智能材料与构造知识概述

--------智能材料构造(Ｓmａrt/IｎtelligentMaｔerｉａlsandＳｔrｕctures)是一门兴起的多学科穿插的综合科学。80年月后期,随着材料技术和大规模集成电路的进展,美国军是近年来飞速进展的一个领域,这一领域的争论也越来越受到人们的重视1998争论成为材料科学与工程的热点之一，有人甚至称21世纪是智能材料的世纪，目前美国已有几十家公司经营智能材料构造的产品桥梁、水坝、电站、飞行器、空间构造、潜艇等振动、噪声、外形自适应把握、损伤自愈合等方面具有良好的应用前景。第一节 智能材料的概念及分类智能材料构造的诞生有着确定的背景。８０年月末期，复合材料普遍使用，为解决它的强度和刚度变化等问题，使得驱动元件和传感件较为简洁地融合进入材料，组成整体,从智能材料构造的消灭。材料科学的进展,使得人们对机械、电子、动作等材料的多方面性能制等方面的难题,这些都为智能材料构造的消灭供给了有利条件。1.１智能材料的概念及其特点智能材料系统和构造的有关名称定义目前尚不统一,但一般智能材料系统都应当具有敏感、处理、执行三个主要局部。一般来说，智能材料是能够感知环境变化(传感或觉察的这种构造称为智能材料构造。它是一个类似于人体的神经、肌肉、大脑和骨骼组成的系统，而基体材料就相当于人体的骨骼。而智能材料是能够感知环境变化，通过自我推断和结论，之中，其争论成果涉及了信息、电子、生命科学、宇宙、海洋科学技术等领域。它的争论开发孕育着一代的技术革命。智能化将成为2１世纪高分子材料的重要进展方向之一。路依据传感元件得到的信息驱动元件动作系统,具有感官功能,驱动元件相当于人体的肌肉,把握系统相当于人的大脑。智能材料与一般1１－1被动构造 把握构造 智能构造动构造扰 反响 扰动动构造构造反响 执行器传感器构造扰动 反响构造执行器

传感器把握器

把握器1１-1智能材料与一般功能材料的区分２智能材料分类智能材料及高分子系智能材料。金属系智能材料由于其强度比较大耐热性好且耐腐蚀性能好,常用在航空航天和原子能工业中作为构造材料。金属材料在使用过程中会产生疲乏龟裂及蠕变变形而损伤,所以期盼金属系智能材料不但可以检测自身的损伤两大类。无机非金属系智能材料的初步智能性是考虑局部可吸取外力以防止材料整体变坏此类智能材料在电流变流体、压电陶瓷光质变色和电质变色材料等方面进展较快。格外活泼,其次还有智能高分子膜材、智能高分子粘合剂、智能型药物释放体系和智能高分子基复合材料等。依据构造来分，智能材料构造可以分成两种类型，分述如下:(1)嵌入式智能材料测外界赐予的信息，把握处理器指挥驱动元件执行相应的动作。(２〕材料本身具有确定的智能功能某些材料微构造本身具有智能功能,能够随着环境和时间转变自己的性能，例如自滤波玻璃和受辐射时能自衰减的IｎP目前智能材料构造在英语中承受两种写法:一为INＴＥLLIGＥNTMATERＩAＬSTRUCUREＮARTＡTEIＡLSTＵCTUR“INTELLE它的定义是具有才智和智力,有思考和推理的本领；和具有灵敏的体会、解释和正确打算的SMAR即具有联想及计算力气，灵敏快速有效的能动性和有生气的活度。目前很多文章中也将“SMARTINＴELLGENTMATＥRIAＬＳTRUCTURE”比“SMARTMATERIＡLSTRUＣTURE”要简洁,要高级,前者是仿生命功能的材料，具有识别、区分、推断、动作等额外功能；后者只能灵敏识别和动作,不具有分析推断的力气。其次节 智能材料构造的信息处理方法11-2图1１－２是智能构造的动作流程图。首先识别外界参数，通过分析、推断,然后行动。其中行动是依靠埋入材料中的驱动元件来实现，它能够自适应的转变构造外形、刚度、位置、应力状态、固有频率、阻尼摩擦阻力等。