智能材料課件完整版

1、2第一章第一章 智能材料概述智能材料概述 31.1引言引言 高高性能性能化、多化、多功能功能化、復(fù)合化、精細(xì)化、化、復(fù)合化、精細(xì)化、智能智能化化智能智能一切生命體皆具備的對(duì)外界刺激的反應(yīng)能力一切生命體皆具備的對(duì)外界刺激的反應(yīng)能力.能接受、感知信號(hào)，且能處理，進(jìn)而做出適時(shí)的響能接受、感知信號(hào)，且能處理，進(jìn)而做出適時(shí)的響應(yīng)應(yīng),即執(zhí)行即執(zhí)行.4l989年年 日本日本 高木俊宜高木俊宜 智能材料智能材料(intelligent materials)5智能材料來源于功能材料智能材料來源于功能材料功能材料是智能材料的基礎(chǔ)功能材料是智能材料的基礎(chǔ)6驅(qū)動(dòng)材料驅(qū)動(dòng)材料感知材料：感知材料：7機(jī)敏材料機(jī)敏材料智能材

2、料智能材料8智能材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)智能材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)智能材料系統(tǒng)智能材料系統(tǒng) 91.2智能材料的內(nèi)涵、定義和特征智能材料的內(nèi)涵、定義和特征1.2.1智能材料的定義智能材料的定義高木俊宜教授高木俊宜教授: : 能夠感知環(huán)境變化,并通過自我判斷和結(jié)論而實(shí)現(xiàn)指令和執(zhí)行的新材料。楊大智等：楊大智等： 模仿生命系統(tǒng)，能感知環(huán)境變化，并能實(shí)時(shí)的改變自身的一種或多種性能參數(shù)，作出所期望的、能與變化后的環(huán)境相適應(yīng)的復(fù)合材料或材料的復(fù)合。10師昌緒師昌緒： 模仿生命系統(tǒng)模仿生命系統(tǒng), ,能感知外界環(huán)境或內(nèi)部狀能感知外界環(huán)境或內(nèi)部狀態(tài)所發(fā)生的變化態(tài)所發(fā)生的變化, ,而且通過材料自身的或外而且通過材料自身的或外界的某種

3、反饋機(jī)制界的某種反饋機(jī)制, ,能夠適時(shí)地將材料的一能夠適時(shí)地將材料的一種或多種性質(zhì)改變種或多種性質(zhì)改變, ,作出所期望的某種響應(yīng)作出所期望的某種響應(yīng)的材料。的材料。三要素：感知、反饋和響應(yīng)。三要素：感知、反饋和響應(yīng)。11863863新材料領(lǐng)域?qū)＜椅瘑T會(huì)：新材料領(lǐng)域?qū)＜椅瘑T會(huì)： 對(duì)使用環(huán)境敏感而且能對(duì)環(huán)境變化作出靈活反應(yīng)的材料.更確切地說,智能材料是一類集傳感、控制、驅(qū)動(dòng)(執(zhí)行)等功能于一體的機(jī)敏或智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng),它能適時(shí)地感知與響應(yīng)外界環(huán)境的變化,實(shí)現(xiàn)自檢測(cè)、自診斷、自修復(fù)、自適應(yīng)等多種功能。共同點(diǎn)：智能材料應(yīng)當(dāng)具有感知、判斷和響應(yīng)的功能。共同點(diǎn)：智能材料應(yīng)當(dāng)具有感知、判斷和響應(yīng)的功能。12

4、1.2.21.2.2智能材料的內(nèi)涵智能材料的內(nèi)涵具有感知功能，能夠檢測(cè)并且可以識(shí)別外界（或具有感知功能，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；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；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)；反應(yīng)比較靈敏、及時(shí)和恰當(dāng)；反應(yīng)比較靈敏、及時(shí)和恰當(dāng)；當(dāng)外部刺激消除后，能夠迅速恢復(fù)到原始狀態(tài)。當(dāng)外部刺激消除后，能夠迅速恢復(fù)到原始狀態(tài)。131.2.31.2.3智能材料的特征智能材料的特征 (1)傳感功能傳感功能：能感知自身所處的環(huán)境與條件，如負(fù)載、應(yīng)力、

5、應(yīng)變、振動(dòng)、熱、光、電、磁、化學(xué)、核輻射等的強(qiáng)度及其變化。 (2)反饋功能反饋功能：能通過傳感神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)系統(tǒng)的輸入和輸出信息進(jìn)行比較，并將結(jié)果提供給控制系統(tǒng)，從而獲得理想的功能。 (3)信息積累和識(shí)別功能信息積累和識(shí)別功能：能積累信息，能識(shí)別和區(qū)分傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各種信息，并進(jìn)行分析和解釋。從仿生學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，智能材料內(nèi)部應(yīng) 具有或部分具有具有或部分具有以下生物功能：14(4)學(xué)習(xí)能力和預(yù)見性功能學(xué)習(xí)能力和預(yù)見性功能：能通過對(duì)過去經(jīng)驗(yàn)的收集，對(duì)外部刺激作出適當(dāng)反應(yīng)，并可預(yù)見未來并采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)。(5)響應(yīng)性功能響應(yīng)性功能：能根據(jù)環(huán)境變化適時(shí)地動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)自身并作出反應(yīng)。(6)自修復(fù)功能自修復(fù)功能：

6、能通過自生長(zhǎng)或原位復(fù)合等再生機(jī)制來修補(bǔ)某些局部破損。(7)自診斷功能自診斷功能：能對(duì)現(xiàn)在情況和過去情況作比較，從而能對(duì)諸如故障及判斷失誤等問題進(jìn)行自診斷和校正。(8)自動(dòng)動(dòng)態(tài)平衡及自適應(yīng)功能自動(dòng)動(dòng)態(tài)平衡及自適應(yīng)功能：能根據(jù)動(dòng)態(tài)的外部環(huán)境條件不斷自動(dòng)調(diào)整自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而改變自已的行為以一種優(yōu)化的方式對(duì)環(huán)境變化作出響應(yīng)。 151.41.4智能材料的設(shè)計(jì)智能材料的設(shè)計(jì)1.4.11.4.1智能材料的設(shè)計(jì)思路智能材料的設(shè)計(jì)思路 以功能材料為基礎(chǔ)以功能材料為基礎(chǔ), ,以仿生學(xué)、人工智能以仿生學(xué)、人工智能及系統(tǒng)控制為指導(dǎo)及系統(tǒng)控制為指導(dǎo), ,依據(jù)材料復(fù)合的非線性效依據(jù)材料復(fù)合的非線性效應(yīng)應(yīng), ,用先進(jìn)的

7、材料復(fù)合技術(shù)用先進(jìn)的材料復(fù)合技術(shù), ,將感知材料、驅(qū)將感知材料、驅(qū)動(dòng)材料和基體材料進(jìn)行復(fù)合。動(dòng)材料和基體材料進(jìn)行復(fù)合。16智能效應(yīng)的基本原理：智能效應(yīng)的基本原理：物質(zhì)和場(chǎng)之間的交互作用過程物質(zhì)和場(chǎng)之間的交互作用過程17智能材料設(shè)計(jì)的具體過程：智能材料設(shè)計(jì)的具體過程：明確材料的應(yīng)用目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)思路明確材料的應(yīng)用目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)思路確定智能材料的輸入場(chǎng)和輸出場(chǎng)確定智能材料的輸入場(chǎng)和輸出場(chǎng)選擇感知組元、驅(qū)動(dòng)組元和中間場(chǎng)選擇感知組元、驅(qū)動(dòng)組元和中間場(chǎng)借助于中間場(chǎng)借助于中間場(chǎng), ,通過幾個(gè)物理或通過幾個(gè)物理或化學(xué)效應(yīng)的耦合來實(shí)現(xiàn)所需的智化學(xué)效應(yīng)的耦合來實(shí)現(xiàn)所需的智能化效應(yīng)能化效應(yīng)18選擇傳感器和驅(qū)動(dòng)器時(shí)需把握的

8、原則選擇傳感器和驅(qū)動(dòng)器時(shí)需把握的原則（1）兼容性要求（2）穩(wěn)定性要求（3）響應(yīng)帶寬要求（4）傳感器精度的要求（5）驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)力的要求191.4.21.4.2智能材料的構(gòu)成智能材料的構(gòu)成（1 1）基體材料）基體材料 作用和任務(wù)：承載材料其它三部分作用和任務(wù)：承載材料其它三部分 種類：輕質(zhì)材料（高分子材料、輕質(zhì)有色合金）種類：輕質(zhì)材料（高分子材料、輕質(zhì)有色合金）（2 2）敏感材料）敏感材料 作用和任務(wù)：感知環(huán)境變化作用和任務(wù)：感知環(huán)境變化 種類：種類：光纖材料、壓電材料、形狀記憶材料、光纖材料、壓電材料、形狀記憶材料、 磁致伸縮材料等磁致伸縮材料等。201.4.21.4.2智能材料的構(gòu)成智能材料的

