智能材料基本原理與使用領(lǐng)域

功能材料

1第八講智能材料2第一節(jié)智能材料基本原理1、什么是智能材料2、智能材料的特征3、智能材料的構(gòu)成4、智能材料的分類3

智能材料是二十世紀(jì)90年代迅速發(fā)展起來的一類新型復(fù)合材料。智能材料目前還沒有統(tǒng)一的定義，不過，現(xiàn)有的智能材料的多種定義仍然是大同小異。1、什么是智能材料？4大體來說，智能材料就是指具有感知環(huán)境（包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境）刺激，對之進(jìn)行分析、處理、判斷，并采取一定的措施進(jìn)行適度響應(yīng)的智能特征的材料。5具體來說，智能材料需具備以下內(nèi)涵：

(1)具有感知功能，能夠檢測并且可以識別外界(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；6(2)具有驅(qū)動功能，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)；(4)反應(yīng)比較靈敏、及時和恰當(dāng)；(5)當(dāng)外部刺激消除后，能夠迅速恢復(fù)到原始狀態(tài)。7

智能材料又可以稱為敏感材料，常用的有以下幾種：Intelligentmaterial、Intelligentmaterialandstructure、Smartmaterial、Smartmaterialandstructure、Adaptivematerialandstructure等。

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智能材料的構(gòu)想來源于仿生學(xué)，它的目標(biāo)就是想研制出一種材料，使它成為具有類似于生物的各種功能的“活”的材料。因此智能材料必須具備感知、驅(qū)動和控制這三個基本要素。9但是現(xiàn)有的材料一般比較單一，難以滿足智能材料的要求，所以智能材料一般由兩種或兩種以上的材料復(fù)合構(gòu)成一個智能材料系統(tǒng)。10這就使得智能材料的設(shè)計、制造、加工和性能結(jié)構(gòu)特征均涉及到了材料學(xué)的最前沿領(lǐng)域，使智能材料代表了材料科學(xué)的最活躍方面和最先進(jìn)的發(fā)展方向。11智能材料應(yīng)用的簡單事例：某些太陽鏡的鏡片當(dāng)中含有智能材料，這種智能材料能感知周圍的光，并能夠?qū)獾膹?qiáng)弱進(jìn)行判斷，當(dāng)光強(qiáng)時，它就變暗，當(dāng)光弱時，它就會變的透明。122、智能材料的特征因為設(shè)計智能材料的兩個指導(dǎo)思想是材料的多功能復(fù)合和材料的仿生設(shè)計，所以智能材料系統(tǒng)具有或部分具有如下的智能功能和生命特征：13傳感功能（Sensor）

能夠感知外界或自身所處的環(huán)境條件，如負(fù)載、應(yīng)力、應(yīng)變、振動、熱、光、電、磁、化學(xué)、核輻射等的強(qiáng)度及其變化。14(2)反饋功能（Feedback）可通過傳感網(wǎng)絡(luò)，對系統(tǒng)輸入與輸出信息進(jìn)行對比，并將其結(jié)果提供給控制系統(tǒng)。(3)信息識別與積累功能能夠識別傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各類信息并將其積累起來。15(4)響應(yīng)功能

能夠根據(jù)外界環(huán)境和內(nèi)部條件變化，適時動態(tài)地作出相應(yīng)的反應(yīng)，并采取必要行動。16(5)自診斷能力（Self-diagnosis）

能通過分析比較系統(tǒng)目前的狀況與過去的情況，對諸如系統(tǒng)故障與判斷失誤等問題進(jìn)行自診斷并予以校正。17（6）自修復(fù)能力（Self-recovery）

能通過自繁殖、自生長、原位復(fù)合等再生機(jī)制，來修補(bǔ)某些局部損傷或破壞。18（7）自調(diào)節(jié)能力（Self-adjusting）對不斷變化的外部環(huán)境和條件，能及時地自動調(diào)整自身結(jié)構(gòu)和功能，并相應(yīng)地改變自己的狀態(tài)和行為，從而使材料系統(tǒng)始終以一種優(yōu)化方式對外界變化作出恰如其分的響應(yīng)。193、智能材料的構(gòu)成

一般來說智能材料由基體材料、敏感材料、驅(qū)動材料和信息處理器四部分構(gòu)成。20（1）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)材料。一般基體材料首選高分子材料，因為其重量輕、耐腐蝕，尤其具有粘彈性的非線性特征。其次也可選用金屬材料，以輕質(zhì)有色合金為主。21（2）敏感材料

敏感材料擔(dān)負(fù)著傳感的任務(wù)，其主要作用是感知環(huán)境變化（包括壓力、應(yīng)力、溫度、電磁場、pH值等）。

常用敏感材料如形狀記憶材料、壓電材料、光纖材料、磁致伸縮材料、電致變色材料、電流變體、磁流變體和液晶材料等。22（3）驅(qū)動材料

因為在一定條件下，驅(qū)動材料可產(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)。常用有效驅(qū)動材料如形狀記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料等?？梢钥闯?，這些材料既是驅(qū)動材料又是敏感材料，顯然起到了身兼二職的作用，這也是智能材料設(shè)計時可采用的一種思路。23（4）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。24圖所示為智能材料的基本構(gòu)成和工作原理。254、智能材料的分類

