仿生智能材料

1、 一、一、 仿生學(xué)仿生學(xué) 1 1、仿生學(xué)概念、仿生學(xué)概念 2 2、生物材料與仿生材料、生物材料與仿生材料 二、智能材料二、智能材料 1 1、什么是智能材料、什么是智能材料 2 2、智能材料的特征、智能材料的特征 3 3、智能材料的構(gòu)成、智能材料的構(gòu)成 4 4、智能材料的應(yīng)用、智能材料的應(yīng)用 一、一、 仿生學(xué)仿生學(xué) 1 1、仿生學(xué)概念、仿生學(xué)概念 人類進(jìn)化只有人類進(jìn)化只有500500萬(wàn)年的歷史，而生命進(jìn)化已經(jīng)歷了萬(wàn)年的歷史，而生命進(jìn)化已經(jīng)歷了 約約3535億年。億年。人類很早就認(rèn)識(shí)到生物具有許多超出人人類很早就認(rèn)識(shí)到生物具有許多超出人 類自身的功能和特性。對(duì)生物的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、功能類自身的功能和特

2、性。對(duì)生物的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、功能 和行為等進(jìn)行研究，我們就會(huì)從自然中獲得解決問(wèn)和行為等進(jìn)行研究，我們就會(huì)從自然中獲得解決問(wèn) 題的智慧和靈感。題的智慧和靈感。 水母的順風(fēng)耳，仿照水母 耳朵的結(jié)構(gòu)和功能，設(shè)計(jì)了 水母耳風(fēng)暴預(yù)測(cè)儀，能提前 15小時(shí)對(duì)風(fēng)暴作出預(yù)報(bào)，對(duì) 航海和漁業(yè)的安全都有重要 意義。 寶馬H2R氫燃料汽車外型 和設(shè)計(jì)的靈感來(lái)自海豚、 企鵝的低阻身材。圓鼓 的前臉、收起的尾部， 極小的正鋒面，成就了 其0.21的阻力系數(shù)。同 樣，尺寸龐大的寶馬7系 得益于其流線造型，阻 力系數(shù)也僅為0.29。 美國(guó)研發(fā)出一款舉世無(wú)雙 的“海豚潛艇”，它不僅 在外形上酷似海豚，而且 能像海豚一樣時(shí)而潛入水

3、中，時(shí)而躍出水面做出驚 險(xiǎn)刺激的翻騰動(dòng)作。 仿生學(xué)仿生學(xué)(Bionics)：模仿生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、形狀、模仿生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、形狀、 原理、行為以及相互作用，原理、行為以及相互作用，建造技術(shù)系統(tǒng)，或建造技術(shù)系統(tǒng)，或 者使人造技術(shù)系統(tǒng)具有生物系統(tǒng)特征或類似特者使人造技術(shù)系統(tǒng)具有生物系統(tǒng)特征或類似特 征的科學(xué)，簡(jiǎn)而言之，仿生學(xué)就是征的科學(xué)，簡(jiǎn)而言之，仿生學(xué)就是“模仿生物模仿生物 的科學(xué)的科學(xué)”。 仿生學(xué)是一門生命科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、信息仿生學(xué)是一門生命科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、信息 科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程技術(shù)等學(xué)科相互滲透而結(jié)合科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程技術(shù)等學(xué)科相互滲透而結(jié)合 成的一門邊緣科學(xué)。成的一門邊緣科學(xué)。 2、生物材料和

4、仿生材料 自然界存在的天然生物材料有著人工 材料無(wú)可比擬的優(yōu)越性能。 生物材料通常有兩個(gè)定義，一是有生命過(guò) 程形成的材料，如結(jié)構(gòu)蛋白（蠶絲等）和 生物礦物（骨、牙、貝殼等），另一個(gè)是 指生物醫(yī)用材料(Biomedical materials), 其定義隨醫(yī)用材料的發(fā)展不斷發(fā)展，指用 于取代、修復(fù)活組織的天然或人造材料。 天然生物材料是經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的自然選擇與 進(jìn)化，在細(xì)胞調(diào)制下形成的，其基本組成 單元很平常，但材料的微觀結(jié)構(gòu)很復(fù)雜， 具有空間上的分級(jí)結(jié)構(gòu)，通常是兩相或多 相的復(fù)合材料，表現(xiàn)出人工合成材料無(wú)法 比擬的性能。 生物體的啟示：生命體中特殊機(jī)能的智能 化大多與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。如昆蟲復(fù)

5、 眼感光膜的視覺(jué)神經(jīng)纖維具微納米結(jié)構(gòu) （由緊密排列的柱狀的微絨毛構(gòu)成，絨毛 的長(zhǎng)度約1-2um、直徑約60nm)；鯊魚皮膚 表面具有排列有序的微小鱗狀突起 仿生材料（Bio-inspired）： 受生物啟發(fā)或者模擬生物的各種特性 而開(kāi)發(fā)的材料。 材料的仿生包括模仿天然生物材料的 成分和結(jié)構(gòu)特征的成分、結(jié)構(gòu)仿生、模仿 生物體中形成材料的過(guò)程和加工制備仿生、 模仿生物體系統(tǒng)功能的功能仿生。 二、 智能材料 1、什么是智能材料？ 材料一般分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類。對(duì) 結(jié)構(gòu)材料主要要求其機(jī)械強(qiáng)度，而對(duì)功能材料 側(cè)重于其特有的功能。 功能材料 對(duì)來(lái)自外界或內(nèi)部的各種信息具有感知能力的 敏感材料 在外

