智能材料与智能结构讲稿

材料的分类按晶体结构分：晶体材料、非晶材料按成份分：金属材料、非金属材料、高分子材料按导电性分：导体、半导体、绝缘体按尺寸分：纳米材料、薄膜材料、块体材料按功能分：结构材料、功能材料（声、光、电、磁）121世纪的材料科学技术信息功能材料仍是最活跃的领域

信息材料：信息获取、传输、转换、存储、显示或控制所需材料新能源材料的研究将加速可再生能源的开发新能源材料：实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术所需的关键材料（储氢电极合金、锂离子电池材料、太阳能电池材料环境材料将日益受到重视环境材料是具有满意的使用性能同时又被赋予优异的环境协调性的材料。对环境污染小、再生利用率高221世纪的材料科学技术高性能结构材料的研究和开发是永恒的主题高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀、抗磨损纳米材料将成为21世纪初最为活跃的领域生物材料将有很大的发展人体的相容性，人体器官321世纪是智能材料时代

1.材料科学与技术已为智能材料的诞生奠定了基础。先进复合材料（层合板、三维及多维编织）的出现，使传感器、驱动器合微电子控制系统等复合或集成成为可能，也能与结构融合并组装成一体。复合材料时代为智能材料的出现奠定了基础。2.对功能材料特性的综合探索【如材料的机电（即机械能——电能的互相转换）耦合特性、热机耦合特性等】及微电子技术、计算机技术的飞速发展，为智能材料所涉及的材料的耦合特性的利用、信息处理和控制打下了基础。3.军事需求与工业界的介入使智能材料与结构更具有挑战性、竞争性和保密性，使它成为高技术、多学科综合交叉的研究热点，而且也加速了它的实用化进程。4.设计理念的变革，人类对安全性及舒适性的要求越来越高，应用前景广阔。4智能材料定义智能材料就是指模仿生命系统，具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，并能实时地改变自身的一种或多种性能参数，作出所期望的，能与变化后的环境相适应的复合材料或材料的复合。智能材料要求材料体系集感知、驱动和信息处理于一体，形成类似生物材料那样的具有智能属性的材料。

智能性材料应该满足下列条件：

（一）材料特性随着使用环境条件的变化而变化，其变化方向对人类来说是有利的。

（二）材料特性变化之能源，不是来自于材料之外而是来自于材料本身。智能材料是一个开放系统，它需要不断从外界环境输入能量或（和）物质来动态调节对外界的适应能力，以维持其类似于生物体的活性智能材料具有对环境的判断和自适应功能；具有自诊断功能；具有自修复功能；具有自增殖功能5智能材料人工合成的智能型复合材料称为智能材料，也称为机敏材料。根据响应方式不同，机敏材料可以分为主动控制式和被动控制式两种：1主动控制式机敏材料具有先进和复杂的功能，可自动检测材料的动力和静力，在允许范围内比较测定结果，经过筛选确定适当的响应，控制不希望出现的动态特性。2被动控制式机敏材料只能传输传感器所感受到的信息（如位移、应变、温度、压力、加速度等），这种机敏材料的结构简单，属于低级智能材料。智能材料并非一定是专门研制的一种新型材料，大多是根据需要选择两种或者多种不同的材料按照一定的比例以某种特定的方式复合起来，或者是材料集成，即在所使用的材料构件中埋入某种功能材料或器件，使这种新组合材料具有某种或多种机敏特性甚至智能化。6智能材料的内涵：

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；小鸟感知到气流的变化，所以它的翅膀作出调整以适应这种变化，作为智能材料也必须具有２．具有信息传输功能，能够按照设定的优化方式选择和控制响应具有驱动功能，能够响应外界变化；小鸟的翅膀作出调整，是为了节能，作出的动作是对它有利的。同样，智能材料随着使用环境条件的变化而变化，其变化方向对人类来说是有利的。小鸟是随着风而动，由风的变化而变化，也就是说它的反应非常灵敏、及时、恰当。对于智能材料来说也是这样３．具有对环境变化作出响应及执行的功能

４．反应比较灵敏、及时和恰当否则，就失去了其智能特性。５．当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态材料必须具备的两个要点，就是它的使用性和经济性，当外界的刺激消除后，智能材料必须能够复原，否则它的造价将是非常昂贵，失去了作为材料的条件。所以7智能材料的特征

（1）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。

（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息并将其积累起来。

（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。用智能材料制成的飞机机翼，就可以像鱼尾巴一样行动自如，自行弯曲、自动改变形状，从而改进升力和阻力，使飞机飞得更高、更快。

8智能材料的特征

（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。

（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。自我修复的桥梁、烟囱

（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9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四部分构成：（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。

（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。

（3）驱动材料

在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和应力，它担负着响应和控制的任务。常用有效驱动材料如形状记忆材料、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。

（参见p5表1-1，p6图1-4）

（4）信息处理材料

包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。

10智能材料的基本构成和工作原理

对比P4，图1-2，p5图1-3，11传感器分类物理量传感器化学量传感器生物量传感器12物理量传感器1．电学量传感器（电流传感器、电压传感器、电场强度传感器）2．磁学量传感器（磁场强度传感器、磁通密度传感器、磁阻传感器）3．光学量传感器（可见光传感器、红外线传感器、图像传感器、激光传感器）4．力学量传感器：压力传感器（微压力传感器、差压力传感器、静压力传感器、动压力传感器、负压力传感器），应变传感器，力传感器（重力传感器、力矩传感器、应力传感器、强力传感器），位置传感器，速度传感器（线速度传感器、角速度传感器、流速度传感器），加速度传感器（角加速度传感器、冲击加速度传感器、振动加速度传感器），位移传感器（线位移传感器、角位移传感器），几何量传感器（面积传感器、厚度传感器、容积传感器、形状传感器、粗糙度传感器），物理量传感器（密度传感器、黏度传感器、硬度传感器）5．热学量传感器：温度传感器、热流传感器、热导传感器、6．声学量传感器：超声波传感器、声压传感器、噪声传感器、表声波传感器7．辐射传感器：X射线传感器、射线传感器、射线传感器13化学量传感器离子传感器：酸度值传感器、离子活度传感器、离子浓度传感器氧体传感器湿度传感器：湿度传感器、水分传感器、露点传感器14生物量传感器生理量传感器：生理化学量传感器（血液成份传感器、激素成份传感器），生理机械量传感器（心律传感器、血压传感器、气管阻力传感器、肌肉张力传感器），生化量传感器（血红蛋白传感器、尿素蛋白传感器）生物量传感器：葡萄糖传感器，甲烷传感器，谷氨酸传感器，头孢菌素传感器，耗氧量传感器组织传感器酶传感器免疫传感器15智能材料的分类按功能来分为：光导纤维形状记忆合金压电材料电（磁）流变体电（磁）致伸缩材料基本组元——机敏材料16敏感材料和传感器可感测非电量(环境参数)的变化，并以电信号的形式输出，但是，输出电信号还不能完全应答环境的刺激，常常还需要执行一些动作，完成一些驱动，这是驱动(执行)材料的任务。常用的驱动材料有压电材料、形状记忆合金、电流变体和磁流变体、磁致伸缩材料和电致伸缩材料。17智能材料的分类按来源来分，智能材料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：1.金属系智能材料：形状记忆合金；形状记忆复合材料2.无机非金属系智能材料：电流变体；压电陶瓷；光致变色材料；电致变色材料3.高分子系智能材料：刺激响应性高分子凝胶；智能高分子膜材；智能高分子粘合剂；智能型药物释放体系；智能高分子基复合材料18形状记忆合金神奇的故事:1.在一次新材料的研讨会上，一位教授手持一个盛有水的玻璃瓶，上面插有一只漂亮的用纸做的蝴蝶，他走上讲台一言未发，从容的掏出打火机把瓶子加热，不一会只见蝴蝶的翅膀飞舞起来，这一试验引起了与会者的极大兴趣；2.一团被压缩得杂乱无章的金属丝，顷刻便呈现出清晰的“镍钛合金”字样；3.一件看上去再普通不过的衬衣，在它被揉成小球之后，只要用吹风机轻轻一吹，衣服便神奇般地恢复笔挺，而当天气变热时，袖子竟自动变短；4.一台转个不停的发动机，它不烧油，不烧天然气，也不用电，靠的仅仅是温水！这些不是魔术，而是一种有“记忆能力”的合金在作怪。原来在蝴蝶下面有一根所谓的“形状记忆”合金丝，这根丝随着水温的升高和降低会突然伸长或缩短。(所谓形状记忆合金是指合金经变形后，在一定的条件下，仍能恢复至原始形状的现象)。那团杂乱无章的金属丝原本就是弯曲成“镍钛合金”字样的合金丝；那件奇特衣服的纤维，是由五条尼龙线绕上一条镍钛合金丝织成的；那台靠温水转动的发动机的动力部件，用的也是镍钛合金19人的记忆与金属的记忆

