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1、第第7章章 智能材料与形状记忆材料智能材料与形状记忆材料 .1智能材料是近年来在世界上兴起并迅速发展的材料技术的一个新领域。智能材料是近年来在世界上兴起并迅速发展的材料技术的一个新领域。7.1 智能材料智能材料.27.1.1 基本概念基本概念 设想：设想：l混凝土能自己发现混凝土大坝里的裂缝；混凝土能自己发现混凝土大坝里的裂缝；l玻璃能根据环境光强的变化而自行改变透光率，使进入玻璃能根据环境光强的变化而自行改变透光率，使进入室内的阳光变暗或变亮；室内的阳光变暗或变亮；l墙纸可以变化颜色以适应不同环境；墙纸可以变化颜色以适应不同环境；l空中飞行的飞机能自行诊断其损伤状态并自行修复。空中飞行的飞机
2、能自行诊断其损伤状态并自行修复。 仿生仿生 “活活”的材料的材料.3 美国和日本科学家首先提出的。美国和日本科学家首先提出的。 l1989年日本高木俊宜教授将信息科学融于材料的特性和年日本高木俊宜教授将信息科学融于材料的特性和功能，提出功能，提出智能材料智能材料 (Intelligentmaterials)概念，它概念，它是指是指对环境具有可感知可响应等功能对环境具有可感知可响应等功能的新材料。的新材料。l美国的美国的RENewnhain教授提出了教授提出了灵巧灵巧 (Smart)材料材料的概念，这种材料具有传感和执行功能，他将灵巧材料的概念，这种材料具有传感和执行功能，他将灵巧材料分为被动灵
3、巧材料、主动灵巧材料和很灵巧材料三类。分为被动灵巧材料、主动灵巧材料和很灵巧材料三类。.4 智能材料是高技术新材料领域中正在形成智能材料是高技术新材料领域中正在形成的一门新的分支学科，是的一门新的分支学科，是2l世纪的先进材料，世纪的先进材料，是当前工程学科发展的国际是当前工程学科发展的国际前沿前沿。 智能材料是一门智能材料是一门交叉学科交叉学科，它的发展不仅，它的发展不仅是材料学科本身的需要，而且可以带动许多相是材料学科本身的需要，而且可以带动许多相关学科的发展，如物理、化学、计算机、土木关学科的发展，如物理、化学、计算机、土木工程和航空航天的发展的。工程和航空航天的发展的。.5智能材料：智
4、能材料： 是指能模仿模仿生物体，同时具有感知和控制感知和控制等功能的材料或结构。它既能感知环境状况又能传输、分析有关信息，同时作出类似有生命物体的智能反应，如自诊断、自适应如自诊断、自适应或自修复等。或自修复等。 这种材料一般具有四种主要功能：这种材料一般具有四种主要功能： 对环境参数的敏感敏感； 对敏感信息的传输传输； 对敏感信息的分析、判断分析、判断； 智能智能反应。.6.7早期的智能材料往往是一种材料集上述四种功能于一身，早期的智能材料往往是一种材料集上述四种功能于一身，因此种类极少，而且适应面很狭窄，功能单一。因此种类极少，而且适应面很狭窄，功能单一。现在对智能材料的四种功能分别进行处
5、理，分别按需要进现在对智能材料的四种功能分别进行处理，分别按需要进行设计，制造多种性能优越的智能材料。行设计，制造多种性能优越的智能材料。因此，智能材料往往不是研制一种材料使之具备多种智能因此，智能材料往往不是研制一种材料使之具备多种智能特性，而是根据需要在所使用的基体材料中融入某种新的特性，而是根据需要在所使用的基体材料中融入某种新的材料和器件，这种融入的材料或器件一般具有某种或多种材料和器件，这种融入的材料或器件一般具有某种或多种智能特性，这样使智能材料的性能和应用得到了很大扩展。智能特性，这样使智能材料的性能和应用得到了很大扩展。.8（1）敏感特性敏感特性融入材料使新的复合材料能融入材料