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。

因為現(xiàn)在可用于智能材料的材料種類不斷擴(kuò)大，所以智能材料的分類也只能是粗淺的，分類方法也有多種，26若按智能材料的功能來分，可以分為光導(dǎo)纖維、形狀記憶合金、壓電、電流變體和電（磁）致伸縮材料等。若按智能材料的來源來分，可以分為金屬系智能材料、無機(jī)非金屬系智能材料和高分子系智能材料。27目前研究開發(fā)的金屬系智能材料主要有形狀記憶合金和形狀記憶復(fù)合材料兩大類；

無機(jī)非金屬系智能材料在電流變體、壓電陶瓷、光致變色和電致變色材料等方面發(fā)展較快；28

高分子系智能材料的范圍很廣泛，作為智能材料的刺激響應(yīng)性高分子凝膠的研究和開發(fā)非?；钴S，其次還有智能高分子膜材、智能高分子粘合劑、智能型藥物釋放體系和智能高分子基復(fù)合材料等。29第二節(jié)智能材料的使用領(lǐng)域1、在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用2、智能材料與住宅智能化3、與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相聯(lián)系的智能材料4、主動結(jié)構(gòu)聲控5、主動震動聲控301、在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用

智能材料用于軍事，是隨著智能材料的發(fā)展不斷發(fā)展的一個領(lǐng)域。31因為智能材料結(jié)構(gòu)不僅象一般功能材料一樣可以承受載荷，而且它還具有了其他功能材料所不具備的功能，即能感知所處的內(nèi)外部環(huán)境變化，并能通過改變其物理性能或形狀等做出響應(yīng)，借此實現(xiàn)自診斷、自適應(yīng)、自修復(fù)等功能。32所以，智能材料在軍事應(yīng)用中具有很大潛力，它的研究、開發(fā)和利用，對未來武器裝備的發(fā)展將產(chǎn)生重大影響。目前，在各種軍事領(lǐng)域中，智能材料的應(yīng)用主要涉及到以下幾個方面：33（1）智能蒙皮例如，作為智能傳感元件的光纖用于飛機(jī)機(jī)翼的智能蒙皮中；在武器平臺的蒙皮中植入傳感元件、驅(qū)動元件和微處理控制系統(tǒng)制成的智能蒙皮，可用于預(yù)警、隱身和通信。34目前美國在智能蒙皮方面的研究包括：美國彈道導(dǎo)彈防御局為導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星研制含有多種傳感器的智能蒙皮；美國海軍則重點(diǎn)研究艦艇用智能蒙皮，以提高艦艇的隱身性能。35（2）結(jié)構(gòu)監(jiān)測和壽命預(yù)測

智能結(jié)構(gòu)可用于實時測量結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變、溫度、裂紋，探測疲勞和受損傷情況，從而能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測和壽命預(yù)測。36例如，采用光纖傳感器陣列和聚偏氟乙烯傳感器的智能結(jié)構(gòu)可對機(jī)翼、機(jī)架以及可重復(fù)使用航天運(yùn)載器進(jìn)行全壽命期實時監(jiān)測、損傷評估和壽命預(yù)測；37

空間站等大型在軌系統(tǒng)采用光纖智能結(jié)構(gòu)，可實時探測由于交會對接碰撞、隕石撞擊或其他原因引起的損傷，對損傷進(jìn)行評估，實施自診斷。38正在研究的自診斷智能結(jié)構(gòu)技術(shù)有：光纖傳感器自診斷技術(shù)；可以測量裂紋的“聲音”傳感器自診斷技術(shù)；可監(jiān)測復(fù)合材料層裂的傳感器自診斷技術(shù)等。39（3）減振降噪

智能結(jié)構(gòu)用于航空、航天系統(tǒng)可以消除系統(tǒng)的有害振動，減輕對電子系統(tǒng)的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。如美國防高級研究計劃局資助波音公司研制的直升機(jī)智能結(jié)構(gòu)旋翼葉片，可以改善旋翼的空氣動力學(xué)性能，減小振動和噪音。40

智能結(jié)構(gòu)用于艦艇，可以抑制噪聲傳播，提高潛艇和軍艦的聲隱身性能。

智能結(jié)構(gòu)用于地面車輛，可以提高軍用車輛的性能和乘坐的舒適度。國外正在研究的具有減振降噪功能的智能結(jié)構(gòu)，主要由壓電陶瓷、形狀記憶合金和電致伸縮等新材料制成。41（4）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感知外界環(huán)境的變化，并可以驅(qū)動機(jī)翼彎曲、扭轉(zhuǎn)，從而改變翼型和攻角，以獲得最佳氣動特性，降低機(jī)翼阻力系數(shù)，延長機(jī)翼的疲勞壽命。42如當(dāng)飛機(jī)在飛行過程中遇到渦流或猛烈的逆風(fēng)時，機(jī)翼中的智能材料就能夠迅速變形，并帶動機(jī)翼改變形狀，從而消除渦流或逆風(fēng)的影響，使飛機(jī)仍能平衡地飛行。43美國的一項研究表明，在機(jī)翼結(jié)構(gòu)中使用磁致伸縮致動器，可使機(jī)翼阻力降低85%。美國波音公司和麻省理工學(xué)院聯(lián)合研究在槳葉中嵌入智能纖維，電致流變體時可使槳葉扭轉(zhuǎn)變形達(dá)幾度。44美國陸軍在開發(fā)直升機(jī)旋翼主動控制技術(shù)，將用于RAH-66武裝直升機(jī)。美國防部和航空航天局也在研究自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，包括翼片彎曲、彎曲造型/控制面造型等。45相信在不久的將來，我們用智能材料制成的飛機(jī)機(jī)翼，就可以像魚尾巴一樣行動自如、自行彎曲、自動改變形狀，從而改進(jìn)升力和阻力，使飛機(jī)飛得更高、更快。462、智能材料與住宅智能化