9、構(gòu)成（3 3）驅(qū)動(dòng)材料）驅(qū)動(dòng)材料 作用和任務(wù)：產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力作用和任務(wù)：產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力響應(yīng)和控制。響應(yīng)和控制。 種類：種類：壓電材料、形狀記憶材料、電壓電材料、形狀記憶材料、電(磁磁)流流 變體、磁致伸縮材料、刺激響應(yīng)性高分變體、磁致伸縮材料、刺激響應(yīng)性高分 子凝膠等子凝膠等。（4）信息處理器信息處理器211.4.31.4.3智能材料的合成方法智能材料的合成方法（1 1）纖維及顆粒形式的復(fù)合）纖維及顆粒形式的復(fù)合 將一種機(jī)敏材料顆粒將一種機(jī)敏材料顆粒( (或纖維或纖維) )復(fù)合在異質(zhì)基體復(fù)合在異質(zhì)基體中可實(shí)現(xiàn)各組元性能的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，獲得優(yōu)化的智能中可實(shí)現(xiàn)各組元性能的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，獲得優(yōu)化的智能特性。

10、特性。 壓電陶瓷和壓電高分子以不同連接度復(fù)合壓電陶瓷和壓電高分子以不同連接度復(fù)合 性能優(yōu)異的壓電智能材料；性能優(yōu)異的壓電智能材料； TiNi形狀記憶合金粒子或纖維復(fù)合在金屬或高分子中形狀記憶合金粒子或纖維復(fù)合在金屬或高分子中 改善機(jī)械性能及阻尼能力改善機(jī)械性能及阻尼能力.22 將兩種或多種機(jī)敏材料以多層將兩種或多種機(jī)敏材料以多層m級(jí)的薄膜級(jí)的薄膜復(fù)合復(fù)合, 獲得優(yōu)化的綜合性能或多功能特性獲得優(yōu)化的綜合性能或多功能特性. PZT和和BaTiO3薄膜沉積在薄膜沉積在TiNi記憶合金襯底上記憶合金襯底上良好的壓電和形狀記憶特性、傳感和驅(qū)動(dòng)良好的壓電和形狀記憶特性、傳感和驅(qū)動(dòng)功能、阻尼性能功能、阻尼性

11、能,可用于主動(dòng)控振?？捎糜谥鲃?dòng)控振。23 將具有光敏、壓敏和熱敏等不同功能特性的將具有光敏、壓敏和熱敏等不同功能特性的納米粒子原位復(fù)合在多孔道骨架內(nèi)納米粒子原位復(fù)合在多孔道骨架內(nèi),通過調(diào)控納通過調(diào)控納米粒子的尺寸、間距及納米粒子與骨架之間的相米粒子的尺寸、間距及納米粒子與骨架之間的相互作用互作用,有可能得到兼具光控、壓控、熱控及其有可能得到兼具光控、壓控、熱控及其他響應(yīng)性質(zhì)的智能材料他響應(yīng)性質(zhì)的智能材料. 納米多孔架材料：納米多孔架材料：富勒烯(60)(碳納米管)、 沸石分子篩人工合成材料：人工合成材料：多孔形狀記憶合金24 納米材料和納米復(fù)合材料將是智能材料納米材料和納米復(fù)合材料將是智能材料

12、設(shè)計(jì)的有效途徑之一。設(shè)計(jì)的有效途徑之一。 將具有不同功能的材料粒子按特定的方將具有不同功能的材料粒子按特定的方式進(jìn)行操作組裝，可創(chuàng)造出新的具有多功能式進(jìn)行操作組裝，可創(chuàng)造出新的具有多功能特性的材料特性的材料。（5 5）粒子復(fù)合組裝）粒子復(fù)合組裝251.51.5智能材料的類型智能材料的類型 (1)(1)金屬系智能材料金屬系智能材料按材料基質(zhì)的不同分類：按材料基質(zhì)的不同分類：強(qiáng)度比較大、耐熱性好、耐腐蝕性能好強(qiáng)度比較大、耐熱性好、耐腐蝕性能好航空、航天、原子能工業(yè)航空、航天、原子能工業(yè)結(jié)構(gòu)材料。結(jié)構(gòu)材料。檢測(cè)自身的損傷檢測(cè)自身的損傷,且可將其抑制且可將其抑制,具有自具有自修復(fù)功能修復(fù)功能,從而確保

13、使用過程中的穩(wěn)定從而確保使用過程中的穩(wěn)定性。性。形狀記憶合金形狀記憶合金、磁致伸縮材料磁致伸縮材料等。特特 點(diǎn)：點(diǎn)：應(yīng)用領(lǐng)域：應(yīng)用領(lǐng)域：智能效應(yīng)：智能效應(yīng)：主要種類：主要種類：26(2)(2)無機(jī)非金屬系智能材料無機(jī)非金屬系智能材料最初的考慮：局部吸收外力以防止材料最初的考慮：局部吸收外力以防止材料 整體破壞。整體破壞。電電(磁磁)流變流體、壓電陶瓷、流變流體、壓電陶瓷、光致變色和電致變色材料等。光致變色和電致變色材料等。主要種類：主要種類：27多重亞穩(wěn)態(tài)、多水平結(jié)構(gòu)層次、較弱的分子多重亞穩(wěn)態(tài)、多水平結(jié)構(gòu)層次、較弱的分子間作用力，側(cè)鏈易引入各種官能團(tuán)間作用力，側(cè)鏈易引入各種官能團(tuán)利于感知和判斷

14、環(huán)境，實(shí)現(xiàn)環(huán)境響應(yīng)。利于感知和判斷環(huán)境，實(shí)現(xiàn)環(huán)境響應(yīng)。(4)復(fù)合復(fù)合(composite)和雜化和雜化(hybrid)型智能材料型智能材料特特 點(diǎn)：點(diǎn)：主要種類：主要種類：(3)高分子系智能材料高分子系智能材料刺激響應(yīng)性高分子凝膠刺激響應(yīng)性高分子凝膠智能高分子膜材智能高分子膜材智能藥物釋放體系智能藥物釋放體系智能纖維與織物等智能纖維與織物等281.61.6智能材料的應(yīng)用智能材料的應(yīng)用將微型傳感元件、微型計(jì)算機(jī)芯片、形狀記憶將微型傳感元件、微型計(jì)算機(jī)芯片、形狀記憶合金、電流變體及壓電材料等經(jīng)設(shè)計(jì)后復(fù)合在結(jié)構(gòu)合金、電流變體及壓電材料等經(jīng)設(shè)計(jì)后復(fù)合在結(jié)構(gòu)體中，可研制出帶有感知及判斷能力，可自動(dòng)加固體

15、中，可研制出帶有感知及判斷能力，可自動(dòng)加固及防護(hù)的自適應(yīng)性智能結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)、自診及防護(hù)的自適應(yīng)性智能結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)、自診斷、自預(yù)警、自修復(fù)，防止災(zāi)難性事故的發(fā)生。斷、自預(yù)警、自修復(fù)，防止災(zāi)難性事故的發(fā)生。 (1) 建筑和結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域建筑和結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域自診斷混凝土自診斷混凝土自愈合混凝土自愈合混凝土29（2）航空航天領(lǐng)域）航空航天領(lǐng)域3031（3）抑制振動(dòng)和噪聲）抑制振動(dòng)和噪聲3233（4）用于機(jī)器人）用于機(jī)器人形狀記憶合金形狀記憶合金刺激響應(yīng)性高分子凝膠刺激響應(yīng)性高分子凝膠34（5 5）在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用）在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用3536（6 6）用于日常生活）用于日常生活37第二章第二章 智

