智能材料專業(yè)課件

概述（基本概念、發(fā)展、研究?jī)?nèi)容）電/磁流變液智能材料磁致伸縮智能材料

智能材料

1歡迎下載可修改智能材料是近年來在世界上興起并迅速發(fā)展的材料技術(shù)的一個(gè)新領(lǐng)域。10.1智能材料概述2歡迎下載可修改智能材料概念是美國和日本科學(xué)家首先提出的。1989年日本高木俊宜教授將信息科學(xué)融于材料的特性和功能，提出智能材料(Intelligentmaterials)概念，它是指對(duì)環(huán)境具有可感知可響應(yīng)等功能的新材料。美國的R．E．Newnhain教授提出了靈巧(Smart)材料的概念，這種材料具有傳感和執(zhí)行功能，他將靈巧材料分為被動(dòng)靈巧材料、主動(dòng)靈巧材料和很靈巧材料三類。

10.1.1發(fā)展3歡迎下載可修改智能材料是高技術(shù)新材料領(lǐng)域中正在形成的一門新的分支學(xué)科，是2l世紀(jì)的先進(jìn)材料，是當(dāng)前工程學(xué)科發(fā)展的國際前沿。智能材料是一門交叉學(xué)科，它的發(fā)展不僅是材料學(xué)科本身的需要，而且可以帶動(dòng)許多相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，如物理、化學(xué)、計(jì)算機(jī)、土木工程和航空航天的發(fā)展的。4歡迎下載可修改10.1.2基本概念設(shè)想：混凝土能自己發(fā)現(xiàn)混凝土大壩里的裂縫；玻璃能根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)的變化而自行改變透光率，使進(jìn)入室內(nèi)的陽光變暗或變亮；墻紙可以變化顏色以適應(yīng)不同環(huán)境；空中飛行的飛機(jī)能自行診斷其損傷狀態(tài)并自行修復(fù)。材料具有了“智能”，這種類型的材料就稱為智能材料。5歡迎下載可修改智能材料：是指能模仿生物體，同時(shí)具有感知和控制等功能的材料或結(jié)構(gòu)。它既能感知環(huán)境狀況又能傳輸分析有關(guān)信息，同時(shí)作出類似有生命物體的智能反應(yīng)，如自診斷、自適應(yīng)或自修復(fù)等（見圖）。這種材料一般具有四種主要功能：①對(duì)環(huán)境參數(shù)的敏感；②對(duì)敏感信息的傳輸；③對(duì)敏感信息的分析、判斷；④智能反應(yīng)。6歡迎下載可修改7歡迎下載可修改（1）敏感特性融入材料使新的復(fù)合材料能感知環(huán)境的各種參數(shù)及其變化。8歡迎下載可修改

光導(dǎo)纖維傳感器可以檢測(cè)力、熱、聲、光、電等物理參數(shù)；它體積小，種類多，而且能測(cè)量多種物理參數(shù)及其分布狀況，是一種較理想的基礎(chǔ)智能材料。9歡迎下載可修改機(jī)械手柔性三維運(yùn)動(dòng)形狀記憶合金10歡迎下載可修改9、人的價(jià)值，在招收誘惑的一瞬間被決定。2023/2/32023/2/3Friday,February3,202310、低頭要有勇氣，抬頭要有低氣。2023/2/32023/2/32023/2/32/3/20235:05:13PM11、人總是珍惜為得到。2023/2/32023/2/32023/2/3Feb-2303-Feb-2312、人亂于心，不寬余請(qǐng)。2023/2/32023/2/32023/2/3Friday,February3,202313、生氣是拿別人做錯(cuò)的事來懲罰自己。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/32/3/202314、抱最大的希望，作最大的努力。03二月20232023/2/32023/2/32023/2/315、一個(gè)人炫耀什么，說明他內(nèi)心缺少什么。。二月232023/2/32023/2/32023/2/32/3/202316、業(yè)余生活要有意義，不要越軌。2023/2/32023/2/303February202317、一個(gè)人即使已登上頂峰，也仍要自強(qiáng)不息。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/39、人的價(jià)值，在招收誘惑的一瞬間被決定。2023/2/32023/2/3Friday,February3,202310、低頭要有勇氣，抬頭要有低氣。2023/2/32023/2/32023/2/32/3/20235:05:13PM11、人總是珍惜為得到。2023/2/32023/2/32023/2/3Feb-2303-Feb-2312、人亂于心，不寬余請(qǐng)。2023/2/32023/2/32023/2/3Friday,February3,202313、生氣是拿別人做錯(cuò)的事來懲罰自己。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/32/3/202314、抱最大的希望，作最大的努力。03二月20232023/2/32023/2/32023/2/315、一個(gè)人炫耀什么，說明他內(nèi)心缺少什么。。二月232023/2/32023/2/32023/2/32/3/202316、業(yè)余生活要有意義，不要越軌。2023/2/32023/2/303February202317、一個(gè)人即使已登上頂峰，也仍要自強(qiáng)不息。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/3形狀記憶陶瓷疊層裝置的機(jī)械夾持器

