仿生智能材料.

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1、仿生智能材料仿生智能材料 一、 仿生学 1、仿生学概念 2、生物材料与仿生材料 二、智能材料 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、智能材料的应用 一、 仿生学 1、仿生学概念 人类进化只有500万年的历史，而生命进化已经历了 约35亿年。人类很早就认识到生物具有许多超出人 类自身的功能和特性。对生物的结构、形态、功能 和行为等进行研究，我们就会从自然中获得解决问 题的智慧和灵感。 水母的顺风耳，仿照水母 耳朵的结构和功能，设计了 水母耳风暴预测仪，能提前 15小时对风暴作出预报，对 航海和渔业的安全都有重要 意义。 宝马H2R氢燃料汽车外型 和设计的灵感来自海豚 、

2、企鹅的低阻身材。圆 鼓的前脸、收起的尾部 ，极小的正锋面，成就 了其0.21的阻力系数。 同样，尺寸庞大的宝马7 系得益于其流线造型， 阻力系数也仅为0.29。 美国研发出一款举世无双 的“海豚潜艇”，它不仅在 外形上酷似海豚，而且能 像海豚一样时而潜入水中 ，时而跃出水面做出惊险 刺激的翻腾动作。 仿生学(Bionics)：模仿生物系统的结构、形状 、 原理、行为以及相互作用，建造技术系统 ，或者使人造技术系统具有生物系统特征或类 似特征的科学，简而言之，仿生学就是“模仿生 物的科学”。 仿生学是一门生命科学、物质科学、信息 科学、数学和工程技术等学科相互渗透而结合 成的一门边缘科学。 2、

3、生物材料和仿生材料 自然界存在的天然生物材料有着人工 材料无可比拟的优越性能。 生物材料通常有两个定义，一是有生命过 程形成的材料，如结构蛋白（蚕丝等）和 生物矿物（骨、牙、贝壳等），另一个是 指生物医用材料(Biomedical materials),其定义随医用材料的发展不 断发展，指用于取代、修复活组织的天然 或人造材料。 天然生物材料是经过亿万年的自然选择与 进化，在细胞调制下形成的，其基本组成 单元很平常，但材料的微观结构很复杂， 具有空间上的分级结构，通常是两相或多 相的复合材料，表现出人工合成材料无法 比拟的性能。 生物体的启示：生命体中特殊机能的智能 化大多与其微观结构密切相关

4、。如昆虫复 眼感光膜的视觉神经纤维具微纳米结构（ 由紧密排列的柱状的微绒毛构成，绒毛的 长度约1-2um、直径约60nm)；鲨鱼皮肤表 面具有排列有序的微小鳞状突起 仿生材料（Bio-inspired）： 受生物启发或者模拟生物的各种特性 而开发的材料。 材料的仿生包括模仿天然生物材料的 成分和结构特征的成分、结构仿生、模仿 生物体中形成材料的过程和加工制备仿生 、模仿生物体系统功能的功能仿生。 二、 智能材料 1、什么是智能材料？ 材料一般分为结构材料和功能材料两大类。对 结构材料主要要求其机械强度，而对功能材料 侧重于其特有的功能。 功能材料 对来自外界或内部的各种信息具有感知能力的 敏感

5、材料 在外界环境或内部状态发生变化时能对之作出 适当的反应并产生相应动作的驱动材料 20世纪80年代，人们提出了智能材料的概念。 如果能把感知、驱动（执行）和信息等三种功能材料 有机地复合或集成于一体就可能实现材料的智能化。 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。 智能材料(Intelligent material，Smart material ) 是一种能从自身的表层或内部获取关于环境条件及 其变化的信息，并进行判断、处理和作出反应，以 改变自身的结构与功能并使之很好地与外界相协调 的具有自适应性的材料系统。 智能材料需具备以下内涵： （1）具有感知功能，能够检测并

6、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； （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。 智能材料必须具备感知、控制和驱动三个基本 要素。 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。 智能材料 智能材料在材料系统或结构中，可将传感、控制 和驱动三种职能集于一身，通过自身对 信息的感知、采集、转换、传输和处 理，发出指令并执行和完成相应的动 作，从而赋予材料系统结构健康自诊 断、偏差自校正、损伤自修复与环境自 适应

7、等智能功能和生物特征，以达到增 强结构安全、降低能量消耗和提高整体 性能的目的的一种材料系统和结构。 2. 智能材料的特征 3. 智能材料的基本结构 智能材料不是一种单一的材料，而是一个由多种材料 组元通过有机紧密复合或严格地科学组装而构成的材 料系统，是一种智能机构。 传感器 执行器 控制器 智能机构 材料自身 能够探测 到外部环 境状态的 变化 能够自动 地执行改 变材料状 态的指令 能够对探测到的外部环境的变化作出判断 ，并给出相应的改变材料状态的指令 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

8、质 材料。 首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀。 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：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 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：形状记忆材料、压电材料、 电流变体和磁致伸缩材料等。 (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。 如：将光导纤维、形状记忆合金和镓砷化