未來的住宅可能是這樣的：墻壁可以隨心所欲的變換顏色；椅子可以隨人體不同的需要改變溫度和形狀；一切的電器都是觸摸式的，永遠(yuǎn)不會再有觸電的危險；可視電話帶有傳感功能；……。47隨著智能材料的發(fā)展，尤其是毫微塑料設(shè)想的提出，有可能設(shè)計出智能化住宅。雖然目前還處于設(shè)想階段，但是已經(jīng)開始著手進(jìn)行研究，并且必然將在不久的將來成為現(xiàn)實。幾種未來的智能產(chǎn)品如下：48

（1）多功能磚

多功能磚用來構(gòu)建整個房屋的結(jié)構(gòu)單元，這種結(jié)構(gòu)單元具有變通性和智能性。這種多功能磚主要由以下三個分層構(gòu)成：49

第一層是功能層，能感受來自周圍的聲能、熱能、光能，并能控制這些能量的輸出，如果是內(nèi)墻壁磚，還能控制和改變墻的功能；50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；第三層是輸送通道，可以用來輸送水和其它材料。51住戶還可以挑選合適的帶“面膜”的磚材。另外，面膜的設(shè)置及其構(gòu)形并不是一成不變的，而是很容易剝離并換上新的面膜。52面膜在磚材的最上層，它也具有多功能性。如壁膜可以使墻壁產(chǎn)生不同的色彩和圖案；53傳感膜可以接收聲波、熱能和可見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。54（2）食物器皿

在未來的廚房里不會看到傳統(tǒng)的碗碟。在毫微塑料的桌面上，旋轉(zhuǎn)的碗不僅能測知食物的存在，而且可以根據(jù)用戶的需要自動形成各種形狀的碟子，供準(zhǔn)備、烹調(diào)和上菜時使用。并且，這種盛食物的碗還具有保溫和在不使用冰箱的情況下保鮮的功能。55（3）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，也可以形成各種型式的椅座面。56如果出于美學(xué)的考慮，或是便于人們?nèi)胱驈淖沃姓酒?，毫微塑料也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)。57由于不同年齡段的人對溫度舒適性的要求有很大區(qū)別，這種座椅還可以隨心所欲地升溫和降溫。它甚至還對人們喜愛的舒適溫度具有記憶功能。58（4）衛(wèi)生間在衛(wèi)生間里，常見設(shè)施是洗臉盆、抽水馬桶和淋浴器。采用了智能結(jié)構(gòu)的衛(wèi)生間是這樣的：59

在洗漱時，人們只要接觸洗臉盆支架表面的任何區(qū)域，就能調(diào)節(jié)控制水溫、水速和水流的狀態(tài)（集中噴射的水流或?qū)掗煹乃煚畹龋┕┤藗冞x擇。洗臉盆上方的鏡子能照出人的正常反轉(zhuǎn)象，還能照出真實的非反轉(zhuǎn)象。60

抽水馬桶的形狀和大小可隨使用者的不同而自動變化；

坐墊自動加熱至舒適的溫度，整個結(jié)構(gòu)十分輕便。61在電腦住宅的廁所里，安裝了一臺檢查身體的電腦系統(tǒng)，每當(dāng)有人上廁所時，與馬桶相連的體檢裝置即自動分析大小便的情況，如發(fā)現(xiàn)異常，電腦會立即發(fā)出警報，以便及時到醫(yī)院去看病。62

淋浴設(shè)備只要和多功能磚相連接，上下水、水溫和水流都能得到自動控制和調(diào)節(jié)。

綜上所述，未來的智能化住宅必將顯著提高人們的生活質(zhì)量。633、與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相聯(lián)系的智能材料（1）人造肌肉

（2）人造皮膚（3）在藥物自動投入系統(tǒng)上的應(yīng)用（4）智能材料的兩種抗癌應(yīng)用64（1）人造肌肉因為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。所以這種材料可以應(yīng)用于人體組織的修復(fù)，而且它們還具有與生物體的相容性，隨著傷口的愈合，這種聚合物就會在體內(nèi)逐漸降解，最后將會消失。65（2）人造皮膚

