功能材料-智能材料

第六章智能材料新型功能材料

NewFunctionalMaterials智能材料第一节智能材料的定义第二节金属系智能材料第三节无机非金属系智能材料第四节高分子系智能材料第五节智能材料的使用领域第一节智能材料的定义

一.智能材料的定义所谓智能材料(IntelligentMaterials)就是同时具有感知功能即信号感受功能(传感器功能)，自己判断并作出结论的功能(情报信息处理功能)的材料。因此智能材料必须具备三个基本要素：感知、信息处理和执行功能。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。第一节智能材料的定义二.智能结构与系统

智能结构与系统是把传感器、驱动器、光电器件和微处理机等埋在复合材料中，形成的既能承载又具有某些特定功能的功能性结构材料，即是将不同功能的材料通过不同层次的“复合”赋予材料多重功能，这就形成所谓智能材料结构与系统的概念。第一节智能材料的定义由若干独立成分组成的一个协调的、相互作用的系统。典型智能结构的基本成分为纤维/树脂基复合材料。智能结构先进复合材料智能结构的基础，它提供智能结构所需的强度和刚度。传感器用来监测应变、位移、温度、加速度、压力及其他参数。第一节智能材料的定义通信网络控制系统将来自控制系统的指令转换成可控制的作用力施加到结构上去。把传感器、驱动器、光电器件和微处理机等连接起来。分析传感器读数，指出所需的输入控制信号，控制适当的驱动器运动。驱动器第一节智能材料的定义

当前完成智能材料系统和结构的主要材料有形状记忆材料、压电材料(含压电陶瓷、压电聚合物)、电致磁致伸缩材料、光纤和电流变体、磁流变体等。

智能结构分为主动控制式和被动控制式。第一节智能材料的定义高级智能结构，具备先进而复杂的功能，能自动检测结构的静力、动力特性，在允许的范围内比较所检测的结果，然后进行筛选并确定适当的响应，以控制不希望出现的动态特性。主动控制式智能结构低级而简单，仅仅传输传感器所感受到的信息，如应变、位移、温度、压力与加速度等。被动控制式第一节智能材料的定义

三.智能材料的分类

按照组成智能材料的基材来划分：

(1)金属系智能材料主要指形状记忆合金材料(SMA)，形状记忆合金是一类重要的执行器材料，可用其控制振动和结构变形。

(2)无机非金属系智能材料主要包括压电陶瓷、电致伸缩陶瓷，电(磁)流变体等。第一节智能材料的定义

(3)高分子系智能材料由于人工合成高分子材料的品种多，范围广，所形成的智能材料因此也极其广泛，其中智能凝胶、药物控制释放体系、压电聚合物、智能膜等是高分子智能材料的重要体现。

从智能材料的自感知、自判断和自结论、自执行的角度出发，分为自感知智能材料(传感器)、自判断智能材料(信息处理器)以及自执行智能材料(驱动器)。第一节智能材料的定义这种材料在电场作用下，体积产生变化。由于高温可以破坏压电陶瓷、压电聚酯薄膜等的压电特性，因此在制造过程中，必须把温度保持在居里温度(200～350℃)以下。(1)压电体1.传感器用智能材料电阻应变仪是简单、廉价、应用技术成熟的传感器。它们一般用于测量制造后的结构表面各点的应变。若用同一材料制成丝状应变仪，就能适合自动化生产。(2)应变仪(3)光导纤维最有前途的智能结构传感器。由于光纤直径小，很容易适应复合材料的自动化生产。此外，光纤埋在复合材料结构中对结构的强度和刚度几乎没有影响。同一个光纤传感器可起两个作用，在复合材料结构固化时，可用于监控固化质量，在固化后，可作为应变传感器。第一节智能材料的定义(1)压电体驱动器用压电体与传感器用压电体材料相同，主要适用于高频和中等行程的控制，可以对智能结构进行主动控制。(2)伸缩性陶瓷可分为电致伸缩性陶瓷和磁致伸缩性陶瓷，它们根据所加电场和磁场的变化而改变体积。电致伸缩性陶瓷适合能量要求低的高频和低撞击应用，磁致伸缩性陶瓷对能量要求高。