13歡迎下載可修改9、人的價(jià)值，在招收誘惑的一瞬間被決定。2023/2/32023/2/3Friday,February3,202310、低頭要有勇氣，抬頭要有低氣。2023/2/32023/2/32023/2/32/3/20235:05:13PM11、人總是珍惜為得到。2023/2/32023/2/32023/2/3Feb-2303-Feb-2312、人亂于心，不寬余請(qǐng)。2023/2/32023/2/32023/2/3Friday,February3,202313、生氣是拿別人做錯(cuò)的事來懲罰自己。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/32/3/202314、抱最大的希望，作最大的努力。03二月20232023/2/32023/2/32023/2/315、一個(gè)人炫耀什么，說明他內(nèi)心缺少什么。。二月232023/2/32023/2/32023/2/32/3/202316、業(yè)余生活要有意義，不要越軌。2023/2/32023/2/303February202317、一個(gè)人即使已登上頂峰，也仍要自強(qiáng)不息。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/3通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應(yīng)制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測(cè)量中。壓電傳感器15歡迎下載可修改（2）傳輸特性智能材料不僅需要敏感環(huán)境的各種參數(shù)，而且需要在材料與結(jié)構(gòu)中傳遞各種信息，其信息傳遞類似人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，不僅體積微小，而且傳遞信息量特大。目前用于智能材料中信息傳遞的方法很多，最常用的是用光導(dǎo)纖維來傳遞信息。16歡迎下載可修改（3）智能特性智能特性是智能材料的核心，也是智能材料與普通功能材料的主要區(qū)別。要求能分析、判斷其參數(shù)的性質(zhì)與變化，具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)等功能。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的高度發(fā)展，智能材料與結(jié)構(gòu)的智能特性已經(jīng)或正在逐步實(shí)現(xiàn)，問題的關(guān)鍵是如何將材料敏感的各種信息通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)?，F(xiàn)在一般有兩種方法，一種是在大型智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，將智能材料敏感到的各種參數(shù)傳感到結(jié)構(gòu)體系的普通計(jì)算機(jī)內(nèi)；另一種是在智能材料中埋入超小型電腦芯片。17歡迎下載可修改（4）自適應(yīng)特性是由智能材料中的各種微型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)是由超小型芯片控制并可作出各種動(dòng)作，使智能材料自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境中應(yīng)力、振動(dòng)、溫度等變化或自行修復(fù)各種構(gòu)件的損傷。目前常用的微型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有形狀記憶合金，磁致伸縮材料，電流變體等，尤其是電流變體材料在自適應(yīng)材料中的應(yīng)用特別引人注目。

18歡迎下載可修改（5）相容性埋置的材料性質(zhì)與原構(gòu)件的材料基質(zhì)的性質(zhì)越相近越好。（?。?qiáng)度相容：埋置材料不能影響原材料的強(qiáng)度或者說影響很小。（ⅱ）界面相容：埋人材料的表面和原材料有相容性。（ⅲ）尺寸相容：埋人材料或器件和原材料構(gòu)件相比，體積應(yīng)很小，不影響原構(gòu)件特性。（ⅳ）場(chǎng)分布相容：埋人材料與器件不影響原材料構(gòu)件各種場(chǎng)分布特性，如應(yīng)力場(chǎng)、振動(dòng)模態(tài)等。

19歡迎下載可修改10.1.3智能材料的研究?jī)?nèi)容

智能材料是一門綜合性的邊緣科學(xué)，它包括材料科學(xué)、物理、化學(xué)、計(jì)算機(jī)仿生學(xué)、機(jī)電工程等多學(xué)科領(lǐng)域，涉及內(nèi)容很多，主要有下面幾方面內(nèi)容：

（1）

基礎(chǔ)智能材料研究

（2）

自診斷智能材料的研究

（3）自適應(yīng)智能材料研究

下面就分別展開敘述。20歡迎下載可修改（1）基礎(chǔ)智能材料研究

基礎(chǔ)智能材料是智能器件的基礎(chǔ)，許多材料本身就具有某些“智能”特性。例如：材料的性能（顏色、形狀、尺寸、機(jī)械特性等）隨環(huán)境或使用條件的變化而改變，具有學(xué)習(xí)、診斷和預(yù)見的能力，以及對(duì)信號(hào)的識(shí)別和區(qū)分能力。材料的結(jié)構(gòu)或成分可隨工作條件變化，從而具有一種對(duì)環(huán)境自適應(yīng)、自調(diào)節(jié)的功能。一些材料的電、光以及其它物理或化學(xué)性能隨外部條件的不同而變化，因而除了具有識(shí)別和區(qū)分信號(hào)、診斷、學(xué)習(xí)和刺激能力外，還可發(fā)展成具有動(dòng)態(tài)自動(dòng)平衡及自維修的功能。21歡迎下載可修改目前可用于智能器件的智能材料主要有：形狀記憶智能材料壓電智能材料磁致伸縮智能材料自組裝智能材料光纖智能材料電／磁流變液智能材料22歡迎下載可修改（ⅰ）形狀記憶基礎(chǔ)智能材料

