智能材料与结构系统教学课件

智能材料与结构张光磊石家庄铁道大学Email：cailiao@126.comQQ:84182666第1章概述【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，是否需要急救。当医务人员赶到时，芯片还能够告诉他们受伤的孩子对哪种药物过敏。在医院，芯片能够告诉医生小患者的医药史。当然，当你赶到医院去接孩子的时候，用健康保险单结算医院账单的过程将简化为摆动一下你植入了芯片的手掌。科学家发明人造蝙蝠研究人员用金属打造骨骼和肌肉系统,准确地模仿真正蝙蝠的飞行动作,整体重量也不超过6克.思考题材料科学的发展趋势主要集中在哪些方面？材料和结构的智能属性是怎样评定的？生物材料智能化包括哪些方面？智能材料【本章学习目标】掌握：智能材料的定义与分类；典型智能材料的基本概念、特性与应用了解：智能材料的特征与功能；智能材料的设计思路。【本章教学要点】知识要点能力要求相关知识智能材料的定义与分类掌握智能材料的定义与分类，了解智能材料的度量指标。功能材料智能材料的特征与功能掌握智能材料的特征与功能，了解智能材料的应用。材料性能学智能材料的设计思路了解智能材料的设计思路。仿生技术典型的智能材料掌握典型的智能材料的基本概念、特性与应用。形状记忆合金；压电陶瓷内容纲要及学时安排建议学时：8学时智能材料的定义与分类（2学时）智能材料的特征与功能（2学时）智能材料的设计（2学时）思路典型的智能材料（2学时）行业背景智能材料定义与分类特征与功能设计思路典型的智能材料智能材料的定义与分类智能材料的定义智能材料的分类智能材料的度量指标智能材料的定义具有感知环境（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。

智能材料的内涵具体来说，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；智能材料的内涵(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响应；(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。智能材料英文名称智能材料又可以称为敏感材料，常用的有以下几种：Intelligentmaterial、Intelligentmaterialandstructure、Smartmaterial、Smartmaterialandstructure、Adaptivematerialandstructure等。智能材料的分类

智能材料是继天然材料、人造材料、精细材料之后的第四代功能材料。

因为现在可用于智能材料的材料种类不断扩大，所以智能材料的分类也只能是粗浅的，分类方法也有多种，智能材料的分类分类标准智能材料按自身结构智能材料按结构中的构成来分智能材料的功能智能材料的来源智能材料的分类按自身结构（1）嵌入式智能材料（又称智能材料结构或智能材料系统）在基体材料中，嵌入具有传感、动作和处理功能的三种原始材料。传感元件采集和检测外界环境给予的信息，控制处理器指挥和激励驱动元件，执行相应的动作。智能材料的分类（2）有些材料微观结构本身就具有智能功能，能够随着环境和时间的变化改变自己的性能，如自滤玻璃、受辐射时性能自衰减的InP半导体等。智能材料的分类按结构中的构成来分（1）基体材料；（2）敏感材料；（3）驱动材料；（4）信息处理器。智能材料的分类若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。若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。智能材料的主要来源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；智能材料的主要来源

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。智能材料的度量指标(1)能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激强度的感知功能；(2)能够响应外界变化的驱动功能；(3)能够按照设定的方式选择和控制响应；(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。智能材料的特征和功能

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：（1）传感功能（Sensor）（2）反馈功能（Feedback）（3）信息识别与积累功能（4）响应功能（5）自诊断能力（Self-diagnosis）（6）自修复能力（Self-recovery）（7）自调节能力（Self-adjusting）（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。

(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。（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。智能材料的应用智能材料是一种集材料与结构、智能处理、执行系统、控制系统和传感系统于一体的复杂的材料体系。它的设计与合成几乎横跨所有的高技术学科领域。主要包括：建筑、飞机制造、医疗、军事。智能材料的使用领域

1、军事领域

2、住宅智能化

3、现代医学相联系的智能材料

4、飞行器领域1、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。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。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：1、在军事领域中的应用（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。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。舰艇用智能蒙皮美国麻省理工学院正在研制的增强型主动降噪潜艇壳体模型。（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。（2）结构监测和寿命预测例如，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；