经历某一事件，在脑海里留下了印象——遗忘——（刺激：物、人、境）——重新记忆再看一看这种金属：初始形状——另外一种形状(低温)——（刺激：热、应力）——初始形状20记忆合金的发现在1962年，在美国海军研究所军械研究室里，几个专家正致力于一种新型武器的研究。在加工、制作一个部件时，冶金学家比勒需要一些镍钛合金丝。于是他命令助手去取一些来。助手遵命来到仓库，只见仓库内所有的镍钛合金都是弯弯曲曲的，没有一根是直的。助手把一根根镍钛合金拉直，交给比勒。比勒顺手把它们放在搁板上。几天后，当比勒需要这些镍钛合金丝时，他惊奇地发现，这些合金丝又变成弯弯曲曲的样子了。他又叫助手把镍钛合金拉直，然后再将它们放在原来的地方。一段时间后，这些合金又鬼使神差般地变成了曲线状。“这是怎么回事呢?”比勒对放置合金丝的周围环境进行认真的观察，证实周围没有存放特殊的化学物质，也不存在电场或磁场。最后，比勒发现放置镍钛合金丝的地方特别热。原来，在搁板下有一根蒸汽管道通过。比勒马上着手做了一个试验：将一根笔直的镍钻合金放在酒精灯上方，慢慢地加热。不一会儿，奇迹果然出现了：这根合金丝恢复了弯弯曲曲的样子!21已发现的记忆合金已研制成几十种有“记忆”能力的合金：

银镉合金、铜锌铝合金、镍铝合金，金镉、钛钴、钛铁、锆铷等。其中最具实用价值的是镍（51%）钛（49%）合金,科学上将这种材料称为镍钛诺。这些合金具有“热记忆”和“冷记忆”的特征，科学上称它们为“记忆合金”。

22形状记忆合金(ShapeMemoryAlloys，SMA)

定义：在高温下处理成一定形状的金属急冷下来，在低温相状态下经塑性变形为另一种形状，然后加热到高温相成为稳定状态的温度时，通过马氏体逆相变恢复到低温塑性变形前的形状的现象称为形状记忆效应。是指材料在一定条件下变形，被加热至一定温度后，其形状可自动恢复的功能。具有这种效应的金属，通常是由两种以上的金属元素构成的合金，故称为形状记忆合金(SMA)。23金属“记忆”的奥秘

在室温下，一根镍钛丝像钢一样坚硬。但一浸入冷水，它就突然变得柔软，你可以轻轻松松地把它弯成各种形状。再浸入热水中时，它又会像突然苏醒过过来一样，狠狠地弹回到原来的形状。

在一定的温度范围内，“记忆合金”内部有一种特殊的可逆结构。当记忆合金受到很大的外力作用时，内部的金属原子被迫离开自己原来的位置，迁移到邻近的位置上，并暂时留在这个位置。（冻住了，马氏体）这时，我们肉眼看到的就是记忆合金改变了它的形状。如果把这变了形的合金加热（浇热水或强光照射），那么金属原子由于获得了运动所需的足够能量，同时在原结构力的作用下，就会重新回到原来的位置上去，恢复原来的形状。（解冻了，奥氏体）

24形状记忆合金的记忆机理相变:①温度诱发马氏体②应力诱发马氏体这类合金存在着一对可逆转变的晶体结构。马氏体相和奥氏体相。这类合金在被加热时和冷却时是不同的，虽然外表没有变化，然而在一定温度下，金属原子的排列方式会发生突变，这称为相变。25温度诱发马氏体比如含有Ti和Ni各为50％的记忆合金，有两种晶体结构，一种是菱形的（马氏体），另一种是立方体的（奥氏体），这两种晶体结构相互转变的温度是一定的。高于这一温度，它会由菱形结构转变为立方体结构；低于这一温度，又由立方体结构转变为菱形结构（如图）。(参见P106页图4.1、图4.2）

晶体结构类型改变了，它的形状也就随之改变。这种由温度引起的相变——热弹性马氏体相变。表现出来的就是，形状记忆合金在一定温度下成形后，能记住自己的形状。当温度降到一定值（相变温度）以下时，形状记忆合金会发生相变，其内部的原子排列方式发生变化，使其形状发生改变；但当温度再升高到相变温度以上时，形状记忆合金会自动恢复它原来的形状。SMA在加热时产生的回复应力非常大，可达500MPa。26温度诱发马氏体形状记忆合金的晶体结构(相结构)随温度的不同而异，一般将低温下的相(结构)称为马氏体相(简称为M)，高温下的相称为母相或奥氏体相(简称为A)。温控记忆合金是依靠M与A之间的可逆相变实现形状的记忆的。形状记忆效应可定义为：将处于M相的合金进行一定程度的变形，然后将其加热到A相，合金将回复到变形前的形状与体积，称这种现象为形状记忆效应、称具有这种效应的材料(合金)为形状记忆材料(合金)。参见P108图4.3）27形状记忆效应机理28应力诱发马氏体Stress-InducedMartensite在相变温度以上对合金施加外力也能引起马氏体相变．所形成的马氏体为应力诱发马氏体。其持点是当除去外力时．马氏体消失，产生一种力学型形状记忆。（外观上表现为超弹性特性，例如眼镜架。）换句话说，无温度变化，在应力作用下合金发生马氏体相变，一旦应力消失，马氏体就变得不稳定，回到它原来的状态。它的相变驱动力是机械能。而不是热能。形状记忆合金的机械性质优良，能恢复的形变可高达10％，而一般金属材料只有0.1％以下。29弹性马氏体

热弹性马氏体和应力诱发马氏体统称为弹性马氏体。只有弹性马氏体相变才能产生形状记忆效应。SMA这种可响应温度、外力变化而产生的超弹性特性，从微观来看，是对环境刺激的自适应，即通过调整内部结构来适应外界条件。这种特性在许多智能材料和智能机械系统的设计中有重要价值。30弹性马氏体一般而言，SME与M相和A相之间的可逆相变有关。设从A到M的开始转变温度为MS，终了温度为Mf，从M到A的开始温度为AS，终了温度为Af，则当相变热滞很小、一般为几度到几十度时，相变是可逆的，即M板条可随温度的下降(升高)而可逆地生长(收缩)，称这种M为热弹性马氏体。若M板条随应力(应变)的增大(减小)而可逆地生长(收缩)，则称这种M为应力(应变)弹性马氏体。凡能随外界条件的变化而可逆地伸缩的M统称为弹性马氏体。弹性M中从M到A之间的相变是通过M与A之间相界面的可逆移动，或者是孪晶界面的可逆移动实现的，故一般希望M中的亚结构为孪晶，位错密度尽可能低。31形状记忆合金的性能（1）超弹性特性（伪弹性，机械形状记忆效应。参见P110图4.6）形状记忆合金的机械性质优良，能恢复的形变可高达10％，而一般金属材料只有0.1％以下，几乎高出普通金属材料弹性应变两个数量级,可用来提高材料的冲击韧性将编制成网状的NiTi合金丝贴在高分子材料表面，明显提高了冲击韧性。这是因为：在冲击过程中，产生了马氏体相变（应力诱发的马氏体相变），消耗了大量的能量，并且由于NiTi合金丝具有均载荷传递性，（类似蜘蛛网）使冲击能量分布至整个复合材料中，导致冲击后的塑性变形很小。这个试验的意义非同一般，预示着在高科技领域中，高分子材料取代金属材料的可能性。（2）单程形状记忆效应(OneWayShapeMemoryEffect——OWSM)