是一類具有形狀記憶功能的材料。其產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)的最根本原因是馬氏體相變和逆相變。由于形狀記憶合金材料集自感知、自診斷和自適應(yīng)功能于一體，故具有傳感器、處理器和驅(qū)動(dòng)器的功能，是一類具有特殊功能的智能材料。人們不但可以利用形狀記憶合金來制備各種智能器件，而且還可以用形狀記憶合金來進(jìn)行智能材料設(shè)計(jì)，并對(duì)智能材料與結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)控制。這就進(jìn)一步拓寬了形狀記憶合金智能材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

23歡迎下載可修改記憶型鎳鈦牙弓絲24歡迎下載可修改（ⅱ）壓電基礎(chǔ)智能材料

壓電智能材料是一類具有壓電效應(yīng)的材料。具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)晶體在機(jī)械應(yīng)力的作用下將產(chǎn)生極化并形成表面電荷，若將這類電介質(zhì)晶體置于電場(chǎng)中，電場(chǎng)的作用將引起電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而導(dǎo)致形變?？蓪?shí)現(xiàn)傳感元件與動(dòng)作元件的統(tǒng)一，從而可以有效地用于材料損傷自診斷自適應(yīng)，減振與噪聲控制等方面。常用的壓電材料主要是壓電陶瓷，而最近發(fā)展的壓電復(fù)合材料是將壓電陶瓷、聚合物按一定的比例、連通方式和空間幾何分布復(fù)合而成，具有比常用壓電陶瓷更優(yōu)異的性能。

25歡迎下載可修改壓電陶瓷主動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)，在控制坦克炮塔振動(dòng)方面的應(yīng)用，減輕了顫振。26歡迎下載可修改（ⅳ）磁致伸縮基礎(chǔ)智能材料

磁致伸縮效應(yīng)是指磁性物質(zhì)在磁化過程中因外磁場(chǎng)條件的改變而發(fā)生幾何尺寸可逆變化的效應(yīng)。也就是說，它是一類具有電磁能／機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換功能的材料。磁致伸縮材料通常分為金屬磁致伸縮材料和稀土-鐵(RFe2)超磁致伸縮材料兩大類。由于稀土-鐵(RFe2)超磁致伸縮材料具有磁致伸縮值大、機(jī)械響應(yīng)快、功率密度大、耦合系數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)，目前這類材料已廣泛用于聲納系統(tǒng)，大功率超聲器件、精密定位控制、機(jī)械制動(dòng)器，各種閥門和驅(qū)動(dòng)器件等方面。

27歡迎下載可修改（ⅴ）自組裝基礎(chǔ)智能材料

近年來發(fā)展起來的可以按照人們的需要以分子量級(jí)的尺度設(shè)計(jì)和制作的具有一種或多種智能特性的新材料。自組裝智能材料是在特定的基片上，通過化學(xué)鍵、氫鍵或靜電引力將聚合物分子或聚合物與無機(jī)納米粒子的復(fù)合物逐層組裝上去，以形成單層、雙層或多層自組裝薄膜材料。近幾年來，靜電自組裝薄膜材料發(fā)展很快。這種材料具有薄膜厚度可精確控制到分子水平，薄膜與基體以及薄膜與薄膜之間結(jié)合力強(qiáng)、薄膜厚度與成分均勻等特點(diǎn)，在非線性光學(xué)材料、光學(xué)器件等方面有著重要的潛在應(yīng)用。

28歡迎下載可修改（ⅵ）光纖基礎(chǔ)智能材料

光導(dǎo)纖維是一種圓柱介質(zhì)光波導(dǎo)，它能夠約束并引導(dǎo)光波在其內(nèi)部或表面附近沿軸線方向向前傳播。由于光纖具有感測(cè)和傳輸雙重功能，并且有直徑小、柔韌易彎曲、質(zhì)量輕、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，因此，光纖已成為一種非常重要的智能材料，光纖傳感技術(shù)則已成為智能材料的主要技術(shù)基礎(chǔ)之一。光纖傳感技術(shù)在智能材料與結(jié)構(gòu)中主要用于檢測(cè)材料受力、損傷情況，結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及振動(dòng)主動(dòng)控制等。用光纖組成的各種傳感器可測(cè)量溫度、壓力、位移、應(yīng)力、應(yīng)變等多種物理量，并具有極高的靈敏度。

29歡迎下載可修改單纖雙向光纖收發(fā)器

用途

■城域光纖寬帶網(wǎng)，適用于電信、網(wǎng)通、廣電等數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商

■

多媒體傳輸：圖像、話音、數(shù)據(jù)綜合傳輸、適用于遠(yuǎn)程教學(xué)、會(huì)議電視、可視電話等應(yīng)用

■

實(shí)時(shí)監(jiān)控：實(shí)時(shí)控制信號(hào)、圖像及數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸

■

抗惡劣環(huán)境：適用于強(qiáng)電磁干擾、遠(yuǎn)距離的惡劣環(huán)境下組網(wǎng)