16、能材料的仿生構(gòu)思智能材料的仿生構(gòu)思38生物體對(duì)環(huán)境的響應(yīng)源于細(xì)胞。生物體對(duì)環(huán)境的響應(yīng)源于細(xì)胞。細(xì)胞本身就是具有傳感、處理和執(zhí)行三種功能細(xì)胞本身就是具有傳感、處理和執(zhí)行三種功能的融合材料，可作為智能材料的藍(lán)本的融合材料，可作為智能材料的藍(lán)本。2.12.1生物體的信息傳感、處理和執(zhí)行元件生物體的信息傳感、處理和執(zhí)行元件39信息信息神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)系統(tǒng) 大腦大腦 脊髓脊髓中樞神經(jīng)系統(tǒng)中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)系統(tǒng)身體的各種動(dòng)作身體的各種動(dòng)作感覺感覺執(zhí)行執(zhí)行40（1 1）信息傳感）信息傳感l(wèi)視覺視網(wǎng)膜中的視細(xì)胞l聽覺內(nèi)耳外毛細(xì)胞l味覺口腔粘膜中味蕾內(nèi)的味細(xì)胞l嗅覺鼻后隱窩的嗅覺上皮細(xì)胞l觸覺離表皮較淺的區(qū)域

17、的傳感細(xì)胞，l 即神經(jīng)末梢的觸覺細(xì)胞。l內(nèi)界感覺內(nèi)臟受體、血管壁內(nèi)皮細(xì)胞等 41大腦大腦神經(jīng)系統(tǒng)的控制中心神經(jīng)系統(tǒng)的控制中心（2 2）信息處理）信息處理l信息存貯、復(fù)制、計(jì)算、綜合、提取、響應(yīng)、預(yù)信息存貯、復(fù)制、計(jì)算、綜合、提取、響應(yīng)、預(yù)測(cè)；測(cè)；l腦和脊髓構(gòu)成中樞神經(jīng)系統(tǒng)，通過神經(jīng)系統(tǒng)控制腦和脊髓構(gòu)成中樞神經(jīng)系統(tǒng)，通過神經(jīng)系統(tǒng)控制身體的各種動(dòng)作；身體的各種動(dòng)作； l10101212個(gè)神經(jīng)細(xì)胞構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)；個(gè)神經(jīng)細(xì)胞構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)；l神經(jīng)系統(tǒng)傳遞信息過程涉及化學(xué)過程的膜電位的神經(jīng)系統(tǒng)傳遞信息過程涉及化學(xué)過程的膜電位的傳輸。傳輸。42（3 3）執(zhí)行元件）執(zhí)行元件膠原膠原l一種蛋白纖維，在糖胺聚糖一種蛋白

18、纖維，在糖胺聚糖(GAGs)(GAGs)基質(zhì)內(nèi)穩(wěn)定基質(zhì)內(nèi)穩(wěn)定, , 從而形成膠原纖維增強(qiáng)從而形成膠原纖維增強(qiáng)GAGsGAGs復(fù)合材料。復(fù)合材料。l隨膠原交聯(lián)鏈的變化隨膠原交聯(lián)鏈的變化, ,可在剛性材料和粘性液體可在剛性材料和粘性液體兩種狀態(tài)間變化。兩種狀態(tài)間變化。l啟發(fā)：電啟發(fā)：電( (磁磁) )流變液流變液l含有的大量疏水側(cè)鏈在低溫時(shí)水合溶脹含有的大量疏水側(cè)鏈在低溫時(shí)水合溶脹, ,高溫高溫時(shí)脫水收縮，能將熱直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功。時(shí)脫水收縮，能將熱直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功。l啟發(fā)：?jiǎn)l(fā)：響應(yīng)其它變量如響應(yīng)其它變量如pHpH值、鹽濃度、壓力和值、鹽濃度、壓力和電能并將其轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功的電能并將其轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功的

19、一系列彈性蛋白凝一系列彈性蛋白凝膠。膠。 彈性蛋白彈性蛋白432 2. .4 4 材料仿生與智能材料材料仿生與智能材料（1 1）骨）骨 以膠原為主要成分的有機(jī)物和羥基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2, HA)無機(jī)物組成的典型的有機(jī)物/無機(jī)物(質(zhì)量比約為3/7)納米復(fù)合功能材料。智能生物材料的范例智能生物材料的范例自適應(yīng)自適應(yīng)自愈合自愈合骨的功能骨的功能44 “自愈合自愈合”纖維：它可感知混凝土中的裂紋和纖維：它可感知混凝土中的裂紋和腐蝕并自動(dòng)將其修復(fù)。腐蝕并自動(dòng)將其修復(fù)。啟發(fā)：仿生智能材料啟發(fā)：仿生智能材料 利用氫氧化鈣懸浮液和含膠原的磷酸水溶液共利用氫氧化鈣懸浮液和含膠原的磷酸水溶液共

20、沉淀制備磷灰石和膠原復(fù)合體，進(jìn)而靜壓成型沉淀制備磷灰石和膠原復(fù)合體，進(jìn)而靜壓成型制備復(fù)合材料。力學(xué)性能類似人骨。制備復(fù)合材料。力學(xué)性能類似人骨。45(2)(2)味細(xì)胞味細(xì)胞 能將外界的化學(xué)刺激變換為電信號(hào)。甜味甜味甜味物質(zhì)被羥基吸附，使膜電阻增大；咸味咸味咸味物質(zhì)使脂質(zhì)膜在水溶液中的電位發(fā) 生變化；酸味酸味酸味物質(zhì)與脂質(zhì)膜的親水基團(tuán)結(jié)合；苦味苦味苦味物質(zhì)被脂質(zhì)膜的疏水部分侵入，使 離子滲透性降低；辣味辣味46啟發(fā)：味覺傳感器啟發(fā)：味覺傳感器47第三章第三章 智能無機(jī)非金屬材料智能無機(jī)非金屬材料483.1 3.1 陶瓷及非金屬材料的自診斷效應(yīng)陶瓷及非金屬材料的自診斷效應(yīng)自診斷：依靠材料內(nèi)部的組分

21、或結(jié)構(gòu)的變化產(chǎn)生自診斷：依靠材料內(nèi)部的組分或結(jié)構(gòu)的變化產(chǎn)生的信號(hào)而自行檢測(cè)、監(jiān)測(cè)和診斷材料內(nèi)的信號(hào)而自行檢測(cè)、監(jiān)測(cè)和診斷材料內(nèi)部的缺陷或裂紋的發(fā)展的方法部的缺陷或裂紋的發(fā)展的方法診斷內(nèi)容：應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)變量、相變、缺陷或裂紋診斷內(nèi)容：應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)變量、相變、缺陷或裂紋發(fā)展過程等。發(fā)展過程等。自診斷功能來源：導(dǎo)電相自診斷功能來源：導(dǎo)電相( (連續(xù)長(zhǎng)纖維、分散增連續(xù)長(zhǎng)纖維、分散增韌相韌相) )、晶界相、多層結(jié)構(gòu)、晶界相、多層結(jié)構(gòu)、介電體、壓電體等的應(yīng)用。介電體、壓電體等的應(yīng)用。增韌機(jī)制：增韌機(jī)制：長(zhǎng)纖維的復(fù)合、橋接、分散相的復(fù)合、增韌相的拔出、相變?cè)鲰g、晶體結(jié)構(gòu)的微細(xì)化等。理想的自診斷方法：增韌機(jī)制

22、與自診斷功能同時(shí)并理想的自診斷方法：增韌機(jī)制與自診斷功能同時(shí)并存。存。493.1.13.1.1陶瓷基復(fù)合材料的自診斷陶瓷基復(fù)合材料的自診斷電檢測(cè)技術(shù)電檢測(cè)技術(shù) 通過向絕緣的陶瓷基體中添加導(dǎo)電相從而制成具有一定導(dǎo)電性的陶瓷基復(fù)合材料的途徑來實(shí)現(xiàn)。50導(dǎo)電陶瓷基復(fù)合材料的導(dǎo)電機(jī)理導(dǎo)電陶瓷基復(fù)合材料的導(dǎo)電機(jī)理 隧道導(dǎo)電：隧道導(dǎo)電：電子躍過顆粒間隙絕緣基體構(gòu)成的勢(shì)壘而形成電流通道. 粒子導(dǎo)電：粒子導(dǎo)電：當(dāng)導(dǎo)電顆粒含量增加到一定程度，顆粒間相互接觸而形成導(dǎo)電粒子鏈，復(fù)合材料通過顆粒網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電。 Volume fraction of Ag/%Log/cm51導(dǎo)電模型導(dǎo)電模型(1)(1) 分散分布（隧道導(dǎo)電機(jī)

