智能材料与结构系统绪论 -

智能材料与结构概述【本章学习目标】★掌握材料在社会中的地位；★了解材料发展的几个历史阶段与未来趋势；★了解功能材料智能化的进程与典型实例；★掌握材料的“S特性”。【本章教学要点】知识要点能力要求相关知识材料与社会掌握材料在社会中的地位，了解材料发展的历史与趋势。材料的分类；材料与人类社会的发展材料的智能化了解生物信息的应用与发展。了解功能材料智能化的进程与典型实例。智能机器人；智能化城市材料的S特性掌握材料的“S特性”，了解评价材料机敏程度和智能结构的方法。材料的性质与评价世界最壮昆虫外壳有望制成智能材料世界上最强壮的动物是一种叫做“独角仙”的昆虫，虽然它是一种小型昆虫，却能够搬动相当于自己体重850倍的物体。它的神秘之处不仅于此，科学家还对它外壳的变色功能感兴趣。独角仙的外壳可以随着外界空气变潮湿其外壳的颜色由绿色变成黑色。来自比利时纳米尔大学的研究人员采用最新的扫描电子显微镜成像技术研究独角仙外壳颜色的变化特性，并用分光光度计分析外壳结构如何与光线发生交互影响。负责此项研究的纳米尔大学研究员玛丽·拉萨特说，“独角仙所呈现的外壳结构特征将成为未来一种”智能材料“的重要特性，科学家可以依据这种特征研制作为湿度探测器的新型材料，它可用于在食品加工厂监控湿气指数。”这项研究内容已发表在2008年3月11日出版的《新物理学杂志》上。1.1材料与社会材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。材料是人类生活和生产的物质基础，是人类认识自然和改造自然的工具。人类文明被划分为旧石器时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代等，由此可见材料的发展对人类社会的影响。1.1材料与社会材料也是人类进化的标志之一，任何工程技术都离不开材料的设计和制造工艺，一种新材料的出现，必将支持和促进当时文明的发展和技术的进步。从人类的出现到21世纪的今天，人类的文明程度不断提高，材料及材料科学也在不断发展。在人类文明的进程中，材料大致经历了以下五个发展阶段。1.使用纯天然材料的初级阶段在原古时代，人类只能使用天然材料（如兽皮、甲骨、羽毛、树木、草叶、石块、泥土等），相当于人们通常所说的旧石器时代。这一阶段，人类所能利用的材料都是纯天然的，在这一阶段的后期，虽然人类文明的程度有了很大进步，在制造器物方面有了种种技巧，但是都只是纯天然材料的简单加工。

人类单纯利用火制造材料的阶段这一阶段横跨人们通常所说的新石器时代、铜器时代和铁器时代，也就是距今约10000年前到20世纪初的一个漫长的时期，并且延续至今，它们分别以人类的三大人造材料为象征，即陶、铜和铁。这一阶段主要是人类利用火来对天然材料进行煅烧、冶炼和加工的时代。例如人类用天然的矿土烧制陶器、砖瓦和陶瓷，以后又制出玻璃、水泥，以及从各种天然矿石中提炼铜、铁等金属材料，等等。

利用物理与化学原理合成材料的阶段20世纪初，随着物理学和化学等科学的发展以及各种检测技术的出现，人类一方面从化学角度出发，开始研究材料的化学组成、化学键、结构及合成方法，另一方面从物理学角度出发开始研究材料的物性，就是以凝聚态物理、晶体物理和固体物理等作为基础来说明材料组成、结构及性能间的关系，并研究材料制备和使用材料的有关工艺性问题。由于物理和化学等科学理论在材料技术中的应用，从而出现了材料科学。在此基础上，人类开始了人工合成材料的新阶段。利用物理与化学原理合成材料的阶段这一阶段以合成高分子材料的出现为开端，一直延续到现在，而且仍将继续下去。人工合成塑料、合成纤维及合成橡胶等合成高分子材料的出现，加上已有的金属材料和陶瓷材料（无机非金属材料）构成了现代材料的三大支柱。除合成高分子材料以外，人类也合成了一系列的合金材料和无机非金属材料。超导材料、半导体材料、光纤等材料都是这一阶段的杰出代表。

从这一阶段开始，人们不再是单纯地采用天然矿石和原料，经过简单的煅烧或冶炼来制造材料，而且能利用一系列物理与化学原理及现象来创造新的材料。并且根据需要，人们可以在对以往材料组成、结构及性能间关系的研究基础上，进行材料设计。使用的原料本身有可能是天然原料，也有可能是合成原料。而材料合成及制造方法更是多种多样。材料的复合化阶段20世纪50年代金属陶瓷的出现标志着复合材料时代的到来。随后又出现了玻璃钢、铝塑薄膜、梯度功能材料以及最近出现的抗菌材料的热潮，都是复合材料的典型实例。它们都是为了适应高新技术的发展以及人类文明程度的提高而产生的。到这时，人类已经可以利用新的物理、化学方法，根据实际需要设计独特性能的材料。现代复合材料最根本的思想不只是要使两种材料的性能变成3加3等于6，而是要想办法使他们变成3乘以3等于9，乃至更大。严格来说，复合材料并不只限于两类材料的复合。只要是由两种不同的相组成的材料都可以称为复合材料。