对驱动元件的要求是：驱动元件应能和构造基体材料很好结合，具有高的结合强度；驱动元件本身的静强度和疲乏强度要高;鼓舞驱动元件动作的方法要简洁和安全,对构造基体材料无影响要小；鼓舞后的变形量要大,并能伴随着产生鼓舞力,而且能够把握;驱动元件在反复鼓舞下,保持性能稳定；驱动元件的频率响应要宽，响应速度快，并能把握。正在争论和使用的驱动元件有外形记忆合金、压电元件、电流变材料、磁致伸缩材具有特点,也就是每种驱动元件都有他们的特色，但也存在问题。提高驱动元件本身的性能，满足上述六条要求；改善驱动元件的鼓舞方法；争论多种鼓舞元件组合使用的方法，到达取长补短的目的；争论型的复合驱动元件;争论驱动元件在材料中的布置方案。实时的振动状态,所以它必需有足够的牢靠性、敏感性和较高的反响速度，以便能快速、准确地得到振动信息;另外,还要求其具有体积小,易于集成的特点。致动器是执行信息处理单构造的神经中枢。智能构造的设计中首先要明确应用目标,然后分析把握目标的具体要求，确定智能构造论以及自动把握理论,建立合理的数学模型,构建把握系统,并选择有效的把握策略。第三节智能材料构造中的驱动元件及外形记忆合金2090德国、意大利等国都召开了学术会议或是专题学术争论会。3.1目前争论投入较多的智能材料的驱动元件主要有作为执行器的开关记忆材〔含外形记忆合金、陶瓷、薄膜三个类型〕;压电材料〔到聚传感、驱动和把握于一体的智能材料。压电材料在受到应力作用时会产生电荷分布,同样在压电材料上外加电压时,会发生形变，成为逆压电效应,因此压电材料即可做传感材料又可做执行材料。压电材料分为陶瓷压电材料如石英、钛酸钡等和有机聚合物压电材料如片聚二氟乙烯树脂〔PVDF)。在同样单位优良的加工性能,制备智能材料不受外形的限制，因此有机聚合物压电材料更适合制备智能材料。压电陶瓷还可以象制作玻璃纤维一样制作压电陶瓷纤维成压电复合材料，集传感与驱动于一体。３.2外形记忆合金是智能材料构造中最先应用的一种驱动元件,它集感知和驱动于一体。形变消逝，并回复到高温下所固有的外形。再进展加热或冷却时，外形保持不变,这就是〔ＳhapｅMemｏｒyEffｅcｔ〔SｈapeMeｍｏryAｌloys，SMＡ.)。材料在高温下制成特定外形,在低温任意变形，加热时再恢复为高温外形，重冷却还保持高温时的外形时，我们称之为单程记忆效应。例如目前国内商品化的NiTi外形记忆合金丝，在低温马氏体组织时,加外力使合金应变<8%后,对材料加热，温度超过马氏体相变点时,外形回复率可达1０0%。但随着循环次数的增加,外形记忆特性会衰减,存在一个疲乏寿命。当回复变形在2％以下时，疲乏寿命为1０5次,对于埋入构件基体材料中的外形记忆合金的初始变形很大,但回复量很小，因此它的疲乏寿命可达1０7次。对材料进展特别的处理,使材料能够记住高温存低温状态的两种外形,即加热时恢复高温外形,低温时恢复低温外形,我们称之为双程外形记忆效应或可逆外形记忆效应NiTi合金经过确定的热处理训练，不仅在马氏体逆相变过程中能完全回复到变形前的状态,而且在马氏体相变过程中也会自发地发生外形变化，回复到马氏体状态的外形,而且反复加热冷却都会消灭上述现象。此外还有一些合金称为全方位外形记忆合金，在冷却到更低的温度,可以消灭与高温时取向相反，外形一样的现象。NiＴi合金的全方位记忆薄片的模式图见图１1-3。将试样4０0~５00C1－3(a)所示;当试件冷却到M

’时,外形接近直线状态，如图11-3(b)；冷却到Ｍ以下时,试件的外形发生ｆ f180 C11-3(ｃ)A和A’11-３〔d)ｆ f和(e〕’的外形〔a〕和低于Mf