23、制）分散分布（隧道導(dǎo)電機(jī)制）材料的電阻率與導(dǎo)電相之間的有效距離和溫度T之間的關(guān)系：式中：B為電子穿透效應(yīng)的材料常數(shù)；E為電導(dǎo)勢(shì)壘，是與基體性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。 (2) (2) 網(wǎng)絡(luò)分布（粒子導(dǎo)電機(jī)理）網(wǎng)絡(luò)分布（粒子導(dǎo)電機(jī)理） 式中：r為導(dǎo)電粒子間接觸面半徑；l為表征粒子分散程度的特征長(zhǎng)度； D為導(dǎo)電相的有效尺寸。kT/EexpBexp)D, l , r (f利用應(yīng)變與電阻率的對(duì)應(yīng)變化關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)材料內(nèi)部應(yīng)利用應(yīng)變與電阻率的對(duì)應(yīng)變化關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)材料內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的診斷。力狀態(tài)的診斷。 52晶須復(fù)合陶瓷材料的電學(xué)檢測(cè)晶須復(fù)合陶瓷材料的電學(xué)檢測(cè)53 54陶瓷中加入陶瓷中加入TiN顆粒：顆粒： 用抗拉強(qiáng)度用抗拉

24、強(qiáng)度50的拉力進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，在載的拉力進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，在載荷除去后，殘余電阻仍較明顯。用殘余電阻值可荷除去后，殘余電阻仍較明顯。用殘余電阻值可估測(cè)材料的負(fù)載歷史。估測(cè)材料的負(fù)載歷史。 顆粒復(fù)合陶瓷材料的電學(xué)檢測(cè)顆粒復(fù)合陶瓷材料的電學(xué)檢測(cè)55層狀復(fù)合陶瓷材料的電學(xué)檢測(cè)層狀復(fù)合陶瓷材料的電學(xué)檢測(cè) 添加添加2525-30-30導(dǎo)電導(dǎo)電TiNTiN顆粒的氮化硅層與顆粒的氮化硅層與BNBN層相間疊層，經(jīng)壓制、除碳及燒結(jié)而成。層相間疊層，經(jīng)壓制、除碳及燒結(jié)而成。通過檢測(cè)其電阻值的變化能可靠地監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)材通過檢測(cè)其電阻值的變化能可靠地監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)材料是否發(fā)生斷裂。料是否發(fā)生斷裂。563.1.23.1.2添加碳纖

25、維的混凝土材料的自診斷添加碳纖維的混凝土材料的自診斷57583.1.33.1.3利用線性電容的自診斷利用線性電容的自診斷介電檢測(cè)介電檢測(cè)593.1.4添加光纖的混凝土結(jié)構(gòu)的自診斷添加光纖的混凝土結(jié)構(gòu)的自診斷 603.2自修補(bǔ)自愈合材料自修補(bǔ)自愈合材料 人造材料的自修補(bǔ)、自愈合設(shè)計(jì)思路人造材料的自修補(bǔ)、自愈合設(shè)計(jì)思路613.2.13.2.1高溫下陶瓷涂層的自動(dòng)成膜機(jī)制高溫下陶瓷涂層的自動(dòng)成膜機(jī)制623.2.2高溫陶瓷的高溫氧化自適應(yīng)性高溫陶瓷的高溫氧化自適應(yīng)性自修復(fù)思路：自修復(fù)思路：63Nb2O5-NbO2-Nb2O3-NbN實(shí)實(shí) 例：例：空氣空氣/O2Nb2O5NbNNb2O3NbO2Si3N

26、4+NbN64 Si3N4和和NbN與氧反應(yīng)生成與氧反應(yīng)生成N2，形成局部還原，形成局部還原環(huán)境，抑制氧化。環(huán)境，抑制氧化。653.2.3微波輻射使陶瓷材料內(nèi)部裂紋愈合微波輻射使陶瓷材料內(nèi)部裂紋愈合66 自愈合機(jī)制：自愈合機(jī)制：實(shí)例：實(shí)例：在氮化硅陶瓷中加入少量介電常數(shù)較大的在氮化硅陶瓷中加入少量介電常數(shù)較大的碳化鈦和碳化鈮等顆粒。碳化鈦和碳化鈮等顆粒。673.2.4自愈合混凝土自愈合混凝土 683.3氧化鋯增韌陶瓷氧化鋯增韌陶瓷 69相變?cè)鲰g相變?cè)鲰g70智能化機(jī)制智能化機(jī)制自診斷、自愈合自診斷、自愈合71 3.4功能無機(jī)材料的智能化功能無機(jī)材料的智能化3.4.1CuO/ZnO濕敏傳感器濕敏傳

27、感器 傳統(tǒng)的濕敏傳感器傳統(tǒng)的濕敏傳感器7273CuO/ZnO半導(dǎo)體陶瓷濕敏傳感器半導(dǎo)體陶瓷濕敏傳感器濕敏機(jī)理：濕敏機(jī)理：負(fù)極正極74CuO/ZnO智能特性：自清潔、自恢復(fù)智能特性：自清潔、自恢復(fù)75 ZnO 多孔陶瓷多孔陶瓷 CuO/ZnO 陶瓷陶瓷 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 相同材料間開啟界面相同材料間開啟界面 異質(zhì)材料間開啟界面異質(zhì)材料間開啟界面 測(cè)量參數(shù)測(cè)量參數(shù) 電電阻阻率率 電壓電壓/電流特征電流特征 機(jī)制機(jī)制 通過頸部吸附水的質(zhì)子遷移通過頸部吸附水的質(zhì)子遷移 非均勻接觸點(diǎn)附近吸附水電解非均勻接觸點(diǎn)附近吸附水電解 滯后性滯后性 滯后滯后 無滯后無滯后 清洗清洗 需要需要 不需要，自清洗，自恢復(fù)不需要，

28、自清洗，自恢復(fù) 自恢復(fù)性自恢復(fù)性 無效，需要經(jīng)常熱清洗無效，需要經(jīng)常熱清洗 有效，不需要熱清洗處理有效，不需要熱清洗處理 763.4.2正溫度系數(shù)熱敏陶瓷正溫度系數(shù)熱敏陶瓷PTC(positive temperature coefficient)典型代表：典型代表： 摻雜摻雜BaTiO3系陶瓷系陶瓷 77摻雜其它陽離子摻雜其它陽離子替換替換Ba2+或或Ti4+ 2234x13x3x2x133xBaO)TiTi(LaBaxLaBaTiO 4234y213y5y253yTiO)TiTi(NbBayNbBaTiO有顯著有顯著PTC效應(yīng)的效應(yīng)的BaTiO3陶瓷：陶瓷： 晶粒充分半導(dǎo)化晶粒充分半導(dǎo)化 晶

29、界具有適當(dāng)絕緣性晶界具有適當(dāng)絕緣性78理論解釋理論解釋79恒溫發(fā)熱元件恒溫發(fā)熱元件: :PTC熱敏陶瓷的應(yīng)用熱敏陶瓷的應(yīng)用溫度敏感元件：溫度敏感元件：電流限流元件：電流限流元件：803.4.3變色玻璃變色玻璃光致變色光致變色電致變色電致變色熱致變色熱致變色81（1）光致變色玻璃）光致變色玻璃 82光通過介質(zhì)時(shí)的能量衰減光通過介質(zhì)時(shí)的能量衰減83金屬和半導(dǎo)體金屬和半導(dǎo)體電介質(zhì)（包括玻璃、陶瓷等無機(jī)材料的大部分）電介質(zhì)（包括玻璃、陶瓷等無機(jī)材料的大部分）84光致變色材料光致變色材料u有機(jī)化合物；有機(jī)化合物；u Zn、Cd、Hg、Cu和和Ag的一些無機(jī)化合物的一些無機(jī)化合物。光線移開光線移開正常狀態(tài)

30、正常狀態(tài)一種顏色一種顏色(或者無色或者無色)暴露在光或其它適當(dāng)波長(zhǎng)范圍的輻照之下暴露在光或其它適當(dāng)波長(zhǎng)范圍的輻照之下第二種狀態(tài)第二種狀態(tài)第二種顏色第二種顏色原來的狀態(tài)原來的狀態(tài)原來的顏色原來的顏色變色機(jī)理：變色機(jī)理： 這些材料的原子或分子有兩種狀態(tài)，這兩種狀這些材料的原子或分子有兩種狀態(tài)，這兩種狀態(tài)的分子或電子組態(tài)不同，對(duì)可見光的吸收系數(shù)不態(tài)的分子或電子組態(tài)不同，對(duì)可見光的吸收系數(shù)不同，在不同光輻射條件下呈現(xiàn)出不同的顏色。同，在不同光輻射條件下呈現(xiàn)出不同的顏色。85添加添加AgCl的光致變色玻璃的光致變色玻璃hv1 hv2， hv1 hv2， 86光致變色玻璃的組成光致變色玻璃的組成87（2）