人造皮膚智能材料，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。這種智能材料還可以分辨表面狀況，例如，粗糙度、摩擦力等。66(3)在藥物自動投入系統(tǒng)上的應(yīng)用科學(xué)家正在研制一種能根據(jù)血液中的葡萄糖濃度而擴(kuò)張收縮的聚合物，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。67（4）智能材料的兩種抗癌應(yīng)用Ⅰ、如圖所示是一種有效的抗癌藥物膠囊，即藥物“導(dǎo)彈”。親水部分疏性部分形成“導(dǎo)彈”藥物外殼內(nèi)核68圖中的疏水性藥物載體形成了“導(dǎo)彈”的疏水內(nèi)核，而親水性部分則在內(nèi)核周圍形成了一個水化物外殼。所形成的這種高分子聚合物膠囊是一種智能型藥物載體，它能自動避免被機(jī)體內(nèi)單核吞噬細(xì)胞捕獲而有效的到達(dá)癌細(xì)胞所在地。69Ⅱ、90年代后期，研制出用對電磁場敏感的鐵氧體包覆Ti-Ni形狀記憶合金絲制成了癌癥溫?zé)岑煼ㄓ冕槨?0首先，通過導(dǎo)管將這種針植入病人癌變部位，由于形狀記憶作用，這種針會發(fā)生彎曲變形現(xiàn)象；其次，在通過渦流效應(yīng)產(chǎn)生高頻電磁場作用下，形狀記憶合金針將能夠產(chǎn)生一定的熱量而使癌變區(qū)得到萎縮。714、主動結(jié)構(gòu)聲控智能材料系統(tǒng)中最成熟的應(yīng)用領(lǐng)域大概就是主動結(jié)構(gòu)聲控。采用智能結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動結(jié)構(gòu)聲控是降低軍用系統(tǒng)噪聲的有效途徑。72一般說來，可以采用兩種方法來實現(xiàn)主動結(jié)構(gòu)聲控。

一種是簡單地使結(jié)構(gòu)完全停止振動，顯然它可以使聲輻射降低到零，這是一種強(qiáng)制性的方法，往往也是辦不到的。73另一種就是采用智能控制方法，它是指有選擇地控制輻射振動模。該方法的效率取決于對材料系統(tǒng)相互作用的基本物理現(xiàn)象的認(rèn)識和智能材料系統(tǒng)的自適應(yīng)能力。

74因為，并不是所有的振動模都輻射“具有危險性”的聲波，減少系統(tǒng)的質(zhì)量和功耗也同樣是必須考慮的因素。75因而最好的辦法是“感覺”輻射“具有危險性”的輻射波振動模，并使用分布在整個結(jié)構(gòu)中的作動器（壓電材料或電致流變體）對產(chǎn)生的該振動模進(jìn)行控制。76美國軍方提出采用主動聲控涂層進(jìn)行聲信號抑制，提高潛艇主動隱身性能。這項技術(shù)將使噪聲降低60分貝，并使?jié)撏綔y目標(biāo)的時間縮短100倍。這種主動聲控涂層將采用壓電涂層材料和采用電致流變體技術(shù)的主動消聲貼片。775、主動震動控制震動會極大地降低工程系統(tǒng)的性能，如降低對地觀測衛(wèi)星的傳感器精度，減弱跟蹤和預(yù)警衛(wèi)星跟蹤目標(biāo)的能力，使制導(dǎo)武器性能下降，導(dǎo)致系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，此外還會干擾空間站的微重力環(huán)境等。78采用壓電材料、形狀記憶合金或電致流變體的智能結(jié)構(gòu)均可實現(xiàn)振動的主動控制，提高軍用系統(tǒng)的性能。如采用智能結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動震動控制，可降低直升機(jī)旋翼的振動振幅以及產(chǎn)生可控的扭曲形變，提高直升機(jī)的有效載荷，使速度增加，戒備能力提高。79空間系統(tǒng)的主動震動控制智能結(jié)構(gòu)，主要采用壓電陶瓷或電致伸縮材料作為作動器。考慮的主要因素是低功耗、耐久性、疲勞特性、穩(wěn)定性和溫度／環(huán)境效應(yīng)等問題，同時還考慮控制器的小型化。80

傳感器可用光纖和壓電材料。當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受到外力作用振動并產(chǎn)生形變時，壓電應(yīng)變傳感器可產(chǎn)生與壓力成正比的表面電荷，控制系統(tǒng)對傳感器測量的信號進(jìn)行處理后，再給壓電作動器反饋一個適當(dāng)?shù)碾妷?，使其產(chǎn)生反向變形力，從而產(chǎn)生對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的阻尼作用，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的振動隨之迅速減弱。81

自適應(yīng)結(jié)構(gòu)的主動振動控制，另一項主要應(yīng)用是可能消除航天器控制系統(tǒng)與柔性結(jié)構(gòu)的相互干擾作用。未來大型柔性航天結(jié)構(gòu)因其振動頻率低于控制系統(tǒng)的頻率，會導(dǎo)致有害的控制／結(jié)構(gòu)干擾作用。必須從結(jié)構(gòu)優(yōu)化、阻尼減振方面考慮。82在地震多發(fā)區(qū)應(yīng)用智能結(jié)構(gòu)的建筑物通過振動控制，將大大提高建筑物的抗震性。83第三節(jié)智能材料主要種類1、形狀記憶合金；2、電流變體和磁流變體；3、磁致伸縮材料；4、壓電陶瓷；5、電致伸縮陶瓷；6、智能材料系統(tǒng)；7、光致變色玻璃；8、電致變色材料；841、形狀記憶合金

一般金屬材料受到外力作用后，首先發(fā)生彈性變形，達(dá)到屈服點(diǎn)，就產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力消除后留下永久變形。（詳見第三講）852、電流變體和磁流變體

電致、磁致變體智能材料大多是由合成材料或陶瓷材料制成的，具有在電場或磁場的作用下發(fā)生變性的能力，其變化的大小與電場和磁場的強(qiáng)度有關(guān)。86科學(xué)家研制成功一種電致變性材料，這種材料在接通電流時，可以從液體變?yōu)榻咏腆w。如果向空心復(fù)合梁中充入電流變性液體材料，在外電場的作用下，這種液體材料就會變硬，從而使梁變成僵硬狀。87將電致變性現(xiàn)象與傳感器結(jié)合起來，就可以實現(xiàn)使復(fù)合梁隨著負(fù)載的變化而改變其性質(zhì)。這將是裝配結(jié)構(gòu)智能化的一個突破性的新起點(diǎn)。88電致變性材料還可以用作在地震時能自動加固建筑物的基礎(chǔ)。此外，磁致變性材料在機(jī)電工業(yè)中也有廣泛的用途。893、磁致伸縮材料