（2）结构监测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。

（2）结构监测和寿命预测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。（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。（3）减振降噪智能结构用于舰艇，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。（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。

（4）环境自适应结构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。

（4）环境自适应结构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。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。

（RAH-66武装直升机

（4）环境自适应结构（4）环境自适应结构相信在不久的将来，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。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；……。

2、智能材料与住宅智能化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：

（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：（1）多功能砖第一层是功能层，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；（1）多功能砖第二层是通讯层，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。（1）多功能砖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。

（1）多功能砖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；

（1）多功能砖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。（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。

（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。

（3）座椅

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。（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。

（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：

（4）卫生间在洗漱时，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。

（4）卫生间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。（4）卫生间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。

（4）卫生间

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。

3、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（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。

（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。

(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。（4）智能材料的两种抗癌应用

1.如图所示是一种有效的抗癌药物胶囊，即药物“导弹”。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。亲水部分疏性部分形成“导弹”药物外壳内核

（4）智能材料的两种抗癌应用Ⅱ、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。首先，通过导管将这种针植入病人癌变部位，由于形状记忆作用，这种针会发生弯曲变形现象；其次，在通过涡流效应产生高频电磁场作用下，形状记忆合金针将能够产生一定的热量而使癌变区得到萎缩。智能材料的设计思路智能材料的开发与设计的出发角度智能材料设计思路的影响因素智能材料的开发与设计的出发角度仿生技术。从智能材料本身的结构特色出发，找出智能材料结构的共有规律，从而合成加工、设计出不同智能特性的材料。智能材料设计思路的影响因素(1)材料开发的历史，发明创造学研究。结构材料→功能材料→智能材料。(2)人工智能计算机的影响，生物计算机的未来模式，学习计算机，三维识别计算机对材料提出的新要求。(3)从材料设计的角度考虑智能材料的制造。智能材料设计思路的影响因素(4)软件功能引人材料。(5)对材料的期望。(6)能量的传递。(7)材料具有时间轴的观点如寿命预告功能、自修复功能，甚至自学习、自增殖和自净化功能，因外部刺激时间轴可对应做出积极自变的动态响应。典型的智能材料光纤形状记忆合金与形状记忆聚合物压电材料磁致伸缩材料电致伸缩材料典型的智能材料电流变体材料和磁流变液疲劳寿命丝(箔)聚合胶体光致变色玻璃电致变色材料光纤由柔软且极富弹性的光导纤维塑料制成，内部含有LED发光装置、电池和开关。光纤传感器光纤光纤的分类光纤的结构原理光纤的分类按光在光纤中的传输模式可分为：单模光纤和多模光纤按最佳传输频率窗口分为：常规型单模光纤和色散位移型单模光纤按折射率分布情况分为：突变型和渐变型光纤光纤的结构原理皮芯型结构光导纤维当光线射到内芯和外层界面的角度大于产生全反射的临界角时，光线透不过界面，全部反射。这时光线在界面经过无数次的全反射，以锯齿状路线在内芯向前传播，最后传至纤维的另一端。自聚焦型结构光导纤维好似由许多微双凸透镜组合而成，迫使入射光线逐渐自动地向中心方向会聚，这类纤维中心的折射率最高，向四周连续均匀地减少，至边缘为最低。光纤的衰减本征：固有损耗。弯曲：光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成的损耗挤压光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗杂质不均匀对接等光纤传输优点频带宽损耗低重量轻抗干扰能力强保真度高工作性能可靠成本不断下降光纤的生产方法①管棒法②双坩埚法③分子填充法形状记忆合金工作原理及分类铁基形状记忆合金铜基形状记忆合金镍钛基形状记忆合金形状记忆合金的应用

1、形状记忆合金原理及分类一般金属材料受到外力作用后，首先发生弹性变形，达到屈服点，就产生塑性变形，应力消除后留下永久变形。2、形状记忆合金原理及分类但有些材料，在发生了塑性变形后，经过合适的热过程，能够回复到变形前的形状，这种现象叫做形状记忆效应（SME）。2、形状记忆合金原理及分类