2.驱动器用智能材料

第一节智能材料的定义在电位差作用下，粘度发生显著变化。它可以作为空间结构用驱动器，用于结构减振；填充在复合材料的直升机旋翼叶片内腔中用来控制旋翼刚度，达到减振目的。(4)电流变液理想的驱动器，通常以细丝状态用于智能结构，它主要适用于低能量要求的低频和高撞击应用。(3)形状记忆合金第一节智能材料的定义第二节金属系智能材料形状记忆合金是是一种兼有感知和驱动功能的新型材料，复合于普通材料中形成的智能结构材料，会发挥普通材料和形状记忆合金的双重优势。一.形状记忆合金形状记忆合金的主要特性：(2)自动进行热补偿，以减小或消除工热应力或主动控制运动件与静止件之间的间隙；(1)自动改变其几何外形，以适应工作状态变化的要求；(3)自动改变构件刚度，来进行振动的主动控制或转子临界转速的主动控制；(4)测量构件中某些特殊的参量等。第二节金属系智能材料二.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。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。第二节金属系智能材料磁致伸缩大小可以用磁致伸缩系数λ＝ΔL/L（相对伸缩量）表示。

磁致伸缩智能材料具有磁致伸缩值大、机械响应速度快和功率密度高特点，在国防、航空航天和高技术领域应用极为广泛。第二节金属系智能材料

热处理是提高磁致伸缩值的有效而主要的方法。理想的热处理可以将磁致伸缩值提高约24％。如Tb0.3Dy0.7Fe1.9经过处理后，磁致伸缩性都有不同程度提高。压力对材料磁致伸缩的影响也是显著的。当然除磁致伸缩合金外，也有磁致伸缩性陶瓷，后者对能量要求高。第二节金属系智能材料一、智能陶瓷

（一）、压电陶瓷（二）、电致伸缩陶瓷（三）、形状记忆陶瓷（四）、生物陶瓷二、电流变体三、电致变色材料第三节无机非金属系智能材料第三节无机非金属系智能材料一.智能陶瓷（一）压电陶瓷压电材料是能够把机械能转变成电能，反之亦然的材料。表征的主要参数有：压电系数d、电压系数g和机电耦合系数k。目前研究的智能陶瓷主要有压电陶瓷、电致伸缩陶瓷、形状记忆陶瓷、生物陶瓷等。

陶瓷通常不具有压电效应，但是陶瓷的主晶相若是铁电体，就能呈现出压电效应。因此，铁电陶瓷经过极化处理后就变成压电陶瓷。

锆钛酸铅Pb(Zr,Ti)O3(PZT)陶瓷具有钙钛矿结构，多晶体极化后属6mm点群。由于它的高机电耦合系数和易于改性，在机电传感器中占有极大的市场。

压电陶瓷PZT是高精度、高速驱动器所必须的材料，应用于各种光跟踪系统等。第三节无机非金属系智能材料

(二)电致伸缩陶瓷电致伸缩陶瓷是利用电致伸缩效应产生微小应变并能由电场非常精确控制的陶瓷。以铌镁酸铅Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(PMN)为代表的一大类驰豫型铁电陶瓷，在相当宽的温度范围内具有很大的电致伸缩效应，应变量达到10-3以上，拓宽了电致伸缩效应的应用。第三节无机非金属系智能材料(三)形状记忆陶瓷同时具有铁弹性和铁电性的陶瓷材料有很好的形状记忆效应。铁弹性指某些电介质材料在一定温度范围内应力与应变关系曲线相似于铁磁体的磁滞回线特征的性能。锆钛酸铅镧(PLZT)陶瓷是一种重要的铁电－铁弹材料，具有形状记忆效应。第三节无机非金属系智能材料生物陶瓷中研究的重点是羟基磷灰石(HAP)材料。它是自然骨和牙中主要的无机材料组分，具有良好的生物相容性。由于成型加工性差，目前常与有机材料制成复合材料，做骨填充及牙科材料。(四)生物陶瓷第三节无机非金属系智能材料二.电流变体1.定义电流变液是粒径为微米级的可极化粒子分散于绝缘油中形成的一种悬浮液。在电场作用下，由于粒子和绝缘油的介电常数不匹配，粒子便会发生极化，沿电场方向形成粒子链或柱，使流体的粘度显著提高，甚至发生液固转变。这种在电场作用下，流变性能的迅速可逆变化称为电流变效应。第三节无机非金属系智能材料1947年，一位叫温斯洛的美国人发现了该现象。