目前磁致伸縮智能材料的主流是稀土磁致伸縮材料，稀土超磁致伸縮材料是近期才發(fā)展起來的一種新型功能材料。90磁致伸縮材料在電磁場的作用下可以產(chǎn)生微變形或聲能，也可以將微變形或聲能轉(zhuǎn)化為電磁能。91

磁致伸縮智能材料具有磁致伸縮值大、機(jī)械響應(yīng)速度快和功率密度高特點(diǎn)，在國防、航空航天和高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。92磁致伸縮智能材料的主要用途（1）由于稀土超大磁致伸縮材料比傳統(tǒng)材料在性能上有了驚人的提高，所以在電器、家電、通訊器材、電腦等生產(chǎn)領(lǐng)域，稀土磁致伸縮材料逐漸取代了傳統(tǒng)的磁致伸縮材料和電致伸縮材料，使產(chǎn)品升級和更新?lián)Q代更加容易。93（2）由于稀土超大磁致伸縮材料的獨(dú)特的性能，可被用于開發(fā)新一代的元器件，如精密控制系統(tǒng)（如油料控制、導(dǎo)彈發(fā)射控制裝置等），聲光發(fā)射系統(tǒng)（如信號處理、聲納掃描、超聲、水聲等），以及換能器、驅(qū)動器等的開發(fā)。94對于磁致伸縮智能材料的應(yīng)用，目前，美國位居各國之首，其成功標(biāo)志在于開發(fā)出了一系列用于軍事目的的尖端產(chǎn)品，如艦艇水下聲納探測系統(tǒng)以及導(dǎo)彈發(fā)射控制裝置等。95我國對磁致伸縮智能材料新產(chǎn)品的開發(fā)也呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭。如開發(fā)出的大功率巖體聲波探測器，應(yīng)用于三峽工程和地球物理勘探；開發(fā)出的井下物理法采油裝置；964、壓電陶瓷⑴壓電效應(yīng)⑵陶瓷的壓電機(jī)理⑶壓電陶瓷材料的組成與種類97⑴壓電效應(yīng)在某些晶體材料上施加機(jī)械力時，晶體表面會產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱正壓電效應(yīng)。在一定范圍內(nèi)，電荷密度與作用力成正比。相反，在晶體上施加電場時，晶體會產(chǎn)生幾何變形，稱逆壓電效應(yīng)。98

晶體的對稱性決定了材料能否產(chǎn)生壓電性。顯然，壓電效應(yīng)只存在于沒有對稱中心的晶體中。99壓電效應(yīng)的本質(zhì)機(jī)械作用(應(yīng)力與應(yīng)變)引起了晶體的極化，從而導(dǎo)致介質(zhì)兩端表面出現(xiàn)相反的束縛電荷。

100(2)

BaTiO3陶瓷的壓電機(jī)理BaTiO3晶體中，氧形成八面體，Ti位于氧八面體的中心，Ca處于八個八面體的間隙。

BaOTi101①陶瓷由許多排列無序的小晶粒構(gòu)成，具有各向同性，不顯示壓電性。經(jīng)電場處理后，陶瓷存在剩余極化強(qiáng)度，它是以束縛電荷的形式表現(xiàn)出來，且由各向同性變成各向異性，從而具有壓電性。102

由于束縛電荷的作用，在陶瓷片兩極板上吸附了一層表面電荷（如圖所示），這些吸附電荷與片內(nèi)束縛電荷數(shù)量相等，符號相反，起屏蔽和抵消片內(nèi)極化強(qiáng)度對外界的作用。Ti電場處理后的陶瓷片103

②當(dāng)在瓷片上加一個與極化方向平行的外力時，在應(yīng)力的作用下瓷片發(fā)生形變，即極化方向c軸被壓縮，使Ti4+位移變小，片內(nèi)極化強(qiáng)度變小，因而釋放出部分原來被吸附的表面電荷，這就是被壓縮后出現(xiàn)的壓電效應(yīng)(正壓電)。其過程示意所示：104Ti電場處理后的陶瓷片外力的作用陶瓷的正壓電效應(yīng)示意圖105

當(dāng)壓力撤去后，陶瓷片恢復(fù)原狀(膨脹過程)，這時c軸變長，Ti4+位移增大，陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度也變大，因此，電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。106

③當(dāng)在瓷片上施加與極化方向相同的電場時，此時增大了極化強(qiáng)度，表示Ti4+位移增大，晶胞c軸變長，瓷片發(fā)生伸長形變，此時，電能變?yōu)闄C(jī)械能(逆壓電)。此過程示意如下：107Ti電場處理后的陶瓷片電場的作用陶瓷的逆壓電效應(yīng)示意圖108