具有形状记忆效应的材料，一般是两种以上金属元素组成的合金，称为形状记忆合金（SMA）。

形状记忆合金可以分为三种：

(1)单程记忆效应形状记忆合金在较低的温度下变形，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。

（2）双程记忆效应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。

（3）全程记忆效应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。三种记忆效应如下图所示。目前，已开发成功的形状记忆合金有TiNi基形状记忆合金、铜基形状记忆合金、铁基形状记忆合金等。

2、形状记忆合金

最早关于形状记忆效应的报道是由Chang及Read等人在1952年作出的。他们观察到Au-Cd合金中相变的可逆性。后来在Cu-Zn合金中也发现了同样的现象，但当时并未引起人们的广泛注意。2、形状记忆合金直到1962年，Buehler及其合作者在等原子比的TiNi合金中，观察到具有宏观形状变化的记忆效应，才引起了材料科学界与工业界的重视。到70年代初，CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合金中也发现了与马氏体相变有关的形状记忆效应。

2、形状记忆合金几十年来，有关形状记忆合金的研究已逐渐成为国际相变会议和材料会议的重要议题，并为此召开了多次专题讨论会，不断丰富和完善了马氏体相变理论。形状记忆合金原理马氏体相变理论形状记忆合金主要有三大类铁基形状记忆合金铜基形状记忆合金镍钛基形状记忆合金铁基形状记忆合金铁基形状记忆合金分为两类：基于热弹性马氏体相变主要有Fe-Pt，Fe-Pd和Fe-Ni-Co-Ti基于非热弹性可逆马氏体相变。Fe-Mn-SiFe-Cr-Ni-Mn-Si-Co铁基形状记忆合金的结构、组织和性能合金成分马氏体晶体结构相变特征形状记忆恢复率/%Ms范围/KFe-Pt25%(1)bct热弹性40～80280Fe-Pd30%(1)fct热弹性40～80180～300Fe-Ni-Co-TiFe-33Ni-10Co-4Ti(2)bct热弹性80～100-150Fe-Ni-CFe-31Ni-0.4C(2)bct非热弹性50～8577～150Fe-Cr-NiFe-19Cr-10Ni(2)hcp/bct非热弹性25Fe-Mn-SiFe-(28~33)Mn-(4~6)Si(2)hcp非热弹性30～100200～390Fe-Mn-Si-CrFe-28Mn-6Si-5Cr(1)hcp非热弹性100300Fe-Mn-Si-Cr-Ni-CoFe-8Mn-5Si-13Cr-6Ni-12Co(2)hcp非热弹性95312注：（1）原子分数；（2）分子分数但基于非热弹性可逆马氏体相变的铁基记忆合金的形状记忆机制与基于热弹性马氏体相变的机制有所不同。制备铁基形状记忆合金的条件母相具有高的屈服强度或低的弹性极限；马氏体相交引起的体积变化和切变应变较小；马氏体的比方度(c／a)大，有利于形成孪晶亚结构；Ms较低，有利于形成孪晶亚结构并提高母相的屈服强度。