智能材料与智能结构讲稿

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智能材料与智能结构讲稿1材料的分类.按晶体结构分：晶体材料、非晶材料.按成份分：金属材料、非金属材料、高分子材料.按导电性分：导体、半导体、绝缘体.按尺寸分：纳米材料、薄膜材料、块体材料.按功能分：结构材料、功能材料（声、光、电、磁） 221世纪初的材料科学技术信息功能材料仍是最活跃的领域信息材料：信息获取、传输、转换、存储、显示或控制所需材料新能源材料的研究将加速可再生能源的开发新能源材料：实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术所需的关键材料（储氢电极合金、锂离子电池材料、太阳能电池材料环境材料将日益受到重视环境材料是具有满意的使用性能同时又被赋予优异的环境协调性的材料。对环境污染小、再生利用率高 321世纪初的材料科学技术高性能结构材料的研究和开发是永恒的主题高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀、抗磨损纳米材料将成为21世纪初最为活跃的领域生物材料将有很大的发展人体的相容性，人体器官 421世纪是智能材料时代.1.材料科学与技术已为智能材料的诞生奠定了基础。先进复合材料（层合板、三维及多维编织）的出现，使传感器、驱动器合微电子控制系统等复合或集成成为可能，也能与结构融合并组装成一体。复合材料时代为智能材料的出现奠定了基础。.2.对功能材料特性的综合探索【如材料的机电（即机械能——电能的互相转换）耦合特性、热机耦合特性等】及微电子技术、计算机技术的飞速发展，为智能材料所涉及的材料的耦合特性的利用、信息处理和控制打下了基础。.3.军事需求与工业界的介入使智能材料与结构更具有挑战性、竞争性和保密性，使它成为高技术、多学科综合交叉的研究热点，而且也加速了它的实用化进程。.4.设计理念的变革，人类对安全性及舒适性的要求越来越高，应用前景广阔。 5智能材料定义.智能材料就是指模仿生命系统，具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，并能实时地改变自身的一种或多种性能参数，作出所期望的，能与变化后的环境相适应的复合材料或材料的复合。智能材料要求材料体系集感知、驱动和信息处理于一体，形成类似生物材料那样的具有智能属性的材料。.智能性材料应该满足下列条件：（一）材料特性随着使用环境条件的变化而变化，其变化方向对人类来说是有利的。（二）材料特性变化之能源，不是来自于材料之外而是来自于材料本身。.智能材料是一个开放系统，它需要不断从外界环境输入能量或（和）物质来动态调节对外界的适应能力，以维持其类似于生物体的活性.智能材料具有对环境的判断和自适应功能；具有自诊断功能；具有自修复功能；具有自增殖功能 6智能材料.人工合成的智能型复合材料称为智能材料，也称为机敏材料。根据响应方式不同，机敏材料可以分为主动控制式和被动控制式两种：1主动控制式机敏材料具有先进和复杂的功能，可自动检测材料的动力和静力，在允许范围内比较测定结果，经过筛选确定适当的响应，控制不希望出现的动态特性。2被动控制式机敏材料只能传输传感器所感受到的信息（如位移、应变、温度、压力、加速度等），这种机敏材料的结构简单，属于低级智能材料。智能材料并非一定是专门研制的一种新型材料，大多是根据需要选择两种或者多种不同的材料按照一定的比例以某种特定的方式复合起来，或者是材料集成，即在所使用的材料构件中埋入某种功能材料或器件，使这种新组合材料具有某种或多种机敏特性甚至智能化。 7智能材料的内涵：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；小鸟感知到气流的变化，所以它的翅膀作出调整以适应这种变化，作为智能材料也必须具有２．具有信息传输功能，能够按照设定的优化方式选择和控制响应具有驱动功能，能够响应外界变化；小鸟的翅膀作出调整，是为了节能，作出的动作是对它有利的。同样，智能材料随着使用环境条件的变化而变化，其变化方向对人类来说是有利的。小鸟是随着风而动，由风的变化而变化，也就是说它的反应非常灵敏、及时、恰当。对于智能材料来说也是这样３．具有对环境变化作出响应及执行的功能４．反应比较灵敏、及时和恰当否则，就失去了其智能特性。 ５．