2.电流变液的组成以及稳定性

从材料的角度来看，性能优良的电流变液应该具有以下特点：(1)导电性低、消耗功率小和介电击穿电压高；(2)工作温度范围宽；(3)性能稳定、不沉降；(4)开/关特性好；(5)响应时间快；(6)不通电时，粘度尽可能小。第三节无机非金属系智能材料(1)电流变液的组成a.分散相：常用的有活性硅胶以及CoO等氧化物。b.分散介质：分散介质应满足下面的要求：高沸点、低凝固点，低粘度，高电阻率、高介电强度，高密度，化学稳定性好。c.添加剂：电流变液性能提高的关键是在添加剂的使用上。常用的添加剂有水、二甲亚砜、乙二醇等。第三节无机非金属系智能材料

a.使分散介质荷分散相的密度相匹配。因为分散相密度一般比较大，如果能找到密度大的分散介质，其毒性也大，同时也不可能严格的使密度相等；但是难以做到所有温度下都匹配。

b.对分散相表面改性或添加适当的表面活性剂。为避免增大体系的导电性，一般使用非离子表面活性剂。

(2)体系的稳定性电流变液为一种悬浮体系，较易聚沉，因此要做到保持其稳定性同时又具有较大的电流变性质，一般采可以用两种方法。第三节无机非金属系智能材料3.应用由于电流变材料的快速电场响应性，可以用于振动控制、自动控制、扭矩传输、冲击控制等方面。a.用作汽车制造业中的传动装置和悬挂装置。用电流变材料制备的离合器，通过电压控制离合程度，可实现无级可调，易于用计算机控制。b.电流变材料还可以用作阻尼装置、防震装置，如车用防震器、精密定位阻尼器等。c.电流变材料也可看作液体阀，用于机械手臂等的控制中。第三节无机非金属系智能材料

电致变色的原理是在外加电场作用下，材料由于电子、离子的双注入导致结构或价态发生可逆变化，进而调节材料的透过与反射特性，表现为材料颜色的变化。三、电致变色材料

电致变色器件通常由多层结构组成，即透明电极/电致变色薄膜/离子储备层/电极。

第三节无机非金属系智能材料当两组电极之间建立电场时，离子由离子储备层经过离子导体在电致变色膜中发生注入和抽出，从而导致电致变色薄膜的光学性能发生变化。

无机电致变色材料有NiO、

-WO3。近年来利用薄膜材料的电致变色特性制造了“电开关”自动控制灵巧窗，用于建筑采光等。第三节无机非金属系智能材料Internet一、药物控制释放体系（一）、程序式药物释放体系（二）、智能式药物释放体系二、智能凝胶（一）、响应水凝胶（二）、智能凝胶的设计（三）、凝胶的应用前景第四节高分子系智能材料三、其他高分子系智能材料（一）、形状记忆聚合物(SMP)（二）、聚合物电流变体（三）、聚合物电致变色材料第四节高分子系智能材料

一.药物控制释放体系

(一)程序式药物释放体系程序式药物释放体系就是指药物释放不受外界环境变化的影响，释放药物的速率、滞后时间由自身的结构决定。药物释放时间的控制方法有利用聚合物溶蚀速度控制和利用药物在聚合物的扩散释放控制。1.扩散控制2.化学反应控制3.溶剂活化体系控制药物被做成胶囊，由聚合物网络密度涨落的间隙扩散、渗出。药物也可以借助聚合物的生物降解释放得到控制。药片被半透膜包围，膜上用单束激光穿孔，外面的溶剂、水以恒速穿过膜，进入药片，驱使药物以恒速穿出激光孔。程序式药物释放体系(二)智能式药物释放体系智能式药物释放体系是根据生理和治疗需要，随时间、空间来调节释放程序，它不仅具有一般控制释放体系的优点，而且最重要的是能根据病灶信号而自反馈控制药物脉冲释放，从而达到药物控制释放的智能化目的。

1.外部调节式药物脉冲释放体系

2.自调节式智能药物释放体系3.靶向药物释放体系分类在这个体系中，外部刺激的信号主要有光、热、pH、电、磁、超声波等。人体在发病时就会产生某些特殊的信号，根据自身产生的这些信号来控制药物的释放，真正做到需要时给药，不需要时自动停药的智能药物释放体系。靶向制剂就是利用特异性的载体，把药物或其他具有杀伤肿瘤细胞的活性物质有选择性地运送到病灶部位，以提高疗效，降低毒副反应的制剂。分为:主动靶向和被动靶向。

二.智能凝胶

凝胶是由液体与高分子网络所构成，由于液体与高分子网络的亲和性，液体被高分子网络封闭，失去流动性。用凝胶材料构成的仿生系统能感知周围环境的变化，并作出响应。因此凝胶已经引起了人们的高度重视。