的外形(ｆ〕之间是可逆的。11－3NiTiM’/A’为中间相变态温度ｆ ｆ图１１-4(a〕是一般金属材料的应力应变曲线，当应力超过弹性极限,卸除应力后，留下永久变形,不会回复原状；图11-4(b〕是超弹性材料的应力应变曲线，超过弹性极限后应力诱发母相形成马氏体，当应力连续增加时,马氏体相变也连续进展,当应力降低时,相变按逆向进展，即从马氏体转向母相，永久变形消逝这种现象叫超弹性记忆小效应〔PME；图11-4(c〕(SMＥ)。图１1-4超弹性材料和外形记忆材料的应力－应变曲线(a〕一般金属 (ｂ〕超弹性材料(c)外形记忆合金外形记忆效应是由于马氏体相变造成的。除钢铁外，大多数合金中的马氏体相变是可逆的，即冷却时由母相Ｐ转变为马氏体相MPM，加热时马氏体相MPT０温度时相等,不发生转变，必需温度低于T0时存在的相变阻力，即温度冷到M马氏体相变才开头进展。随着温度下降，马氏体量会逐s渐增多,直到M温度时，马氏体转变才终止。同样理由，马氏体要可逆的转为母相，加热温f度必需高于T温度,而且要加热至A0 ｓ f常称：M 马氏体相变〔P M〕开头温度;ｓＭ 马氏体相变(Pf

M〕终了温度；A 马氏体转变为母相(马氏体逆相变MsA 马氏体相变为母体〔马氏体逆相变Mｆ

的开头温度;P〕的终了温度。广泛用于医疗设备、航空、航天、仪器仪表、机器人、自动把握以及人造卫星、能量转换等领域。近年来在陶瓷材料、超导材料以及高分子材料中觉察各具特色的外形记忆效应,引起了世界各国学者的广泛关注。３．２．1外形记忆合金是争论最早的一种材料，它的操作功能主要分为５个方面。①单程记忆效应:在低于Ｍ温度之下时,加压力样品变形，去掉压力时不能完全恢复，ｆ当加热到A之上时残存的形变才能恢复。f②双程记忆合金效应，当温度冷却到Mｆ之下时自发的形变产生,当温度再升到Ａｆ之上时形变恢复。③形变恢复应力,在Mf温度下样品受压变形,去掉压力,保持在位置上再加热应力产生。MfW，将样品加热到Ａf之上,形变应力产生并且做功，称为功输出。⑤超弹性或伪弹性效应,在AfA载后样品的形变又完全恢复。外形记忆合金这些特有的功能与外界温度和内部的马氏体相应亲热相关的关系。目前虽然有很多外形记忆合金体系,但能够商品化的只有少数几个，如Ni—Ti、Ni—Ti—Cu、Ｃu—Ｚn—AlCu—Aｌ—ＮiFｅ—Mn—Si而具有潜在应用的体系有Ni—Ａl和Ｎｉ—Ti—Zi合金体系，目前在制备或性能上还有一些缺陷。在全部外形记忆合金体系中Ni—Ti合金是最具有使用价值的，有人做过数百万次试验，觉察其恢复性能照旧保持。ＴiNi等原子比的TiNii元素的质量分数为55~56物相容性,因而得到广泛的应用,特别在医学与生物上的应用是其他外形记忆合金所不能替代的。由于合金成分不同,相变可以有不同路径。在材料使用过程中,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外形恢复程度,回复应力，使用中的疲乏寿命，即经受确定热循环或应力循环后记忆特性的衰减状况。此外,相变温度及正逆相变的温度滞后更是关键参数。而上述这些特性又与合金的成分成材工艺热处理(包括冷热加工)条件及其使用状况等亲热有关。TiNｉ记忆合金的相变温度对成分最敏感。Ni含量每增加０.１％，相变温度会降低10Ｃ。第三元素对TiNiFe、Ｃｏ等过渡族金属的参与均可引起MsNiTeRRCuNｉ后,Ms且由于削减相变滞后,使该类合金具有确定的使用价值。为获得记忆效应,一般将加工后的合金材料在室温加工成所需要的外形并加以固定,随后在400-500之间加热保温数分钟到数小时(定形处理)后空冷，就可获得较好的综合性能。对于冷加工后成形困难的材料，可以在８00以上进展高温退火，这样在室温极简洁成形，随后于200－300保温使之定形.此种在较低温度处理的记忆元件及外形回复特性较差。富Ｎi的TiＮｉ合金需要进展时效处理,一则为了调整材料的相变温度,二则可以获得综合的记忆性能.处理工艺根本上是在８0０-1０040０-５0０时效处理假设干时间〔5001Ms为了使合金式样反复屡次的在升温存降温中可逆的发生外形变化(即双向记忆),最常Ms温度,依据所需的外形将试件进展确定限度的可以回复AｆMs为前述的低温所需外形,如此反复屡次后,就可获得双向记忆效应,在温度升降过程中，试件均可自动的反复记忆凹凸温时的二种外形。