6、使新的复合材料能感知环境感知环境的各种参数及其变化。的各种参数及其变化。.9 日本东京大学工学系开发出了世界第一个用来检查核电站、高速公路、隧道等是否存在裂纹的光纤传感器，灵敏度是过去检测装置的千倍以上，价格也很便宜。 这种传感器使用简便，灵敏度高。只需将光纤制成的线圈贴在大楼、桥梁等物体的表面，如果这些被检测物体存在裂纹，传感器就会感知到由此产生的微小声音和振动，光纤内传导的光信号波长会发生变化，分析这些变化就能发现裂纹的位置及开裂的程度。 实验证明，不论裂纹位于建筑物表面、墙壁内部还是地下深处，传感器都能准确地探测到。增加线圈的数量还能进一步提高传感器的灵敏度。如果用玻璃纤维制成的光纤绕成
7、线圈，传感器的感知效果在600摄氏度的情况下仍然能够保持不变，适合在核电站和高温化工厂使用。 日本发明光纤传感器日本发明光纤传感器新华网 （ 2003-02-11 16:48:57 ）.10机械手柔性三维运动l形形状状记记忆忆合合金金.11 通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。l l压电传感器压电传感器压电传感器压电传感器.12（2）传输特性传输特性 智能材料不仅需要敏感环境的各种参数，而且需要在材料与结构中传递各种信息，其信息传递类似人的神经网络，不仅体积微小，而且传递信息量特大。目前用于智能材料中信
8、息传递的方法很多，最常用的是用光导纤维来传递信息。.13（3）智能特性智能特性 智能特性是智能材料的智能特性是智能材料的核心核心，也是智能材料与普通功能，也是智能材料与普通功能材料的主要区别。要求能材料的主要区别。要求能分析、判断分析、判断其参数的性质与变化，其参数的性质与变化，具有自学习、自适应等功能。具有自学习、自适应等功能。 由于计算机技术的高度发展，智能材料与结构的智能特由于计算机技术的高度发展，智能材料与结构的智能特性已经或正在逐步实现，问题的性已经或正在逐步实现，问题的关键关键是如何将材料敏感的各是如何将材料敏感的各种信息通过神经网络传输到计算机系统。种信息通过神经网络传输到计算机
9、系统。 两种方法两种方法：一种是在大型智能结构系统中，将智能材料敏感：一种是在大型智能结构系统中，将智能材料敏感到的各种参数传感到结构体系的到的各种参数传感到结构体系的普通计算机内普通计算机内；另一种是在；另一种是在智能材料中埋入智能材料中埋入超小型电脑芯片超小型电脑芯片。.14（4）自适应特性）自适应特性 是由智能材料中的各种是由智能材料中的各种微型驱动系统微型驱动系统来实现。该系统是来实现。该系统是由超小型芯片控制并可作出各种动作，使智能材料自动适应由超小型芯片控制并可作出各种动作，使智能材料自动适应环境中应力、振动、温度等变化或自行修复各种构件的损伤。环境中应力、振动、温度等变化或自行修
10、复各种构件的损伤。 目前常用的微型驱动系统有形状记忆合金，磁致伸缩材目前常用的微型驱动系统有形状记忆合金，磁致伸缩材料，电流变体等，尤其是料，电流变体等，尤其是电流变体材料电流变体材料在自适应材料中的应在自适应材料中的应用特别引人注目。用特别引人注目。.15电流变体电流变体l通常情况下，我们看到的液体变成固体或固体变成液体，只通常情况下，我们看到的液体变成固体或固体变成液体，只与温度和压力有关。然而，你能想像出电流也有这样的作用与温度和压力有关。然而，你能想像出电流也有这样的作用吗？吗？l1947年，一个叫温斯洛的美国人发现了一个奇怪的现象。他年，一个叫温斯洛的美国人发现了一个奇怪的现象。他把
11、石膏、石灰和炭粉加在橄榄油中，然后加水搅成一种悬浮把石膏、石灰和炭粉加在橄榄油中，然后加水搅成一种悬浮液，想看看这种悬浮液能不能导电。在试验中，他意外地发液，想看看这种悬浮液能不能导电。在试验中，他意外地发现，这种悬浮液没有加上电场时，可以像水或油一样自由地现，这种悬浮液没有加上电场时，可以像水或油一样自由地流动；可是一加上电场，就能立即由自由流动的液体变成固流动；可是一加上电场，就能立即由自由流动的液体变成固体，而且随着电场强度的增加，固体的强度也在增加。当撤体，而且随着电场强度的增加，固体的强度也在增加。当撤消电场时，它又能立即由固体变回液体。由于这种悬浮液可消电场时，它又能立即由固体变回
