12-智能复合材料

2016-2017秋季学期研究生课程陶瓷基复合材料Ceramic-matrixComposites智能（复合）材料2016.10.192主要内容1、什么是智能材料2、智能材料的特征3、智能材料的构成4、智能材料的分类与应用3智能材料是二十世纪90年代迅速发展起来的一类新型复合材料。智能材料目前还没有统一的定义，不过，现有的智能材料的多种定义仍然是大同小异。1、什么是智能材料？4智能材料就是指具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，对之进行判断、处理、分析，并采取一定的措施进行适度响应智能特征的材料。5具体来说，智能材料需具备以下内涵：(1)具有感知功能，能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激强度，如电、光、热、应力、应变、化学、辐射等；6(2)具有驱动功能，能够响应外界变化；(3)能够按照设定的方式选择和控制响应；(4)反应比较灵敏、及时和恰当；(5)当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。7现有的材料一般比较单一，难以满足智能材料的要求，所以智能材料一般由两种或两种以上的材料复合构成一个智能材料系统。8智能复合材料结构的内涵非常丰富，涉及的材料从无机到有机，结构层次从宏观到微观，它模糊了材料与结构之间的界限。与材料科学、信息科学、仿生学和生命科学等诸多前沿科学及高技术密切相关。一般来说，智能复合材料结构是以传统的复合材料结构为基体，通过复合或附加一系列智能化元件，如传感器、驱动器与控制器等，而形成的新型复合材料结构。9智能材料的构想来源于仿生学，它的目标就是想研制出一种材料，使它成为具有类似于生物的各种功能的“活”的材料。因此智能材料必须具备感知、驱动和控制这三个基本要素。10这使得智能材料的设计、制造、加工和性能结构特征均涉及到了材料学的最前沿领域，使智能材料代表了材料科学的最活跃方面和最先进的发展方向。11智能材料应用的简单事例：某些太阳镜的镜片当中含有智能材料，这种智能材料能感知周围的光，并能够对光的强弱进行判断，当光强时，它就变暗，当光弱时，它就会变的透明。122、智能材料的特征因为设计智能材料的两个指导思想是材料的多功能复合和材料的仿生设计，所以智能材料系统具有或部分具有如下的智能功能和“生命”特征：13(1)传感功能（Sensor）能够感知外界或自身所处的环境条件，如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学、核辐射等的强度及其变化。14(2)反馈功能（Feedback）可通过传感网络，对系统输入与输出信息进行对比，并将其结果提供给控制系统。(3)信息识别与积累功能能够识别传感网络得到的各类信息并将其积累起来。15(4)响应功能能够根据外界环境和内部条件变化，适时动态地作出相应的反应，并采取必要行动。16(5)自诊断能力（Self-diagnosis）能通过分析比较系统目前的状况与过去的情况，对诸如系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予以校正。17（6）自修复能力（Self-recovery）能通过自繁殖、自生长、原位复合等再生机制，来修补某些局部损伤或破坏。18（7）自调节能力（Self-adjusting）对不断变化的外部环境和条件，能及时地自动调整自身结构和功能，并相应地改变自己的状态和行为，从而使材料系统始终以一种优化方式对外界变化作出恰如其分的响应。193、智能材料的构成一般来说智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。20（1）基体材料基体材料担负着承载的作用，一般宜选用轻质材料。一般基体材料首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀，尤其具有粘弹性的非线性特征。其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。