凝胶按来源可分为天然凝胶和合成凝胶，根据高分子网络里所含有的液体可分为水凝胶与有机凝胶，根据高分子交联方式可分为化学凝胶与物理凝胶等。第四节高分子系智能材料在外界条件，如pH值、温度、光、电场、离子强度、溶剂组成等的刺激下，能发生膨胀与收缩，这种膨胀有时候能达到几百甚至几千倍。第四节高分子系智能材料智能凝胶(一)响应水凝胶1.pH响应凝胶2.温敏性凝胶3.电场响应凝胶第四节高分子系智能材料对不同刺激发生响应的凝胶1.pH响应凝胶第四节高分子系智能材料具有pH响应性的凝胶，一般均是通过交联形成大分子网络。当pH值变化时，水凝胶体积随之变化。水凝胶在高于某一温度时发生收缩，而低于这一温度时，又迅速溶胀，此温度称为水凝胶的转变温度、浊点。一般解释为，当温度升高时，疏水相相互作用增强，使凝胶收缩，而温度降低，疏水相间相互作用减弱，使凝胶溶胀，即所谓的热缩凝胶。第四节高分子系智能材料

2.温敏性凝胶

第四节高分子系智能材料3.电场响应凝胶大部分凝胶的高分子网络都带有电荷，将一块高度吸水膨胀的水凝胶放在一对电极之间，然后加上适当的直流电压，凝胶将会收缩并放出水分。带正电的凝胶在电场下，水分从阳极放出，否则从阴极放出。如果将在电场下收缩的凝胶放入水中，则又会膨胀到原来大小。(二)智能凝胶的设计第四节高分子系智能材料将一些具有特殊效应或功能的基团等接枝到聚合物的侧链或聚合物的一端或两端上，是构成智能聚合物的最基本的思想。

一般来说，人工合成的高分子水凝胶的构造均呈无定形状态，没有规则，对外部环境的刺激反应迟钝，没有协同性。人工合成构造规则的凝胶，是赋予凝胶“智能”的基础。在高分子侧链上导入具有结晶能力的官能基，可以得到带有规则构造的凝胶。这样的凝胶在溶剂、温度、pH变化下产生可逆的有序无序构造变化。这种变化是相变过程，因此反应快、效率高。第四节高分子系智能材料(三)凝胶的应用前景

利用凝胶的pH、温度、电场等的不同响应特性，如果将药物埋植于凝胶中，就可以通过调节pH、温度等实现药物的控制释放。

如果将电解质凝胶在外加压力下产生的静电能取出来，凝胶可以成为压力传感器而使用。可以实现像人手指那样的人工触角系统。利用凝胶在外部环境刺激下的变形，人们设想出各种各样的化学能机械能转变系统，例如人造肌肉模型、化学阀、药物释放系统等。第四节高分子系智能材料三.其他高分子系智能材料(一)形状记忆聚合物(SMP)

SMP不仅具有变形量大、赋形容易、形状响应温度便于调整、保温、绝缘性好等特点，而且不锈蚀、易着色、可印刷、质轻价廉等特点。第四节高分子系智能材料根据形状记忆回复原理，SMP可分为热致形状记忆聚合物、电致形状记忆聚合物、光致形状记忆聚合物、化学感应形状记忆聚合物等。优点：费用低、光学质量好、颜色转换快、循环可逆性好。通常人们比较感兴趣的共轭高聚物电色材料有聚苯胺和一些五元杂环化合物的聚合物及它们的衍生物。(三)聚合物电致变色材料采用聚合物颗粒的电流变体可以克服无机颗粒坚硬、易于将金属电极磨损、易使电路短路等缺点。聚合物颗粒可以是聚电解质、吸附离子的聚合物或聚合物半导体。(二)聚合物电流变体第四节高分子系智能材料聚合物颜色氧化态/还原态响应时间

/ms稳定性循环次数聚苯胺聚吡咯聚噻吩蓝、紫色/浅黄色棕黑色/淡黄色蓝色/桔红色201501501062×104空气敏感106对空气不稳定几种典型电致变色共轭高聚物的特征

以共轭高聚物为基的复合型电致变色材料有两大类：第一类是由二种电致变色材料复合而成，如将共轭高聚物电致变色材料与某些无机电致变色材料复合。第二类电致变色复合材料是将共轭高聚物与有机染料或颜料结合起来。第四节高分子系智能材料