形状记忆合金在较高温度下制成某种形状，在低的温度下任意变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。但重新冷却时，合金不能恢复低温时的形状。OWSM是指合金加热到Af以上温度后，M逆转变到A，恢复高温时形状，但降温发生A到M转变时，不再发生形状变化，仍保留高温形状。利用这种记忆效应可制作一次性的紧固件、连接件和密封垫，通过配合其他元件，也可制作具有双向行程的元件。（参见P108图4.4）

32形状记忆合金的性能（3）双程形状记忆效应(TwoWayShapeMemoryEffect——TWSM)某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。TWSM是指合金加热到Af以上温度时，会恢复高温时的形状，冷却到Mf以下温度时，会恢复低温时的形状，如此反复进行。一般而言，合金需经过一定的训练才具有TWSM。具有TWSM的合金可用于制作各种驱动器。（4）全程形状记忆效应(All-roundShapeMemoryEffect——ARSM)

加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。（参见P109图4.5）

三种记忆效应如下图所示。

33形状记忆合金的应用形状记忆材料是智能材料一个重要的分支。形状记忆材料自身具有优异的性能，诸如形状记忆效应，伪弹性或高的回复形变，良好的抗震性和适应性。形状记忆效应是指可通过热、化学、机械、光、磁或电等外加刺激，触发材料响应，从而可能改变材料的技术参数，诸如形状、位置、应变、硬度、频率、抗震、摩擦等动态或静态特征。到目前为止，具有形状记忆效应的材料有记忆合金、陶瓷、高聚物、凝胶。由于形状记忆材料容易制成薄膜、纤维或线、颗粒等形式，容易与其他材料结合形成复合材料，其发展越来越受到重视34形状记忆合金的应用（1）

记忆合金最令人鼓舞的应用是在航天技术中

1969年7月20日，“阿波罗”11号登月舱在月球着陆，宇航员登月后，在月球上放置了一个半球形的直径数米大的天线，用以向地球发送和接受信息。数米大的天线装在小小的登月舱里送上了太空。天线就是用当时刚刚发明不久的记忆合金制成的。用极薄的记忆合金材料先在正常情况下按预定要求做好，然后降低温度把它压成一团，装进登月舱带上天去。放到月面上以后，在阳光照射下温度升高，当达到转变温度时，天线又“记”起了自己的本来面貌，变成一个巨大的半球形。形状记忆合金可以用作航天器上的轻型温度控制调节器。在太空中形状记忆合金可以被用来在航天器发射之后释放太阳能电池板35形状记忆合金的应用利用镍-钛(Ni-Ti)系形状记忆智能材料研制试验了宇宙飞船的无线电通信天线，其制法和应用的示意图如图6所示。首先前Ni-Ti合金丝加热到65℃高温，使其转变为奥氏体物相(图中a)，然后将合金丝冷却，冷却到65℃以下合金丝转变为马氏体。在室温下将马氏体合金丝切成许多小段，再把这些合金丝弯成天线形状，并将天线中各小段相互交叉处焊接固定(图中b)，然后把这天线压成小团，使天线的线度减小到十分之一，以便于宇宙飞船携带(图中c)。当需要使用天线时，只需把这天线小团加热到77℃，使马氏体完全转变为奥氏体，天线便会自动张开，完全恢复天线原来的大小和形状(图中d)

36形状记忆合金的应用（2）机械领域方面的应用用记忆合金制成的汽车车身，如车身被撞瘪，只要用开水浇注凹陷的地方，车身在较高温度作用下，就能恢复原来的形状。因为记忆合金“记下”自己在较高温度下被制成的车身形状。我们完全可以设想：假如用记忆合金材料造一辆赛车，那么，即使车被撞得面目全非，只要烤烤火或者泡个热水澡，“报废”的赛车就会像瘪了的乒乓球一样恢复原样，重新上路！记忆合金材料夹制在汽车轮胎中，紧急刹车，摩擦生热，使加在轮胎中的合金丝动作，从而有效刹车。37形状记忆合金的应用记忆合金的出现，也导致了许多记忆合金部件或装置的发明。利用单程形状记忆效应的单向形状恢复。如管接头、天线、套环等。

形状记忆合金的最早应用是在管接头和紧固件上。用形状记忆合金加工成内径比欲连接管的外径小4％的套管，然后在液氮（－200多℃）温度下将套管扩径约8％，装配时将这种套管从液氮取出，把欲连接的管子从两端插入。当温度升高至常温时，套管收缩即形成紧固密封。这种连接方式接触紧密能防渗漏，远胜于焊接，特别适合用于航空、航天、核工业及海底输油管道等危险场合。

美国航空专家用记忆合金制成各种机械接头。这种机械接头是在较低温度下，将两个管子扣在一起。在常温下，由于记忆合金恢复原形，从而使接头紧锁在一起，绝不会脱开。1970年，这种接头被应用在F-14型战斗机上（油压系统的镍钛合金管接头），已使用了数百万只；美国海军使用的镍钛合金管接头至今已30万个以上；尚未有漏油或失事的报告。38机械领域方面的应用NiTi记忆合金复合材料提高冲击韧性：产生残余压应力，或者利用应力诱发A-M相变吸收能量，提高韧性。NiTi记忆合金主动控制裂纹产生和扩展：NiTi记忆合金电阻率大且对应变敏感，可做成电阻应变片，实现对裂纹和损伤的主动探测和控制；利用记忆合金的回复力使裂纹闭合。NiTi合金主动控制振动：NiTi记忆合金可灵敏地感知振动，通过对NiTi合金加热或者冷却产生驱动力，可有效控制振动（参见P134图4.31）。加热或冷却需要时间，尽限于控制低频振动。39形状记忆合金的应用（3）形状记忆合金在能源开发上也是大有作为的早在1973年，美国就制成了镍钛形状记忆合金热机（热发动机）。美国发明家班克斯用记忆合金制成一台热机。这台热机利用记忆合金丝在温度相差几十度的水中的形状变化，从而输出功率。它既不需要燃料，也不需要电能，而且不排放废气。它的问世，轰动了世界。目前科学家正在做进一步的研究，以使它早日得到应用。近年来，世界各国研制的形状记忆合金热机大都是回转式的，其中以日本研制成的热机具有代表性。这种形状记忆合金热机有两个直径不同的链轮，链轮上配有一条环形链条。作为传动带的环形链条是用形状记忆合金制成。当环形链条的一侧通过热水加热时，链条便恢复原形，即由于形状记忆合金效应而收缩，使得链条另一侧产生拉力，从而引起链轮转动。而当收缩的链条转到另一侧时，受到冷水冷却便变软而伸长。如此反复加热和冷却，就会使记忆合金链条反复缩短和伸长，结果导致链条带动链轮旋转，即可产生机械力。它的转速达每分钟1000转。40形状记忆合金的应用（4）电子仪器方面的应用在电子仪器方面，形状记忆合金也大显身手，用它制成的各种电磁控制装置，不仅可取代许多电动器，简化结构，而且降低了成本。例如，自动电子干燥箱采用形状记忆合金后性能大为提高。

利用形状记忆合金制成（热敏）驱动元件的自动电子干燥箱，由干燥室和内装干燥剂的干燥器组成。在干燥器和干燥室之间有一个闸门，而在干燥器的外侧还装有一个排泄湿气的闸门。在电子干燥箱处于低温时，干燥剂吸收空气中的湿气；而当加热器工作使温度升高时，形状记忆合金弹簧开始动作，关闭内闸门而打开外闸门，使干燥剂中的湿气往外排出，同时切断加热器电源。当温度降到一定值时，在偏压弹簧作用下使用形状记忆合金弹簧复原，同时关闭外闸门，并打开内闸门吸湿和接通加热器电源。这样，两个闸门在形状记忆合金弹簧的控制下，交替地打开、关闭，自动地完成了干燥工作。