9、合物半导体 控制电路埋入复合材料中。 光导纤维 传感元件 (检测结构中的 应变和温度) 形状记忆合金 执行元件 (使结构动作 改变性状) 半导体控制电路 控制系统 (根据传感元件的信 息驱动元件动作) 智能材料 智能结构的动作流程图 识别分析判断行动 驱动元件 自适应地改变结构形状、刚度、 位置、应力状态、固有频率等 智能材料 智能变色材料 由于光、电、热等外界条件的作用，使料内部结 构发生变化从而改变材料对光波吸收的特性，使 材料呈现出不同的颜色。 l光色玻璃 l电致变色薄膜 智能材料 光色玻璃(变色玻璃) 能够随照射光强的变化而改变颜色。 原因： 含有在光照下能发生可逆变化的亚稳态色心：

10、在光波的照射下，色心的光吸收特性发生改变，从 而使光色玻璃表现出随光照而改变颜色的特性。 l同相型光色玻璃 l异相型光色玻璃 智能材料 同相型光色玻璃亚稳态色心与玻璃基质具有相同 的相。 如：光学玻璃的组分中加入氧化铈（选择吸收） 色心：能变价的铈离子 紫蓝光波 4f 5d 铈离子内电子跃迁铈离子恢复电子状态 4f 5d 光减弱 玻璃逐渐由高透明 态转向深黄褐色 玻璃逐渐恢复高 透明态 异相型光色玻璃亚稳态色心是与玻璃基质不同的 光敏晶相物质。 如：卤化银光色玻璃 色心：卤化银晶体 玻璃组分中 加入卤化银 光照(紫外到蓝紫波段) 析出游离态银离子 对光散射强(着色状态) 光化学反应 高温熔融冷

11、却 析出亚微米尺 度的卤化银 对光散射很小(高透明状态) 无光照 银离子化合成卤化银 去除光照 室温热激活 光色玻璃的应用： 图18 变色太阳镜 汽车、飞机、船舶的前向玻璃或观察窗玻 璃，起防眩作用等。 智能材料 电致变色薄膜 电致变色现象(Electrochromism)材料在电场作 用下所引起的颜色变化，这种变化是可逆的、连续 可调的(透过率、吸收率、反射率三者比例关系可 调）。 应用：智能窗(调节玻璃透光特性) 机理： 一些氧化物薄膜在电场的作用下能够发生电子的交 换，导致颜色的改变。 智能材料 智能窗结构示意图 着色和退色的电化学反应如下： Ni1-xO(初始态) + yM+ + ye

12、- MyNi1-xO (着色态) MyNil-xO (着色态) My-2N1-xO(退色态) + 2M+ + 2e- 氧化还原的电化学反应 玻璃基片 透明电极(氧化铟锡膜) 离子注入膜 快离子导体隔膜 电致变色膜(-WO3、NiO薄膜) 蓝色、灰色 法拉利首款自动硬顶敞篷车 玻璃车顶采用了利用电场变化来改变颜色的电致变色技 术，可对透过率进行5级调整。 智能窗的应用： 智能材料 汽车防眩目后视镜 汽车夜间行驶时根据后面行驶车辆前大灯射出的光线照射到 后视镜上产生的眩目光程度，自动控制后视镜的透光度，以 减少后视镜镜面的反射光强度，使驾驶员既能舒服的通过后 视镜了解后面行驶车辆及行人的情况，又能

13、安全驾驶汽车。 汽车防眩目后视 镜是当前玻璃制 造业前沿产品-电 致变色玻璃在汽 车上的应用。 智能材料 4 . 智能材料的应用 在军事领域中的应用 智能材料与住宅智能化 与现代医学相联系的智能材料 阅读材料 智能材料 在军事领域中的应用 （1）智能蒙皮 光纤作为智能传感元件用于飞机机翼的智能蒙皮中 ，或者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。 （2）结构监测和寿命预测 u采用光纤传感器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； u空间站等大型在轨系统采用光纤智

14、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。 （3）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。 在机翼结构中使用磁致伸缩致动器，可使机翼 阻力降低85%。 智能材料与住宅智能 化 （1）多功能砖 具有变通性和智能性。 主要由四个分层构成： 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； 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

15、它材料； 第四层面膜是砖材的最上层，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。 （2）食物器皿 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行形成各种形 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。 毫微塑料可以形成所需的任何图案或结构，还

16、能改变座椅 本身的结构。 由于不同年龄段的人对温度舒适性的要求有很大区别，座 椅还可以随心所欲地升温和降温，甚至对人们喜爱的舒适 温度具有记忆功能。 与现代医学相联系的智能材料 （1）人造肌肉 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。 生物弹性材料可以应用于人体组织的修复， 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 意大利比萨大学的科研人员为了使机器人与 真人更接近，让它的皮肤具有感觉功能，研 制成功一种人造皮肤智能材料。 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。 60