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1、 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 企鹅的低阻身材 圆鼓的前脸 收起的尾部 极小的正锋面 成
2、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 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
3、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 Biomedicalmaterials 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 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
4、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
5、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 Intelligentmaterial Smartmaterial 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
6、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 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 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 智能材料的构成 智能材料由基体材料
7、 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 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
8、导体材料等 如 将光导纤维 形状记忆合金和镓砷化合物半导体控制电路埋入复合材料中 智能结构的动作流程图 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 光色玻璃电致变色薄膜 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 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 同相型光色玻璃异相型光色玻璃 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 玻璃逐渐由高透明态转向深黄
9、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 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 智能窗结构示意图 智能窗的应用 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
10、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 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 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 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
11、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 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
12、第三层是输送通道 可以用来输送水和其它材料 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
13、 还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
14、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年代初的一天 美国海军军械实验室的研究人员领来了一批镍钛合金丝 也许是制造过程中处理不当 合金丝被弄弯了 他们只能一根一根地将合金丝校直 有人顺手把校直的合金丝堆放在炉子的旁边 这时意外的事情发生了 一些校直的的合金丝在炉温的烘烤下 不一会儿就恢复到原来弯曲的形状 于是不得不重新校直合金丝 起初 他们没有在意 还是把校直的合金丝堆放在炉旁 结果合金丝又弯曲了 这种现
15、象重复出现了多次 直到人们把校直的合金丝换了一地方堆放 不再受到炉温的烘烤以后 合金丝才继续保持挺直的形状 军械实验室的研究人员紧紧地抓住了上述的意外的事情 开展反复的实验研究 终于发现含50 镍和50 钛的合金在温度升高40 以上时 能 记住 自己原来的形状 科学家把这种现象叫做形状记忆效应 具有记忆功能的合金称为形状记忆合金 阅读材料 有记忆的金属 科学家早在60年代就发现了钛镍合金是有 记忆 的 这种 记忆金属 制成的卫星自展天线在升空前只有巴掌大小 到了太空加热后就会展开到四五米 3 形状记忆合金形状记忆效应 ShapeMemoryEffect 一旦取消外力或改变温度 使发生塑性变形后
16、的合金又能恢复原来的形状 形状记忆效应有三种形式 单向形状记忆效应 双向形状记忆效应和全方位形状记忆效应 冷却 冷却 冷却 冷却 冷却 变形 变形 变形 加热 加热 加热 高温时形状 a b c 5 科普展览会上有一种神奇的金属花 记忆合金 花朵 它的花瓣是用记忆合金制成的 具有记忆能力 灯光一照会绽开 双程CuZnAl记忆合金花采用CuZnAl记忆合金片 以热水或热风为热源 开放温度为65 85 闭合温度为室温 花蕾直径80mm 展开直径200mm 动作幅度为1800 另外 可据用户要求订做 工业常用形状记忆合金作开关 用于火警探测系统等 由于生物相容性好 Ti Ni合金是目前医学领域使用的唯一的形状记忆合金 形状记忆合金更多的潜在应用是埋置在材料里组成智能复合材料 记忆钉子 菲力浦公司研制了一种由 记忆金属 制成的钉子 把它安在汽车外胎上 当气温降低 公路结冰时 钉子会 自动 从外胎里伸出来 防止车轮打滑 记忆金属 食道架能在喉部膨胀成新的食道 必要时只要向食道里加上冰块 食道 又会遇冷收缩 从而可轻易取出 使失去进食功能的食道癌患者提高了生活质量 记忆食道支架 用这种 记忆金属