这种干燥箱的闸门开闭器，采用了镍钛形状记忆合金弹簧和偏压弹簧构成的热敏元件，代替了常用的电磁元件，使干燥箱的体积减小重量减轻，而干燥能力却大为提高。使用形状记忆合金制作的驱动器，可以在低电压、小电流的条件下进行工作，既安全又省电，用一节小号电池就可控制它的开关活动达4万次以上，有些国家已经将这种小巧玲珑的部件用在微型机器人上。41形状记忆合金的应用（5）用于温度控制器形状记忆合金具有感知温度和驱动的双重本领，而所需要的热能可以直接取自周围环境，因而形状记忆合金可制成理想的温度控制装置，用来取代传统的控温装置，使自动控制器不仅能小型化、无声化，而且可提高效率、节约能源和降低成本。例如，现在已将形状记忆金用于灯光调节和遥控门窗开关等方面，取得了较好的效果。电加热水壶手柄控制器（P138图4.36）：水开后，蒸汽吹至记忆合金制作的弹簧上发生马氏体向奥氏体相变，弹簧伸长带动按钮推开电触头，自动切断电源。外因性双向记忆恢复。即利用单程形状记忆效应并借助外力随温度升降做反复动作，如热敏元件、机器人、接线柱等。内因性双向记忆恢复。即利用双程记忆效应随温度升降做反复动作，如热机、热敏元件等。但这类应用记忆衰减快、可靠性差，不常用。42NiTi形状记忆合金温度传感驱动器的原理及应用

偏置式双程SMA动作元件(a)及其动作原理(b)

(a)43既可以利用单程形状记忆效应、也可以利用双程形状记忆效应制作具有双程动作特性的驱动器。用具有单程SME的元件与其他部件组合在一起实现双向动作特性的方式称为偏置(压)式，用两个或两个以上形状记忆合金组合在一起实现双向动作特性的方式称为差动式。两种方式均利用了SMA在P相时高的屈服应力和M相时低的屈服应力的特点。其工作原理可用上图说明。记忆合金丝的下端吊挂一重量为FB的重锤(图a)，重锤给记忆合金一个偏置力。设合金在P时的屈服力为FP，在M时的屈服力为FM，则偏置力FB必须满足：在低温时，由于FB>FM，故合金丝被重锤拉长，高温时，由于FB<FP，故合金丝在回复力作用下收缩，从而实现不同温度下的可逆移动。在设置动作行程时，应注意使其工作在图b所示的平台范围内；低温下的行程可用在重锤下设挡块的方法加以调节。44

偏置式双程动作元件常采用螺旋弹簧形式的记忆合金，同时配置一个普通弹簧组合使用。可采用下图a所示的组合方式(SMA压簧)，低温时偏置簧被拉长，高温时SMA弹簧被拉长，偏置簧被压缩；当然也可采用相反的方式，低温时SMA簧被拉长，偏置簧被压缩，高温时SMA簧收缩，偏置簧被拉长。

偏置式双程驱动器的结构示意图(a)和载荷—位移曲线(b)45这种偏置式元件目前应用最广泛，其最大优点是结构简单，成本较低，但动作行程较小。因为SMA的回复力随热循环次数的增大而逐渐衰减，当偏置力较大时，这种衰减更明显。使用时，为增大行程，必然会增大偏置力，此时形状回复力将急剧衰减。因此，只能通过改变其他组件结构的方式增大动作行程，例如可采用力矩方式将行程放大。图b给出了偏置式元件的动作原理，图中负斜率直线相当于偏置簧的负载—变形(伸长)曲线，90C和室温正斜率曲线分别对应于SMA弹簧在A态和M态下的负载—变形曲线。从图可知，室温时，两个弹簧力在B处达到平衡，此时SMA的变形量为34mm，偏压簧的变形量为16mm；高温时，两力在A处平衡，变形量分别为16mm和34mm，动作行程为18mm。若驱动器对外作功，根据图b，当需在高温和低温两个状态分别取出0.5N对外作功时，高温时变形量为19mm，低温时变形量为29mm，动作行程减至10mm。将图a中的偏压簧改成SMA弹簧，即成为差动式元件，它通过交替加热两侧的SMA弹簧实现往复可逆运动。差动式双程动作元件的最大优点是产生的驱动力大，能量转换效率高。如图b所示，偏置式的发生力是FA-FB或FB-FM，而差动式的发生力可达FA-FM。若采用具有双程SME的材料制成弹簧，发生力可以是正逆两个发生力之和，但实施过程难点较多。46形状记忆合金的应用

在自动控制技术中，现在形状记忆合金用得很多。有一种用在住宅供暖系统上的“恒温阀”，就是借助于形状记忆合金来进行工作的。当室内温度上升到一定数值后，记忆合金弹簧伸长，使阀门关闭，而当温度降低到一定数值后，记忆合金弹簧缩短，阀门又被打开，以此来保持室内的恒温。通过调整旋钮来改变弹簧的压力，即可使室温升高或降低。同样，利用形状记忆合金弹簧，比如把这种弹簧放在热水中，弹簧的长度立即伸长，再放到冷水中，它会立即恢复原状。主要就可以控制浴室水管的水温，在热水温度过高时通过"记忆"功能，调节或关闭供水管道，避免烫伤。

也可以制作成消防报警装置及电器设备的保安装置。当发生火灾时,记忆合金制成的弹簧发生形变，启动消防报警装置，达到报警的目的。还可以用作电器控制开关（外因性），例如：电加热水壶的手柄控制器，柄内装有一只SMA制作的弹簧，室温下（马氏体状态）按下，即通电源。水开后，蒸汽吹至SMA元件上恢复原来的形状，弹簧伸长带动按钮推开电触头，达到自动切断电源目的。类似的还有：育苗室、温室的天窗自动控制器，电冰箱自动开关、化学反应温度自动控制器等等。47形状记忆合金的应用（6）日常生活中的应用日本利用记忆合金推出了不少新颖别致的商品。例如，在日本的儿童商店里，有一种叫作“顽童人浴”的智力玩具很畅销。一个垂头丧气、手脚蜷缩的玩偶，当把它放入温水中以后，马上就变得精神抖擞起来，头发竖立起来，手脚伸展起来，其面部表情由沮丧而变得眉飞色舞，欣喜若狂……当它离开温水以后，很快又恢复到了原来的状态。在日本的百货商店里，常可见到用记忆合金丝穿制而成的珍珠项链和手镯，以及用记忆合金丝或记忆塑料丝编织而成的内衣（乳罩）等装饰品和保健品，当女士们佩带这类装饰品和保健品以后，在体温的作用下，这些东西迅速地恢复其原有的弯度和挺拔程度，看上去有棱有角。因此这类商品备受女士们的青睐。通讯技术的发展使人们越来越多地喜欢使用手机这一便捷的通讯工具，如今手机的淘汰更新速度有时比电脑还要快。但随着废弃手机数量的增加，如何处理被淘汰下来的手机成了一个大问题，很多环保人士不断发出忠告，如果处理不当的话，手机中的有毒物质就会危害环境。为了解决这一问题，英国科学家正在尝试着利用智能材料来制造手机。

48形状记忆合金的应用使用智能材料制造手机，那么在手机的使用期内，那些可回收的原件就如同在休眠；当手机被淘汰后，只要把整个手机放在极热或极冷的温度下，这些零部件就会膨胀收缩或弯曲，并使手机自行分解。（按照人们设计的方式解体）

由于欧洲不久将出台一部法案，要求电子产品的生产商对电子产品的回收和再利用不得低于80％，因此手机生产商们越来越注重产品的可分解性和可回收性，因此，如果把智能材料的特性与手机产品的设计充分地结合起来，那么生产出的电子产品就会更加经济实用，生产厂家也可以轻而易举地达到环保要求。专家表示，随着对智能材料和使用技术的日臻成熟，不仅对手机等电子产品的回收利用会更加方便，而且还有助于去除电池、电子显示屏中的毒素，减少对环境的污染。49形状记忆合金的应用