30歡迎下載可修改（ⅲ

）電／磁流變液智能材料（ⅳ）磁致伸縮智能材料31歡迎下載可修改（2）自診斷智能材料的研究自診斷智能材料是智能材料中最簡(jiǎn)單最基礎(chǔ)的一種形式。它往往只具備智能特性四個(gè)主要特性中的二種或三種，這一類智能材料能接受和響應(yīng)外部環(huán)境參數(shù)的變化，能夠自診斷內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)，如缺陷或損傷等，并能根據(jù)預(yù)先約定給予報(bào)警或傳輸有關(guān)信息，但不具備驅(qū)動(dòng)和自適應(yīng)的功能。例如對(duì)于結(jié)構(gòu)材料，人們期望材料內(nèi)部的劣化和損傷以及表面的微細(xì)裂紋形成時(shí)，能自行監(jiān)測(cè)，在形成重大事故或內(nèi)部變異之前能夠有效地預(yù)知或報(bào)警。32歡迎下載可修改（3）自適應(yīng)智能材料研究自適應(yīng)智能材料是一種完備的智能體系，它具備智能材料的四個(gè)基礎(chǔ)屬性。它不僅能接受和響應(yīng)外部的信息，而且能自動(dòng)改變自身狀態(tài)，以適應(yīng)外部環(huán)境變化。自適應(yīng)包括的含義如：

自我回復(fù)性(形狀和物理、化學(xué)性能能夠自動(dòng)復(fù)原)；

自動(dòng)調(diào)節(jié)性(能夠隨外部環(huán)境的需要而改變自身狀態(tài))；

自我修復(fù)性(能根據(jù)自身損傷狀態(tài)自我修復(fù))等。

33歡迎下載可修改（?。┳曰貜?fù)

形狀記憶智能材料就是一種具有形狀自回復(fù)功能的智能材料。無論將該材料拉伸或彎曲成何種復(fù)雜形狀，只要一加熱，又回復(fù)到原來的初始形狀。其原理是利用了馬氏體相變，受力后材料內(nèi)晶格發(fā)生扭曲變形而顯示出塑性形變，受熱獲得能量后晶格自動(dòng)回復(fù)原狀。這種形狀記憶材料，已經(jīng)應(yīng)用于大型鋼管使其結(jié)合精密和牢固。34歡迎下載可修改自潔凈功能的溫度和氣體傳感器：日本人研制的一種能夠在所測(cè)試的環(huán)境氣體受污染后隨時(shí)自動(dòng)恢復(fù)其新鮮潔凈的表層和界面。其原理是利用CuO／ZnO兩種陶瓷片緊密接觸制成氣體傳感器，碳?xì)浠衔镌谝粋?cè)被吸附和分解，在另一側(cè)被還原而離開元件材料表層，使材料表面總能接觸到最新進(jìn)入的被檢氣體，縮短了傳感器的響應(yīng)時(shí)間，解決了以往的氣體傳感器中毒劣化的問題，提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確性，增加了使用壽命。

35歡迎下載可修改（ⅱ）自調(diào)節(jié)

一般材料的電阻是恒定的。電流與電壓的關(guān)系服從歐姆定律。但是，有些陶瓷材料的電阻隨著電壓而變化，例如ZnO等，稱為可變電阻。它具有根據(jù)外部電壓的大小而改變自身電阻的能力，故被列入智能材料范疇。它能用作智能性電路開關(guān)；用這種可變電阻制作成加熱元件時(shí)，可以自動(dòng)控制自己的加熱溫度。這種本身具有控溫能力的材料已成為高級(jí)轎車空調(diào)的核心元件。

36歡迎下載可修改

光致變色玻璃（光色玻璃）也是一種能自行調(diào)節(jié)透光性能的智能材料。利用Ag0－Ag+化學(xué)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，能夠自動(dòng)屏蔽強(qiáng)的光線。最近的所謂智能窗，就是利用光能-電能之間轉(zhuǎn)換，形成能屏蔽光線的大型透明窗口或者能夠顯示亮度和色彩的顯示屏幕，37歡迎下載可修改（一）彩色裝飾玻璃：國內(nèi)首創(chuàng)新產(chǎn)品，填補(bǔ)國內(nèi)空白，主要用于各種樓、堂、館、所及廣告裝飾，具有色澤鮮艷，光彩照人，反射性能強(qiáng)，能拼湊成各種圖案，永不褪色等特點(diǎn)。目前，該產(chǎn)品全部出口東南亞地區(qū)，深受外商青睞。

（二）工業(yè)用濾色玻璃、光學(xué)儀器玻璃：主要用于各種儀器儀表盤的濾色防護(hù)，有幾十種顏色規(guī)格。

38歡迎下載可修改自調(diào)節(jié)智能材料的另一有趣實(shí)例，就是能夠使藥物定位投放。日本科學(xué)家已經(jīng)研制一種微細(xì)膠囊物質(zhì)材料，能夠?qū)⑺幬锇髱У缴眢w的病變部位。在病變部位膠囊物質(zhì)表皮自行破裂而釋放出藥物，醫(yī)治病變細(xì)胞。這種定向投藥原理，用于農(nóng)藥和化肥在酸堿土壤中的定位投放，能提高效率，降低成本，減少污染，是農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展的方向。39歡迎下載可修改（ⅲ

