第18章-智能材料05

第18章智能材料1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2

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。1、什么是智能材料？

智能材料就是指具有感知环境（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智能特征的材料。3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；4(2)具有驱动功能，能够响应外界变化；(3)能够按照设定的方式选择和控制功能；(4)反应比较灵敏、及时和恰当；(5)当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。5

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功能。6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。7这就使得智能材料的设计、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。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，所以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感知功能（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息并将其积累起来。12(4)响应驱动功能

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。21图所示为智能材料的基本构成和工作原理。224、智能材料的分类

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。按智能材料的来源来分，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

高分子系智能材料的范围很广泛，作为智能材料的刺激响应性高分子凝胶的研究和开发非常活跃，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。25第二节智能材料的使用领域1、在军事领域中的应用2、智能材料与住宅智能化3、与现代医学相联系的智能材料4、主动结构声控5、主动震动声控261、在军事领域中的应用

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。27因为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。28所以，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：29（1）智能蒙皮例如，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。30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。31（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。32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；33

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。34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。35（3）减振降噪

智能结构用于航空、航天系统可以消除系统的有害振动，减轻对电子系统的干扰，提高系统的可靠性。如美国防高级研究计划局资助波音公司研制的直升机智能结构旋翼叶片，可以改善旋翼的空气动力学性能，减小振动和噪音。36

智能结构用于舰艇，可以抑制噪声传播，提高潜艇和军舰的声隐身性能。

智能结构用于地面车辆，可以提高军用车辆的性能和乘坐的舒适度。国外正在研究的具有减振降噪功能的智能结构，主要由压电陶瓷、形状记忆合金和电致伸缩等新材料制成。37（4）环境自适应结构

智能结构制成的自适应机翼，能够实时感知外界环境的变化，并可以驱动机翼弯曲、扭转，从而改变翼型和攻角，以获得最佳气动特性，降低机翼阻力系数，延长机翼的疲劳寿命。38如当飞机在飞行过程中遇到涡流或猛烈的逆风时，机翼中的智能材料就能够迅速变形，并带动机翼改变形状，从而消除涡流或逆风的影响，使飞机仍能平衡地飞行。39美国的一项研究表明，在机翼结构中使用磁致伸缩致动器，可使机翼阻力降低85%。美国波音公司和麻省理工学院联合研究在桨叶中嵌入智能纤维，电致流变体时可使桨叶扭转变形达几度。40美国陆军在开发直升机旋翼主动控制技术，将用于RAH-66武装直升机。美国防部和航空航天局也在研究自适应结构，包括翼片弯曲、弯曲造型/控制面造型等。41相信在不久的将来，我们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。422、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；……。43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：44

（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：45

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；46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。47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。48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；49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。50（2）食物器皿

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。51（3）座椅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。52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。53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。54（4）卫生间在卫生间里，常见设施是洗脸盆、抽水马桶和淋浴器。采用了智能结构的卫生间是这样的：55

在洗漱时，人们只要接触洗脸盆支架表面的任何区域，就能调节控制水温、水速和水流的状态（集中喷射的水流或宽阔的水帘状等）供人们选择。洗脸盆上方的镜子能照出人的正常反转象，还能照出真实的非反转象。56

抽水马桶的形状和大小可随使用者的不同而自动变化；

坐垫自动加热至舒适的温度，整个结构十分轻便。57在电脑住宅的厕所里，安装了一台检查身体的电脑系统，每当有人上厕所时，与马桶相连的体检装置即自动分析大小便的情况，如发现异常，电脑会立即发出警报，以便及时到医院去看病。58

淋浴设备只要和多功能砖相连接，上下水、水温和水流都能得到自动控制和调节。

综上所述，未来的智能化住宅必将显著提高人们的生活质量。593、与现代医学相联系的智能材料（1）人造肌肉

（2）人造皮肤（3）在药物自动投入系统上的应用（4）智能材料的两种抗癌应用60（1）人造肌肉因为生物弹性材料能模拟活体生物，而且其力量和反应速度均接近于人体的肌肉。所以这种材料可以应用于人体组织的修复，而且它们还具有与生物体的相容性，随着伤口的愈合，这种聚合物就会在体内逐渐降解，最后将会消失。61（2）人造皮肤

人造皮肤智能材料，可以感知温度、热流的变化以及各种应力的大小，并且有良好的空间分辨力。这种智能材料还可以分辨表面状况，例如，粗糙度、摩擦力等。62(3)在药物自动投入系统上的应用科学家正在研制一种能根据血液中的葡萄糖浓度而扩张收缩的聚合物，这种聚合物可制成人造胰细胞，将它注入糖尿病患者的血液中，小球就可模拟胰细胞工作，使病人的血糖浓度始终保持在平常的水平上。63（4）智能材料的两种抗癌应用Ⅰ、如图所示是一种有效的抗癌药物胶囊，即药物“导弹”。亲水部分疏性部分形成“导弹”药物外壳内核64图中的疏水性药物载体形成了“导弹”的疏水内核，而亲水性部分则在内核周围形成了一个水化物外壳。所形成的这种高分子聚合物胶囊是一种智能型药物载体，它能自动避免被机体内单核吞噬细胞捕获而有效的到达癌细胞所在地。65Ⅱ、90年代后期，研制出用对电磁场敏感的铁氧体包覆Ti-Ni形状记忆合金丝制成了癌症温热疗法用针。66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。672、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。68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。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。69将电致变性现象与传感器结合起来，就可以实现使复合梁随着负载的变化而改变其性质。这将是装配结构智能化的一个突破性的新起点。70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。此外，磁致变性材料在机电工业中也有广泛的用途。713、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。72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。73

