁致伸缩智能材料的主流是稀土磁致伸缩材料，稀土超磁致伸缩材料是近期才发展起来的一种新型功能材料。343、磁

10、致伸缩材料目前磁致伸缩智能材料的主流是稀土磁致伸缩材料，稀土超磁致伸缩材料是近期才发展起来的一种新型功能材料。35 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 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与设备。 研究和发展了一系列磁致伸缩材料，主要有三大类：即：磁致伸缩的金属与合金，如镍基合金（Ni， NiCo合金， NiCoCr合金）和铁基合金（如 F eNi合金， FeAl合金， Fe CoV合金等）和铁氧体磁致伸缩材料。 稀土超磁致伸缩材料 36磁致伸缩：指的是对软磁体进行磁化后，其形状、大小会发生变化的物理现象。磁致伸缩现象

11、具有各向异性。当长度为l的磁性材料在磁化方向上的长度变化为L时，磁致伸缩率可表示为：=L/l。由于磁致伸缩率一般在10-5以下，所以对磁致伸缩效应的应用远不如对压电效应的应用广泛。到20世纪60、70年代后，发现了伸缩率在10-3的超磁致伸缩材料。磁致伸缩效应才重新受到重视。 37磁致伸缩材料在电磁场的作用下可以产生微变形或声能，也可以将微变形或声能转化为电磁能。38 声波仪：发射机是一种声源讯号的发射器，由它向电致材料（或磁制）制成的换能器输送电脉冲，激励换能器的晶片，使之振动而产生声波，向岩体发射。 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子讯号送到接

12、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，则可对声波讯号进行数字处理。39磁致伸缩智能材料具有磁致伸缩值大、机械响应速度快等特点，在国防、航空航天和高技术领域应用极为广泛。40磁致伸缩智能材料的主要用途（1）由于稀土超大磁致伸缩材料比传统材料在性能上有了惊人的提高，所以在电器、家电、通讯器材、电脑等生产领域，稀土磁致伸缩材料逐渐取代了传统的磁致伸缩材料和电致伸缩材料，使产品升级和更新换代更加容易。41对于磁致伸缩智能材料的应用，目前，美国位居各国之首，其成功标志在于开发出了一系列用于军事目的的尖端产品，如舰艇水下声纳探测系统以及导弹发射控制装置等。42我国对磁致伸缩智

13、能材料新产品的开发也呈现出良好的发展势头。如开发出的大功率岩体声波探测器，应用于三峡工程和地球物理勘探；开发出的井下物理法采油装置；43我国对磁致伸缩智能材料新产品的开发也呈现出良好的发展势头。如开发出的大功率岩体声波探测器，应用于三峡工程和地球物理勘探；开发出的井下物理法采油装置；44 压电效应在某些晶体材料上施加机械力时，晶体表面会产生电荷，这种现象称正压电效应。在一定范围内，电荷密度与作用力成正比。相反，在晶体上施加电场时，晶体会产生几何变形，称逆压电效应。45晶体的对称性决定了材料能否产生压电性。显然，压电效应只存在于没有对称中心的晶体中。46 凡是具有对称中心的晶体不会呈现压电效应。

14、 因为这些晶体受到应力后，内部发生均匀变形，仍保持质点间对称排列，并无不对称的相对位移，也就不会产生极化，电矩还是为零，因此晶体表面不显示电性，也就不会呈现压电效应。 而在无对称中心的晶体中，在应力作用下，质点间产生不对称的位移，结果产生了新的电矩，晶体表面显示电性，呈现压电效应。47压电效应的本质机械作用(应力与应变)引起了晶体的极化，从而导致介质两端表面出现相反的束缚电荷。 48 光致变色玻璃光致变色玻璃是一种能在光的激发下发生变色反应的玻璃。49含卤化银的碱铝硼硅酸盐光色玻璃受到紫外光和可见光照射时，氯化银晶体分解为Ag和Cl原子，析出的银原子团簇使玻璃颜色变深，从而阻止阳光的透过。发生

15、的光化学反应如下： 50式中，h1为短波激活光能；h2为长波光源光能；为加热退色效应。h1玻璃变色过程中，发生的光化学反应如下：51在没有紫外线照射时，原来分解产生的银和卤素原子又重新结合恢复为无色的氯化银AgCl，原于团簇解体，玻璃(镜片)褪色。因此，变色眼镜在阳光下变深，在室内则恢复透明。 若配料中加入少量敏化剂，就能显著地提高敏感性，并增大光致变色的变暗能力。如加入Cu2O时，Cu+ 是一种增感剂52Cu+在氯化银晶体中作为空穴的捕获中心，它 的存在增加了光解银原子Ag0的浓度，使玻璃的变暗灵敏度大大提高。h153光致变色玻璃具有随光的波长和强度的变化而自动调节光的透过率的自适应特性，因

16、而被称为光敏型智能玻璃，除用作变色眼镜外，还用作汽车防护玻璃、航天器窗口、激光防护、以及装饰等。 54 高分子智能材料：成分是水和一种聚合物的混合物,低温下是透明的胶状半流体,当天气变暧时,它就变成白色,这一变化过程是可逆的. 聚合物的一部分是油质成分,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合物纤维的周围,就像一件冰茄克衫,这种像绳子似的聚合物是成串排列起来的,呈透明状,可以透过90%的光线. 55 当它被加热时,这种聚合物分子就像面条在沸水里那样翻滚,并抛弃它们的像冰似的冰茄克衫,使聚合物纤维得以聚在一起,此时,云胶又从清澈透明变成为白色,可阻挡90%的光.这种变化可在两三度温

17、差范围内完成. 56 建筑物如果具有像这样的皮肤,就可以适应周围的环境.当天气寒冷时,它就变成透明的,让阳光照射进来;当天气暖和且必须把阳光挡住时,它就变得半透明. 充满云胶的多层玻璃,不仅可用作天花板,而且可用作墙壁. 57第四节热点应用1、仿生学和航空航天用智能材料2、智能传感器3、象鸟一样飞的空中轿车4、太阳能智能服装58第四节热点应用1、仿生学和航空航天用智能材料2、智能传感器3、象鸟一样飞的空中轿车4、太阳能智能服装59 仿生学和航空航天用智能材料“个人航空器” 、“空中汽车” 的核心技术是“智能”材料。这种物质具有神奇的特性，它可以根据指令弯曲、可以“感受”压力、当放入磁场中，还可以从液态变成固态。60现在有些飞机已经具有可调机翼，如挪威的F-14雄猫飞机和B-1超音速轰炸机。这些飞机将刚性的机翼通过巨大、沉重的曲轴安装在机身上。作为对比，形态工程的科学家们所设想的机翼可以根据指令而展开。这种机翼是使用“形态记忆”合金或其他新颖的材料制成，可以弯曲产生新的形状。“形态记忆”合金具有独特的性能，当提供足够的热量后，它可以很快的恢复原有形状，任何形状都可以最终恢复成它原有的状态。61 将形状记忆材料或电流变材料埋入建筑材料，其中的传感器得到某部分出现裂纹的信号后，计算机就会发出指令，使事先埋入建筑物中的微小液滴变成固体，自动加固或通过加热形状记忆合金