材料的智能化阶段自然界中的材料都具有自适应、自诊断合资修复的功能。如所有的动物或植物都能在没有受到绝对破坏的情况下进行自诊断和修复。人工材料目前还不能做到这一点。但是近三四十年研制出的一些材料已经具备了其中的部分功能。这就是目前最吸引人们注意的智能材料，如形状记忆合金、光致变色玻璃等等。尽管近10余年来，智能材料的研究取得了重大进展，但是离理想智能材料的目标还相距甚远，而且严格来讲，目前研制成功的智能材料还只是一种智能结构。材料科学的发展趋势主要集中在以下几个方面：超纯化（从天然材料到合成材料）、量子化（从宏观控制到微观和介观控制）、复合化（从单一到复合）、智能化（从被动到主动）可设计化（从经验到理论）。当前，高技术新材料的发展日新月异，材料科学的内涵也日益丰富。1.2材料的智能化1.1.1生物信息生物体均存贮信息，脱氧核糖核酸(DNA)存贮很长期信息。此信息用于增强生物体的生存机会，因为基因程序使生物体适于在此存活，DNA起着重要甚至尚未认知的作用，例如基因库的特性存贮就是便于一代代遗传下去。基因DNA双螺旋结构1.1.1生物信息既然DNA大分子本身具有智能性。如何将其引入先进材料系统，使其具有商业价值，这就需将生物大分子与合成高分子材料整合。美国社邦公司从事的研究与开发。诊断用生物传感器和杂化材料DNA基纳米材料由DNA构筑新材料1.1.2生物材料智能化生物材料（Biomaterial）是用于对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的新型高技术材料。它是研究人工器官和医疗器械的基础，己成为材料学科的重要分支，尤其是随着生物技术的莲勃发展和重大突破，生物材料己成为各国科学家竞相进行研究和开发的热点。当代生物材料已处于实现重大突破的边缘，不远的将来，科学家有可能借助于生物材料设计和制造整个人体器官，生物材料和制品产业将发展成为本世纪世界经济的一个支柱产业。1.1.2生物材料智能化微球功能的智能化智能生物材料与组织工程向生物体逼近——新陈代谢向外部告知状态的材料磨出胼胝的材料能变软变硬的材料灵巧材料与组织工程④组织与器官重建技术①力学信号（拉伸、剪切、静水压）②化学信号（细胞因子、生长因子、细胞粘连因子、血管形成因子）③组织重建支架、灵巧生物材料的开发（仿生表面工程、分子支架材料与控制释放技术等）传感器传动装置储存器加压前加压后1.2.3功能材料智能化功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。1.2.3功能材料智能化胶原弹性蛋白蚯蚓皮肤几何结构实验室中生长的角膜光驱动元件快速响应纳米碳管传感器特异蛋白质高速定位化学组装电子纳米计算机分子纳米电子装置灵巧催化剂和底物分子构象记忆元件高分子复合材料的自愈合1.2.4结构材料智能化结构材料是以力学性能为基础，以制造受力构件所用材料，当然，结构材料对物理或化学性能也有一定要求，如光泽、热导率、抗辐照、抗腐蚀、抗氧化等。结构材料的智能化与功能材料相比要困难的多，它要求材料能检出(诊断)缺陷、热历史和力学历史伴生的微小裂纹，残余应力等引起的材料内部微小的损伤，以预测其危险性。1.2.4结构材料智能化结构材料智能化的相关传感功能实施可利用人射激光损耗(光纤复合化)、导电率的变化(碳纤维复合化)，表面弹性波、声发射和磁变形效应等原理。执行动能常采用压电元件使基材变形即微裂缝闭合；或形状记忆合金通电加热产生相转变，是龟裂闭合。1.3材料的S特性生物品种的存在取决于它们的动态能力，包括自养育(新陈代谢)、自诊断、自修复、自调整、自繁殖等，这些能力的产生是为了适应环境变化，所以通称为自适应。这种功能在材料中被归纳为所谓的“S特性”，即自诊断(Self-Diagnosis)、自调整(Self-Tuning)、自适应(Self-Adaptive)、自恢复(Self-Recovery)自修复(Self-Repairing)等。下表列出一些常见材料的自适应特性。某些材料的自适应特性物质或材料环境作用材料的自适应不锈钢含氧的化学介质钝化膜保护基体相变诱生塑性钢外力相变提高抗断能力氧化锆外力相变陶瓷增韧发汗材料热降低材料的温度钢铁水介质及外加电源阴极保护结构消振材料声减振降噪材料的机敏度用材料的机敏度(MalerialSmartnessQuotient，MSQ)可以评价和表征材料的机敏程度。电流变体和磁流变体电流伸缩材料和压电材料形状记忆材料离子聚合物凝胶蛋白质核糖核酸、脱氧核糖核酸结构的智商不同结构的智商将智能芯片植入人体已不是天方夜谭

已经是晚上10点钟了，（如果你的孩子现在还没有回家，）你可能无法知道他们身在何处，但一枚小小的芯片却可以帮你的忙。你还可以通过芯片知道你的孩子是否摔倒了，是