21（2）敏感材料敏感材料担负着传感的任务，其主要作用是感知环境变化（包括压力、应力、温度、电磁场、pH值等）。常用敏感材料如形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色材料、电流变体、磁流变体和液晶材料等。22（3）驱动材料驱动材料在一定条件下，可产生较大的应变和应力，担负着响应和控制的任务。常用有效驱动材料如形状记忆材料、压电材料、电流变体和磁致伸缩材料等。可以看出，这些材料既是驱动材料又是敏感材料，显然起到了身兼二职的作用，这也是智能材料设计时可采用的一种思路。23（4）其它功能材料包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。24图所示为智能材料的基本构成和工作原理。254、智能材料的分类智能材料是继天然材料、人造材料、精细材料之后的第四代功能材料。因为现在可用于智能材料的材料种类不断扩大，所以智能材料的分类也只能是粗浅的，分类方法也有多种。26按智能材料的来源来分，可以分为金属系智能材料、无机非金属系智能材料和高分子系智能材料。按智能材料的功能来分，可以分为光导纤维、形状记忆合金、压电、电流变体和电（磁）致伸缩材料等。27目前研究开发的金属系智能材料主要有形状记忆合金和形状记忆复合材料两大类；无机非金属系智能材料在电流变体、压电陶瓷、光致变色和电致变色材料等方面发展较快；28高分子系智能材料的范围很广泛，作为智能材料的刺激响应性高分子凝胶的研究和开发非常活跃；其次还有智能高分子膜材、智能高分子粘合剂、智能型药物释放体系和智能高分子基复合材料等。29第二节主要智能材料1、电流变体和磁流变体；2、磁致伸缩材料；3、压电陶瓷；4、电致伸缩陶瓷；5、智能材料系统；6、光致变色玻璃；7、电致变色材料；8、形状记忆合金；301、电流变体和磁流变体电致、磁致变体智能材料大多是由陶瓷材料或人工合成材料制成的，具有在电场或磁场的作用下“性质”发生变的能力，其变化的大小与电场和磁场的强度有关。31诸如目前研制成功的一种电致变性材料，这种材料在接通电流时，可以从液体变为接近固体。如果向空心复合梁中充入电流变性液体材料，在外电场的作用下，这种液体材料就会变硬，从而使梁变成僵硬状。32将电致变性现象与传感器结合起来，就可以实现使复合梁随着负载的变化而改变其性质。这将是装配结构智能化的一个突破性的新起点。33电致变性材料还可以用作在地震时能自动加固建筑物的基础。此外，磁致变性材料在机电工业中也有广泛的用途。342、磁致伸缩材料磁致伸缩材料在电磁场的作用下可以产生微变形或声能，也可以将微变形或声能转化为电磁能。磁致伸缩智能材料具有磁致伸缩值大、机械响应速度快和功率密度高特点，在国防、航空航天和高技术领域应用极为广泛。35稀土超磁致伸缩材料比传统材料在性能上有了惊人的提高，所以在电器、家电、通讯器材、电脑等生产领域，稀土磁致伸缩材料逐渐取代了传统的磁致伸缩材料和电致伸缩材料，使产品升级和更新换代更加容易。稀土超磁致伸缩材料是近期才发展起来的一种新型功能材料。36由于稀土超大磁致伸缩材料的独特的性能，可被用于开发新一代的元器件，如精密控制系统（如油料控制、导弹发射控制装置等），声光发射系统（如信号处理、声纳扫描、超声、水声等），以及换能器、驱动器等的开发。37对于磁致伸缩智能材料的应用，目前，美国位居各国之首，其成功标志在于开发出了一系列用于军事目的的尖端产品，如舰艇水下声纳探测系统以及导弹发射控制装置等。38我国对磁致伸缩智能材料新产品的开发也呈现出良好的发展势头。如开发出的大功率岩体声波探测器，应用于三峡工程和地球物理勘探；开发出的井下物理法采油装置。393、压电陶瓷⑴压电效应⑵陶瓷的压电机理⑶压电陶瓷材料的组成与种类40(1)压电效应在某些晶体材料上施加机械力时，晶体表面会产生电荷，这种现象称正压电效应。在一定范围内，电荷密度与作用力成正比。相反，在晶体上施加电场时，晶体会产生几何变形，称逆压电效应。41晶体的对称性决定了材料能否产生压电性。显然，压电效应只存在于没有对称中心的晶体中。压电效应的本质机械作用(应力与应变)引起了晶体的极化，从而导致介质两端表面出现相反的束缚电荷。