形状记忆合金这种可响应温度、外力变化而产生的形状记忆特性，从微观上看，是对环境刺激的自适应，即通过调整内部结构来适应外界的变化。在智能材料中有着重要的地位。从另一方面来看，由于形状记忆合金对热、对外力敏感，类似于人体的触觉细胞，它可以用作传感材料；同样形状记忆合金由于受温度、外力作用，可以发生变形，它也可以用作驱动材料，所以，它在智能复合材料中也起着重要作用。50形状记忆合金的应用（7）复合材料方面的应用___自修复智能复合材料)美国华盛顿大学的研究人员利用Ti—Ni形状记忆合金长纤维排列于A1合金中，得到了TiNi／Al复合材料。所用的TiNi长纤维，是在其形状记忆范围外进行拉拔、压延加工而制成的。使用时，将此复合材料进行热处理，使SMA纤维产生收缩变形，在Al母材中便产生了残留压应力。此残留压应力，可使材料内部的损伤裂缝自动闭合．也可使复合材料热膨胀系数降低。从而实现了材料的智能化和强韧化。根据此原理可将SMA与其他金属或高分子材料或混凝土等复合，构成自修复智能复合材料。如图2—17所示．其中的TiNiSMA纤维表面有一层铁氧强磁体．在与其它材料的复合成型加工中，外加电磁场可使SMA纤维在复合材料中取向排列；当除去电磁场后．纤维有回复变形及消向的趋势，即也保留了残余压缩压力。裂纹及损伤的主动控制是当前实际工程中十分突出和迫切需要解决的问题。在航空航天器、运输机械、起重机、桥梁、管道等大型设备中的一些关键受力部件对裂纹及损伤十分敏感，一旦出现就会造成重大事故。在这里，将SMA埋入普通材料中，普通材料就变成了智能材料。它可以自我修复。51形状记忆合金的应用52形状记忆合金的应用（8）超弹性的应用普通金属变形程度越大，恢复原状的反弹力就越强。形状记忆合金的反弹力几乎固定不变，即使用力弯曲，也能柔软地恢复为原来的形状，这就是所谓形状记忆合金的“超弹性”。日本最大的移动电话生产厂商松下通信工业公司，最初采用铜质材料生产移动电话天线，现在已经全部改用镍钛形状记忆合金。自从全部机型都采用了形状记忆合金天线后，再也没有接到过由于天线出现折痕无法缩进机身的投诉。

作为一类新兴的功能材料，记忆合金的很多新用途正不断被开发，除了移动电话天线，例如用记忆合金制作的眼镜架，即使镜腿尺寸稍有偏差，也不会使人有不舒服的感觉。如果不小心被碰弯曲了，只要将其放在热水中加热，就可以恢复原状。53形状记忆合金的应用（8）医学应用优秀的生物相容性：NiTi合金的稳定性好、毒副作用小、可降解性极低，其生物组织相容性和血液相容性可以与目前的医用Co基合金和Ta合金相媲美，加之独特的形状记忆效应和超弹性性能性，NiTi合金已成为最为重要的金属生物医学材料之一，并被广泛应用于骨外科、介入医学治疗和微创伤治疗手术器械。如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓内针、人工关节、避孕器、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等。有着广阔的应用前景

54形状记忆合金的应用另外一个使用形状记忆合金技术的医学仪器就是一个非常细的管子，这个管子可以插入血管里，到达损坏的血管之后再变回原来大小。人工心脏：将TiNi丝作为人工心肌纤维包裹在弹性体制成的人工心脏外部。周期性地给以电脉冲加热，则可以使心脏伸缩运动。TiNi丝制成的螺线导管，前端装有内窥镜，传入光纤用作时显示图像，其形状可以随器官的形状自如的变化，极易插入体内，同时可提高尖端工作部分的操作性能，还可以大大减少受检者的痛苦。在世界各国的医疗技术中，形状记忆合金的应用越来越广泛。例如，用来清除血液中块状物的“血液滤清器”，用在脊椎侧弯症患者身上的“矫正背心”，在治疗骨折时通常采用的“固定夹板”，为残疾人制作的假肢，控制牙齿移动的正牙弹簧等等，形状记忆合金在这些场合都大有用武之地。55形状记忆合金的应用高科技应用展望：

20世纪是机电学的时代。传感——集成电路——驱动是最典型的机械电子控制系统，但复杂而庞大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，如全息机器人、毫米级超微型机械手等。21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温度外不受任何环境条件的影响，可望在反应堆、加速器、太空实验室等高技术领域大显身手。56形状记忆合金的应用主要规格表面状态性能及状态主要用途直径3.0-0.6mm黑亮态、银亮态SE、SME、CW各类超弹性、形状记忆功能构件、手术器械、工程阻尼减振器、超弹性眼镜架、超弹性均载紧固件等；直径0.5mm以下黑亮态、银亮态SE、SME、CW

各类超弹性构件、温度控制驱动元件、智能结构控制与驱动、介入医学导丝、支架、手术缝合线、矫形丝、根管挫等；

厚2.0-0.3mm黑亮态、银亮态SE、SME各类桥梁、建筑结构阻尼器、机械减振器、温度驱动器、超弹性防松垫片等；厚0.3mm以下黑亮态、银亮态SE、SME各类电子电路用超弹性簧片、驱动器、继电器等；直径0.2-4.0mm黑亮态、银亮态SE可加工成各类医学介入导管、血管支架等。57据报道，人们不但在合金、而且在陶瓷和高分子聚合物中发现了形状记忆效应，其中合金的记忆效应是最大的，研究也最多。目前已发现具有记忆效应的合金至少有：Ti-Ni,Ti-Nb,Ti-Ni-X(Fe,Cu,Au,Pt,Pd)；Au-Cd,Au-Cu-Zn；Cu-Zn,Cu-Zn-Al,Cu-Zn-Sn,Cu-Zn-Ni,Cu-Zn-Si,Cu-Zn-Ga,Cu-Al,Cu-Al-Ni,Cu-Al-Mn,Cu-Al-Si；Ag-Cd,Ag-Zn-Cd,Ag-Zn；Ni-Al,Ni-Al-Co,Ni-Al-Ga,Ni-Al-Ti；Co,Co-Ni；Fe-Ni,Fe-Ni-Co-Ti,Fe-Mn,Fe-Mn-C,Fe-Mn-Si,Fe-Mn-Si-Ni(Cr),304不锈钢,Fe-Pt等；虽然记忆合金的种类很多，但目前只有Ti-Ni、Cu-Al-Ni和Cu-Zn-Al少数几种合金得到应用。58形状记忆高分子材料在性能丰富、种类繁多的高分子材料中有这样一类具有特殊性能的材料，不管它形变成什么形状和尺寸，只要当温度升高到材料的熔点或玻璃化转变温度后，就可以恢复到原来的形状和尺寸，它就是形状记忆高分子材料（又名热收缩材料）。同样，我们把它比作人的大脑的功能——记忆功能材料。形状记忆高分子材料就是在一定条件下被赋予一定的形状（起始态），当外部条件发生变化时，它可相应地改变形状并将其固定下来（变形态），如果外部环境以特定的方式和规律再一次发生变化，形状记忆高分子材料便可逆地恢复到起始态。整个过程完成了一个循环：从记忆起始态→固定变形态→恢复起始态。形状记忆高分子材料大部分使用的高分子是树脂，因此也被称为形状记忆树脂，它的形状记忆功能是由其特殊的内部结构决定的。59高分子材料

所谓高分子一般是指分子量达到几千——几百万的分子，是由千百个原子以共价键相互连接而成。比如，高分子材料就是我们平常所说的塑料、橡胶、纤维。它们的原料单体是一个个小的有机分子，如乙烯、氯代乙烯、乙炔等。化学家把它们用化学的方法把它们聚合到一起而患联起来形成大分子，这些大分子就像一列列其长无比的大火车由千万个车箱(单体)组成一样。化学家不仅能通过改变单体和助剂的成分而改变这些大分子链的结构，使塑料变得更轻、更牢固、更便宜、更美观，而且还能根据人们的意愿合成出人们需要的材料来