6、界環(huán)境或內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)能對(duì)之作出 適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)并產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)材料 20世紀(jì)80年代，人們提出了智能材料的概念。 如果能把感知、驅(qū)動(dòng)（執(zhí)行）和信息等三種功能材料 有機(jī)地復(fù)合或集成于一體就可能實(shí)現(xiàn)材料的智能化。 智能材料是繼天然材料、人造材料、精細(xì)材料之后的智能材料是繼天然材料、人造材料、精細(xì)材料之后的 第四代功能材料第四代功能材料。 智能材料智能材料(Intelligent material，Smart material ) 是一種能從自身的表層或內(nèi)部獲取關(guān)于環(huán)境條件及是一種能從自身的表層或內(nèi)部獲取關(guān)于環(huán)境條件及 其變化的信息，并進(jìn)行判斷、處理和作出反應(yīng)，以其變化的信息，并進(jìn)行判斷、處理

7、和作出反應(yīng)，以 改變自身的結(jié)構(gòu)與功能并使之很好地與外界相協(xié)調(diào)改變自身的結(jié)構(gòu)與功能并使之很好地與外界相協(xié)調(diào) 的具有自適應(yīng)性的材料系統(tǒng)。的具有自適應(yīng)性的材料系統(tǒng)。 智能材料需具備以下內(nèi)涵：智能材料需具備以下內(nèi)涵： （1）具有感知功能，能夠檢測(cè)并且可以識(shí)別外）具有感知功能，能夠檢測(cè)并且可以識(shí)別外 界（或者內(nèi)部）的刺激強(qiáng)度，如電、光、界（或者內(nèi)部）的刺激強(qiáng)度，如電、光、 熱、應(yīng)力、應(yīng)變、化學(xué)、核輻射等；熱、應(yīng)力、應(yīng)變、化學(xué)、核輻射等； （2）具有驅(qū)動(dòng)功能，能夠響應(yīng)外界變化；）具有驅(qū)動(dòng)功能，能夠響應(yīng)外界變化； （3）能夠按照設(shè)定的方式選擇和控制響應(yīng)；）能夠按照設(shè)定的方式選擇和控制響應(yīng)； （4）反應(yīng)比較靈

8、敏、及時(shí)和恰當(dāng)；）反應(yīng)比較靈敏、及時(shí)和恰當(dāng)； （5）當(dāng)外部刺激消除后，能夠迅速恢復(fù)到原始）當(dāng)外部刺激消除后，能夠迅速恢復(fù)到原始 狀態(tài)。狀態(tài)。 智能材料必須具備智能材料必須具備感知、控制感知、控制和和驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)三個(gè)基本三個(gè)基本 要素。要素。 智能材料一般由兩種或兩種以上的材料復(fù)合構(gòu)智能材料一般由兩種或兩種以上的材料復(fù)合構(gòu) 成一個(gè)智能材料系統(tǒng)。成一個(gè)智能材料系統(tǒng)。 智能材料智能材料 智能材料智能材料在材料系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)中，可將傳感、控制在材料系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)中，可將傳感、控制 和驅(qū)動(dòng)三種職能集于一身，通過(guò)自身對(duì)和驅(qū)動(dòng)三種職能集于一身，通過(guò)自身對(duì) 信息的感知、采集、轉(zhuǎn)換、傳輸和處信息的感知、采集、轉(zhuǎn)換、傳輸和處

9、 理，發(fā)出指令并執(zhí)行和完成相應(yīng)的動(dòng)理，發(fā)出指令并執(zhí)行和完成相應(yīng)的動(dòng) 作，從而賦予材料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康自診作，從而賦予材料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康自診 斷、偏差自校正、損傷自修復(fù)與環(huán)境自斷、偏差自校正、損傷自修復(fù)與環(huán)境自 適應(yīng)等智能功能和生物特征，以達(dá)到增適應(yīng)等智能功能和生物特征，以達(dá)到增 強(qiáng)結(jié)構(gòu)安全、降低能量消耗和提高整體強(qiáng)結(jié)構(gòu)安全、降低能量消耗和提高整體 性能的目的的一種材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)。性能的目的的一種材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)。 2. 智能材料的特征智能材料的特征 3. 智能材料的基本結(jié)構(gòu)智能材料的基本結(jié)構(gòu) 智能材料不是一種單一的材料，而是一個(gè)由多種材料智能材料不是一種單一的材料，而是一個(gè)由多種材料 組元通過(guò)有機(jī)緊密

10、復(fù)合或嚴(yán)格地科學(xué)組裝而構(gòu)成的材組元通過(guò)有機(jī)緊密復(fù)合或嚴(yán)格地科學(xué)組裝而構(gòu)成的材 料系統(tǒng)，是一種智能機(jī)構(gòu)。料系統(tǒng)，是一種智能機(jī)構(gòu)。 傳感器傳感器 執(zhí)行器執(zhí)行器 控制器控制器 智能機(jī)構(gòu)智能機(jī)構(gòu) 材料自身材料自身 能夠探測(cè)能夠探測(cè) 到外部環(huán)到外部環(huán) 境狀態(tài)的境狀態(tài)的 變化變化 能夠自動(dòng)能夠自動(dòng) 地執(zhí)行改地執(zhí)行改 變材料狀變材料狀 態(tài)的指令態(tài)的指令 能夠?qū)μ綔y(cè)到的外部環(huán)境的變化作出判斷，能夠?qū)μ綔y(cè)到的外部環(huán)境的變化作出判斷， 并給出相應(yīng)的改變材料狀態(tài)的指令并給出相應(yīng)的改變材料狀態(tài)的指令 智能材料的構(gòu)成智能材料的構(gòu)成 智能材料由基體材料、敏感材料、驅(qū)動(dòng)材料和信息智能材料由基體材料、敏感材料、驅(qū)動(dòng)材料和信息