31、電致變色玻璃）電致變色玻璃Smart Window電致變色玻璃電致變色玻璃88特性：特性： 透光度可以在較大范圍內(nèi)隨意調(diào)節(jié)，多色連透光度可以在較大范圍內(nèi)隨意調(diào)節(jié)，多色連續(xù)變化；續(xù)變化； 存儲(chǔ)記憶功能；存儲(chǔ)記憶功能； 驅(qū)動(dòng)變色電壓低、電源簡(jiǎn)單、省電；驅(qū)動(dòng)變色電壓低、電源簡(jiǎn)單、省電； 受環(huán)境影響小。受環(huán)境影響小。89 電致變色智能玻璃的結(jié)構(gòu)和工作原理電致變色智能玻璃的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu)“玻璃玻璃TC EC FIC CE TC玻璃玻璃”90工作原理工作原理著著色色漂漂白白91電極材料電極材料要求要求：材料：材料：92FICFIC快離子導(dǎo)體快離子導(dǎo)體要求：要求：93材料：電解質(zhì)材料：電解質(zhì)液體電

32、解質(zhì)液體電解質(zhì)固體電解質(zhì)固體電解質(zhì)94粘性有機(jī)聚合物粘性有機(jī)聚合物聚乙烯氧化物聚乙烯氧化物(PEO)及聚丙烯氧化物及聚丙烯氧化物(PPO)粉末與粉末與Li+鹽鹽復(fù)合物復(fù)合物95EC電致變色材料電致變色材料負(fù)電壓負(fù)電壓陽離子陽離子注入注入著色著色正電壓正電壓陽離子放出陽離子放出著色著色96EC電致變色材料電致變色材料無機(jī)過渡金屬氧化物無機(jī)過渡金屬氧化物有機(jī)化合物有機(jī)化合物97WO3和和NiO 電致變色材料電致變色材料98WO3電致變色過程電致變色過程99原始狀態(tài)：原始狀態(tài)：施加電場(chǎng)：施加電場(chǎng)：反向電場(chǎng)：反向電場(chǎng)：100改變著色狀態(tài)：改變著色狀態(tài)：WO3WO3PtWO3黑藍(lán)色黑藍(lán)色101CE離子貯

33、存層離子貯存層互補(bǔ)型電致變色器件：互補(bǔ)型電致變色器件： 102(3)熱致變色玻璃熱致變色玻璃根據(jù)氣溫變化調(diào)節(jié)透明度的智能玻璃根據(jù)氣溫變化調(diào)節(jié)透明度的智能玻璃根據(jù)氣溫變化調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)紅外線透過率的智能玻璃根據(jù)氣溫變化調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)紅外線透過率的智能玻璃103智能變色玻璃應(yīng)用實(shí)例智能變色玻璃應(yīng)用實(shí)例1041051063.5壓電、鐵電材料壓電、鐵電材料 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)107壓電效應(yīng)本質(zhì)壓電效應(yīng)本質(zhì) 108壓電效應(yīng)與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系壓電效應(yīng)與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系 鐵電體熱電體電介質(zhì)壓電體109壓電陶瓷壓電陶瓷110壓電效應(yīng)的表征壓電效應(yīng)的表征 (1)壓電應(yīng)變常數(shù)壓電應(yīng)變常數(shù)d驅(qū)動(dòng)材料驅(qū)動(dòng)材料d值要高值要高111壓電效

34、應(yīng)的表征壓電效應(yīng)的表征 (2)壓電電壓常數(shù)壓電電壓常數(shù)g應(yīng)力而產(chǎn)生電壓應(yīng)力而產(chǎn)生電壓高的高的g值值112(3)機(jī)電耦合系數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)k：1133.5.2壓電、鐵電材料壓電、鐵電材料114（1）壓電單晶）壓電單晶石英石英水晶水晶溫度穩(wěn)定性溫度穩(wěn)定性好好機(jī) 械 強(qiáng) 度 和 品 質(zhì) 因 素 高機(jī) 械 強(qiáng) 度 和 品 質(zhì) 因 素 高無熱釋電性無熱釋電性115居里點(diǎn)高居里點(diǎn)高多疇單晶多疇單晶須通過極化處理須通過極化處理116(2)(2)壓電陶瓷壓電陶瓷特點(diǎn)特點(diǎn)117118119改性方法：改性方法：120121122（3 3）壓電聚合物）壓電聚合物123壓電聚合物種類壓電聚合物種類晶態(tài)聚合物晶態(tài)聚合物1

35、24非晶態(tài)聚合物非晶態(tài)聚合物125（4 4）壓電復(fù)合材料）壓電復(fù)合材料126性能影響因素：性能影響因素：1271283.5.3壓電驅(qū)動(dòng)器壓電驅(qū)動(dòng)器電壓的大小電壓的大小位移輸出大小位移輸出大小交流電壓交流電壓 交替地伸長(zhǎng)和縮短交替地伸長(zhǎng)和縮短電壓電壓相同相同伸長(zhǎng)伸長(zhǎng)電壓電壓相反相反縮短縮短129響應(yīng)速度快響應(yīng)速度快不需傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，位移控制精度高不需傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，位移控制精度高較大的力輸出較大的力輸出功耗低功耗低易易實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制體積小體積小130 雙片式彎曲型驅(qū)動(dòng)元件雙片式彎曲型驅(qū)動(dòng)元件線性多層式驅(qū)動(dòng)器線性多層式驅(qū)動(dòng)器131線性多層式驅(qū)動(dòng)器線性多層式驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)思路多層壓電陶瓷薄片在電

36、學(xué)上并多層壓電陶瓷薄片在電學(xué)上并聯(lián)、在位移和驅(qū)動(dòng)力方面串聯(lián)聯(lián)、在位移和驅(qū)動(dòng)力方面串聯(lián)疊加，層疊燒結(jié)在一起制成多疊加，層疊燒結(jié)在一起制成多層結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)132線性多層式驅(qū)動(dòng)器線性多層式驅(qū)動(dòng)器位移隨層數(shù)增加而增加；位移隨層數(shù)增加而增加；工作電壓大幅度降低。工作電壓大幅度降低。性能特點(diǎn)性能特點(diǎn) 133雙壓電晶片式彎曲型驅(qū)動(dòng)器雙壓電晶片式彎曲型驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)思路134( (1 1) )抑制振動(dòng)和噪聲抑制振動(dòng)和噪聲 l 結(jié)構(gòu)的聲和振動(dòng)主動(dòng)控制；結(jié)構(gòu)的聲和振動(dòng)主動(dòng)控制；l 結(jié)構(gòu)形狀的自適應(yīng)控制。結(jié)構(gòu)形狀的自適應(yīng)控制。 135136（2 2）減少應(yīng)力集中，延長(zhǎng)疲勞壽命）減少應(yīng)力集中，延長(zhǎng)疲勞壽命 其其 它

37、它壓電陶瓷水聲換能器壓電陶瓷水聲換能器137超聲清洗換能器超聲清洗換能器 數(shù)碼聚焦驅(qū)動(dòng)器數(shù)碼聚焦驅(qū)動(dòng)器 燃油噴射器用壓電驅(qū)動(dòng)器燃油噴射器用壓電驅(qū)動(dòng)器 138多層壓電揚(yáng)聲器多層壓電揚(yáng)聲器 1393.5.4壓電傳感器壓電傳感器正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)140(1)(1)加速度和力的測(cè)量加速度和力的測(cè)量壓電加速度傳感器壓電加速度傳感器振動(dòng)和振動(dòng)和沖擊測(cè)量沖擊測(cè)量石英晶體石英晶體141(1)(1)加速度和力的測(cè)量加速度和力的測(cè)量壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器142（2 2）壓電式周界報(bào)警系統(tǒng)（用于重要位置出入口、）壓電式周界報(bào)警系統(tǒng)（用于重要位置出入口、 周界安全防護(hù)等）周界安全防護(hù)等）（3 3）交通監(jiān)測(cè)

38、）交通監(jiān)測(cè)143（4 4）生物醫(yī)學(xué)測(cè)量）生物醫(yī)學(xué)測(cè)量144（5 5）日常生活）日常生活145146壓電薄膜傳感器壓電薄膜傳感器壓電陶瓷超聲傳感器壓電陶瓷超聲傳感器 147 第四章第四章 智能金屬材料智能金屬材料148(a) 原始形狀(b) 拉 直(c) 加熱后恢復(fù) 形狀記憶效應(yīng)簡(jiǎn)易演示實(shí)驗(yàn) 1494.1 形狀記憶合金形狀記憶合金4.1.1形狀記憶效應(yīng)及機(jī)理形狀記憶效應(yīng)及機(jī)理形狀記憶效應(yīng)形狀記憶效應(yīng)SME形狀記憶合金形狀記憶合金SMA150（1 1）熱彈性馬氏體相變）熱彈性馬氏體相變奧氏體奧氏體馬氏體馬氏體151隨溫度的變化發(fā)生馬氏體相變時(shí)電阻的變化隨溫度的變化發(fā)生馬氏體相變時(shí)電阻的變化形狀記憶