60形状记忆高分子材料大多数的高分子链是由碳链组成，长长的C——c链在常温下比较柔软，但是当温度下降到某一点时，分子链变得僵硬（类似于冻僵了），这一温度被称为玻璃化温度。这一状态称为玻璃态。一般高分子材料在其玻璃化转变温度（Tg）附近，机械性能会发生明显变化。Tg以下则表现为刚性与脆性；Tg以上则表现为弹性与柔性。这些性能由玻璃态向高弹态的变化时虽限制了高分子材料的使用范围，但正可以利用此特性赋予其特殊的功能，即形状记忆功能。而当长长的分子链上连接了其他一些官能团时，例如苯环，分子链的柔软程度就不如C——c链，相应于玻璃化温度就比纯的C——c链高，这样当分子链中有这两种单体组成的不同的链段时，比如SBS——苯乙烯－丁二烯－苯乙烯，就存在两个玻璃化温度，或者说，存在两个软化温度。在室温下，丁二烯链段可以自由运动(室温高于它的玻璃化温度)，而苯乙烯链段却处于结晶状态（室温低于它的玻璃化温度）61形状记忆高分子材料具有形状记忆功能的高分子材料必须具有这样的两相结构。即：形状记忆树脂由两种物态组成：①保持成品形状的固定相，可用来记忆最初成型时的形状（初始态）；②随温度变化而发生软化-硬化的可逆变化的可逆相，它能够保证成品可以改变形状（变形态）。由于固定相和可逆相都有自己的软化温度，因此调节和改变温度是使形状记忆树脂转变为固定相或可逆相的关键。两相结构使它们同时具备塑料和橡胶的共性，在常温范围内具有塑料的性质，即硬性、形状稳定恢复性，同时在一定温度（所谓记忆温度）下具有橡胶的特性，主要表现为材料的可变形性和形状恢复性，也就是材料的记忆功能，即“记忆初始态———固定变形———恢复起始态”的循环。

62形状记忆高分子材料形状记忆高分子是这样实施形状记忆的：记忆起始态→固定变形态→恢复起始态。①一次成型（记忆起始态）当温度大于固定相的软化温度时，即也大于可逆相的软化温度。此时固定相与可逆相均处于软化状态，塑形后，将温度下降至两相的软化温度以下，材料硬化，固化成型。②二次成型（固定变形态）当温度位于两相的软化温度之间，固定相是硬化的；可逆相则是软化的，可以做成任意的第二种形状，保持住直观应力直至降低温度到固定相的软化温度以下，硬化成型得到新形状。③再次加热至温度位于两相软化温度之间（恢复起始态）可逆相软化，固定相在回复应力的作用下，将制品恢复到初始形状。63形状记忆高分子材料应用具有形状记忆性能的高分子材料有聚氨酯、聚降冰片烯、反式1，4—聚异戊二烯、苯己烯—丁二烯共聚物等；另外，聚内酯、聚酰胺也能在特定条件下表现出形状记忆功能。

形状记忆聚合物具有重量轻、成本低、恢复温度便于调整、易着色、形变量大、赋形容易等优点。

凡是有固定相和可逆相的高分子材料都可作为形状记忆高分子材料。在应用上，也有与形状记忆合金相似的地方。64形状记忆高分子材料应用形状记忆塑料同人们的日常生活关系密切，同样具有极为诱人的发展前景。塑料现在几乎已经成为人们日常生活的必需品。有些一时用不上或者不常使用的塑料制品，比如塑料桶、塑料盒、塑料椅子、塑料板凳等等，放在家中往往很占地方，留之少用而弃之可惜，如果能够利用形状记忆塑料来制作这类东西，那么平时就可以将它们压扁以后堆放起来，等到需要用时，只要把它们拿出来用热水一泡，便恢复了原来的形状。在日本和西欧的一些国家中，这类形状记忆塑料产品在市场上很容易找到。65形状记忆高分子材料应用可根据温度变化改变形状的"形状记忆塑料"已进入实验阶段，用它制成记忆弹簧安装在门窗上，门窗就能随光照强度和温度变化自动开合，调节入室的自然光；安装在淋浴喷头上，就能自动调节出水温度。还有一种内嵌式传感器，将其编织在登山绳索里，一旦绳索磨损，强度下降，绳索的颜色就会自动示警。目前，关于形状记忆高分子材料的研究仍在进行之中，随着人们对这一材料认识的进一步深入，其应用前景一定会更加巨大。我们期待着有一天形状记忆高分子材料能真正走入人们的家庭生活，为我们创造更加美好的明天66磁流变体一种灰色的流体从实验室的烧杯一滴滴地流出。它是滴向桌子的，但在它还没有落到桌子上以前，空气中出现了一种低沉的哼鸣声。有人刚刚接通一块电磁铁。这家伙变硬了，震动着，只有在哼鸣声减弱时才流出来。它是活的吗？不，只是磁化了而已。我们叫它‘磁流变流体’或简称‘MR流体’。它们是一些受到磁场感应时就变硬或改变形状的流体。67磁流变体

通常我们所知道的导磁体都是固体，如铁、钴、镍及其合金，而磁性液体却是一种液态磁性材料，它既有液体的流动性，又具有固体材料的物理特性。你可以在家里配制这种神奇的材料。只要将一些铁粉和一种像玉米油似的粘稠流体混合，转眼之间就成了简单的MR流体。将一块磁铁靠近，铁粉就会连成一串；它们形成一个刚性网格，使混合体变硬。移开磁铁，流体又会再度稀松。68磁性液体磁性液体是把超强磁性微粒均匀地分散到特定的液体（粘稠流体）中，为了防止粒子间的吸引（比如铁粉）产生凝聚，因重力、离心力和磁力而产生沉淀，铁粉粒子表面吸附一层表面活性剂。磁性液体的性质随着磁性粒子、表面活剂、载体溶液以及制备方法的不同而异。69物质磁性物质在磁场的作用下都会表现出一定的磁性。有的物质使磁场增加，有的物资使磁场减弱。按照物质对磁场的影响，可以将其分为三类：1、抗磁性物质,把这类物质放在磁场中，它能使磁场减弱，撤去外磁场后，磁化呈可逆消失的现象。2、顺磁性物质,把这类物质放在磁场中，它能使磁场略增加，当撤去外磁场后，磁化呈可逆消失的现象。3、铁磁性物质及亚铁磁性物质,把这类物质放在磁场中，它能使磁场强烈增加。铁磁性物质又可以分为两类：即硬磁及软磁。硬磁——一旦被磁化，磁力线难于消失。这类物质可用作永久磁铁。例:Fe-W;Fe-Co-W软磁——能沿磁场方向被强烈磁化，但磁场撤去后，磁性立即消失。这类物质可用作暂时磁铁。例：Fe-Al;Fe;Fe-Ni。70磁流变液（Magnetorheologicalfluids

即MRF）

定义：MR液是由细小的软磁微粒分散在液体介质中组成的稳定的悬浮液，在外磁场作用下，其流变性能可以发生较快和基本可逆的显著变化

需要注意几点：①磁性微粒在磁场的作用下具有磁性，它们可以连成一串；撤去磁场，这些微粒必须没有磁性，这个体系才能恢复为液体，也就是说，这些微粒必须是具有软磁特性的。②体系必须是稳定的磁流变液（Magnetorheologicalfluids即MRF）是新兴的智能材料之一，它是一种由细小的磁性颗粒分散在载液中的稳定的悬浮液体。它的流变特性可随外加磁场的变化而变化。当磁流变液受到磁场作用时，其中的磁性颗粒沿磁场方向排列成链状，使表观粘度增大，表现出类似固体的性质，流动性消失。一旦去掉磁场，流体的表现粘度又回到原来的状态，其响应时间只有几毫秒。71磁流变液组成磁流变液主要由磁性微粒和基液组成。通常磁流变液所用的磁性材料都属于铁、钴、镍等多畴材料，基液可为油、水或其他复杂的混合液体72固体磁性粒子