11、 處理器四部分構(gòu)成。處理器四部分構(gòu)成。 (1)基體材料基體材料 基體材料擔(dān)負(fù)著承載的作用，一般宜選用輕質(zhì)基體材料擔(dān)負(fù)著承載的作用，一般宜選用輕質(zhì) 材料。材料。 首選高分子材料，因?yàn)槠渲亓枯p、耐腐蝕。首選高分子材料，因?yàn)槠渲亓枯p、耐腐蝕。 其次也可選用金屬材料，以輕質(zhì)有色合金為主。其次也可選用金屬材料，以輕質(zhì)有色合金為主。 (2)敏感材料敏感材料 敏感材料擔(dān)負(fù)著傳感的任務(wù)，其主要作用是感知敏感材料擔(dān)負(fù)著傳感的任務(wù)，其主要作用是感知 環(huán)境變化（包括壓力、應(yīng)力、溫度、電磁場(chǎng)、環(huán)境變化（包括壓力、應(yīng)力、溫度、電磁場(chǎng)、 PH值等）。值等）。 常用敏感材料：形狀記憶材料、壓電材料、光纖常用敏感材料：形狀記

12、憶材料、壓電材料、光纖 材料、磁致伸縮材料、電致變色材料、磁致伸縮材料、電致變色 材料、電流變體、磁流變體和液材料、電流變體、磁流變體和液 晶材料等。晶材料等。 (3)驅(qū)動(dòng)材料驅(qū)動(dòng)材料 因?yàn)樵谝欢l件下驅(qū)動(dòng)材料可產(chǎn)生較大的應(yīng)變和因?yàn)樵谝欢l件下驅(qū)動(dòng)材料可產(chǎn)生較大的應(yīng)變和 應(yīng)力，所以它擔(dān)負(fù)著響應(yīng)和控制的任務(wù)。應(yīng)力，所以它擔(dān)負(fù)著響應(yīng)和控制的任務(wù)。 常用有效驅(qū)動(dòng)材料：形狀記憶材料、壓電材料、常用有效驅(qū)動(dòng)材料：形狀記憶材料、壓電材料、 電流變體和磁致伸縮材料等。電流變體和磁致伸縮材料等。 (4)其它功能材料其它功能材料 包括導(dǎo)電材料、磁性材料、光纖和半導(dǎo)體材料等。包括導(dǎo)電材料、磁性材料、光纖和半導(dǎo)體材

13、料等。 如：將光導(dǎo)纖維、形狀記憶合金和鎵砷化合物半導(dǎo)體如：將光導(dǎo)纖維、形狀記憶合金和鎵砷化合物半導(dǎo)體 控制電路埋入復(fù)合材料中?？刂齐娐仿袢霃?fù)合材料中。 光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維 傳感元件傳感元件 (檢測(cè)結(jié)構(gòu)中的檢測(cè)結(jié)構(gòu)中的 應(yīng)變和溫度應(yīng)變和溫度) 形狀記憶合金形狀記憶合金 執(zhí)行元件執(zhí)行元件 (使結(jié)構(gòu)動(dòng)作使結(jié)構(gòu)動(dòng)作 改變性狀改變性狀) 半導(dǎo)體控制電路半導(dǎo)體控制電路 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) (根據(jù)傳感元件的信根據(jù)傳感元件的信 息驅(qū)動(dòng)元件動(dòng)作息驅(qū)動(dòng)元件動(dòng)作) 智能材料智能材料 智能結(jié)構(gòu)的動(dòng)作流程圖智能結(jié)構(gòu)的動(dòng)作流程圖 識(shí)別識(shí)別分析分析判斷判斷行動(dòng)行動(dòng) 驅(qū)動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)元件 自適應(yīng)地改變結(jié)構(gòu)形狀、剛度、自適應(yīng)地改變結(jié)構(gòu)

14、形狀、剛度、 位置、應(yīng)力狀態(tài)、固有頻率等位置、應(yīng)力狀態(tài)、固有頻率等 智能材料智能材料 智能變色材料智能變色材料 由于光、電、熱等外界條件的作用，使料內(nèi)部結(jié)由于光、電、熱等外界條件的作用，使料內(nèi)部結(jié) 構(gòu)發(fā)生變化從而改變材料對(duì)光波吸收的特性，使構(gòu)發(fā)生變化從而改變材料對(duì)光波吸收的特性，使 材料呈現(xiàn)出不同的顏色。材料呈現(xiàn)出不同的顏色。 l光色玻璃光色玻璃 l電致變色薄膜電致變色薄膜 智能材料智能材料 光色玻璃光色玻璃(變色玻璃變色玻璃) 能夠隨照射光強(qiáng)的變化而改變顏色。能夠隨照射光強(qiáng)的變化而改變顏色。 原因：原因： 含有在光照下能發(fā)生可逆變化的亞穩(wěn)態(tài)色心：含有在光照下能發(fā)生可逆變化的亞穩(wěn)態(tài)色心： 在光

15、波的照射下，色心的光吸收特性發(fā)生改變，從在光波的照射下，色心的光吸收特性發(fā)生改變，從 而使光色玻璃表現(xiàn)出隨光照而改變顏色的特性。而使光色玻璃表現(xiàn)出隨光照而改變顏色的特性。 l同相型光色玻璃同相型光色玻璃 l異相型光色玻璃異相型光色玻璃 智能材料智能材料 同相型光色玻璃同相型光色玻璃亞穩(wěn)態(tài)色心與玻璃基質(zhì)具有相同亞穩(wěn)態(tài)色心與玻璃基質(zhì)具有相同 的相。的相。 如：光學(xué)玻璃的組分中加入氧化鈰（選擇吸收）如：光學(xué)玻璃的組分中加入氧化鈰（選擇吸收） 色心：能變價(jià)的鈰離子色心：能變價(jià)的鈰離子 紫藍(lán)光波紫藍(lán)光波 4f 5d 鈰離子內(nèi)電子躍遷鈰離子內(nèi)電子躍遷鈰離子恢復(fù)電子狀態(tài)鈰離子恢復(fù)電子狀態(tài) 4f 5d 光減弱