当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态材料必须具备的两个要点，就是它的使用性和经济性，当外界的刺激消除后，智能材料必须能够复原，否则它的造价将是非常昂贵，失去了作为材料的条件。所以 8智能材料的特征（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。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。 9智能材料的特征（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。自我修复的桥梁、烟囱（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 10智能材料的构成.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：（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。（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。（3）驱动材料在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和应力，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。（参见p5表1-1，p6图1-4）（4）信息处理材料包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。 11智能材料的基本构成和工作原理对比P4，图1-2，p5图1-3， 12传感器分类.物理量传感器.化学量传感器.生物量传感器 13物理量传感器.1．电学量传感器（电流传感器、电压传感器、电场强度传感器）.2．磁学量传感器（磁场强度传感器、磁通密度传感器、磁阻传感器）.3．光学量传感器（可见光传感器、红外线传感器、图像传感器、激光传感器）.4．力学量传感器：压力传感器（微压力传感器、差压力传感器、静压力传感器、动压力传感器、负压力传感器），应变传感器，力传感器（重力传感器、力矩传感器、应力传感器、强力传感器），位置传感器，速度传感器（线速度传感器、角速度传感器、流速度传感器），加速度传感器（角加速度传感器、冲击加速度传感器、振动加速度传感器），位移传感器（线位移传感器、角位移传感器），几何量传感器（面积传感器、厚度传感器、容积传感器、形状传感器、粗糙度传感器），物理量传感器（密度传感器、黏度传感器、硬度传感器）.5．热学量传感器：温度传感器、热流传感器、热导传感器、.6．声学量传感器：超声波传感器、声压传感器、噪声传感器、表声波传感器.7．辐射传感器：X射线传感器、.射线传感器、.射线传感器 14化学量传感器.离子传感器：酸度值传感器、离子活度传感器、离子浓度传感器.氧体传感器.湿度传感器：湿度传感器、水分传感器、露点传感器 15生物量传感器.生理量传感器：生理化学量传感器（血液成份传感器、激素成份传感器），生理机械量传感器（心律传感器、血压传感器、气管阻力传感器、肌肉张力传感器），生化量传感器（血红蛋白传感器、尿素蛋白传感器）.生物量传感器：葡萄糖传感器，甲烷传感器，谷氨酸传感器，头孢菌素传感器，耗氧量传感器.组织传感器.酶传感器.免疫传感器 16智能材料的分类按功能来分为：.光导纤维.形状记忆合金.压电材料.电（磁）流变体.电（磁）致伸缩材料基本组元——机敏材料 17.敏感材料和传感器可感测非电量(环境参数)的变化，并以电信号的形式输出，但是，输出电信号还不能完全应答环境的刺激，常常还需要执行一些动作，完成一些驱动，这是驱动(执行)材料的任务。常用的驱动材料有压电材料、形状记忆合金、电流变体和磁流变体、磁致伸缩材料和电致伸缩材料。 18智能材料的分类按来源来分，智能材料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：1.金属系智能材料：形状记忆合金；形状记忆复合材料2.无机非金属系智能材料：电流变体；压电陶瓷；光致变色材料；电致变色材料3.高分子系智能材料：刺激响应性高分子凝胶；智能高分子膜材；智能高分子粘合剂；智能型药物释放体系；智能高分子基复合材料 19形状记忆合金神奇的故事:1.