1、在军事领域中的应用

2、智能材料与住宅智能化

3、与现代医学相关联的智能材料第五节智能材料的应用领域

智能材料用于军事，是随着智能材料的发展不断发展的一个领域。1、在军事领域中的应用智能材料结构不仅象一般功能材料一样可以承受载荷，而且它还具有了其他功能材料所不具备的功能，即能感知所处的内外部环境变化，并能通过改变其物理性能或形状等做出响应，借此实现自诊断、自适应、自修复等功能。第五节智能材料的应用领域智能材料在军事应用中具有很大潜力，它的研究、开发和利用，对未来武器装备的发展将产生重大影响。目前，在各种军事领域中，智能材料的应用主要涉及到以下几个方面：第五节智能材料的应用领域（1）智能蒙皮作为智能传感元件的光纤用于飞机机翼的智能蒙皮中；在武器平台的蒙皮中植入传感元件、驱动元件和微处理控制系统制成的智能蒙皮，可用于预警、隐身和通信。第五节智能材料的应用领域目前美国在智能蒙皮方面的研究包括：美国弹道导弹防御局为导弹预警卫星研制含有多种传感器的智能蒙皮；美国海军则重点研究舰艇用智能蒙皮，以提高舰艇的隐身性能。（2）结构监测和寿命预测

智能结构可用于实时测量结构内部的应变、温度、裂纹，探测疲劳和受损伤情况，从而能够对结构进行监测和寿命预测。第五节智能材料的应用领域例如，采用光纤传感器阵列和聚偏氟乙烯传感器的智能结构可对机翼、机架以及可重复使用航天运载器进行全寿命期实时监测、损伤评估和寿命预测；空间站等大型在轨系统采用光纤智能结构，可实时探测由于交会对接碰撞、陨石撞击或其他原因引起的损伤，对损伤进行评估，实施自诊断。第五节智能材料的应用领域正在研究的自诊断智能结构技术有：

光纤传感器自诊断技术；可以测量裂纹的“声音”传感器自诊断技术；可监测复合材料层裂的传感器自诊断技术等。2、智能材料与住宅智能化未来的住宅可能是这样的：墙壁可以随心所欲的变换颜色；椅子可以随人体不同的需要改变温度和形状；一切的电器都是触摸式的，永远不会再有触电的危险；可视电话带有传感功能；……。第五节智能材料的应用领域

随着智能材料的发展，尤其是毫微塑料设想的提出，有可能设计出智能化住宅。虽然目前还处于设想阶段，但是已经开始着手进行研究，并且必然将在不久的将来成为现实。几种未来的智能产品如下：第五节智能材料的应用领域（1）多功能砖（2）食物器皿（3）座椅（4）智能材料的两种抗癌应用（1）多功能砖

多功能砖用来构建整个房屋的结构单元，这种结构单元具有变通性和智能性。这种多功能砖主要由以下三个分层构成：第五节智能材料的应用领域第一层是功能层，能感受来自周围的声能、热能、光能，并能控制这些能量的输出，如果是内墙壁砖，还能控制和改变墙的功能第二层是通讯层，能为居住者提供内外通信联系的通道第三层是输送通道，可以用来输送水和其它材料。面膜在砖材的最上层，它也具有多功能性。如壁膜可以使墙壁产生不同的色彩和图案；传感膜可以接收声波、热能和可见光并予以减弱或增强；

地膜可产生耐久的色彩和图案；

界面膜可连接内外通信线路。第五节智能材料的应用领域住户还可以挑选合适的带“面膜”的砖材。另外，面膜的设置及其构形并不是一成不变的，而是很容易剥离并换上新的面膜。智能调光玻璃智能遮阳蓬第五节智能材料的应用领域在未来的厨房里不会看到传统的碗碟。在毫微塑料的桌面上，旋转的碗不仅能测知食物的存在，而且可以根据用户的需要自动形成各种形状的碟子，供准备、烹调和上菜时使用。并且，这种盛食物的碗还具有保温和在不使用冰箱的情况下保鲜的功能。第五节智能材料的应用领域（2）食物器皿用毫微塑料制作的坐椅不仅功能将大大增加，而且也将增加舒适程度。使用毫微塑料能改变椅座面的柔韧性和弹性，也可以形成各种型式的椅座面。如果出于美学的考虑，或是便于人们入座或从座椅中站起，毫微塑料也可以形成所需的任何图案或结构，还能改变座椅本身的结构。第五节智能材料的应用领域（3）座椅由于不同年龄段的人对温度舒适性的要求有很大区别，这种座椅还可以随心所欲地升温和降温。它甚至还对人们喜爱的舒适温度具有记忆功能。

智能椅根据环境温度调节传热方向第五节