另外，對于鐵電晶體來說，它不僅具有自發(fā)極化的性質(zhì)，而且這種自發(fā)極化的方向會因外電場的方向而產(chǎn)生反向。

109⑶壓電陶瓷材料的組成與種類

無機(jī)壓電材料共有兩種：

壓電晶體(如石英SiO2)；

壓電陶瓷。110

壓電陶瓷材料的組成與種類十分廣泛，壓電陶瓷在組成上可以是二元、三元和四元系統(tǒng)；在結(jié)構(gòu)上可以有ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)或鎢青銅結(jié)構(gòu)。111

最常用的壓電陶瓷有鈦酸鉛PbTiO3(PT)、鋯鈦酸鉛Pb(Ti1-xZrx)O3(PZT)、改性鋯鈦酸鉛及三元系壓電陶瓷。所謂三元系是指在PZT二元系基礎(chǔ)上添加第三組元化合物。112一般第三組元化合物大都是A(B‘B“)O3型復(fù)合鈣鈦礦型化合物。如鈮鎂鋯鈦酸鉛Pb(Mgl/3Nb2/3)xZryTizO3、鈮鋅鋯鈦酸鉛Pb(Znl/3Nb2/3)xZryTizO3等。113

三元、四元系壓電陶瓷具有在更寬廣范圍內(nèi)調(diào)整組成和性能的優(yōu)點(diǎn)，有利于制備高性能的壓電陶瓷。1145、電致伸縮陶瓷

壓電材料加上電場之后，不僅存在逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)變，而且還存在一般電介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生的應(yīng)變，并且該應(yīng)變與電場強(qiáng)度的平方成正比，后一效應(yīng)稱為電致伸縮效應(yīng)。115

即電致伸縮效應(yīng)是一種高階非線性機(jī)電耦合效應(yīng)，外加電場所產(chǎn)生的應(yīng)變s可表示為S=dE+ME2+NE3+…式中，dE是一階的線性耦合效應(yīng)，即壓電效應(yīng)；系數(shù)d稱為壓電常數(shù)；ME2，NE3，…為高階的非線性耦合效應(yīng)，或電致伸縮效應(yīng)；系數(shù)M、N等為電致伸縮常數(shù)。116

電致伸縮陶瓷是利用電致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生微小應(yīng)變，并能由電場非常精確地加以控制的陶瓷。117

由于高階耦合效應(yīng)非常微弱，通常電致伸縮效應(yīng)是指二階效應(yīng)。大多數(shù)材料的電致伸縮效應(yīng)都非常小，而在電致伸縮陶瓷中，此效應(yīng)為應(yīng)變的主體。1186、智能材料系統(tǒng)

兼具傳感與驅(qū)動性能的壓電陶瓷，在構(gòu)筑智能系統(tǒng)的功能材料中，是重要的材料之一。119

壓電材料具有機(jī)電、聲、光、熱、彈等多種功能及其耦合效應(yīng)，可用作壓力、溫度、光等多種傳感器。

壓電驅(qū)動器又具有位移控制精度高(0.01

m)、響應(yīng)快(10s)、推動力大(40MPa)、驅(qū)動功率低和工作頻率寬等優(yōu)點(diǎn)。120一些實用化及正進(jìn)行研究的壓電類智能材料系統(tǒng)如下：121(1)智能雨刷

這是利用BaTiO3陶瓷的壓電效應(yīng)制成的，它可以自動感覺雨量并自動調(diào)節(jié)擋風(fēng)玻璃上的雨刷至最佳速度。122(2)高級轎車中的減震裝置

這是利用正壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)的疊合研制成的智能減震器，這套智能系統(tǒng)具有識別路面(粗糙度)并進(jìn)行自我調(diào)節(jié)的功能，可以使粗糙路面產(chǎn)生的振動減至最低，從而提高乘坐舒適性。123(3)有源消聲

用于振動頻率低于500Hz的消聲，是由壓電陶瓷拾音器、諧振器、模擬聲線圈和數(shù)字信號處理集成電路組成。(4)智能安全系統(tǒng)及智能傳輸系統(tǒng)124(5)利用組合功能效應(yīng)來設(shè)計和制備新型智能材料和器件

這類智能材料系統(tǒng)，是由兩種或兩種以上功能陶瓷進(jìn)行組合后形成的一種新型復(fù)合陶瓷功能塊，這種復(fù)合功能塊會呈現(xiàn)一些新效應(yīng)，稱為組合功能效應(yīng)。125(6)用壓電陶瓷制備仿生物

模仿自然界生物具有的特性構(gòu)思仿生物，研究像尾鰭和鳥翼那樣柔軟，能折疊又很結(jié)實的智能材料用作智能機(jī)翼，并有效利用自然界的波浪和風(fēng)能。126(7)壓電陶瓷馬達(dá)

它是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，直接把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能輸出，而不需要通常使用的電磁線圈。127這種新型壓電陶瓷馬達(dá)，具有結(jié)構(gòu)簡單、起動快、轉(zhuǎn)矩大、體積小、功耗低等特點(diǎn)，主要用作自動控制、機(jī)器人等的致動器。128(8)壓電陶瓷Pachinkom游戲機(jī)它是由若干層鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷塊構(gòu)成的，壓電塊既作為傳感器又作為執(zhí)行器。129壓電陶瓷Pachinkom游戲機(jī)