铜基形状记忆合金优点形状记忆、超弹性、高阻尼良好的导电性种类Cu-Zn，Cu-Zn-Al，Cu-Zn-Sn，Cu-Zn-Ni，Cu-Zn-Si，Cu-Zn-Ga，Cu-A1，Cu-A1-Ni，Cu-Al-Mn，Cu-Al-Si，Cu-Al-Nb，Cu-Al-Be等。铜基形状记忆合金的性能铜基形状记忆合金的性能名称单位Cu-Zn-AlCu-Al-Ni熔点℃950～10201000～1050密度Kg/m37800～80007100～7200电阻率μΩ.m0.07～0.120.1～0.4导热率W/(m.℃)120（20℃）75热膨胀系数16～18×10-6（马）16～18×10-6（马）比热容J/(kg.℃)390400～480相变热J/kg7000～90007000～9000弹性模量GPa70～10080～100屈服强度MPa150～300150～300抗拉强度（马氏体）MPa700～8001000～1200伸长率（马氏体）%10～158～10疲劳极限MPa270350晶粒大小μm50～10025～60转变温度℃-200～+170-200～+170滞后大小℃10～2010～20最大单向形状记忆（应变）%56最大双向形状记忆（应变）%N=10211.2N=1050.80.8N=1070.50.5上限加热温度（1h）℃160～200300阻尼比SDC%3010最大伪弹性应变（单晶）%1010最大伪弹性应变（多晶）%22回复应力MPa200铜基形状记忆合金的工艺特点制备合金通常采用中频感应电炉熔炼。对Cu-Al-Ni、Cu-Al、Cu-A1-Si系合金可采用真空熔炼或气体保护熔炼，对Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Al-Mn等含Zn、Mn元素的合金不能采用真空熔炼，在N2或Ar保护性气氛下进行熔炼。上述合金在大气中熔炼时可采用燃烧木炭做覆盖，造渣剂采用Na3AlF6与CaF2，浇注温度1280～1360℃。铜基形状记忆合金的工艺性能加工合金热加工性能良好，可进行挤压、热轧、锻造等加工。热加工温度为800-860℃。合金冷加工性能较差，可在双相区淬火后进行冷加工，冷加工后，合金需进行固溶处理，固溶温度800-850℃，介质淬火或空冷。镍钛基形状记忆合金形状记忆功能耐磨损抗腐蚀高阻尼超弹性镍钛基形状记忆合金特点伸缩率在20%以上，疲劳寿命达107次，阻尼特性比普通的弹簧高10倍，耐腐蚀性优于目前最好的医用不锈钢。Ti-Ni合金的力学特性力学性能硬度/HV屈服极限/MPa抗拉强度/MPa伸长率/%指标马氏体相：180~200奥氏体相：200~350马氏体相：50~200奥氏体相：100~6001000~110020~60Ti-Ni合金形状记忆特性相变温度（Af点）/℃温度滞后/℃形状回复量(循环次数少时)形状回复量(循环次数多时)最大回复应力/MPa热循环寿命耐热性/℃-10~1002~306%以下2%以下(N=106)0.5%以下(N=106)600105~107约250