12、液体。由于这种悬浮液可以用电场来控制，因此科学家们就把它叫做以用电场来控制，因此科学家们就把它叫做“电流变体电流变体”，并把这种现象称为并把这种现象称为“温斯洛现象温斯洛现象”。温斯洛还为此申请了专。温斯洛还为此申请了专利。利。.16电流变体（续电流变体（续1）l那么，电流变体究竟有什么用处呢？那么，电流变体究竟有什么用处呢？l人们最先想到的是用它来制造汽车的离合器和刹车装置。人们最先想到的是用它来制造汽车的离合器和刹车装置。汽汽车司机都知道，改变行车速度要换挡，而换挡至少也需要几车司机都知道，改变行车速度要换挡，而换挡至少也需要几秒钟的时间。遇到紧急情况刹车时，司机猛踩刹车让刹车片秒钟的时间
13、。遇到紧急情况刹车时，司机猛踩刹车让刹车片紧紧紧紧“抱住抱住”旋转的轮子，也要用旋转的轮子，也要用1秒钟左右的时间。可在这秒钟左右的时间。可在这1秒钟之内，就有可能造成车毁人亡的惨剧。如果用电流变体秒钟之内，就有可能造成车毁人亡的惨剧。如果用电流变体做成离合器或刹车装置，那么只需千分之几秒的时间，就可做成离合器或刹车装置，那么只需千分之几秒的时间，就可以达到换挡或刹车的目的。因为不加电场时，电流变体为液以达到换挡或刹车的目的。因为不加电场时，电流变体为液体，黏度很小，等于汽车挂不上挡；加上电场后，电流变体体，黏度很小，等于汽车挂不上挡；加上电场后，电流变体的黏度随电场强度的增加而增大。当电流变
14、体变成固体时，的黏度随电场强度的增加而增大。当电流变体变成固体时，主动轴就和滑动轮结合成一个整体，就相当于换上了挡，而主动轴就和滑动轮结合成一个整体，就相当于换上了挡，而这个过程只需要千分之几秒的时间。用电流变体刹车的秘密这个过程只需要千分之几秒的时间。用电流变体刹车的秘密就在于此。就在于此。.17l近几年，科学界正在研究有近几年，科学界正在研究有“感觉感觉”和有和有“知觉知觉”的仿生智的仿生智能材料，它能随外界环境的变化而自动调节其功能，而电流能材料，它能随外界环境的变化而自动调节其功能，而电流变体正好在此可以发挥作用。由于电流变体能随电压的不同变体正好在此可以发挥作用。由于电流变体能随电压
15、的不同而改变自身的强度，所以能充当智能材料的而改变自身的强度，所以能充当智能材料的“肌肉肌肉”。因为。因为一使劲（加上电压）肌肉就会变硬，肌肉一放松（撤掉电压）一使劲（加上电压）肌肉就会变硬，肌肉一放松（撤掉电压）身子就变软了。身子就变软了。l在美国，有的科学家还用电流变体，研制出一种能自动加固在美国，有的科学家还用电流变体，研制出一种能自动加固的直升机水平旋翼叶片。在飞行中，当叶片突然遇到疾风而的直升机水平旋翼叶片。在飞行中，当叶片突然遇到疾风而猛烈振动有可能断裂时，叶片中事先加入的电流变体就会使猛烈振动有可能断裂时，叶片中事先加入的电流变体就会使直升机叶片变成固体，从而实现自动加固的目的。
16、直升机叶片变成固体，从而实现自动加固的目的。l总之，电流变体的应用非常广泛，它有可能开辟出一个新材总之，电流变体的应用非常广泛，它有可能开辟出一个新材料世界。料世界。电流变体（续电流变体（续2）.18（5）相容性）相容性埋置的材料性质与原构件的材料基质的性质越相近越好。埋置的材料性质与原构件的材料基质的性质越相近越好。（）强强度度相相容容：埋埋置置材材料料不不能能影影响响原原材材料料的的强强度度或或者者说说影影响很小。响很小。（）界面相容界面相容：埋入材料的表面和原材料有相容性。：埋入材料的表面和原材料有相容性。（）尺尺寸寸相相容容：埋埋入入材材料料或或器器件件和和原原材材料料构构件件相相比比，体体积积应很小，不影响原构件特性。应很小，不影响原构件特性。（）场分布相容场分布相容：埋：埋入入材料与器件不影响原材料构件各种材料与器件不影响原材料构件各种场分布特性，如应力场、振动模态等。场分布特性，如应力场、振动模态等。.197.1.2 智能材料的研究内容智能材料的研究内容 智智能能材材料料是是一一门门综综合合性性的的边边缘缘科科学学，它它包包括括材材料料科科学学、物物理理、化化学学、计计算