16、光減弱 玻璃逐漸由高透明玻璃逐漸由高透明 態(tài)轉(zhuǎn)向深黃褐色態(tài)轉(zhuǎn)向深黃褐色 玻璃逐漸恢復(fù)高玻璃逐漸恢復(fù)高 透明態(tài)透明態(tài) 異相型光色玻璃異相型光色玻璃亞穩(wěn)態(tài)色心是與玻璃基質(zhì)不同的亞穩(wěn)態(tài)色心是與玻璃基質(zhì)不同的 光敏晶相物質(zhì)。光敏晶相物質(zhì)。 如：如：鹵化銀光色玻璃鹵化銀光色玻璃 色心：色心：鹵化銀晶體鹵化銀晶體 玻璃組分中玻璃組分中 加入鹵化銀加入鹵化銀 光照光照(紫外到藍(lán)紫波段紫外到藍(lán)紫波段) 析出游離態(tài)銀離子析出游離態(tài)銀離子 對(duì)光散射強(qiáng)對(duì)光散射強(qiáng)(著色狀態(tài)著色狀態(tài)) 光化學(xué)反應(yīng)光化學(xué)反應(yīng) 高溫熔融冷卻高溫熔融冷卻 析出亞微米尺析出亞微米尺 度的鹵化銀度的鹵化銀 對(duì)光散射很小對(duì)光散射很小(高透明狀態(tài)高

17、透明狀態(tài)) 無(wú)光照無(wú)光照 銀離子化合成鹵化銀銀離子化合成鹵化銀 去除光照去除光照 室溫?zé)峒せ钍覝責(zé)峒せ?光色玻璃的應(yīng)用：光色玻璃的應(yīng)用： 圖圖18 變色太陽(yáng)鏡變色太陽(yáng)鏡 汽車、飛機(jī)、船舶的前向玻璃或觀察窗玻汽車、飛機(jī)、船舶的前向玻璃或觀察窗玻 璃，起防眩作用等。璃，起防眩作用等。 智能材料智能材料 電致變色薄膜電致變色薄膜 電致變色現(xiàn)象電致變色現(xiàn)象(Electrochromism)材料在電場(chǎng)作材料在電場(chǎng)作 用下所引起的顏色變化，這種變化是可逆的、連續(xù)用下所引起的顏色變化，這種變化是可逆的、連續(xù) 可調(diào)的可調(diào)的(透過(guò)率、吸收率、反射率三者比例關(guān)系可透過(guò)率、吸收率、反射率三者比例關(guān)系可 調(diào)調(diào)）。）。

18、 應(yīng)用：智能窗應(yīng)用：智能窗(調(diào)節(jié)玻璃透光特性調(diào)節(jié)玻璃透光特性) 機(jī)理：機(jī)理： 一些氧化物薄膜在電場(chǎng)的作用下能夠發(fā)生一些氧化物薄膜在電場(chǎng)的作用下能夠發(fā)生電子的交電子的交 換換，導(dǎo)致顏色的改變。，導(dǎo)致顏色的改變。 智能材料智能材料 智能窗結(jié)構(gòu)示意圖智能窗結(jié)構(gòu)示意圖 著色和退色的電化學(xué)反應(yīng)如下：著色和退色的電化學(xué)反應(yīng)如下： Ni1-xO(初始態(tài)初始態(tài)) + yM+ + ye- MyNi1-xO (著色態(tài)著色態(tài)) MyNil-xO (著色態(tài)著色態(tài)) My-2N1-xO(退色態(tài)退色態(tài)) + 2M+ + 2e- 氧化還原的電化學(xué)反應(yīng)氧化還原的電化學(xué)反應(yīng) 玻璃基片玻璃基片 透明電極透明電極(氧化銦錫膜氧化銦

19、錫膜) 離子注入膜離子注入膜 快離子導(dǎo)體隔膜快離子導(dǎo)體隔膜 電致變色膜電致變色膜(-WO3、NiO薄膜薄膜) 藍(lán)色、灰色藍(lán)色、灰色 法拉利首款自動(dòng)硬頂敞篷車法拉利首款自動(dòng)硬頂敞篷車 玻璃車頂采用了利用電場(chǎng)變化來(lái)改變顏色的電致變色玻璃車頂采用了利用電場(chǎng)變化來(lái)改變顏色的電致變色 技術(shù)，可技術(shù)，可對(duì)透過(guò)率進(jìn)行對(duì)透過(guò)率進(jìn)行5級(jí)調(diào)整級(jí)調(diào)整。 智能窗的應(yīng)用：智能窗的應(yīng)用： 智能材料智能材料 汽車防眩目后視鏡汽車防眩目后視鏡 汽車夜間行駛時(shí)根據(jù)后面行駛車輛前大燈射出的光線照射到汽車夜間行駛時(shí)根據(jù)后面行駛車輛前大燈射出的光線照射到 后視鏡上產(chǎn)生的眩目光程度，后視鏡上產(chǎn)生的眩目光程度，自動(dòng)控制后視鏡的透光度，以

20、自動(dòng)控制后視鏡的透光度，以 減少后視鏡鏡面的反射光強(qiáng)度減少后視鏡鏡面的反射光強(qiáng)度，使駕駛員既能舒服的通過(guò)后，使駕駛員既能舒服的通過(guò)后 視鏡了解后面行駛車輛及行人的情況，又能安全駕駛汽車。視鏡了解后面行駛車輛及行人的情況，又能安全駕駛汽車。 汽車防眩目后視汽車防眩目后視 鏡是當(dāng)前玻璃制鏡是當(dāng)前玻璃制 造業(yè)前沿產(chǎn)品造業(yè)前沿產(chǎn)品-電電 致變色玻璃在汽致變色玻璃在汽 車上的應(yīng)用。車上的應(yīng)用。 智能材料智能材料 4 . 智能材料的應(yīng)用智能材料的應(yīng)用 在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用 智能材料與住宅智能化智能材料與住宅智能化 與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相聯(lián)系的智能材料與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相聯(lián)系的智能材料 閱讀材料閱讀材料 智能