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。74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。75（2）由于稀土超大磁致伸缩材料的独特的性能，可被用于开发新一代的元器件，如精密控制系统（如油料控制、导弹发射控制装置等），声光发射系统（如信号处理、声纳扫描、超声、水声等），以及换能器、驱动器等的开发。76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。77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；784、压电陶瓷⑴压电效应⑵陶瓷的压电机理⑶压电陶瓷材料的组成与种类795、电致伸缩陶瓷

压电材料加上电场之后，不仅存在逆压电效应产生的应变，而且还存在一般电介质在电场作用下产生的应变，并且该应变与电场强度的平方成正比，后一效应称为电致伸缩效应。80

即电致伸缩效应是一种高阶非线性机电耦合效应，外加电场所产生的应变s可表示为S=dE+ME2+NE3+…式中，dE是一阶的线性耦合效应，即压电效应；系数d称为压电常数；ME2，NE3，…为高阶的非线性耦合效应，或电致伸缩效应；系数M、N等为电致伸缩常数。81

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地加以控制的陶瓷。82

由于高阶耦合效应非常微弱，通常电致伸缩效应是指二阶效应。大多数材料的电致伸缩效应都非常小，而在电致伸缩陶瓷中，此效应为应变的主体。836、智能材料系统

兼具传感与驱动性能的压电陶瓷，在构筑智能系统的功能材料中，是重要的材料之一。84

压电材料具有机电、声、光、热、弹等多种功能及其耦合效应，可用作压力、温度、光等多种传感器。

压电驱动器又具有位移控制精度高(0.01

m)、响应快(10s)、推动力大(40MPa)、驱动功率低和工作频率宽等优点。85一些实用化及正进行研究的压电类智能材料系统如下：86(1)智能雨刷

这是利用BaTiO3陶瓷的压电效应制成的，它可以自动感觉雨量并自动调节挡风玻璃上的雨刷至最佳速度。87(2)高级轿车中的减震装置

这是利用正压电效应、逆压电效应和电致伸缩效应的叠合研制成的智能减震器，这套智能系统具有识别路面(粗糙度)并进行自我调节的功能，可以使粗糙路面产生的振动减至最低，从而提高乘坐舒适性。88(3)有源消声

用于振动频率低于500Hz的消声，是由压电陶瓷拾音器、谐振器、模拟声线圈和数字信号处理集成电路组成。(4)智能安全系统及智能传输系统89(5)利用组合功能效应来设计和制备新型智能材料和器件

这类智能材料系统，是由两种或两种以上功能陶瓷进行组合后形成的一种新型复合陶瓷功能块，这种复合功能块会呈现一些新效应，称为组合功能效应。90(6)用压电陶瓷制备仿生物

模仿自然界生物具有的特性构思仿生物，研究像尾鳍和鸟翼那样柔软，能折叠又很结实的智能材料用作智能机翼，并有效利用自然界的波浪和风能。91(7)压电陶瓷马达

它是利用压电陶瓷的逆压电效应，直接把电能转换成机械能输出，而不需要通常使用的电磁线圈。92这种新型压电陶瓷马达，具有结构简单、起动快、转矩大、体积小、功耗低等特点，主要用作自动控制、机器人等的致动器。93科学家最近研制成功一种压电晶体，如果将其放入壁纸中，就可以大大减小冰箱或空调机的噪声，给住户创造了一个安静的居住环境。947、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。95

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。发生的光化学反应如下：

96式中，h

1为短波激活光能；h2为长波光源光能；△为加热退色效应。h

1玻璃变色过程中，发生的光化学反应如下：97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。

98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。99

Cu+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。h

1100

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。1018、电致变色材料

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。102

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。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。103

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。104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1051、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。106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。107在形态工程研究的新型材料中，形态记忆合金相对比较普通。观察一颗子弹穿过一层自体愈合材料，材料被子弹穿射后便很快愈合了！108科学家们同时研究可定制变化的压电材料。这种物质随电压而变化，当扭曲这种压电材料时就会有电压产生，相反，如果对其提供电压则材料便会弯曲。利用这种特性，将其设计做应变传感器或“作动器”，安装在机器中作为可产生微小动作，例如移动飞机的副翼。结合微电子技术，这些材料可以从根本上提高未来飞机的设计水平。109如果展望未来的20年，我们认为飞机已经可以随时进行分布式的自我评估和维修。要想达到这样的技术水平，需要在机翼中分布安装作动器和传感器，这如同人体的工作，我们有遍布全身的肌肉和神经，所以我们能意识到身体发生的变化并通过一些途径对这些变化产生反应。110“仿生学”这项从自然获取知识的实践，已经导致骨头仿生品和其它多种仿生品的研究。

骨头之所以轻，是因为它内部的多孔结构，但它也非常坚固。兰利研究中心的科学家将聚合微球体注入到所期望形状的复合材料的壳体中，然后对这些球体进行加热，这样，这些微球体就如同细小的肥皂泡一样溶合到一起。这样的结构与骨头一样。1112、智能传感器传感器（Sensor），传统上一般指能够感知到某种物理量