2、形状记忆合金在理论研究不断深入的同时，形状记忆合金的应用研究也取得了长足进步，其应用范围涉及机械、电子、化工、宇航、能源和医疗等许多领域。

2、形状记忆合金工业应用：

（1）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。（2）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。（3）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。（4）超弹性的应用。如弹簧、接线柱、眼镜架等。

医学应用：

TiNi合金的生物相容性很好，利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多。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、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等。人工关节人造牙齿脊柱修复支架人造血管心脏起搏器人工心脏瓣膜高科技应用展望：

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，除了温度外，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。形状记忆聚合物具有识别控制的智能聚合物超分子体系形状记忆聚合物一些聚合物在加热时，当温度超过玻璃转变温度时，聚合物可以恢复原来的塑性变形、有时高达400%。由于这种效应与形状记忆效应（SME)有相似之处，因此我们称这种聚合物为形状记忆聚合物(shapememorypo1ymer，简称SMP)。形状记忆聚合物聚合物的记忆效应聚合物的应力—应变曲线形状记忆聚合物的特点主要的形状记忆聚合物形状记忆聚合物的应用形状记忆聚合物记忆效应形状记忆聚合物应力—应变曲线形状记忆聚合物特点①形状记忆聚合物的形变量高，形状记忆聚异戊二烯和聚氨酯的形变量均高于400％；②形状记忆聚合物形状恢复温度可通过化学方法加以调整；形状记忆聚合物特点③形状记忆聚合物的形状恢复应力一般较低在9.8l～29.4MPa之间；④形状记忆聚合物耐疲劳性差，重复形变次数均为5000次，甚至更低；⑤形状记忆聚合物只有单程记忆功能。主要的形状记忆聚合物聚降冰片烯由乙烯和环戊二烯在催化下合成的降冰片烯，然后开环聚合制得含双链和五元环交替的无定形聚合物。聚合物分子量为300万以上，比一般塑料高100倍，玻璃化温度Tg为350℃，固定相为高分子链的缠绕交联，而玻璃态转变为可逆相。主要的形状记忆聚合物反式1，4-聚异戊二烯(TPl)采用ALR3-VCl3系列Zieglef熔化剂，经浴液聚合而得TPI熔点67℃，结晶度40％，用硫磺或过氧化物交联得到的网络结构为固定相，能进行熔化和结晶可逆变化的部分结晶相为可逆相。该SMP具有变形速度快、回复力大，回复精度高特点。主要的形状记忆聚合物苯乙烯—丁二烯共聚物由聚苯乙烯和结晶聚丁二烯组成的混合聚合物。固定相熔点为120℃(聚苯乙烯结晶相)，可逆相为低熔点(60℃)的聚丁二烯结晶部分。此种SMP变形量大，可高达400％，形状恢复速度快。它耐酸耐碱，因而应用广泛。主要的形状记忆聚合物聚氨酪由异氰酸酯、多元醇、和链增长剂、三种单体原料聚合物成的部分结晶线性聚合物。形状恢复温度Tg为-30℃～70℃，已制得Tg为250℃、350℃、450℃和550℃的记忆材料。该品种变形量也超过400％，耐候性、重复变形状较好。其他品种已发现SMP还有交联聚乙烯、聚酯系聚合物合金、聚酷胺、乙烯—醋酸乙烯共聚物等。形状记忆聚合物的应用医疗上将形状记忆材料用做固定创伤部位的器材以代替传统的石膏绷带。如图所示。形状记忆聚合物的应用医疗器材-手术缝合线压电材料压电效应及其原理常见的压电材料石英晶体压电陶瓷聚偏二氟乙烯压电复合材料压电材料的应用压电效应对压电元件施加机械变形时，就会引起内部正负电荷中心发生相对移动而产生电的极化，从而导致元件两个表面上出现符号相反的束缚电荷．而且电荷密度与外力成比例，这种现象称为正压电效应。压电效应在压电元件两表面上通以电压，由于电场的作用，造成压电元件内部正负电荷中心产生相对位移，导致压电元件的变形，这种现象称为逆压电效应。常用压电材料主要性能参数参数名称石英钛酸钡PZT-4PZT-5PZT-6压电系数（pC/N）d11=2.31d14=0.73d15=260d31=-78d33=190d15=410d31=-100d33=230d15=670d31=-185d33=600d15=3300d31=-90d33=200相对介电常数εr4.51200105021001000居里点(℃)573115310260300密度(103kg/m3)2.655057.457.57.45弹性模量(103N/m2)8011083.3117123机械品质因数105.6≥50080≥800最大安全应力(105N/m2)95~10081767683体积电阻率(Ω·m)﹥100010(25℃)﹥10100(25℃)最高允许温度(℃)55080250250最高允许湿度(℃)100100100100石英晶体石英晶体（quartz），又称水晶，其化学成份是二氧化硅，熔点为1750℃，密度为2.65ｇ/ｍ3，莫氏硬度为7。高质量的石英是无色透明体。压电陶瓷压电陶瓷的种类钛酸钡系压电陶瓷、PbTiO3-PbZrO3系压电陶瓷、ABO3-PbTiO3-PbZrO3系压电陶瓷、复合钙钛矿系压电陶瓷等

压电材料的应用一些实用化及正进行研究的压电类智能材料系统如下：

(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。(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。

(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。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。(4)利用组合功能效应来设计和制备新型智能材料和器件(5)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。

(6)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。

(6)压电陶瓷马达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。(7)压电陶瓷Pachinkom游戏机它是由若干层锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷块构成的，压电块既作为传感器又作为执行器。压电陶瓷Pachinkom游戏机