130

①當(dāng)金屬球落到陶瓷壓電塊上時，球的沖擊力產(chǎn)生壓電電壓；

②電壓脈沖通過反饋系統(tǒng)加以放大和調(diào)整，然后返回并施加到壓電塊的執(zhí)行器部分；③陶瓷壓電塊突然膨脹變形，把金屬球拋出壓電塊所在的孔，使球沿著螺旋軌道爬出，落入另一孔內(nèi)，再盤旋上升，如此周而復(fù)始。131科學(xué)家最近研制成功一種壓電晶體，如果將其放入壁紙中，就可以大大減小冰箱或空調(diào)機(jī)的噪聲，給住戶創(chuàng)造了一個安靜的居住環(huán)境。1327、光致變色玻璃

光致變色玻璃是一種能在光的激發(fā)下發(fā)生變色反應(yīng)的玻璃。133

含鹵化銀的堿鋁硼硅酸鹽光色玻璃受到紫外光和可見光照射時，氯化銀晶體分解為Ag和Cl原子，析出的銀原子團(tuán)簇使玻璃顏色變深，從而阻止陽光的透過。發(fā)生的光化學(xué)反應(yīng)如下：

134式中，h

1為短波激活光能；h2為長波光源光能；△為加熱退色效應(yīng)。h

1玻璃變色過程中，發(fā)生的光化學(xué)反應(yīng)如下：135在沒有紫外線照射時，原來分解產(chǎn)生的銀和鹵素原子又重新結(jié)合恢復(fù)為無色的氯化銀AgCl，原于團(tuán)簇解體，玻璃(鏡片)褪色。因此，變色眼鏡在陽光下變深，在室內(nèi)則恢復(fù)透明。

136若配料中加入少量敏化劑，就能顯著地提高敏感性，并增大光致變色的變暗能力。如加入Cu2O時，Cu+

是一種增感劑。137

Cu+在氯化銀晶體中作為空穴的捕獲中心，它的存在增加了光解銀原子Ag0的濃度，使玻璃的變暗靈敏度大大提高。h

1138

光致變色玻璃具有隨光的波長和強(qiáng)度的變化而自動調(diào)節(jié)光的透過率的自適應(yīng)特性，因而被稱為光敏型智能玻璃，除用作變色眼鏡外，還用作汽車防護(hù)玻璃、航天器窗口、激光防護(hù)、以及裝飾等。1398、電致變色材料

電致變色的原理是在外加電場作用下，材料由于電子、離子的雙注入導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或價態(tài)發(fā)生可逆變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)材料的透過與反射特性，表現(xiàn)為材料顏色的變化。140

電致變色器件通常由多層結(jié)構(gòu)組成，即透明電極/電致變色薄膜/離子儲備層/電極。當(dāng)兩組電極之間建立電場時，離子由離子儲備層經(jīng)過離子導(dǎo)體在電致變色膜中發(fā)生注入和抽出，從而導(dǎo)致電致變色薄膜的光學(xué)性能發(fā)生變化。141

無機(jī)電致變色材料有NiO、

--WO3。近年來利用薄膜材料的電致變色特性制造了“電開關(guān)”自動控制靈巧窗，用于建筑采光等。142第四節(jié)熱點(diǎn)應(yīng)用1、仿生學(xué)和航空航天用智能材料2、智能傳感器3、象鳥一樣飛的空中轎車4、太陽能智能服裝1431、仿生學(xué)和航空航天用智能材料“個人航空器”、“空中汽車”的核心技術(shù)是“智能”材料。這種物質(zhì)具有神奇的特性，它可以根據(jù)指令彎曲、可以“感受”壓力、當(dāng)放入磁場中，還可以從液態(tài)變成固態(tài)。144現(xiàn)在有些飛機(jī)已經(jīng)具有可調(diào)機(jī)翼，如挪威的F-14雄貓飛機(jī)和B-1超音速轟炸機(jī)。這些飛機(jī)將剛性的機(jī)翼通過巨大、沉重的曲軸安裝在機(jī)身上。作為對比，形態(tài)工程的科學(xué)家們所設(shè)想的機(jī)翼可以根據(jù)指令而展開。這種機(jī)翼是使用“形態(tài)記憶”合金或其他新穎的材料制成，可以彎曲產(chǎn)生新的形狀?！靶螒B(tài)記憶”合金具有獨(dú)特的性能，當(dāng)提供足夠的熱量后，它可以很快的恢復(fù)原有形狀，任何形狀都可以最終恢復(fù)成它原有的狀態(tài)。145在形態(tài)工程研究的新型材料中，形態(tài)記憶合金相對比較普通。觀察一顆子彈穿過一層自體愈合材料，材料被子彈穿射后便很快愈合了！146科學(xué)家們同時研究可定制變化的壓電材料。這種物質(zhì)隨電壓而變化，當(dāng)扭曲這種壓電材料時就會有電壓產(chǎn)生，相反，如果對其提供電壓則材料便會彎曲。利用這種特性，將其設(shè)計做應(yīng)變傳感器或“作動器”，安裝在機(jī)器中作為可產(chǎn)生微小動作，例如移動飛機(jī)的副翼。結(jié)合微電子技術(shù)，這些材料可以從根本上提高未來飛機(jī)的設(shè)計水平。147如果展望未來的20年，我們認(rèn)為飛機(jī)已經(jīng)可以隨時進(jìn)行分布式的自我評估和維修。要想達(dá)到這樣的技術(shù)水平，需要在機(jī)翼中分布安裝作動器和傳感器，這如同人體的工作，我們有遍布全身的肌肉和神經(jīng)，所以我們能意識到身體發(fā)生的變化并通過一些途徑對這些變化產(chǎn)生反應(yīng)。148“仿生學(xué)”這項從自然獲取知識的實踐，已經(jīng)導(dǎo)致骨頭仿生品和其它多種仿生品的研究。