39、效應(yīng)示意圖形狀記憶效應(yīng)示意圖MsAsMfAfAsMsAfMf152（2）應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變與超彈性）應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變與超彈性153154155（2）應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變與超彈性）應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變與超彈性156157158%100)()(%)0121 llll 159形狀記憶合金的性能形狀記憶合金的性能通常金屬呈現(xiàn)的通常金屬呈現(xiàn)的“”現(xiàn)象?，F(xiàn)象。1604.1.24.1.2形狀記憶合金分類形狀記憶合金分類（1 1）單程記憶效應(yīng)）單程記憶效應(yīng)（2 2）雙程記憶效應(yīng)）雙程記憶效應(yīng)161（3）全程記憶效應(yīng)）全程記憶效應(yīng)162形狀記憶合金的種類形狀記憶合金的種類（1 1）Ti-Ni基形狀記憶合金基形狀記

40、憶合金163（2）銅基形狀記憶合金）銅基形狀記憶合金164（3 3）FeFe基記憶合金基記憶合金1654.1.3形狀記憶合金的應(yīng)用形狀記憶合金的應(yīng)用結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制被動(dòng)控制被動(dòng)控制超彈性效應(yīng)和高阻尼超彈性效應(yīng)和高阻尼特性特性應(yīng)用應(yīng)用: :變形能力(彈性應(yīng)變耗能能力比阻尼166主動(dòng)控制主動(dòng)控制形狀記憶效應(yīng)形狀記憶效應(yīng)回復(fù)回復(fù)力力167形狀自適應(yīng)結(jié)構(gòu)形狀自適應(yīng)結(jié)構(gòu)飛機(jī)機(jī)翼：產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)，改變形狀和迎角飛機(jī)機(jī)翼：產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)，改變形狀和迎角直升機(jī)智能轉(zhuǎn)子系統(tǒng)直升機(jī)智能轉(zhuǎn)子系統(tǒng)對(duì)旋翼葉片的彎曲、扭轉(zhuǎn)、對(duì)旋翼葉片的彎曲、扭轉(zhuǎn)、翼型翼型水下的潛艇、魚雷水下的潛艇、魚雷智能蒙皮智能蒙皮16816

41、9緊固件緊固件管接頭管接頭、緊固圈、連接套管、緊固鉚釘、緊固圈、連接套管、緊固鉚釘 170171記憶合金管接頭 172173醫(yī)用材料醫(yī)用材料血栓過濾器：血栓過濾器：174預(yù)壓縮 受熱擴(kuò)張后植入腔道內(nèi)效果醫(yī)用腔內(nèi)支架的應(yīng)用原理示意 消化道內(nèi)支架 血管內(nèi)支架 膽道內(nèi)支架 175醫(yī)用材料醫(yī)用材料固定斷骨的銷和接骨板：固定斷骨的銷和接骨板：尺橈骨骨折尺橈骨骨折 術(shù)前術(shù)前術(shù)后術(shù)后176醫(yī)用細(xì)絲 牙齒弓絲（方） 177醫(yī)用材料醫(yī)用材料人工心肌纖維：人工心肌纖維：178天線天線折疊式展開天線折疊式展開天線TiNi合金月面天線合金月面天線 179移動(dòng)電話天線 180智能控制元件智能控制元件181TOTO公司生

42、產(chǎn)的智能水溫調(diào)節(jié)器。 溫控彈簧 溫控智能機(jī)器人元件 記憶合金驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)報(bào)警滅火器 182自檢測(cè)、修復(fù)智能復(fù)合材料自檢測(cè)、修復(fù)智能復(fù)合材料Ti-Ni形狀記憶合金長(zhǎng)纖維形狀記憶合金長(zhǎng)纖維/ /Al合金復(fù)合材料合金復(fù)合材料SMA長(zhǎng)纖維變形長(zhǎng)纖維變形電信號(hào)電信號(hào)損傷的自檢測(cè)損傷的自檢測(cè)熱處理熱處理SMA纖維產(chǎn)生收縮變形纖維產(chǎn)生收縮變形壓壓應(yīng)力應(yīng)力損傷裂縫自動(dòng)閉合損傷裂縫自動(dòng)閉合183鎳鈦記憶合金受熱后恢復(fù)原來形狀鎳鈦記憶合金受熱后恢復(fù)原來形狀 鎳鈦記憶合金鎳鈦記憶合金花瓣花瓣 184牙 刷 185形狀記憶合金眼鏡架 1864.1.4形狀記憶聚合物形狀記憶聚合物(SMP)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：1874

43、.1.4形狀記憶聚合物形狀記憶聚合物(SMP)188固定相可逆相固定相可逆相固定相：固定相：可逆相：可逆相：189( (1 1) )熱成形加工熱成形加工一次成型一次成型 加熱190(2)變形變形加熱191( (3 3) )凍結(jié)變形凍結(jié)變形二次成型二次成型加熱192(4)形狀恢復(fù)形狀恢復(fù)加熱193加熱SMP沒有雙程記憶效應(yīng)沒有雙程記憶效應(yīng)194形變量形變量高高高于高于400形狀恢復(fù)溫度可通過化學(xué)方法調(diào)整形狀恢復(fù)溫度可通過化學(xué)方法調(diào)整形狀恢復(fù)應(yīng)力形狀恢復(fù)應(yīng)力較低較低耐疲勞性不理想耐疲勞性不理想僅有單向記憶功能僅有單向記憶功能195聚降冰片烯（聚降冰片烯（polynorbornene）Tg：35適于

44、制作人用織物適于制作人用織物熱塑性樹脂熱塑性樹脂196苯乙烯苯乙烯丁二烯共聚物丁二烯共聚物197 反式聚異戊二烯反式聚異戊二烯(TPI) 聚氨酯聚氨酯198異型管接合材料異型管接合材料絕緣保護(hù)絕緣保護(hù)接頭防水接頭防水醫(yī)療器材醫(yī)療器材代替?zhèn)鹘y(tǒng)石膏繃帶用于創(chuàng)傷部位的固定材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)石膏繃帶用于創(chuàng)傷部位的固定材料 199取下方便取下方便200緩沖材料緩沖材料包裝材料包裝材料201202火災(zāi)報(bào)警器火災(zāi)報(bào)警器涂料涂料2032042054.2金屬材料自預(yù)警、自修復(fù)金屬材料自預(yù)警、自修復(fù)4.2.1金屬材料損傷機(jī)制與自預(yù)警和自修復(fù)功能金屬材料損傷機(jī)制與自預(yù)警和自修復(fù)功能缺陷尺寸越大，越易受損傷缺陷尺寸越大，越

45、易受損傷缺陷小于一定的極限缺陷小于一定的極限尺寸尺寸疲勞強(qiáng)度不再受其影響疲勞強(qiáng)度不再受其影響微孔或缺陷微孔或缺陷疲勞裂縫和蠕變變形疲勞裂縫和蠕變變形206微孔中預(yù)埋入可產(chǎn)生聲波的物微孔中預(yù)埋入可產(chǎn)生聲波的物質(zhì)質(zhì)分散或復(fù)合裂縫擴(kuò)展時(shí)能發(fā)生相分散或復(fù)合裂縫擴(kuò)展時(shí)能發(fā)生相變的物質(zhì)、促進(jìn)氧化過程的物質(zhì)或一些功能性物變的物質(zhì)、促進(jìn)氧化過程的物質(zhì)或一些功能性物質(zhì)質(zhì)2074.2.2自修復(fù)類型自修復(fù)類型(1)微量元素型微量元素型含微量含微量N和和B的不銹鋼的不銹鋼SUS304部微孔或缺陷部微孔或缺陷表表面形成面形成BN膜膜抑制和補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)抑制和補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)蠕變損傷蠕變損傷表面表面BN膜膜自修復(fù)自修復(fù)208表面?zhèn)凇?/p>