21、材料智能材料 在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用 （1）智能蒙皮）智能蒙皮 光纖作為智能傳感元件用于飛機(jī)機(jī)翼的智能蒙皮中，光纖作為智能傳感元件用于飛機(jī)機(jī)翼的智能蒙皮中， 或者在武器平臺(tái)的蒙皮中植入傳感元件、驅(qū)動(dòng)元件或者在武器平臺(tái)的蒙皮中植入傳感元件、驅(qū)動(dòng)元件 和微處理控制系統(tǒng)制成的智能蒙皮，可用于預(yù)警、和微處理控制系統(tǒng)制成的智能蒙皮，可用于預(yù)警、 隱身和通信。隱身和通信。 （2）結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)和壽命預(yù)測(cè)）結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)和壽命預(yù)測(cè) u采用光纖傳感器和聚偏氟乙烯傳感器的智能采用光纖傳感器和聚偏氟乙烯傳感器的智能 結(jié)構(gòu)可對(duì)機(jī)翼、機(jī)架以及可重復(fù)使用航天運(yùn)結(jié)構(gòu)可對(duì)機(jī)翼、機(jī)架以及可重復(fù)使用航天運(yùn) 載器進(jìn)行全壽命期實(shí)

22、時(shí)監(jiān)測(cè)、損傷評(píng)估和壽載器進(jìn)行全壽命期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、損傷評(píng)估和壽 命預(yù)測(cè)；命預(yù)測(cè)； u空間站等大型在軌系統(tǒng)采用光纖智能結(jié)構(gòu)，空間站等大型在軌系統(tǒng)采用光纖智能結(jié)構(gòu)， 可實(shí)時(shí)探測(cè)由于交會(huì)對(duì)接碰撞、隕石撞擊或可實(shí)時(shí)探測(cè)由于交會(huì)對(duì)接碰撞、隕石撞擊或 其他原因引起的損傷，對(duì)損傷進(jìn)行評(píng)估，實(shí)其他原因引起的損傷，對(duì)損傷進(jìn)行評(píng)估，實(shí) 施自診斷。施自診斷。 （3）環(huán)境自適應(yīng)結(jié)構(gòu)）環(huán)境自適應(yīng)結(jié)構(gòu) 智能結(jié)構(gòu)制成的自適應(yīng)機(jī)翼，能夠?qū)崟r(shí)智能結(jié)構(gòu)制成的自適應(yīng)機(jī)翼，能夠?qū)崟r(shí)感知外感知外 界環(huán)境的變化界環(huán)境的變化，并可以，并可以驅(qū)動(dòng)機(jī)翼彎曲、扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)翼彎曲、扭轉(zhuǎn)， 從而從而改變翼型和攻角改變翼型和攻角，以獲得最佳氣動(dòng)特性，以獲得

23、最佳氣動(dòng)特性， 降低機(jī)翼阻力系數(shù)，延長(zhǎng)機(jī)翼的疲勞壽命。降低機(jī)翼阻力系數(shù)，延長(zhǎng)機(jī)翼的疲勞壽命。 在機(jī)翼結(jié)構(gòu)中使用在機(jī)翼結(jié)構(gòu)中使用磁致伸縮致動(dòng)器磁致伸縮致動(dòng)器，可使機(jī)翼，可使機(jī)翼 阻力降低阻力降低85%。 智能材料與住宅智能化智能材料與住宅智能化 （1）多功能磚）多功能磚 具有變通性和智能性。具有變通性和智能性。 主要由四個(gè)分層構(gòu)成：主要由四個(gè)分層構(gòu)成： 第一層是功能層，能感受來(lái)自周圍的聲能、熱能、光能，第一層是功能層，能感受來(lái)自周圍的聲能、熱能、光能， 并能控制這些能量的輸出；并能控制這些能量的輸出； 第二層是通訊層，能為居住者提供內(nèi)外通信聯(lián)系的通道；第二層是通訊層，能為居住者提供內(nèi)外通信聯(lián)系的

24、通道； 第三層是輸送通道，可以用來(lái)輸送水和其它材料；第三層是輸送通道，可以用來(lái)輸送水和其它材料； 第四層面膜是磚材的最上層，也具有多功能性。如壁膜可第四層面膜是磚材的最上層，也具有多功能性。如壁膜可 以使墻壁產(chǎn)生不同的色彩和圖案；傳感膜可以接收聲波、以使墻壁產(chǎn)生不同的色彩和圖案；傳感膜可以接收聲波、 熱能和可見(jiàn)光并予以減弱或增強(qiáng)；地膜可產(chǎn)生耐久的色彩熱能和可見(jiàn)光并予以減弱或增強(qiáng)；地膜可產(chǎn)生耐久的色彩 和圖案；界面膜可連接內(nèi)外通信線路。和圖案；界面膜可連接內(nèi)外通信線路。 （2）食物器皿）食物器皿 在毫微塑料的桌面上旋轉(zhuǎn)的碗不僅能測(cè)知食物的在毫微塑料的桌面上旋轉(zhuǎn)的碗不僅能測(cè)知食物的 存在，而且可以

25、根據(jù)用戶的需要自行形成各種形存在，而且可以根據(jù)用戶的需要自行形成各種形 狀的碟子，供準(zhǔn)備、烹調(diào)和上菜時(shí)使用。并且這狀的碟子，供準(zhǔn)備、烹調(diào)和上菜時(shí)使用。并且這 種盛食物的碗還具有保溫和在不使用冰箱的情況種盛食物的碗還具有保溫和在不使用冰箱的情況 下保鮮的功能。下保鮮的功能。 （3）座椅）座椅 用毫微塑料制作的坐椅不僅功能將大大增加，而且也將增用毫微塑料制作的坐椅不僅功能將大大增加，而且也將增 加舒適程度。加舒適程度。 使用毫微塑料能改變椅座面的柔韌性和彈性，也可以形成使用毫微塑料能改變椅座面的柔韌性和彈性，也可以形成 各種型式的椅座面。各種型式的椅座面。 毫微塑料可以形成所需的任何圖案或結(jié)構(gòu)，還