）自適應(yīng)性和自修復(fù)性研究得比較多的是使材料表層的形狀和厚度能根據(jù)需要隨時(shí)自動(dòng)形成。人體皮膚的自適應(yīng)性。鈦鋁合金是用于高溫發(fā)動(dòng)機(jī)的重要高溫材料，高溫使用時(shí)，氧化皮層容易裂開和脫落，人們通過加入一些物質(zhì)到材料中，在表皮發(fā)生裂紋時(shí)，能及時(shí)擴(kuò)散進(jìn)表皮的裂紋傷口內(nèi)，充填裂紋，并逐漸隆起形成致密的抗氧化層而保護(hù)材料肌體部件。40歡迎下載可修改在高溫真空器件的不銹鋼中，加入B和N元素，在進(jìn)入使用狀態(tài)后，B和N會(huì)向表層擴(kuò)散并相互結(jié)合形成一層致密的BN高溫陶瓷保護(hù)層，保護(hù)層是材料中“自生”出來的，在成分和結(jié)構(gòu)上與基底之間逐漸過渡，所以結(jié)合非常牢固。這一舉解決了以往的陶瓷涂層容易剝落的問題。

41歡迎下載可修改10.2電/磁流變液智能材料

電流變液電流變液的分類電流變液的影響因素電流變液材料的研究進(jìn)展磁流變液電磁流變液42歡迎下載可修改

10.2.1電流變液一般介紹

電-粘度效應(yīng)：19世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)作用于流體可導(dǎo)致其表觀粘度的增加；kV/mm電場(chǎng)強(qiáng)度，粘度增加百分之零點(diǎn)幾。分子、離子簇極化。電流變效應(yīng)：1947年Winslow發(fā)現(xiàn)，對(duì)于有些非水的懸浮液體系，在外電場(chǎng)的作用下，流體的表觀粘度將大幅度增加，強(qiáng)場(chǎng)下呈近似于粘彈性固體的性質(zhì)。這一現(xiàn)象不能用電-粘度效應(yīng)理論解釋，被稱為電流變效應(yīng)（ER效應(yīng)），具有電流變效應(yīng)的流體體系被稱為電流變液。43歡迎下載可修改電流變液的本質(zhì)就是電場(chǎng)導(dǎo)致的固體顆粒的極化。在外電場(chǎng)作用下，電流變液中的固體顆粒獲得感應(yīng)極矩ρ=βα3εrE10c,首先在兩極板間排成鏈，隨電場(chǎng)進(jìn)一步增強(qiáng)，鏈之間相互作用而聚集成柱，從而由液相進(jìn)入固相.44歡迎下載可修改電流變液材料能感知環(huán)境(外加電場(chǎng))的變化，并且根據(jù)環(huán)境的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)材料本身的性質(zhì)，使其粘度、阻尼性能和剪切應(yīng)力都發(fā)生相應(yīng)的變化。這種液態(tài)和固態(tài)之間的轉(zhuǎn)化是快速可逆的，整個(gè)轉(zhuǎn)化過程僅需幾毫秒，是智能材料中很好的驅(qū)動(dòng)器。由于電流變液這種特殊性能，使其在汽車離合器，減振系統(tǒng)，機(jī)械電控等許多方面具有重要的潛在應(yīng)用。45歡迎下載可修改表10-1電流變液的分類

10.2.2電流變液的分類46歡迎下載可修改粒子分散型：是指粒徑在0.1～10μm范圍內(nèi)的固體粒子在分散介質(zhì)如氯化石臘油、硅油等絕緣油類中所形成的懸浮式分散液。固體粒子具有高介電常數(shù)，液體載體具有低介電常數(shù)；當(dāng)外加電場(chǎng)強(qiáng)度大大低于臨界值(幾kV／mm左右，電流密度為10-6～10-5A／cm2)，ER液呈液態(tài)；當(dāng)外加電場(chǎng)大大高于這個(gè)臨界值，ER液就變成固態(tài)，兩態(tài)之間轉(zhuǎn)變時(shí)間為毫秒級(jí)，并且這種轉(zhuǎn)變是可逆的?？梢栽谂R界場(chǎng)附近有效地用外加電場(chǎng)來控制這種懸浮液的粘滯性。

均一溶液型：是指一些強(qiáng)極性有機(jī)及高分子聚合物溶液。47歡迎下載可修改10.2.3電流變液的影響因素

電流變(ER)材料的電學(xué)特性是指其介電特性和導(dǎo)電特性。

介電常數(shù)：ER液在外電場(chǎng)作用下發(fā)生極化的能力；

電導(dǎo)率：ER液在外電場(chǎng)作用下產(chǎn)生能量損耗的能力。

由于ER液是一種多相復(fù)合體系，兩相界面的存在，使ER液的介電特性及導(dǎo)電特性不同于兩相性質(zhì)的線性疊加，還與固體顆粒的大小、粒徑分布，固-液兩相的介面性質(zhì)、固體顆粒相之間的接觸狀態(tài)以及固體顆粒相分布形成的結(jié)構(gòu)都有關(guān)。