在一次新材料的研讨会上，一位教授手持一个盛有水的玻璃瓶，上面插有一只漂亮的用纸做的蝴蝶，他走上讲台一言未发，从容的掏出打火机把瓶子加热，不一会只见蝴蝶的翅膀飞舞起来，这一试验引起了与会者的极大兴趣；2.一团被压缩得杂乱无章的金属丝，顷刻便呈现出清晰的“镍钛合金”字样；3.一件看上去再普通不过的衬衣，在它被揉成小球之后，只要用吹风机轻轻一吹，衣服便神奇般地恢复笔挺，而当天气变热时，袖子竟自动变短；4.一台转个不停的发动机，它不烧油，不烧天然气，也不用电，靠的仅仅是温水！这些不是魔术，而是一种有“记忆能力”的合金在作怪。原来在蝴蝶下面有一根所谓的“形状记忆”合金丝，这根丝随着水温的升高和降低会突然伸长或缩短。(所谓形状记忆合金是指合金经变形后，在一定的条件下，仍能恢复至原始形状的现象)。 那团杂乱无章的金属丝原本就是弯曲成“镍钛合金”字样的合金丝；那件奇特衣服的纤维，是由五条尼龙线绕上一条镍钛合金丝织成的；那台靠温水转动的发动机的动力部件，用的也是镍钛合金 20人的记忆与金属的记忆.经历某一事件，在脑海里留下了印象——遗忘——（刺激：物、人、境）——重新记忆.再看一看这种金属：初始形状——另外一种形状(低温)——（刺激：热、应力）——初始形状 21记忆合金的发现.在1962年，在美国海军研究所军械研究室里，几个专家正致力于一种新型武器的研究。在加工、制作一个部件时，冶金学家比勒需要一些镍钛合金丝。于是他命令助手去取一些来。助手遵命来到仓库，只见仓库内所有的镍钛合金都是弯弯曲曲的，没有一根是直的。助手把一根根镍钛合金拉直，交给比勒。比勒顺手把它们放在搁板上。几天后，当比勒需要这些镍钛合金丝时，他惊奇地发现，这些合金丝又变成弯弯曲曲的样子了。他又叫助手把镍钛合金拉直，然后再将它们放在原来的地方。一段时间后，这些合金又鬼使神差般地变成了曲线状。“这是怎么回事呢?”比勒对放置合金丝的周围环境进行认真的观察，证实周围没有存放特殊的化学物质，也不存在电场或磁场。.最后，比勒发现放置镍钛合金丝的地方特别热。原来，在搁板下有一根蒸汽管道通过。比勒马上着手做了一个试验：将一根笔直的镍钻合金放在酒精灯上方，慢慢地加热。不一会儿，奇迹果然出现了：这根合金丝恢复了弯弯曲曲的样子! 22已发现的记忆合金已研制成几十种有“记忆”能力的合金：银镉合金、铜锌铝合金、镍铝合金，金镉、钛钴、钛铁、锆铷等。其中最具实用价值的是镍（51%）钛（49%）合金,科学上将这种材料称为镍钛诺。这些合金具有“热记忆”和“冷记忆”的特征，科学上称它们为“记忆合金”。 23形状记忆合金(ShapeMemoryAlloys，SMA).定义：在高温下处理成一定形状的金属急冷下来，在低温相状态下经塑性变形为另一种形状，然后加热到高温相成为稳定状态的温度时，通过马氏体逆相变恢复到低温塑性变形前的形状的现象称为形状记忆效应。是指材料在一定条件下变形，被加热至一定温度后，其形状可自动恢复的功能。具有这种效应的金属，通常是由两种以上的金属元素构成的合金，故称为形状记忆合金(SMA)。 24金属“记忆”的奥秘在室温下，一根镍钛丝像钢一样坚硬。但一浸入冷水，它就突然变得柔软，你可以轻轻松松地把它弯成各种形状。再浸入热水中时，它又会像突然苏醒过过来一样，狠狠地弹回到原来的形状。在一定的温度范围内，“记忆合金”内部有一种特殊的可逆结构。当记忆合金受到很大的外力作用时，内部的金属原子被迫离开自己原来的位置，迁移到邻近的位置上，并暂时留在这个位置。（冻住了，马氏体）这时，我们肉眼看到的就是记忆合金改变了它的形状。如果把这变了形的合金加热（浇热水或强光照射），那么金属原子由于获得了运动所需的足够能量，同时在原结构力的作用下，就会重新回到原来的位置上去，恢复原来的形状。（解冻了，奥氏体） 25形状记忆合金的记忆机理相变:①温度诱发马氏体②应力诱发马氏体这类合金存在着一对可逆转变的晶体结构。马氏体相和奥氏体相。这类合金在被加热时和冷却时是不同的，虽然外表没有变化，然而在一定温度下，金属原子的排列方式会发生突变，这称为相变。 26温度诱发马氏体.比如含有Ti和Ni各为50％的记忆合金，有两种晶体结构，一种是菱形的（马氏体），另一种是立方体的（奥氏体），这两种晶体结构相互转变的温度是一定的。高于这一温度，它会由菱形结构转变为立方体结构；低于这一温度，又由立方体结构转变为菱形结构（如图）。(参见P106页图4.1、图4.2）.晶体结构类型改变了，它的形状也就随之改变。这种由温度引起的相变——热弹性马氏体相变。