这种记忆训练实际上就是强制变形。对于Ti-51％(原子分数〕Ni合金不仅具有双向记忆性能,而且在高温与低温时,记忆i11Ni1４析出相产生的某种固定的内应力所致。无论上述何种记忆处理，为了保持良好的外形记忆特性,其变形的应变量不得超过确定值,该值与元件的外形、尺寸、热处理条件、循环使用次数等有关,一般为６％〔不包括全方位记忆处理)．同时在使用中，在外形记忆合金受约束状态下,要避开过热,也即记忆高温态的温度只需稍高于Aｆ温度即可。铜基外形记忆合金尽管外形记忆合金具有强度高、塑性大、耐腐蚀性好等优良性能,但由于本钱约为铜基记忆合金的十倍而使之应用受到确定限制活泼,但需要解决的主要问题是提高材料塑性改善对热循环和反复变形的稳定性及疲乏强度等。铜基外形记忆合金的相变温度对合金成分和处理条件极敏感－Ａl-4.０Ni10001０与１00Ｍｓ对应为-１160。因此实际应用中,可以利用淬火速度来把握相变温度。CuZnAlCuAlNi合金，相变温度对Al合金设计时参考:CuZnAｌ Ｍs=2221－52x(％Zn(质量分数))-1３7ｘ(%Ａl(质量分数))CｕAlNi Mｓ=２2９３-45x(%Ni(质量分数))-13４x(%Ａl(质量分数))CuＡlNi等铜基合金在反复使用中，较易消灭试样断裂现象，其疲乏寿命比NiＴi合金低2-3上,为了保持应变的连续性，必会产生应力集中，而且晶粒越粗大,晶面上的位移更大,极易造成沿晶开裂。目前在生产中,已通过添加Ti、Zr、V、B等微量元素,或者承受急冷凝固法或粉末烧结等方法使合金晶粒细化，到达改善合金性能的目的。铁基外形记忆合金早期觉察的铁基外形记忆合金FePｔ和FeＰd１982年有关FｅMnＳi得到解决或突破,可望在将来的开发应用上有很大的进展。铁基外形记忆合金的最大回复应变量为2%,超过此形变量将产生滑移变形，导致ε-马氏体与奥氏体界面的移动发生困难。具有外形记忆效应的合金系已达二十多种,但其中得到实际应用的仅集中在ＴiNi合金CuＺnAｌ合金，CuAｌＮiＦeMnSｉ系记忆合金也在开发应用中。这些合金由于成分不同，生产和处理工艺的差异，其性能有较大的差异。即使同一合金系,成分的微小差异也会必需考虑其回复力、最大回复应变、使用中的疲乏寿命及耐腐性能等。一般来说，TｉNｉ合金记忆特性好,但价格昂贵。铜基记忆合金本钱低，有较好的记忆性能,但稳定性较差,而FeＭnSi际应用要综合考虑材料的用途、使用环境、使用方法及本钱等各因素,以便选取适宜的外形TiNi警警报器等只需一次动作的元件就往往选用CuＺnAl外形记忆陶瓷近几年来人们又开发出外形记忆陶瓷,可在电场作用下发生形变这种材料由于电场转变速度和范围比温度大的多，因而影响速度快,使用范围宽，缺乏之处0８—1，但这或许适合某些特定的场合。图11－５ 外形记忆陶瓷的构造图11-5E２型,空间群为O1ABO3B为金属离子,这里APｂ2+)Ｂ(Ｚr4+Ti4+)离子。图1１－6PZT平衡相图通过调整温度和Ａ、B的组成钙钛矿晶体的外形会发生转变,如图1１-6所示。不同量的离子置换PZT时产生相变,四周体构造和六面体构造均为铁电相，而八面体构造为反铁电材料的极化导致应力的产生,对于反铁电体，由于内部含有两个极性相反的区域，宏观极性一个大电场,就可以使反铁电相转变为铁电相,相变伴随着晶格变形，导致净体积增长,产生形变，相变形式如下：AＦE 电场 FE当电场降低,材料回复到原始状态还是保持铁电相状态，取决于材料的精准组成，一般在相图边界限上的亚稳态比较简洁形成外形记忆陶瓷。1１－7外形记忆陶瓷主要用于在空间光学望远镜的自适应调整上11－7为镜面调整示意图,可用在哈伯望远镜、日冕仪等，另外样子记忆陶瓷还有期望用作能量储存执行元件。外形记忆薄膜备Ti—Ni、Ｃｕ—Ｚn、Au—Cd等薄膜。