磁性粒子是磁流变体中具有磁性的部分，由于直径很小，磁性粒子在基液中作布朗运动，获得动能，悬浮于基液中。目前广泛使用的固体磁性粒子有三类[1]:铁氧体(Fe3O4，CoFe2O4，MnZnFe3O4;等)粒子。根据磁流变效应的机理研究结论，对固体颗粒有以下要求，即：1、在外加磁场作用下，固体粒子具有磁化效应；在撤除磁场时，固体颗粒具有退磁效应。2、固体颗粒材料的磁导率要大，尤其是磁导率的初始值和最大值都必须要大。3、固体颗粒材料具有比较大的磁饱和强度，从而给磁流变液体内的固体颗粒相互提供尽可能大的能量。4、固体颗粒材料能够在尽可能宽的温度范围之内保持磁流变液体的稳定性，从而使磁流变体具有稳定的磁流变效应，一般的工作要求是-40℃~150℃。5、固体颗粒与基础液具有相适应的比重，防止固体颗粒在基础液中下沉的过快。6、固体颗粒的大小要适当，形状要合理，固体颗粒的大小一般在1~10µm之间,形状一般是椭球形的或者是球形的。7、固体颗粒的材料必须具有稳定的化学性能和物理性能，必须是一种耐磨材料制成的而且无毒和对其他材料无腐性。73基液基液也称为载液，基液作为磁流变体的主要组成部分，赋予磁流变体作为一种磁性材料具有了流动特性。因此，磁流变体的密度、粘度、沸点、凝固点、导电性和导热性等物性都与基液的基础物性有很大关系。磁流变体在现实应用中根据其性质不同，对基液的要求也不同，通常来讲，基液应该满足这样一些条件:低蒸发率、低粘度和高度化学稳定性，以及具有抗高温和抗辐射特性等。因此在磁流变体的应用和研究中，就应根据需要选择合适的基液的种类很多，大致分为三类:水基、有机基和金属基。74基液的种类及用途75表面活性剂

磁流变体性能是否稳定，表面活性剂起到了至关重要的作用。磁流变体不稳定是由于固体磁性粒子团聚和沉降，主要有三个起因:重力、磁性引力和VanDer

Waals力，其中重力和磁性引力可以通过固体磁性粒子的布朗运动克服，而VanDer

Waals力作为分子间瞬时电偶极矩相互作用力，无法通过布朗运动来克服，从而导致固体磁性粒子出现不可逆的团聚和沉降。这一作用力必须由表面活性剂加以克服。表面活性剂是一种极性官能团结构的长链分子，其长度与固体粒子直径相当，大约几个到十几个纳米，由非极性的疏水碳氢链部分和极性的亲水基团共同构成，两部分分别处于官能团的两端，一端能通过氢键、离子对或者VanDer

Waals力等作用与固体磁性粒子表面形成牢固结合，另一端悬浮于基液中，相互溶解。由于磁性粒子表面上包覆了薄薄的涂层，当磁性微粒彼此接近时，表面活性剂分子官能团外部端带有同性电荷，相互排斥，使固体磁性粒子彼此分开。同时固体磁性粒子由于热运动能的原因带动表面活性剂悬浮的一端在基液中自由摆动，运动轨迹理想状态下是一个球面，从而形成一个保持距离的能垒，使固体磁性粒子很难越过这个能垒而发生团聚。表面活性剂是根据铁磁流体中的固体磁性粒子和基液的种类以及它们之间的相互作用来选择的。一般来说，表面活性剂一端应具有良好的与基液的相溶性，另一端不具有溶解性却能吸附固体磁性粒子。76

常用的表面活性剂

77表面活性剂的作用增强磁流变效应，因吸附于颗粒表面的表面活性剂，能提高颗粒的磁极化能力，从而促进磁流变效应的加强。提高颗粒在基液中的均匀性，利用添加剂改善颗粒与颗粒之间的润滑性能，良好的润滑性能能够使得颗粒在基础液中具有良好的分散的均匀性，也因为良好的润滑性能，使得颗粒之间的粘接少，在零磁场时不会自动地凝聚，可提高颗粒在基液中的分散性。利用添加稳定剂，以防止颗粒的沉淀。因为常用的稳定添加剂是“立体式”的，它能够增加悬浮颗粒的稳定性，使颗粒不沉淀，使磁流变液处于一种凝胶态，即颗粒与基液形成一个亚微粒群，在微粒群的空隙中含有大量的基础液。添加剂在磁流变液中的含量较少，一般是少于5％，而稳定剂的含量更加少，一般是固体颗粒重量的0.03%~0.05%。78磁流变液的链化模型

磁流变液在无磁场作用时，磁流变液中的颗粒无规律地分布在基础液中，这些颗粒不能阻止液体的流动，磁流变液没有屈服应力，表现出Newtonian流体的行为。在外加磁场作用下，磁流变液中的颗粒沿磁场方向排列成磁链，这些链状结构的形成能阻止液体的流动，因而增大了磁流变液体的粘性特性，随着外加磁场强度的增大，磁流变液的剪切应力增大。当有外加磁场作用时，颗粒产生有序化的运动，这些颗粒在磁场力作用下相互吸引，沿着N极和S极之间的磁力线方向形成链状结构，这一过程称之为链化过程。磁流变液中的颗粒磁极化后的链化过程主要与外加磁场强度有关系。在外加磁场作用下，磁流变液中的相邻颗粒间存在着场交换的耦合作用，以促使相邻的平行排列，形成磁畴。当磁矩与外加磁场同方向排列时的磁能低于磁矩与外加磁场反方向排列时的磁能时，磁流变液中的颗粒平均磁矩不等于零，颗粒对外显示磁性，按序排列相接成链79磁流变液中颗粒的链化过程80磁流变液中颗粒的链化形式在外加磁场作用下，磁流变液中的颗粒被磁极化后在磁场及颗粒之间相互作用下的有序化运动结构，最终形成链化结构，与单位体积内颗粒的数目、磁场强度及颗粒在基液中的Brownian运动(热运动)的干扰和摩擦阻力的影响等有关。根据固体颗粒的体积分数不同，磁流变液中颗粒链化形式有：①通链。这种链是由许多颗粒紧密联接而成，并粘附于两个平板之上，形成一个由许多颗粒构成的实体，这种链称为通链。②支链。这种链的一端从一个平板开始，或粘附于一个平板之上，而另一端则终止于两平板间的某一位置，这种链称为支链。③孤立链。这种链的两端与任何一个平板都不联接，而是漂浮在基础液中，类似一个有序排列的颗粒集团，这种链称为孤立链。④束链。当颗粒的体积分数达到一定数量时，由一些通链聚集而成为束链。81磁流变液中颗粒的链化形式82磁流变液的流变机理迄今为止,磁流变(MR)效应产生的机理还没有明确的、完全成熟的物理解释。MR效应最直观的解释是,在两极板间形成的链束状结构像桥一样横架在极板之间,阻碍了流体的正常流动,使其产生类固体的特征。颗粒在磁场下成链或链束的原因存在很多假说,较有代表性且广为接受的有相变理论或场致偶极矩理论。83相变理论该理论认为在零磁场作用下,弥散在母液中的悬浮颗粒为随机状态,其迁徙和转动受热波动影响,是自由相。当场强增加到一定程度后,颗粒被磁化,受热波动和场强两方面影响,某些颗粒相互靠拢成有序排列,成为有序相。随后随着场强增加,这些有序相连成长链,且以长链为核心,吸收短链,使链变粗,构成固态相。相变观点解释了“链束”变粗的现象,但是链强度问题无法解释。84极矩理论该理论认为在外加磁场作用下,每一颗粒都极化成磁偶极子,各个偶极子相互吸引形成链,MR效应的强度与偶极子链的力大小有关,该理论的基础是静磁相互作用。该理论能解释单链强度函数关系式的影响因素,也能解释链演变过程中外加场强的三个区域,但是该理论不能解释链变粗过程,也不能解释MRF剪切屈服强度和粒子大小间的关系85