①当金属球落到陶瓷压电块上时，球的冲击力产生压电电压；

②电压脉冲通过反馈系统加以放大和调整，然后返回并施加到压电块的执行器部分；③陶瓷压电块突然膨胀变形，把金属球抛出压电块所在的孔，使球沿着螺旋轨道爬出，落入另一孔内，再盘旋上升，如此周而复始。压电陶瓷Pachinkom游戏机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。压电材料的进展磁致伸缩材料磁致伸缩现象磁致伸缩材料的物理效应磁致伸缩材料的发展及特点磁致伸缩材料的应用磁致伸缩现象铁磁体在外磁场中磁化时，其长度及体积均发生变化，这个现象称为磁致伸缩或磁致伸缩效应磁致伸缩材料的物理效应磁致伸缩效应(Jou1e效应)；磁致伸缩逆效应(v111ah效应)；ΔE效应；魏德曼效应(viedemann效应)魏德曼逆效应(Anti-viedemann效应)

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料。磁致伸缩材料的主要特点

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。磁致伸缩材料的主要特点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。（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。磁致伸缩智能材料的主要用途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。磁致伸缩智能材料的主要用途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；我国在这方面的一些进展电致伸缩材料电致伸缩的原理电流变体材料电流变体材料的概述电流变液的分类电流变效应的机理电流变液性能研究电流变体的应用电流变体材料的概述电流变液(electrorheologicalfluids，简称ER)是由高介电常数、低电导率的电介质颗粒分散于低介电常数的绝缘液体中形成的悬浮体系电流变体材料的概述它可以快速和可逆地对电场做出反应。当电流变液受到电场作用时，它们的表观粘度急剧增大，屈服强度成倍增加，表现为类似固体的性质；当撤除外加电场时，流体又恢复原来的流动性质电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。电流变液的分类电流变液粒子分散型含水系H3AlP3O10·2H2OM(x/n)[(AlO2)x(SiO2)n]·wH2O等电解质金属盐水溶液/云母等非含水系半导体、TiO2、碳等导体、Ag、Ni、胶体等强电解质、钛酸钙、钛酸钡等其他（如LiN2H2SO4）均一型极性硝基苯、非极性苯（季胺盐）流体液晶胆甾型向列型高分子液晶强电介质聚合物溶液微囊电流变效应的机理粒子分散型电流变(ER)液是由具有高介电常数的固体粒子和低介电常数的液体载体组成的均匀悬浮液。当外加电场强度大大低于某个临界值(通常是几kV／mm左右，电流密度为10-6～10-5A／cm2)时，ER液呈液态；当外加电场大大高于这个临界值时，ER液就变成固态，两态之间转变时间为毫秒级，并且这种转变是可逆的。电流变液性能研究流变性能ER流体的流变性能直接影响流体实际应用的可能性。目前人们对稳定剪切场下ER流体屈服后流变性能的变化进行了深入研究，但对屈服前及非稳定剪切场下的流变行为研究成果较少。电流变液性能研究光学性能目前对光学性能的研究主要包括两个方面：一是利用光学测量手段来研究流体某些方面的性质；二是对电流变体的光学参量、非线性光学特性的研究。电流变液性能研究图2-16电流变液演示实验装置电流变体的应用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。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。磁流变液磁流变液的概述用不导电(或导电)的母液和均匀散布其中的磁性固体颗粒(多数用无机非金属材料)制成的悬浮液。在磁场的作用下，磁流变液中的固体磁性颗粒会形成一束纤维状的链，横架于两个磁极之间。这样，对于平行于磁场的剪切力而言，在磁场作用下磁流变液能从流动性良好的具有一定粘滞度的牛顿流体转变为具有相当屈服剪切力的粘塑性体，即流体发生“固化”。这种特性就称为磁流变效应。磁流变液的概述磁流变液磁流变液力学性能通常来用其在零磁场下测试得到的剪切应力随剪切力变化曲线和屈服应力随外加磁场强度变化曲线来表示。磁流变液力学性能疲劳寿命丝(箔)它和电阻应变丝(箔)具有外形上的相同点，但合金成分与热处理规范都不相同。疲劳寿命丝(箔)具有独特的疲劳响应特性，即当疲劳寿命丝(箔)安装在承受交变载荷的试件上，并经历一定循环次数后，其电阻值随循环次数的增加而增加，载荷卸除后，电阻值的增加量保持不变。疲劳寿命丝(箔)聚合胶体以高聚物为主要成分的胶体称为聚合胶体（Gel）。其中，可以反复伸缩和膨胀的聚合胶体已被广泛应用于智能结构与系统，是一类典型的高分子智能材料。主要有两大类化学能转变为机械能的聚合肢体电化能转变为机械能的聚合胶体化学能转变为机械能的聚合肢体在水或极性溶剂中，聚合电解质分解成多价高离子或补偿离子，它是一种聚合物交链的聚合，电解质网络被溶液渗透以后，其中固体高分子橡胶弹性、渗透溶液的性质和静电现象相互产生作用，使得胶体产生渗透压，引起胶体在溶液内收缩和膨胀。化学能转变为机械能的聚合肢体