46、裂紋自修補(bǔ)表面?zhèn)?、裂紋自修補(bǔ)209(2)微球型微球型鉬鋼中分散二氧化鋯微粒鉬鋼中分散二氧化鋯微粒Fe-Cr合金中分散合金中分散Y2O3微球微球Y2O3捕集有害的硫捕集有害的硫形成形成Y2S3210(3)絲線、薄膜型絲線、薄膜型 Al合金中排列合金中排列TiNi形狀記憶合金長(zhǎng)纖維形狀記憶合金長(zhǎng)纖維熱處理使熱處理使SMA纖維產(chǎn)生收縮變形纖維產(chǎn)生收縮變形聚合物中埋入聚合物中埋入TiNi形狀記憶合金細(xì)線形狀記憶合金細(xì)線電流流通使合金絲線溫度升高電流流通使合金絲線溫度升高2114.3超磁致伸縮材料超磁致伸縮材料磁致伸縮現(xiàn)象磁致伸縮現(xiàn)象(效應(yīng)效應(yīng))： 鐵磁性物質(zhì)在外磁場(chǎng)中被磁化時(shí)鐵磁性物質(zhì)在外磁場(chǎng)中被磁

47、化時(shí), ,其長(zhǎng)度、其長(zhǎng)度、尺寸及體積大小均發(fā)生變化；去掉外磁場(chǎng)后尺寸及體積大小均發(fā)生變化；去掉外磁場(chǎng)后, ,其其又恢復(fù)原來長(zhǎng)度與體積的現(xiàn)象。又恢復(fù)原來長(zhǎng)度與體積的現(xiàn)象。2124.3.1磁致伸縮效應(yīng)及其表征磁致伸縮效應(yīng)及其表征磁致伸縮逆效應(yīng)磁致伸縮逆效應(yīng)材料在應(yīng)力方向（或材料在應(yīng)力方向（或垂直方向）上將產(chǎn)生磁化強(qiáng)度的變化。垂直方向）上將產(chǎn)生磁化強(qiáng)度的變化。磁致伸縮效應(yīng)磁致伸縮效應(yīng)213磁體磁化時(shí)磁體磁化時(shí)沿磁化沿磁化方向伸長(zhǎng)或縮短，體積幾乎不變方向伸長(zhǎng)或縮短，體積幾乎不變一般一般磁致伸縮均磁致伸縮均指線磁致伸縮。指線磁致伸縮。飽和磁化以后飽和磁化以后體積發(fā)生體積發(fā)生膨脹或收縮膨脹或收縮214磁致

48、伸縮系數(shù)磁致伸縮系數(shù)215l與測(cè)量方向有關(guān)與測(cè)量方向有關(guān)磁場(chǎng)方向磁場(chǎng)方向縱向磁致伸縮系數(shù)縱向磁致伸縮系數(shù)（默認(rèn)）（默認(rèn)）l是磁場(chǎng)和溫度的函數(shù)是磁場(chǎng)和溫度的函數(shù)隨磁場(chǎng)增大而增大隨磁場(chǎng)增大而增大飽和飽和磁致伸縮系數(shù)磁致伸縮系數(shù)s（常數(shù)）（常數(shù)）216ls的方向性的方向性單晶體：各向異性單晶體：各向異性多晶體：各向同性多晶體：各向同性ls可正、可負(fù)可正、可負(fù)隨磁化強(qiáng)度隨磁化強(qiáng)度M的增加的增加沿磁化方向伸長(zhǎng)，正沿磁化方向伸長(zhǎng)，正s沿磁化方向縮短，負(fù)沿磁化方向縮短，負(fù)s217磁致伸縮率磁致伸縮率218評(píng)價(jià)材料性能評(píng)價(jià)材料性能線性區(qū)微分磁致伸縮率。線性區(qū)微分磁致伸縮率。線性區(qū)線性區(qū)寬寬起始磁場(chǎng)強(qiáng)度：小起始

49、磁場(chǎng)強(qiáng)度：小219機(jī)電耦合系數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)( (磁彈性耦合系數(shù)或磁機(jī)械耦合系數(shù)磁彈性耦合系數(shù)或磁機(jī)械耦合系數(shù)) )2204.3.2稀土超磁致伸縮材料稀土超磁致伸縮材料1)傳統(tǒng)金屬與合金傳統(tǒng)金屬與合金2)非晶態(tài)合金非晶態(tài)合金2213)稀土鐵系金屬間化合物稀土鐵系金屬間化合物Tb b0.30.3DyDy0.70.7FeFe2 2s極高：極高：1500200010-6稀土超磁致伸縮材料。稀土超磁致伸縮材料。(giant magnetostrictive material，GMM)222稀土純金屬稀土純金屬s居里溫度低居里溫度低R1-xRxFe2RFe2 室溫超室溫超s ，但需強(qiáng)磁場(chǎng)，但需強(qiáng)磁場(chǎng)Tb1

50、-xDyxFe2 (Tb0.3Dy0.7Fe2 )223Terfenol-D品牌品牌224高機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高機(jī)電轉(zhuǎn)換效率70，高磁致伸縮系數(shù)高磁致伸縮系數(shù)輸出應(yīng)力大，能量密度高輸出應(yīng)力大，能量密度高電壓低電壓低輕量化、小型化輕量化、小型化低成低成本本機(jī)械響應(yīng)速度快機(jī)械響應(yīng)速度快225逆磁致伸縮效應(yīng)逆磁致伸縮效應(yīng)變形的線性范圍大變形的線性范圍大頻率特性好、頻帶寬頻率特性好、頻帶寬居里溫度高居里溫度高2264.3.3稀土超磁致伸縮材料的智能化應(yīng)用稀土超磁致伸縮材料的智能化應(yīng)用功率電聲換能器、電機(jī)換能器、傳感器和功率電聲換能器、電機(jī)換能器、傳感器和 電子器件電子器件227大功率低頻發(fā)射聲納大功率低頻發(fā)

51、射聲納理想材料：超磁致伸縮材料。理想材料：超磁致伸縮材料。 低頻低頻 大功率大功率 寬頻帶寬頻帶228229大功率超聲換能器大功率超聲換能器230超聲清洗超聲清洗波動(dòng)采油波動(dòng)采油超聲焊接超聲焊接廢舊輪胎脫硫廢舊輪胎脫硫231高保真平板揚(yáng)聲器高保真平板揚(yáng)聲器232233 234棒狀磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器棒狀磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器薄膜型磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器薄膜型磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器直動(dòng)型直動(dòng)型彎曲型彎曲型235精密定位裝置精密定位裝置236微型馬達(dá)微型馬達(dá)磁致伸縮振子磁致伸縮振子( (馬達(dá)馬達(dá)定子定子) )將電磁能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能將電磁能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能, ,并通過定子并通過定子和轉(zhuǎn)子間的接觸摩擦力推動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)子間的接觸摩擦力推

52、動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)237主動(dòng)減振降噪系統(tǒng)主動(dòng)減振降噪系統(tǒng)238流體控制系統(tǒng)流體控制系統(tǒng)泵泵 直動(dòng)型直動(dòng)型239燃料注入閥燃料注入閥240逆磁致伸縮效應(yīng)逆磁致伸縮效應(yīng)( (壓磁特性壓磁特性) )241磁致伸縮液位傳感器磁致伸縮液位傳感器 磁致伸縮位移傳感器 242第五章第五章 智能高分子材料智能高分子材料2435.1概述概述分子結(jié)構(gòu)分子結(jié)構(gòu)(包括支鏈結(jié)構(gòu)包括支鏈結(jié)構(gòu))、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、共混、復(fù)合、界面共混、復(fù)合、界面表面表面外觀結(jié)構(gòu)外觀結(jié)構(gòu)概念概念244自然界：自然界：網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高聚物和水組成的高聚物和水組成245人工材料：人工材料：聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺246(1)(1)智能高分子凝膠智

53、能高分子凝膠刺激響應(yīng)性高分子凝膠刺激響應(yīng)性高分子凝膠 受到環(huán)境刺激時(shí)會(huì)隨之響應(yīng)，發(fā)生結(jié)構(gòu)、受到環(huán)境刺激時(shí)會(huì)隨之響應(yīng)，發(fā)生結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)變化的凝膠。物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)變化的凝膠。247(2)智能藥物釋放體系智能藥物釋放體系248(3)(3)記憶功能高分子材料記憶功能高分子材料(4)(4)智能高分子膜智能高分子膜形狀記憶形狀記憶249（5 5）聚合物電流變流體）聚合物電流變流體（6 6）智能織物）智能織物2505.2高分子凝膠及體積相轉(zhuǎn)變高分子凝膠及體積相轉(zhuǎn)變復(fù)合體系復(fù)合體系體積相轉(zhuǎn)變：體積相轉(zhuǎn)變：體系內(nèi)各種相互作用力相互結(jié)合和競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。體系內(nèi)各種相互作用力相互結(jié)合和競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。251