表现出来的就是，形状记忆合金在一定温度下成形后，能记住自己的形状。当温度降到一定值（相变温度）以下时，形状记忆合金会发生相变，其内部的原子排列方式发生变化，使其形状发生改变；但当温度再升高到相变温度以上时，形状记忆合金会自动恢复它原来的形状。SMA在加热时产生的回复应力非常大，可达500MPa。 27温度诱发马氏体.形状记忆合金的晶体结构(相结构)随温度的不同而异，一般将低温下的相(结构)称为马氏体相(简称为M)，高温下的相称为母相或奥氏体相(简称为A)。温控记忆合金是依靠M与A之间的可逆相变实现形状的记忆的。形状记忆效应可定义为：将处于M相的合金进行一定程度的变形，然后将其加热到A相，合金将回复到变形前的形状与体积，称这种现象为形状记忆效应、称具有这种效应的材料(合金)为形状记忆材料(合金)。参见P108图4.3） 28应力诱发马氏体Stress-InducedMartensite.在相变温度以上对合金施加外力也能引起马氏体相变．所形成的马氏体为应力诱发马氏体。其持点是当除去外力时．马氏体消失，产生一种力学型形状记忆。（外观上表现为超弹性特性，例如眼镜架。）.换句话说，无温度变化，在应力作用下合金发生马氏体相变，一旦应力消失，马氏体就变得不稳定，回到它原来的状态。它的相变驱动力是机械能。而不是热能。形状记忆合金的机械性质优良，能恢复的形变可高达10％，而一般金属材料只有0.1％以下。 29弹性马氏体.热弹性马氏体和应力诱发马氏体统称为弹性马氏体。只有弹性马氏体相变才能产生形状记忆效应。.SMA这种可响应温度、外力变化而产生的超弹性特性，从微观来看，是对环境刺激的自适应，即通过调整内部结构来适应外界条件。这种特性在许多智能材料和智能机械系统的设计中有重要价值。 30弹性马氏体一般而言，SME与M相和A相之间的可逆相变有关。设从A到M的开始转变温度为MS，终了温度为Mf，从M到A的开始温度为AS，终了温度为Af，则当相变热滞很小、一般为几度到几十度时，相变是可逆的，即M板条可随温度的下降(升高)而可逆地生长(收缩)，称这种M为热弹性马氏体。若M板条随应力(应变)的增大(减小)而可逆地生长(收缩)，则称这种M为应力(应变)弹性马氏体。凡能随外界条件的变化而可逆地伸缩的M统称为弹性马氏体。弹性M中从M到A之间的相变是通过M与A之间相界面的可逆移动，或者是孪晶界面的可逆移动实现的，故一般希望M中的亚结构为孪晶，位错密度尽可能低。 31形状记忆合金的性能（1）超弹性特性（伪弹性，机械形状记忆效应。参见P110图4.6）形状记忆合金的机械性质优良，能恢复的形变可高达10％，而一般金属材料只有0.1％以下，几乎高出普通金属材料弹性应变两个数量级,可用来提高材料的冲击韧性将编制成网状的NiTi合金丝贴在高分子材料表面，明显提高了冲击韧性。这是因为：在冲击过程中，产生了马氏体相变（应力诱发的马氏体相变），消耗了大量的能量，并且由于NiTi合金丝具有均载荷传递性，（类似蜘蛛网）使冲击能量分布至整个复合材料中，导致冲击后的塑性变形很小。这个试验的意义非同一般，预示着在高科技领域中，高分子材料取代金属材料的可能性。（2）单程形状记忆效应(OneWayShapeMemoryEffect——OWSM)形状记忆合金在较高温度下制成某种形状，在低的温度下任意变形，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。但重新冷却时，合金不能恢复低温时的形状。 OWSM是指合金加热到Af以上温度后，M逆转变到A，恢复高温时形状，但降温发生A到M转变时，不再发生形状变化，仍保留高温形状。利用这种记忆效应可制作一次性的紧固件、连接件和密封垫，通过配合其他元件，也可制作具有双向行程的元件。（参见P108图4.4） 32形状记忆合金的性能（3）双程形状记忆效应(TwoWayShapeMemoryEffect——TWSM)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。TWSM是指合金加热到Af以上温度时，会恢复高温时的形状，冷却到Mf以下温度时，会恢复低温时的形状，如此反复进行。一般而言，合金需经过一定的训练才具有TWSM。具有TWSM的合金可用于制作各种驱动器。（4）全程形状记忆效应(All-roundShapeMemoryEffect——ARSM)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