26、能改變座椅毫微塑料可以形成所需的任何圖案或結(jié)構(gòu)，還能改變座椅 本身的結(jié)構(gòu)。本身的結(jié)構(gòu)。 由于不同年齡段的人對(duì)溫度舒適性的要求有很大區(qū)別，座由于不同年齡段的人對(duì)溫度舒適性的要求有很大區(qū)別，座 椅還可以隨心所欲地升溫和降溫，甚至對(duì)人們喜愛(ài)的舒適椅還可以隨心所欲地升溫和降溫，甚至對(duì)人們喜愛(ài)的舒適 溫度具有記憶功能。溫度具有記憶功能。 與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相聯(lián)系的智能材料與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相聯(lián)系的智能材料 （1）人造肌肉）人造肌肉 生物彈性材料能模擬活體生物，而且其力量生物彈性材料能模擬活體生物，而且其力量 和反應(yīng)速度均接近于人體的肌肉。和反應(yīng)速度均接近于人體的肌肉。 生物彈性材料可以應(yīng)用于人體組織的修復(fù)，生物彈性材料

27、可以應(yīng)用于人體組織的修復(fù)， 具有與生物體的相容性，隨著傷口的愈合，具有與生物體的相容性，隨著傷口的愈合， 這種聚合物就會(huì)在體內(nèi)逐漸降解，最后將會(huì)這種聚合物就會(huì)在體內(nèi)逐漸降解，最后將會(huì) 消失。消失。 （2）人造皮膚）人造皮膚 意大利比薩大學(xué)的科研人員為了使機(jī)器人與意大利比薩大學(xué)的科研人員為了使機(jī)器人與 真人更接近，讓它的皮膚具有感覺(jué)功能，研真人更接近，讓它的皮膚具有感覺(jué)功能，研 制成功一種人造皮膚智能材料。制成功一種人造皮膚智能材料。 材料可以感知溫度、熱流的變化以及各種應(yīng)材料可以感知溫度、熱流的變化以及各種應(yīng) 力的大小，并且有良好的空間分辨力。力的大小，并且有良好的空間分辨力。 這種智能材料還

28、可以分辨表面狀況，例如，這種智能材料還可以分辨表面狀況，例如， 粗糙度、摩擦力等。粗糙度、摩擦力等。 （3）在藥物自動(dòng)投入系統(tǒng)上的應(yīng)用）在藥物自動(dòng)投入系統(tǒng)上的應(yīng)用 科學(xué)家正在研制一種能科學(xué)家正在研制一種能根據(jù)血液中的葡萄糖根據(jù)血液中的葡萄糖 濃度而擴(kuò)張收縮的聚合物濃度而擴(kuò)張收縮的聚合物，這種聚合物可制，這種聚合物可制 成人造胰細(xì)胞，將它注入糖尿病患者的血液成人造胰細(xì)胞，將它注入糖尿病患者的血液 中，小球就可模擬胰細(xì)胞工作，使病人的血中，小球就可模擬胰細(xì)胞工作，使病人的血 糖濃度始終保持在平常的水平上。糖濃度始終保持在平常的水平上。 6060年代初的一天，美國(guó)海軍軍械實(shí)驗(yàn)室的研究人員領(lǐng)來(lái)年代初的

29、一天，美國(guó)海軍軍械實(shí)驗(yàn)室的研究人員領(lǐng)來(lái) 了一批鎳鈦合金絲，也許是制造過(guò)程中處理不當(dāng)，合金絲被了一批鎳鈦合金絲，也許是制造過(guò)程中處理不當(dāng)，合金絲被 弄彎了，他們只能一根一根地將合金絲校直。有人順手把校弄彎了，他們只能一根一根地將合金絲校直。有人順手把校 直的合金絲堆放在爐子的旁邊。這時(shí)意外的事情發(fā)生了，一直的合金絲堆放在爐子的旁邊。這時(shí)意外的事情發(fā)生了，一 些校直的的合金絲在爐溫的烘烤下，不一會(huì)兒就恢復(fù)到原來(lái)些校直的的合金絲在爐溫的烘烤下，不一會(huì)兒就恢復(fù)到原來(lái) 彎曲的形狀。于是不得不重新校直合金絲。起初，他們沒(méi)有彎曲的形狀。于是不得不重新校直合金絲。起初，他們沒(méi)有 在意，還是把校直的合金絲堆放在

30、爐旁，結(jié)果合金絲又彎曲在意，還是把校直的合金絲堆放在爐旁，結(jié)果合金絲又彎曲 了，這種現(xiàn)象重復(fù)出現(xiàn)了多次，直到人們把校直的合金絲換了，這種現(xiàn)象重復(fù)出現(xiàn)了多次，直到人們把校直的合金絲換 了一地方堆放，不再受到爐溫的烘烤以后，合金絲才繼續(xù)保了一地方堆放，不再受到爐溫的烘烤以后，合金絲才繼續(xù)保 持挺直的形狀。持挺直的形狀。 軍械實(shí)驗(yàn)室的研究人員緊緊地抓住了上述的意外的事情，軍械實(shí)驗(yàn)室的研究人員緊緊地抓住了上述的意外的事情， 開(kāi)展反復(fù)的實(shí)驗(yàn)研究，終于發(fā)現(xiàn)含開(kāi)展反復(fù)的實(shí)驗(yàn)研究，終于發(fā)現(xiàn)含50%50%鎳和鎳和50%50%鈦的合金在溫鈦的合金在溫 度升高度升高4040以上時(shí)，能以上時(shí)，能“記住記住”自己原來(lái)的