48歡迎下載可修改微粒微粒大小范圍0.1~10μm；

當(dāng)微粒太小時(shí)，布朗運(yùn)動(dòng)可抵消電場(chǎng)的作用而不出現(xiàn)ER效應(yīng)，當(dāng)微粒太大時(shí)，它對(duì)電場(chǎng)響應(yīng)很慢，從而給ER液的實(shí)際應(yīng)用帶來困難，并且大顆粒在重力的作用下容易沉積，影響ER液的穩(wěn)定性。微粒的化學(xué)性質(zhì)對(duì)ER液的性質(zhì)有著直接的影響。對(duì)于大多數(shù)ER液，其載體中都會(huì)有少量的水，所以微粒應(yīng)能夠持水，并能使離子在其中運(yùn)動(dòng)。

49歡迎下載可修改載體從理論上講，只要分散相和介質(zhì)的介電常數(shù)差別顯著，這樣的兩相體系就具有ER活性。實(shí)際載體應(yīng)為介電常數(shù)低、具有絕緣性能的油，從降低能量損耗的觀點(diǎn)看，流變液應(yīng)具有低導(dǎo)電性。載體的性質(zhì)可歸納如下：疏水性、低粘度、高沸點(diǎn)、低凝固點(diǎn)、高電阻、高介電強(qiáng)度。50歡迎下載可修改水

大量水的存在可導(dǎo)致系統(tǒng)的介電擊穿、腐蝕和高能量消耗。但是人們發(fā)現(xiàn)隨著含水量的增加，切變應(yīng)力增加并達(dá)到最大值，隨后又減小。一種假設(shè)是水能增加微粒的有效介電常數(shù)，從而增強(qiáng)了微粒間的相互作用。另一種解釋是由于粒子具有高的表面張力，水在粒子中起粘結(jié)作用。

51歡迎下載可修改表面活性劑一種是表面活性劑增加了懸浮粒子的穩(wěn)定性，第二種是表面活性劑使微粒之間形成了介晶膠束橋，這兩種影響都可導(dǎo)致ER效應(yīng)的增強(qiáng)。52歡迎下載可修改溫度隨著溫度的升高，典型ER液的ER效應(yīng)將迅速增強(qiáng)，達(dá)到最大值，然后又迅速減弱。在一定的電場(chǎng)強(qiáng)度下，升高溫度將使表觀粘度和介電常數(shù)增加，當(dāng)ER活性達(dá)到最大值后，溫度繼續(xù)升高將導(dǎo)致ER活性的急劇下降，這種現(xiàn)象體現(xiàn)了水的作用。當(dāng)溫度足夠高時(shí)，水會(huì)被蒸發(fā)掉，從而使ER液失活，由水活化的ER液在高于70℃的溫度下長(zhǎng)時(shí)間使用，就會(huì)產(chǎn)生這種失活；無水的ER液將具有較寬的工作溫度。53歡迎下載可修改濃度一定的電場(chǎng)強(qiáng)度和溫度下，當(dāng)微粒體積分?jǐn)?shù)增加時(shí)，ER液的屈服應(yīng)力增加，表現(xiàn)粘度也將增加。分散質(zhì)濃度的增加，由于微粒聚集，也增加了無外電場(chǎng)時(shí)流變液的粘度。因此，有必要找出最佳的體積分?jǐn)?shù)，既能在電場(chǎng)作用下獲得最佳的ER效應(yīng)，又能在無電場(chǎng)時(shí)保持ER液的流動(dòng)性。54歡迎下載可修改10.2.4電流變液材料的研究進(jìn)展

彩色液晶顯示器55歡迎下載可修改液晶高分子材料液晶ER液在3kV／mm的電場(chǎng)強(qiáng)度下法向應(yīng)力接近7KPa。由于這種ER液只有一個(gè)相，所以不存在兩相材料中的沉積問題。又因?yàn)椴缓?，故又不存在一切與水有關(guān)的問題。但液晶ER液的缺點(diǎn)，主要是其液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變所需要的時(shí)間長(zhǎng)，液晶水分子的響應(yīng)時(shí)間是0.01~0.1s，液晶高分子則可能長(zhǎng)達(dá)幾小時(shí)。另外，溫度適用范圍也較小。