磁流变液的性能

良好的磁流变液需具备如下性能:(1)磁流变液具有磁化和退磁效应，它的磁滞回线狭窄，矫顽力较小，而磁导率很大，尤其是磁导率的初始值和最大值必须很大。（2）具有较大的磁饱和强度，从而悬浮体内的固体颗粒相互间提供很大能量。（3）耗损（例如磁滞耗损现象、涡流现象）应该很小；（4）抗沉降稳定性好,长时间存放应基本不分层,或即使略有分层,也可以在轻微外扰动情况下迅速恢复均匀分散的状态。磁场粒子的分布率始终保持均匀不变；（5）具备较高的击穿磁场；（6）具备相当宽的温度范围稳定性。86磁流变液的性能零磁场黏度低,以便使其在磁场作用下同等剪切屈服强度增长时具有更宽的调节范围;强磁场下剪切屈服强度高,至少应达到20~30kPa,这是衡量磁流变液性能的主要指标之一此外,磁流变液还应该无毒、不挥发、无异味、杂质干扰小、温度使用范围宽以及响应速度快等特征。87磁流变体的特性(1)磁化特性磁流变体是一种具有磁畴结构的磁性材料。磁流变体中的固体磁性粒子的尺寸一般在10nm~1000nm左右，处于饱和磁化状态，在没有外加磁场的情况下，由于磁性粒子在载液中作无规则热运动，粒子的磁矩方向是杂乱无章的，所以整个铁磁流体对外并不显磁性。当受到外加磁场作用时，由于磁场力的作用，磁性粒子磁矩迅速转向外加磁场方向，并使得磁流变体显示出一定的宏观磁化强度。当外加磁场撤去时，由于热运动的影响，磁性粒子磁矩的空间取向又重新恢复到杂乱无章的状态，宏观磁性消失，几乎没有磁滞现象。磁流变体的这种特性称为超顺磁性，这个过程就称为磁化强度的驰豫[7]。88磁流变体的特性(2)粘度特性在无外加磁场作用时，磁流变体具有牛顿流体的特性。由于磁性粒子的存在，磁流变体的粘度要比其基液的粘度大。当基液含量一定时，铁磁流体的粘度随外加磁场的增大而增大，最后达到最大而不再变化，且外加磁场方向不同粘度增大也不同另外磁流变液的粘度还受到温度的影响，当温度升高时，磁流变液的粘度减小。89磁流变体的特性(3)屈服剪应力

磁流变液在磁场作用下固化后可以承受机械力。像其他固体材料一样,使磁流变液发生破坏的应力称为屈服应力,此时微粒链断裂,材料开始流动。为了某种工程应用,希望屈服应力尽可能大些,而磁流变液正好顺应了这种要求。在240kA/m时可达100kPa,是电流变液的20~50倍。90磁流变体的特性(4)温度特性磁流变体的饱和磁化强度随温度的升高而减小，至居里温度点时，磁性完全消失，温度下降至居里温度点以下时磁性可重新恢复。磁流变液的工作温度范围较宽,它能在-40~150℃的范围内工作。由于采用的载液的温度稳定性能较好,在这个温度范围内由载液的扩张与收缩引起的粒子体积分数变化对屈服应力的影响比较小,这样大大拓宽了磁流变液的应用领域。此外，除了上述的特性外，磁流变液还具有这些特性：磁热特性、表面特性、热磁对流、蒸发特性、磁浮性、光学特性、声学特性等。91磁流变效应的影响因素磁场的影响旋转的磁场将诱导磁颗粒的转动，从而影响磁流变体的力学响应。除了力学性质可控，磁流变体的热力学性质、光学性质及声学性质也会随外部磁场变化。温度的影响温度对磁流变体的影响可依据居里点分为两个区间。当温度远低于居里温度时，铁磁材料的磁化性质受温度影响不大，此时母液的热胀冷缩会引起固体颗粒体积浓度的变化，从而影响磁流变的强度。当温度接近居里温度时，磁颗粒的磁性极化率急剧减弱，从而导致磁流变效应的完全消失。颗粒尺寸的影响磁流变体的屈服应力随粒子尺寸的增加而增加。另外，由单一尺寸颗粒构成的磁流变体的屈服应力比由多种尺寸构成的磁流变体的屈服应力大。壁面效应“壁面效应”(WallEffect)也是影响磁流变效应的一个重要因素。壁面的粗糙度和材料对磁流变体的屈服应力影响很大。要使磁流变体的强度能够有效地传递到外部测试设备，必须保证壁面材料具有较高磁导率和磁饱和强度。92铁磁流体分类

磁流变体按磁性粒子种类可以分为：铁氧体磁流体、金属及其合金磁流体(钻，镍，稀有金属，钻——铁，锰——铁等)和氮化磁流变体按载液种类可以分为：水基、烷基、煤油基、硅油基、汞基、酉旨基、合金基和有机化合物基磁流变体按应用领域可以分为：有密封用磁流变体、润滑用磁流变体、医用磁流变体、扬声器磁流变体、印刷打印用磁流变体、能量转换用磁流变体等按性能指标可以分为：有低粘度和高粘度磁流变体，低挥发损失和高挥发损失磁流变体，高饱和磁化强度和低饱和磁化强度磁流变体，重磁流变体和轻磁流变体93目前磁流变液存在的问题目前开发的高性能MR液的悬浮粒子基本上都是Fe、Co、Ni及其合金、或铁氧等粒径为微米级的无机磁性粒子。它们不但密度很大（大多为7——8g/cm3甚至以上），而且磁滞回线是一狭长的椭圆，有相对较大的矫顽力与（有机）分散介质的相容性差，所以目前的MR液基本上均存在稳定性差、响应时间较长、可逆性不甚理想等缺点。这也限制了它的使用，在相当长的一段时间内，应用较少。94磁流变液的发展方向开发高饱和磁化强度和矫顽力低，甚至为零的磁性微粒制备技术是目前MR液领域的另一个研究重点。纳米技术制备的高性能的MR液解决了上述问题：磁性微粒足够小，小至纳米级（0——100nm），这样微粒的性能就发生了根本的变化，我们知道在纳米范围内，一些金属粒子具超顺磁性，（何谓超顺磁性，解释）例如：铁氧型的颗粒Fe2O3—6nm；Fe3O4—10nm呈现超顺磁状态，有在磁性粒子外包裹一层高分子表面活性剂，高度弥散于基油中，形成稳定的胶体体系。在磁场作用下，磁性颗粒带动被表面活性剂所包裹的液体一起运动。形成MR的条件是颗粒足够小。这样纳米技术制备的MR完全满足理想条件。颗粒足够小，不易沉降；矫顽力小，在动态磁场中，耗损很小；稳定性好95磁性液体的应用磁性液体雏形是在1938年就出现了。由于当时技术水平的限制，此后相当长的时间里没有得到进一步的研究和应用。1965年美国宇航局的帕佩尔为了利用磁铁来控制失重情况下的液体火箭燃料而制成磁性液体。六十年代以后磁性液体在电气、机械、化学、物理和仪表各个领域解决了过去的许多难题，设计和制造了全新的产品，推动了技术和生产的发展，因而受到科学技术界的重视，对它的物理和化学性质的研究日益深入，到目前，在国外已能使其广泛地应用于生产生活的各个领域。磁性液体在我国发展比较晚，但目前，我们已经可以成功地研制出多种类型的磁性液体如：水基磁性液体、双酯基磁性液体和氟醚油基磁性液体等，并已经把饱和蒸汽压低的磁性液体成功地应用在密封件上，达到了非常好的效果。现有的应用中，最实际的应用就是运动阻尼器。96磁性液体的应用磁性流体的应用主要基于以下两方面的特性:1)在外磁场的作用下可使磁性流体受力、流动或保持在一定的位置L用磁性流体密封、润滑、轴承、研磨、印刷、陀螺、光纤连接装置、继电器、医疗、选矿、废水处理等,均是利用了磁性流体的这一特征。2)在外磁场的作用下磁性流体的介质特性发生变化,如粘度特性、声学特性、温度特性、光学特性等L利用这一特性的主要应用包括磁性流体阻尼、制动器、新型扬声器、热能转换装置、传感器等。有许多应用是同时利用了磁性流体两方面的特征。

97MR离合器9899离合器100磁性液体的应用磁流变体阻尼器可以加大震动阻尼，减小共振，改善频率特性等，其原理是当外面的非磁性壳体旋转速度有变化时，引起内部的磁极(包括磁铁)和外部壳体的转动速度差，在外磁场的作用下，由于粘度特