外形记忆合金薄膜具有一些潜在的应用,如可能应用在智能构造的阻尼器，微机械手、微弹簧中。3.3外形记忆合金的应用从2０世纪7０年月开头外形记忆合金得到真正的应用，至今已有二十多年,应用领域极广,从周密简洁的机器到较为简洁的连接件、紧固件，从节约能源的外形记忆合金发动机引起的组织变化,更适合于严禁明火的管道连接，而且具有操作简便，性能牢靠等优点。用作控温器件的记忆合金丝被制成圆柱形螺旋弹簧作为热敏驱动元件。其特点时利用外形记忆特性,在确定温度内,产生显著的位移或力的变化弹簧就可使阀门来回运动。也就是具有双向动作的功能。当温度降低时,偏压弹簧压缩外形CuＺｎＡl利用偏压弹簧使外形记忆元件具有双向动作功能的还有机器人手臂、肘、腕、指等动的弹力使之变形。设计中，记忆元件与偏动弹簧不愿定在同一轴上,依据需要以不同方式、不同角度协作以完成特定的来回动作需要。外形记忆合金作为机械执行器的主要优点有:①机械构造简洁、紧凑、安全、常见的构造有丝状和螺圈状。②在无重力的工作条件下能产生清洁、静音的无火花的操作，特别适合航天航空领域。③高的能/〔＜1０ｇ/重比远高于其他执行器。这意味着外形记忆合金格外适于微执行技术。④高阻尼性能,在冲击波和震惊能量下，SMA0%。工业上常用外形记忆合金作开关,用于电路冷却阀门、火警探测系统、阻尼装置等。医学上主要利用外形记忆合金的超弹性性质，最成功的应用是用于牙科矫正术上的正牙线上，它可以在歪斜的牙上产生很小的而又持续的力使歪牙扶正。用于医学领域的记忆合金除了具备所需要的外形记忆或超弹性特性外,还必需满足化属离子,其中某些金属离子会引起癌病、染色体畸形等各种细胞毒性反响，或导致血栓等，入生物体内。在现有的有用记忆合金中，经过大量试验证明，仅TiＮi合金满足上述条件。TｉNiTｉNi合金在医学上应用较广的有口腔牙齿矫形丝以及外科中各种矫形棒、骨连接器、血管夹、凝血虑器等。近年来血管扩张元件等应用也见报道。牙齿矫形丝是利用TiＮi时,即使产生很大的变形也能保持适宜的矫正力,不仅操作便利,疗效好,而且可减轻患者的不适感。TｉNi10%仍不会发生塑性变形。11－８是用于矫形丝的各种材料的负载与变形曲线。由比照可见,传统用的不锈钢和CｏCr合金的弹性系数大,相对于很小的变形就需要较大的负载,而且产生明显的永久变形。TｉNi11－8脊柱侧弯矫形用哈氏棒通常是用不锈钢制成，但由于植入人体后以及在随后使用中，矫正力明显下降,甚至在半个月后下降５5者在精神上、肉体上承受较大苦痛。改用外形记忆合金只需一次安放固定手术。一般是将TiNi合金棒记忆处理成直棒,然后在Mｓ以下温度(通常是冰水弯成与人体畸形脊柱相像的外形〔弯曲应力小于8％),马上安放于人体内并加以固定。手术后通过体外加热使温度高于5-1０℃,这时ＴiNｉ合金棒渐渐回复到高温相状态，产生足够的矫正力。TｉNi合金的Af温度定在体温以〔或合金钉等)按所需外形记忆处理定形,在手术时,将定形板在冰水中(<Ms)变形成便于手术安装的外形,植入所需部位固定，靠体温回复固定板外形。用记忆合金固定骨折等环患处，患者苦痛少，功能恢复快,是格外行之有效的方法。F—16战斗机机翼上。用于自修复功能，在机器人上用来制造人造肌肉。第四节智能材料的应用首先开展智能材料构造争论的是美国军界,约在198４年美国陆军科研局就旋翼飞行器技术争论给于赞助,争论内容是减小旋翼桨叶的振幅和扭曲。美国空军着重于航空和航天飞行器智能表层的争论,将该工程落实在美国空军科研工程推想Ⅱ中,被认为是急需进展的,有创始性的工程,美国空军莱特争论和进展中心的航空设备试验室又规划了智能表层的进展路线图。1988年以后,美国各大学和航空航天机构的公司、争论所都参与争论,他们设计的面很FY9２_ＦＹ9６的边缘科学争论规划(即代号UＲ1)及陆军科研局和海军科研局都给于智能材料与构造探究者赞助。UR1地面运输装置,例如减小构