56歡迎下載可修改液晶高分子材料工作原理圖57歡迎下載可修改在汽車上的應(yīng)用：利用它在電場(chǎng)下粘度連續(xù)變化的特性制造汽車離合器裝置，用電流變液取代傳統(tǒng)的齒輪離合裝置。原理：主動(dòng)軸和從動(dòng)軸之間充有電流變液。當(dāng)外加電場(chǎng)為零時(shí)，主動(dòng)軸不會(huì)帶動(dòng)從動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)電壓逐漸增加時(shí)，電流變液的粘度會(huì)隨之增加。當(dāng)其粘度達(dá)到一定臨界值時(shí)，主動(dòng)軸帶動(dòng)從動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。傳統(tǒng)的汽車自動(dòng)變速器機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有體積大，耗能高的缺點(diǎn)。如果改用電流變液制作的離合器，不僅體積可以大幅縮小，而且控制簡(jiǎn)單，只需控制電壓就可達(dá)到調(diào)速的目的，屆時(shí)只需在方向盤上設(shè)置幾個(gè)調(diào)速按鍵就可解決換檔。58歡迎下載可修改日本森下信等對(duì)他們?cè)O(shè)計(jì)的電流變阻尼器進(jìn)行了減振特性試驗(yàn)，證明了其刻改善乘客的舒適性和操作的安全性。59歡迎下載可修改香港與中科院共同研制的新型電流變液的剪切強(qiáng)度提高10倍香港科學(xué)技術(shù)大學(xué)和中國科學(xué)院物理研究所研究人員共同研制的一種新型電流變液(巨電流變GER效應(yīng)的納米顆粒電流變液)。當(dāng)施加電壓時(shí)，會(huì)從像牛奶一樣軟的液體在瞬間變成像塑料般硬的固體，而去除電壓時(shí)，固體又迅速回復(fù)到原來的液體狀，固體的剪切強(qiáng)度可達(dá)到130千帕，比原先理論預(yù)測(cè)的要強(qiáng)10多倍，而且在室溫下性能穩(wěn)定。GER流體由表面包裹有尿素(Urea)薄層的(BaTiO(C2O4)2)納米顆粒與硅油混合而成。其剪切強(qiáng)度與外加電場(chǎng)呈線性變化關(guān)系,而非通常的二次方關(guān)系。60歡迎下載可修改電流變液的本質(zhì)就是電場(chǎng)導(dǎo)致的固體顆粒的極化。本實(shí)驗(yàn)用立體光學(xué)顯微鏡進(jìn)行放大成像，并接CCD，再連接計(jì)算機(jī)，可在線觀察，并進(jìn)行更深入的研究。實(shí)驗(yàn)裝置包括：立體顯微鏡、CCD攝像頭、高壓電源、電流變液樣品及樣品盒、電視或帶圖像卡的計(jì)算機(jī)。61歡迎下載可修改大約在發(fā)現(xiàn)ER效應(yīng)的同時(shí)，人們也發(fā)現(xiàn)了磁流變(MR)效應(yīng)。

MR液是由微米級(jí)的磁性粒子分散在合適的液體載體中形成的懸浮液，在外加磁場(chǎng)作用下，其中的磁性微粒沿磁場(chǎng)方向排列成有序結(jié)構(gòu)，可使MR液的粘度和屈服應(yīng)力發(fā)生顯著變化，從而作為智能材料中性能優(yōu)異的驅(qū)動(dòng)器，在機(jī)械控制、汽車離合系統(tǒng)、液壓閥、阻尼減振抗振、智能復(fù)合材料等方面有著重要的潛在應(yīng)用。

10.2.5磁流變液62歡迎下載可修改磁流變液中：磁性粒子的材料為鐵、鉆、鎳及其合金和鐵氧體(如Fe3O4)等材料及其復(fù)合材料（尺寸大約在1~10μm范圍內(nèi)）。載體可以是油，水或其它復(fù)雜的混合液體。由于磁性粒子通常比載液的密度大，為了防止沉降，可加入各種不同的表面活性劑，或?qū)⒋判粤Ｗ优c密度小的其它材料復(fù)合，以改善其沉降問題。

63歡迎下載可修改良好的MR液應(yīng)具備如下性能：具有磁化和退磁兩種可能性。磁滯回線狹窄，矯頑力小，而磁導(dǎo)率很大，尤其是磁導(dǎo)率的初始值和極大值必須很大。具有較大的磁飽和，以便盡可能大的“磁流”通過懸浮體的橫截面，給顆粒間提供盡可能大的能量。MR液在接上交流電的工作期間內(nèi)，全部損耗(例如磁滯現(xiàn)象、渦流現(xiàn)象等)都應(yīng)該很小。MR液中的磁性粒子分布均勻，具有高穩(wěn)定性；具備極高的“擊穿磁場(chǎng)”，防止MR液被磨損并改變性能。MR液應(yīng)具有較寬的工作溫度范圍，構(gòu)成MR液的原材料應(yīng)是價(jià)廉的和豐富的。64歡迎下載可修改磁性液體（MF）與磁流變液（MRF）的區(qū)別：共同點(diǎn)：磁性微粒分散在合適的液體載體中不同點(diǎn)：懸浮粒子的尺寸范圍

MF：1～10nm，合適的表面活性劑分散，布朗運(yùn)動(dòng)可阻止粒子團(tuán)聚；

MRF：1～10um，布朗運(yùn)動(dòng)無法阻止粒子團(tuán)聚，可采取與密度小的其它材料復(fù)合的方法以降低粒子密度，或表面活性劑改變粒子與載體的相容性，使粒子帶同種電荷等方法。65歡迎下載可修改ER液和MR液的缺點(diǎn)：ER液需要很高的電場(chǎng)(高達(dá)數(shù)kV／mm)才能獲得所需要的流變性質(zhì)，這對(duì)于投入商品化應(yīng)用非常不利，會(huì)帶來嚴(yán)重的安全問題，尤其在航空航天領(lǐng)域更是如此。MR液雖然可避免ER液所需要的高電壓，但它在外磁場(chǎng)消失后其中粒子由有序狀態(tài)恢復(fù)到無序狀態(tài)所需要的時(shí)間較長(zhǎng)(有時(shí)長(zhǎng)達(dá)數(shù)秒鐘)，這樣的響應(yīng)速度顯然制約了MR液有效地投入實(shí)際應(yīng)用。