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。

光致变色玻璃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：

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，发生的光化学反应光致变色玻璃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。

光致变色玻璃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。光致变色玻璃

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

1光致变色玻璃

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。光致变色玻璃

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。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。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。电致变色材料

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。电致变色材料

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、太阳能智能服装热点应用“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。1、仿生学和航空航天用智能材料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。1、仿生学和航空航天用智能材料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！1、仿生学和航空航天用智能材料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。1、仿生学和航空航天用智能材料如果展望未来的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。1、仿生学和航空航天用智能材料“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。1、仿生学和航空航天用智能材料传感器（Sensor），传统上一般指能够感知到某种物理量（如电、光、磁等）、化学量（如浓度、PH值等）、生物量（如细菌等）等的信息，并将该信息转化为有用信息的装置。2、智能传感器

传感器通常由敏感元件（感应变化）、转换元件（将变化转化为有用信息）和其他辅助元件组成。2、智能传感器随着智能材料和人工智能技术特别是微计算机技术的迅猛发展，在许多智能化要求比较高的高新技术应用领域提出了智能传感器（IntelligentSensororSmartSensor）的要求。2、智能传感器智能传感器是一种将传感器与微型计算机集成在一块芯片上的装置。它的主要特征是将敏感技术和信息处理技术相结合，使其除了具有感知的本能外，还具有认知的能力。目前研制的智能材料传感器主要有光纤传感器、压电传感器和微芯片传感器等。2、智能传感器一般认为，智能传感器应具备以下条件：（1）由传感器自身能消除异常值和例外值，提供比传统传感器更全面、更真实的信息。

（2）具有信息处理功能，如自动补偿功能。2、智能传感器（3）具有信息存贮及自诊断功能。

（4）具有自适应和自调节功能。

（5）具有智能算法及自学习功能。

（6）可以有数字通信接口，能实现网络化或远程通信。2、智能传感器据美国国家宇航局官员发布消息称，该局下属的一个研究机构目前正在对鸟类和昆虫的飞行技术进行研究，准备在此基础上，利用一些最先研制的带有特殊属性的“智能”材料制造出全新的“空中轿车”。3、象鸟一样飞的空中轿车这种可与微电脑连接的高科技衣服现已研制出样品，也许很快就会正式上市。科技之光报道，这种新纤维和袖珍太阳能计算器一样，由3层薄薄的硅酮材料组成，外层是阴阳两极导体。当构成光线的光子与含有大量电子的第一层材料接触时，电子会向电子量稍少的下两层材料里移动，形成电流。3、象鸟一样飞的空中轿车尽管这种科技三明治模式的材料早已为人所知，但科学家这次采用了一种新技术，将非晶体状硅酮以圆筒形式合成，从而能很容易地制成柔软的太阳能导线，并能织入任何质地的衣料。这种太阳能导线能抵卸紫外线，耐热，且可在洗衣机中洗涤。如果使用这种纤维做船帆，甚至足以给一艘帆船上的器械充电。3、象鸟一样飞的空中轿车不过，在产品实用化之前，科学家还面临其他挑战，其中之一是如何把分散在衣料中的不同能量发射点的电流归成几个点区，形成接头处，以便与外界连接，变成真正的电插头。3、象鸟一样飞的空中轿车思考题238智能器件239【本章学习目标】掌握：典型传感元件、驱动元件和控制元件的结构原理、分类与应用。了解：传感元件、驱动元件和控制元件的功能、性能指标与特点。240【本章教学要点】知识要点能力要求相关知识传感元件了解传感元件的功能、性能指标与特点，掌握光纤传感器，压电传感器和电阻应变丝等典型传感元件的结构原理、分类与应用传感器驱动元件了解驱动元件的功能、研究内容、性能要求和种类。掌握压电陶瓷驱动器、形状记忆合金驱动器、电致伸缩传动器等驱动元件的结构原理与应用。驱动器控制元件了解控制元件的功能与典型应用控制器，调节器，继电器241学时安排建议学时：6学时1传感元件（2学时）2驱动元件（2学时）3控制元件（2学时）2421.智能器件智能点钞机2431.智能器件台凌智能变频器2441.智能器件智能功率器件2451.智能器件智能型干式电容器2461.智能器件1.1传感元件1.2驱动元件1.3控制元件247触摸屏是怎么感知的？1.1传感元件248使用者翻动手机选择“响铃”或“震铃”；摇晃手机变换不同的铃声和游戏；音乐和壁纸随着人们的动作而变化。摇晃你的手机传感器249身边的传感器CCD热敏电阻传声器温控器250力传感器温度开关251实验室的