54、范德華力范德華力 靜電相互作用力靜電相互作用力氫鍵氫鍵252(4)疏水相互作用力疏水相互作用力溫度較低溫度較低水分子在疏水性基團(tuán)周圍形成團(tuán)簇水分子在疏水性基團(tuán)周圍形成團(tuán)簇溫度升高至相變溫度溫度升高至相變溫度凝膠網(wǎng)絡(luò)為凝膠網(wǎng)絡(luò)為疏水基團(tuán)保護(hù)疏水基團(tuán)保護(hù)異丙基異丙基疏水基團(tuán)疏水基團(tuán)2535.3高分子凝膠的刺激響應(yīng)性高分子凝膠的刺激響應(yīng)性5.3.1物理刺激響應(yīng)性物理刺激響應(yīng)性(1)溫敏性凝膠溫敏性凝膠溫度的變化影響了其中的疏水基團(tuán)的疏水作溫度的變化影響了其中的疏水基團(tuán)的疏水作用以及大分子鏈間的氫鍵作用用以及大分子鏈間的氫鍵作用低臨界溶解溫度低臨界溶解溫度LCST254高溫收縮型高溫收縮型聚異丙基丙烯

55、酰胺聚異丙基丙烯酰胺(PNIPA) 機(jī)理：疏水基團(tuán)的疏水作用。機(jī)理：疏水基團(tuán)的疏水作用。低溫收縮型低溫收縮型聚丙烯酸聚丙烯酸(PAAC)和聚和聚N, N二甲基丙烯酰胺二甲基丙烯酰胺 (PDMAAM)網(wǎng)絡(luò)互穿形成的聚合物水凝膠網(wǎng)絡(luò)互穿形成的聚合物水凝膠 機(jī)理：氫鍵的形成與斷裂。機(jī)理：氫鍵的形成與斷裂。255(2)光敏感性凝膠光敏感性凝膠光敏感分子的經(jīng)光輻照后光敏感分子的經(jīng)光輻照后發(fā)生光異構(gòu)化，伴隨幾何結(jié)構(gòu)的改變發(fā)生光異構(gòu)化，伴隨幾何結(jié)構(gòu)的改變光敏感分子發(fā)生光解離作用光敏感分子發(fā)生光解離作用(即遇光分解即遇光分解產(chǎn)生的離子化產(chǎn)生的離子化)，使凝膠內(nèi)外離子濃度差，使凝膠內(nèi)外離子濃度差改變改變256(

56、3)磁場(chǎng)敏感性凝膠磁場(chǎng)敏感性凝膠施加磁場(chǎng)時(shí)施加磁場(chǎng)時(shí)鐵磁體發(fā)熱鐵磁體發(fā)熱誘發(fā)溶脹誘發(fā)溶脹或收縮或收縮257(4)電場(chǎng)敏感性凝膠電場(chǎng)敏感性凝膠聚電解質(zhì)凝膠聚電解質(zhì)凝膠自由離子自由離子定向定向移動(dòng)移動(dòng)：凝膠內(nèi)不同部位凝膠內(nèi)不同部位pH值不同值不同影響影響電離狀態(tài)電離狀態(tài)凝膠內(nèi)外離子濃度不均凝膠內(nèi)外離子濃度不均滲透壓變化滲透壓變化2582595.3.2化學(xué)刺激響應(yīng)性化學(xué)刺激響應(yīng)性(1) pH敏感性凝膠敏感性凝膠260(1) pH敏感性凝膠敏感性凝膠聚丙烯酸（羧基電離）聚丙烯酸（羧基電離）261(2)化學(xué)物質(zhì)響應(yīng)凝膠化學(xué)物質(zhì)響應(yīng)凝膠胰島素釋放體系胰島素釋放體系對(duì)葡萄糖響應(yīng)對(duì)葡萄糖響應(yīng)2622635.3

57、.3雙重響應(yīng)智能凝膠雙重響應(yīng)智能凝膠(1) 溫度和溫度和pH敏感凝膠敏感凝膠異丙基丙烯酰胺異丙基丙烯酰胺 丙烯酸丙烯酸 2645.3.3雙重響應(yīng)智能凝膠雙重響應(yīng)智能凝膠(2)熱、光敏感凝膠熱、光敏感凝膠PNIPA和葉綠酸網(wǎng)絡(luò)組成的凝膠和葉綠酸網(wǎng)絡(luò)組成的凝膠265(3)pH、光敏感凝膠、光敏感凝膠266(4)磁性、熱敏感凝膠磁性、熱敏感凝膠2675.4智能高分子凝膠的應(yīng)用智能高分子凝膠的應(yīng)用（1）分離功能材料）分離功能材料分離機(jī)理分離機(jī)理擴(kuò)散分離擴(kuò)散分離吸附分離和絡(luò)合分離吸附分離和絡(luò)合分離268優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：269污泥脫水污泥脫水聚乙烯基甲基醚聚乙烯基甲基醚(PVME)應(yīng)應(yīng) 用用270生物分離生物

58、分離電解質(zhì)的濃縮分離：電解質(zhì)的濃縮分離：螯合基螯合基團(tuán)團(tuán)(羧基羧基)可與二價(jià)金屬離子形成配合物可與二價(jià)金屬離子形成配合物凝膠收縮凝膠收縮捕獲金屬離子捕獲金屬離子溶脹釋放溶脹釋放金屬離子金屬離子271(2)運(yùn)動(dòng)功能材料運(yùn)動(dòng)功能材料單絲收縮應(yīng)力單絲收縮應(yīng)力2.94mN人工肌肉人工肌肉聚乙烯基甲基醚聚乙烯基甲基醚(PVME)水凝膠水凝膠賦形用高賦形用高分子分子272(3)生物反應(yīng)器酶的活性控制生物反應(yīng)器酶的活性控制自動(dòng)控制自動(dòng)控制:人為控制人為控制淀粉轉(zhuǎn)葡糖苷酶的活性控制淀粉轉(zhuǎn)葡糖苷酶的活性控制273(4)細(xì)胞培養(yǎng)基質(zhì)細(xì)胞培養(yǎng)基質(zhì)37 培養(yǎng)培養(yǎng)凝膠表面呈現(xiàn)疏水性，與細(xì)胞很好地粘附凝膠表面呈現(xiàn)疏水性，

59、與細(xì)胞很好地粘附溫度降至溫度降至20凝膠表面變得親凝膠表面變得親水，細(xì)胞自動(dòng)從表面脫附水，細(xì)胞自動(dòng)從表面脫附降溫降溫274(5)在組織工程中的應(yīng)用在組織工程中的應(yīng)用凝膠凝膠作為組織重建和植入的人工細(xì)胞外基質(zhì)作為組織重建和植入的人工細(xì)胞外基質(zhì)軟骨細(xì)胞軟骨細(xì)胞/膠原復(fù)合材料膠原復(fù)合材料植入鼠體植入鼠體4周后形成新成周后形成新成熟軟骨熟軟骨275(6)調(diào)光材料調(diào)光材料對(duì)激光的透過能力調(diào)節(jié)對(duì)激光的透過能力調(diào)節(jié)參數(shù)可調(diào)控光學(xué)鏡片參數(shù)可調(diào)控光學(xué)鏡片電場(chǎng)敏感凝膠電場(chǎng)敏感凝膠外加電場(chǎng)下外加電場(chǎng)下表面凸出或凹陷表面凸出或凹陷調(diào)節(jié)材料調(diào)節(jié)材料的焦距的焦距276(7)可視化光學(xué)傳感材料可視化光學(xué)傳感材料機(jī)理機(jī)理聚合

60、物微球結(jié)晶膠聚合物微球結(jié)晶膠體陣列體陣列(PCCA)277智能聚合結(jié)晶膠體陣列智能聚合結(jié)晶膠體陣列(IPCCA)葡萄糖傳感器葡萄糖傳感器H)(Gox)(Gox葡糖酸還原葡萄糖氧化278(8)表面圖案技術(shù)表面圖案技術(shù)金濺涂在聚異丙基丙烯酰胺表面金濺涂在聚異丙基丙烯酰胺表面金方格陣列金方格陣列光柵光柵體積相轉(zhuǎn)變體積相轉(zhuǎn)變狹縫尺度改變，衍射狹縫尺度改變，衍射圖案隨之改變圖案隨之改變藥物包埋在凝膠或藥物包埋在凝膠或由凝膠制成的膠囊中由凝膠制成的膠囊中(9)藥物釋放載體藥物釋放載體2795.5智能藥物釋放體系智能藥物釋放體系5.5.1藥物釋放體系藥物釋放體系5.5.1.1概述概述+280（1 1）藥物控