31、形狀。自己原來(lái)的形狀。 科學(xué)家把這種現(xiàn)象叫做形狀記憶效應(yīng)，具有記憶功能的合金稱為形狀記憶合金?？茖W(xué)家把這種現(xiàn)象叫做形狀記憶效應(yīng)，具有記憶功能的合金稱為形狀記憶合金。 閱讀材料閱讀材料 有記憶的金屬有記憶的金屬 科學(xué)家早在科學(xué)家早在6060年代就發(fā)現(xiàn)了鈦鎳合金是有年代就發(fā)現(xiàn)了鈦鎳合金是有 “記憶記憶”的。這種的。這種“記憶金屬記憶金屬”制成的衛(wèi)制成的衛(wèi) 星自展天線在升空前只有巴掌大小，到了星自展天線在升空前只有巴掌大小，到了 太空加熱后就會(huì)展開(kāi)到四五米！太空加熱后就會(huì)展開(kāi)到四五米！ 3. 形狀記憶合金形狀記憶合金 形狀記憶效應(yīng)形狀記憶效應(yīng)(Shape Memory Effect):一一 旦取消外

32、力或改變溫度旦取消外力或改變溫度,使發(fā)生塑性變形后的使發(fā)生塑性變形后的 合金又能恢復(fù)原來(lái)的形狀。合金又能恢復(fù)原來(lái)的形狀。 形狀記憶效應(yīng)有三種形式形狀記憶效應(yīng)有三種形式:單向形狀記憶單向形狀記憶 效應(yīng)、雙向形狀記憶效應(yīng)和全方位形狀記憶效應(yīng)、雙向形狀記憶效應(yīng)和全方位形狀記憶 效應(yīng)。效應(yīng)。 冷卻冷卻 冷卻冷卻冷卻冷卻 冷卻冷卻冷卻冷卻 變形變形變形變形變形變形 加熱加熱加熱加熱加熱加熱 高溫時(shí)形狀高溫時(shí)形狀 (a) (b) (c) 5 5、科普展覽會(huì)上有一種神奇的金屬花，科普展覽會(huì)上有一種神奇的金屬花， 記憶合金記憶合金”花朵花朵”，它的花瓣是用記憶，它的花瓣是用記憶 合金制成的，具有記憶能力，燈光

33、一照合金制成的，具有記憶能力，燈光一照 會(huì)綻開(kāi)。會(huì)綻開(kāi)。 雙程雙程CuZnAl記憶合金花記憶合金花 采用采用CuZnAl記記 憶合金片，以熱水或憶合金片，以熱水或 熱風(fēng)為熱源，開(kāi)放溫?zé)犸L(fēng)為熱源，開(kāi)放溫 度為度為6585，閉，閉 合溫度為室溫?；ɡ俸蠝囟葹槭覝??；ɡ?直徑直徑80mm,展開(kāi)直徑展開(kāi)直徑 200mm。動(dòng)作幅度為。動(dòng)作幅度為 1800。另外，可據(jù)用。另外，可據(jù)用 戶要求訂做。戶要求訂做。 工業(yè)常用形狀記憶合金作開(kāi)關(guān)，用于火工業(yè)常用形狀記憶合金作開(kāi)關(guān)，用于火 警探測(cè)系統(tǒng)等。警探測(cè)系統(tǒng)等。 由于生物相容性好，由于生物相容性好，Ti-Ni合金是目前醫(yī)合金是目前醫(yī) 學(xué)領(lǐng)域使用的唯一的形狀記憶

34、合金。學(xué)領(lǐng)域使用的唯一的形狀記憶合金。 形狀記憶合金更多的潛在應(yīng)用是埋置在形狀記憶合金更多的潛在應(yīng)用是埋置在 材料里組成智能復(fù)合材料。材料里組成智能復(fù)合材料。 記憶釘子記憶釘子 菲力浦公司研制了一種由“記憶金屬”制成的釘子, 把它安在汽車外胎上，當(dāng)氣溫降低、公路結(jié)冰時(shí)，釘 子會(huì)“自動(dòng)”從外胎里伸出來(lái)，防止車輪打滑。 “記憶金屬”食道架能在喉部膨脹成新的食道。必要時(shí) 只要向食道里加上冰塊，“食道”又會(huì)遇冷收縮，從而可 輕易取出，使失去進(jìn)食功能的食道癌患者提高了生活質(zhì)量。 記憶食道支架記憶食道支架 用這種“記憶金屬”造出汽車，萬(wàn)一被撞癟，只要 澆上一桶熱水就可恢復(fù)到原來(lái)的形狀。 汽車 人們蓋上用記

35、憶合金絲混合羊毛織成的毛毯后，如 毛毯溫度過(guò)熱，它就會(huì)自動(dòng)掀開(kāi)一部分，適當(dāng)降低溫 度，使人睡得更安穩(wěn)。 記憶毛毯記憶毛毯 記憶照明燈記憶照明燈 法國(guó)巴黎用形狀記憶合金制造的城市照明燈，有兩瓣 隨著燈的亮滅而逐漸張開(kāi)或合上的金屬葉片。白天，路燈 熄滅，葉片合上；傍晚，路燈亮起燈泡發(fā)熱，葉片受熱而 逐漸張開(kāi)，使燈泡顯露出來(lái)。 形狀記憶合金的特點(diǎn) 形狀記憶合金材料是一形狀記憶合金材料是一 種新型的功能材料，其種新型的功能材料，其 特點(diǎn)是在一定的外力作特點(diǎn)是在一定的外力作 用下可以改變其形態(tài)用下可以改變其形態(tài) (形狀和體積形狀和體積)，但當(dāng)溫，但當(dāng)溫 度升高到某一定值時(shí)，度升高到某一定值時(shí)， 它又可完