传感器2521.1传感元件对传感元件的要求是：(1)尺寸要小，而且薄，不影响结构的外形；(2)应和原结构材料能很好耦台，对原结构材料强度的影响较小；(3)性能稳定可靠；(4)传感的覆盖面要宽(5)频率响应要宽；(6)能和结构上其他电气设备兼容；(7)受外界干扰要小，(8)能在结构的使用温度及湿度范围内正常工作。2531.1传感元件表3-1常用传感材料的部分性能指标及特点类型项目压电陶瓷压电薄膜光纤电阻应变元件半导体元件灵敏度/(mV/10-6)20100.031频带/Hz0.1~1040.1~1040.1~1040~1040~104标距/µm1.0161.0161.0162.0320.762辅助设备通用通用通用通用通用测量参数应变，压力加速度，超声波应变，压力加速度，超声波应变，温度速度，振动应变，压力应变，压力，加速度，温度，光电信号主要特点灵敏度高，频响特性好，线性度好，性能稳定柔韧性好，耐腐蚀，密度低，厚度可以做到十几微米，可制成任意形状和尺寸抗电磁干扰能力强，对基体强度影响小，频带宽，灵敏度高，能进行数据传输，能够用于分布测量，可在高低温及有害坏境下工作性能稳定，技术成熟，价格低，埋入基体材料对结构强度影响小能够制成与基体材料融为一体薄片，尺寸小，易模块化存在问题脆性大，抗冲击能力差，易受电磁干扰使用温度范围很小，与基体结构之间的结合强度不高稳定性和重复性需提高，设备成本高、费用大输出信号小，易受干扰，使用温度范围较小使用温度范围小254主要内容：1.1.1光纤传感器1.1.2电阻应变丝1.1.3压电传感器1.1.4疲劳寿命计1.1.5碳纤维水泥石压敏传感器1.1.6半导体传感元件2551.1.1光纤传感器光纤是最先应用于智能结构的传感元件。光导纤维是利用两种介质面上光的全反射原理制成的光导元件。优点：对电磁干扰不敏感；可沿着单线多路复用；光纤很细，对基体材料强度影响很小，无闪光放电现象；频率响应高；能进行数据传输；光纤熔点高，而且不腐蚀，可以在高低温及有害环境下工作等。2561.1.1光纤传感器1、光纤传感器的结构原理光纤传感器是一种把被测量的状态转变为可测得光信号的装置，由光发送器、敏感元件（光纤或非光纤的）、光接受器、信号处理系统以及光纤构成，见图3-1。光源光电器件信号处理敏感元件光纤2571.1.1光纤传感器由光发送器发出的光经光纤引导至敏感元件，在这里，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接受光纤耦合到光接受器，使光信号变为电信号，