骨頭之所以輕，是因為它內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)，但它也非常堅固。蘭利研究中心的科學(xué)家將聚合微球體注入到所期望形狀的復(fù)合材料的殼體中，然后對這些球體進(jìn)行加熱，這樣，這些微球體就如同細(xì)小的肥皂泡一樣溶合到一起。這樣的結(jié)構(gòu)與骨頭一樣。1492、智能傳感器傳感器（Sensor），傳統(tǒng)上一般指能夠感知到某種物理量（如電、光、磁等）、化學(xué)量（如濃度、PH值等）、生物量（如細(xì)菌等）等的信息，并將該信息轉(zhuǎn)化為有用信息的裝置。150

傳感器通常由敏感元件（感應(yīng)變化）、轉(zhuǎn)換元件（將變化轉(zhuǎn)化為有用信息）和其他輔助元件組成。151隨著智能材料和人工智能技術(shù)特別是微計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，在許多智能化要求比較高的高新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域提出了智能傳感器（IntelligentSensororSmartSensor）的要求。152智能傳感器是一種將傳感器與微型計算機(jī)集成在一塊芯片上的裝置。它的主要特征是將敏感技術(shù)和信息處理技術(shù)相結(jié)合，使其除了具有感知的本能外，還具有認(rèn)知的能力。目前研制的智能材料傳感器主要有光纖傳感器、壓電傳感器和微芯片傳感器等。153一般認(rèn)為，智能傳感器應(yīng)具備以下條件：（1）由傳感器自身能消除異常值和例外值，提供比傳統(tǒng)傳感器更全面、更真實的信息。

（2）具有信息處理功能，如自動補(bǔ)償功能。154（3）具有信息存貯及自診斷功能。

（4）具有自適應(yīng)和自調(diào)節(jié)功能。

（5）具有智能算法及自學(xué)習(xí)功能。

（6）可以有數(shù)字通信接口，能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化或遠(yuǎn)程通信。1553、象鳥一樣飛的空中轎車據(jù)美國國家宇航局官員發(fā)布消息稱，該局下屬的一個研究機(jī)構(gòu)目前正在對鳥類和昆蟲的飛行技術(shù)進(jìn)行研究，準(zhǔn)備在此基礎(chǔ)上，利用一些最先研制的帶有特殊屬性的“智能”材料制造出全新的“空中轎車”。156與當(dāng)今這些堅硬的、無“知覺”的笨重材料制造的飛機(jī)相比，可以想象“智能”材料將會為航空設(shè)計帶來多大的變化。1574、太陽能智能服裝據(jù)4月14日出版的英國《新科學(xué)家》雜志報道，德國斯圖加特大學(xué)電子物理研究所的馬丁·羅揚(yáng)納及其同事正在發(fā)明一種以太陽能為能源的新型化學(xué)纖維智能材料，可將手機(jī)和電子記事本直接在衣服上接通。158這種可與微電腦連接的高科技衣服現(xiàn)已研制出樣品，也許很快就會正式上市?？萍贾鈭蟮溃@種新纖維和袖珍太陽能計算器一樣，由3層薄薄的硅酮材料組成，外層是陰陽兩極導(dǎo)體。當(dāng)構(gòu)成光線的光子與含有大量電子的第一層材料接觸時，電子會向電子量稍少的下兩層材料里移動，形成電流。159盡管這種科技三明治模式的材料早已為人所知，但科學(xué)家這次采用了一種新技術(shù)，將非晶體狀硅酮以圓筒形式合成，從而能很容易地制成柔軟的太陽能導(dǎo)線，并能織入任何質(zhì)地的衣料。這種太陽能導(dǎo)線能抵卸紫外線，耐熱，且可在洗衣機(jī)中洗滌。如果使用這種纖維做船帆，甚至足以給一艘帆船上的器械充電。160不過，在產(chǎn)品實用化之前，科學(xué)家還面臨其他挑戰(zhàn)，其中之一是如何把分散在衣料中的不同能量發(fā)射點(diǎn)的電流歸成幾個點(diǎn)區(qū)，形成接頭處，以便與外界連接，變成真正的電插頭。161樹立質(zhì)量法制觀念、提高全員質(zhì)量意識。2月-252月-25Wednesday,February12,2025人生得意須盡歡，莫使金樽空對月。11:04:2511:04:2511:042/12/202511:04:25AM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦繃。2月-2511:04:2511:04Feb-2512-Feb-25加強(qiáng)交通建設(shè)管理，確保工程建設(shè)質(zhì)量。11:04:2511:04:2511:04Wednesday,February12,2025安全在于心細(xì)，事故出在麻痹。2月-252月-2511:04:2511:04:25February12,2025踏實肯干，努力奮斗。2025年2月12日11:04上午2月-252月-25追求至善憑技術(shù)開拓市場，憑管理增創(chuàng)效益，憑服務(wù)樹立形象。12二月202511:04:25上午11:04:252月-25嚴(yán)格把控質(zhì)量關(guān)，讓生產(chǎn)更加有保障。二月2511:04上午2月-2511:04February12,2025作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)記得牢，駕輕就熟除煩惱。2025/2/1211:04:2511:04:2512February2025好的事情馬上就會到來，一切都是最好的安排。11:04:25上午11:04上午11:04:252月-25一馬