66歡迎下載可修改

電磁流變液(EMRF)通常由微米級(jí)的復(fù)合粒子分散在合適的絕緣載體中而形成。復(fù)合粒子中的一部分可在外加電場(chǎng)作用下表現(xiàn)出ER性質(zhì)，另一部分則可在外加磁場(chǎng)作用下表現(xiàn)出MR性質(zhì)，故EMR液既具有ER性質(zhì)又具有MR性質(zhì)，有可能同時(shí)兼顧兩者的優(yōu)點(diǎn)，即有可能既具有ER液響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，又具有MR液屈服應(yīng)力大，可避免高壓電場(chǎng)的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)同時(shí)施加電場(chǎng)和磁場(chǎng)時(shí)，有些EMR液表現(xiàn)出來的剪切應(yīng)力比單獨(dú)施加電場(chǎng)或磁場(chǎng)時(shí)的剪切應(yīng)力之和大，即表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)。10.2.6電磁流變液67歡迎下載可修改10.3磁致伸縮智能材料

10.3.1

概述磁致伸縮材料是一類具有電磁能／機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換功能的材料。70年代開始出現(xiàn)的室溫下具有巨磁致伸縮性能的稀土-鐵合金(RFe2)材料，由于它們能量密度高、耦合系數(shù)大，具有傳感和驅(qū)動(dòng)功能。68歡迎下載可修改10.3.2

磁致伸縮效應(yīng)是指磁性物質(zhì)在磁化過程中因外磁場(chǎng)條件的改變而發(fā)生幾何尺寸變化的效應(yīng)。線磁致伸縮效應(yīng):

一般來說，較弱磁場(chǎng)下磁性物質(zhì)在各方向上的幾何尺寸發(fā)生變化時(shí)，會(huì)保持總體積不變，即：在某方向上伸長(zhǎng)(或縮短)，并同時(shí)在其垂直方向上相應(yīng)縮短(或伸長(zhǎng))，這就是所謂的線磁致伸縮效應(yīng)。69歡迎下載可修改體磁致伸縮效應(yīng):

強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，磁性物質(zhì)在各方向上尺寸發(fā)生變化的同時(shí)，其總體積也會(huì)發(fā)生膨脹(或收縮)，這就是所謂的體磁致伸縮效應(yīng)。由于體磁致伸縮效應(yīng)發(fā)生在很強(qiáng)的磁場(chǎng)下，故這類材料很難在實(shí)際中應(yīng)用，所以通常所說的磁致伸縮都是特指線磁致伸縮效應(yīng)。

70歡迎下載可修改磁致伸縮系數(shù)λ：材料磁致伸縮效應(yīng)的相對(duì)大小。

λ＝△L/L0磁致伸縮效應(yīng)是隨外磁場(chǎng)強(qiáng)度變化而變化的，磁致伸縮系數(shù)是磁場(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù)。當(dāng)外磁場(chǎng)強(qiáng)度足夠高時(shí)，磁致伸縮系數(shù)將趨于穩(wěn)定（飽和磁致伸縮系數(shù)），用λs表示。

71歡迎下載可修改

由于磁性物質(zhì)存在磁各向異性，因此就單晶材料而言，在外磁場(chǎng)確定的條件下，晶體在各方向的磁致伸縮系數(shù)是不同的。而且在晶體的同一方向上，隨著外磁場(chǎng)相對(duì)晶體取向的改變，其磁致伸縮系數(shù)的方向(正負(fù))和大小也會(huì)改變。也就是說，磁致伸縮系數(shù)的大小不僅與外磁場(chǎng)的大小相關(guān)，而且與外磁場(chǎng)相對(duì)于晶體晶軸的方向相關(guān)。

72歡迎下載可修改10.3.4磁致伸縮智能材料的應(yīng)用

（1）聲納系統(tǒng)中的聲波發(fā)射器

聲納的發(fā)射頻率一般在2kHz以上，低于此頻率的叫低頻聲納。用稀土-鐵材料制作的聲納可以滿足大功率、小體積、低頻率的要求。73歡迎下載可修改圖10-1低頻聲納示意圖圖中六個(gè)單元組成一個(gè)環(huán)。隨著磁場(chǎng)變化，環(huán)就膨脹收縮，將聲波發(fā)射出去。美國海軍使用的這類預(yù)警系統(tǒng)，其探測(cè)距離可達(dá)數(shù)千公里。

74歡迎下載可修改（2）稀土-鐵超磁致伸縮智能驅(qū)動(dòng)器件

用來直接推動(dòng)油泵活塞，代替海底油泵的所有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，克服了水下維修的困難。美國國防部的智能機(jī)翼項(xiàng)目的目的就是要研制開發(fā)這樣的驅(qū)動(dòng)器，從而可對(duì)飛行中飛機(jī)的機(jī)翼橫剖面形狀進(jìn)行精細(xì)的調(diào)整，減小飛行動(dòng)態(tài)阻力。也可用作機(jī)械人、超精密