36、全恢復(fù)原來(lái)的它又可完全恢復(fù)原來(lái)的 形態(tài)。形態(tài)。 通過(guò)形狀記憶合金模仿肌肉的收縮 來(lái)實(shí)現(xiàn)人工肌肉的功能。用背部的 金屬纖維振動(dòng)翅膀 形狀記憶合金的用途（一） 在航空上的應(yīng)用 月球上的“奇葩” 在室溫下用形狀記憶合金制在室溫下用形狀記憶合金制 成拋物面天線，然后把它揉成拋物面天線，然后把它揉 成直徑成直徑5厘米以下的小團(tuán)，放厘米以下的小團(tuán)，放 入阿波羅入阿波羅11號(hào)的艙內(nèi)，在月號(hào)的艙內(nèi)，在月 面上經(jīng)太陽(yáng)光的照射加熱使面上經(jīng)太陽(yáng)光的照射加熱使 它恢復(fù)到原來(lái)的拋物面形狀。它恢復(fù)到原來(lái)的拋物面形狀。 這樣就能用空間有限的火箭這樣就能用空間有限的火箭 艙運(yùn)送體積龐大的天線了。艙運(yùn)送體積龐大的天線了。 宇宙

37、飛船登月的月面天線宇宙飛船登月的月面天線 宇宙飛船登月之后，為了將月球上收集到的 各種信息發(fā)回地球，必須在月球上架設(shè)直徑為好 幾米的半月面天線。要把這個(gè)龐然大物直接放入 宇宙飛船的船艙中幾乎是不可能?？蒲腥藛T先用 硬度和剛性非常好的鎳鈦合金在40以上制成半 球面的月面天線，再讓天線冷卻到28以下。這 時(shí)合金內(nèi)部發(fā)生了結(jié)晶構(gòu)造轉(zhuǎn)變，變得非常柔軟， 很容易把天線折疊成小球似的一團(tuán)，放進(jìn)宇宙飛 船的船艙里。到達(dá)月球以后，宇航員把變軟的天 線放在月面上，借助于太陽(yáng)光照射或其它熱源的 烘烤使環(huán)境溫度超過(guò)40，這時(shí)天線像一把折疊 傘自動(dòng)張開(kāi)，迅速投入正常的工作。 閱讀材料閱讀材料 形狀記憶合金的用途（二）

38、 在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 合金作為驅(qū)動(dòng)元件，具有可動(dòng)的肩、肘、腕及合金作為驅(qū)動(dòng)元件，具有可動(dòng)的肩、肘、腕及 手指的微型機(jī)械手。手指和手腕靠手指的微型機(jī)械手。手指和手腕靠TiNiTiNi合金螺合金螺 旋彈簧的伸縮實(shí)現(xiàn)開(kāi)閉和彎曲動(dòng)作，肘和肩是旋彈簧的伸縮實(shí)現(xiàn)開(kāi)閉和彎曲動(dòng)作，肘和肩是 靠直線狀的靠直線狀的TiNiTiNi合金絲的伸縮做彎曲動(dòng)作，各合金絲的伸縮做彎曲動(dòng)作，各 個(gè)形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)元件都由直接通上的脈寬個(gè)形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)元件都由直接通上的脈寬 可調(diào)電流加以控制?？烧{(diào)電流加以控制。 6 6、醫(yī)療上用鎳鈦形狀記憶合金制造牙、醫(yī)療上用鎳鈦形狀記憶合金制造牙 齒的矯正器、凝血過(guò)濾器，腦動(dòng)脈瘤

39、手齒的矯正器、凝血過(guò)濾器，腦動(dòng)脈瘤手 術(shù)夾鉗、人造心臟瓣膜、脊椎矯正器、術(shù)夾鉗、人造心臟瓣膜、脊椎矯正器、 骨折部位的定位夾具等，給病人帶來(lái)福骨折部位的定位夾具等，給病人帶來(lái)福 音。音。 將將“記憶金屬記憶金屬”做成做成“金屬食道金屬食道 支架支架”，能在患者喉部膨脹成新的食道，能在患者喉部膨脹成新的食道， 必要時(shí)只要向食道里加冰塊，必要時(shí)只要向食道里加冰塊，“食道食道” 又會(huì)遇冷收縮，從而可輕易取出。又會(huì)遇冷收縮，從而可輕易取出。 隨著社會(huì)的發(fā)展，我們對(duì)金屬的認(rèn)識(shí)也在增隨著社會(huì)的發(fā)展，我們對(duì)金屬的認(rèn)識(shí)也在增 加。并且，也希望新的材料的誕生。也許在加。并且，也希望新的材料的誕生。也許在 不遠(yuǎn)將

40、來(lái)，我們都會(huì)擁有一輛由不遠(yuǎn)將來(lái)，我們都會(huì)擁有一輛由“記憶金屬記憶金屬” 制作的汽車，我們?cè)僖膊慌掳哑嚺鲎驳陌贾谱鞯钠嚕覀冊(cè)僖膊慌掳哑嚺鲎驳陌?凸不平而心痛惋惜了。這種凸不平而心痛惋惜了。這種“記憶金屬記憶金屬”即即 是是鎳鈦合金鎳鈦合金。如把這樣一塊金屬進(jìn)行加熱，。如把這樣一塊金屬進(jìn)行加熱， 它將形成一定的形態(tài)。冷卻后，任意揉皺，它將形成一定的形態(tài)。冷卻后，任意揉皺， 或使它彎曲，再加熱后，它又恢復(fù)了原狀?；蚴顾鼜澢偌訜岷?，它又恢復(fù)了原狀。 變形汽車變形汽車 科學(xué)家還用記憶合金做科學(xué)家還用記憶合金做 成食道支架，對(duì)失去進(jìn)成食道支架，對(duì)失去進(jìn) 食功能的食道癌患者來(lái)食功能的食道癌患者來(lái) 說(shuō)，說(shuō)，“記憶金屬記憶金屬”食道食道 架能在喉部膨脹成新的架能在喉部膨脹成新的 食道，必要時(shí)只要向食食道，必要時(shí)只要向食 道里加上冰塊，道里加上冰塊，“食道食道” 又會(huì)遇冷收縮，從而可又會(huì)遇冷收縮，從而可 輕易取出。輕易取出。 人造食道人造食道 一般眼鏡架于