42(2)BaTiO3陶瓷的压电机理BaTiO3晶体中，氧形成八面体，Ti位于氧八面体的中心，Ba处于八个八面体的间隙。BaOTi43①陶瓷由许多排列无序的小晶粒构成，具有各向同性，不显示压电性。经电场处理后，陶瓷存在剩余极化强度，它是以束缚电荷的形式表现出来，且由各向同性变成各向异性，从而具有压电性。44由于束缚电荷的作用，在陶瓷片两极板上吸附了一层表面电荷（如图所示），这些吸附电荷与片内束缚电荷数量相等，符号相反，屏蔽和抵消片内极化强度对外界的作用。Ti电场处理后的陶瓷片45②当在瓷片上加一个与极化方向平行的外力时，在应力的作用下瓷片发生形变，即极化方向c轴被压缩，使Ti4+位移变小，片内极化强度变小，因而释放出部分原来被吸附的表面电荷，这就是被压缩后出现的压电效应(正压电)。其过程示意所示：46当压力撤去后，陶瓷片恢复原状(膨胀过程)，这时c轴变长，Ti4+位移增大，陶瓷片内极化强度也变大，因此，电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。47③当在瓷片上施加与极化方向相同的电场时，此时增大了极化强度，表示Ti4+位移增大，晶胞c轴变长，瓷片发生伸长形变，此时，电能变为机械能(逆压电)。此过程示意如下：48(3)压电材料的组成与种类无机压电材料共有两种：压电晶体(如石英SiO2)；压电陶瓷。49压电陶瓷材料的组成与种类十分广泛，压电陶瓷在组成上可以是二元、三元和四元系统；在结构上可以有ABO3型钙钛矿结构或钨青铜结构。50最常用的压电陶瓷有钛酸铅PbTiO3(PT)、锆钛酸铅Pb(Ti1-xZrx)O3(PZT)、改性锆钛酸铅及三元系压电陶瓷。所谓三元系是指在PZT二元系基础上添加第三组元化合物。51一般第三组元化合物大都是A(Bl/3B2/3)O3型复合钙钛矿型化合物。如铌镁锆钛酸铅Pb(Mgl/3Nb2/3)xZryTizO3、铌锌锆钛酸铅Pb(Znl/3Nb2/3)xZryTizO3等。三元、四元系压电陶瓷具有在更宽广范围内调整组成和性能的优点，有利于制备高性能的压电陶瓷。524、电致伸缩陶瓷压电材料加上电场之后，不仅存在逆压电效应产生的应变，而且还存在一般电介质在电场作用下产生的应变，并且该应变与电场强度的平方成正比，后一效应称为电致伸缩效应。53即电致伸缩效应是一种高阶非线性机电耦合效应，外加电场所产生的应变s可表示为S=dE+ME2+NE3+…式中，dE是一阶的线性耦合效应，即压电效应；系数d称为压电常数；ME2，NE3，…为高阶的非线性耦合效应，或电致伸缩效应；系数M、N等为电致伸缩常数。54电致伸缩陶瓷是指利用电致伸缩效应产生微小应变，并能由电场非常精确地加以控制的陶瓷。由于高阶耦合效应非常微弱，通常电致伸缩效应是指二阶效应。大多数材料的电致伸缩效应都非常小，而在电致伸缩陶瓷中，此效应为应变的主体。555、智能材料系统兼具传感与驱动性能的压电陶瓷，在构筑智能系统的功能材料中，是重要的材料之一。压电材料具有机电、声、光、热、弹等多种功能及其耦合效应，可用作压力、温度、光等多种传感器。压电驱动器又具有位移控制精度高(0.01m)、响应快(10s)、推动力大(40MPa)、驱动功率低和工作频率宽等优点。56一些实用化及正进行研究的压电类智能材料系统如下：(1)智能雨刷这是利用BaTiO3陶瓷的压电效应制成的，它可以自动感觉雨量并自动调节挡风玻璃上的雨刷至最佳速度。57(2)高级轿车中的减震装置这是利用正压电效应、逆压电效应和电致伸缩效应的叠合研制成的智能减震器，这套智能系统具有识别路面(粗糙度)并进行自我调节的功能，可以使粗糙路面产生的振动减至最低，从而提高乘坐舒适性。58(3)有源消声用于振动频率低于500Hz的消声，是由压电陶瓷拾音器、谐振器、模拟声线圈和数字信号处理集成电路组成。59(4)利用组合功能效应来设计和制备新型智能材料和器件这类智能材料系统，是由两种或两种以上功能陶瓷进行组合后形成的一种新型复合陶瓷功能块，这种复合功能块会呈现一些新效应，称为组合功能效应。60(5)用压电陶瓷制备仿生物模仿自然界生物具有的特性构思仿生物，研究像鸟翼那样柔软，能折叠又很结实的智能材料用作智能机翼，并有效利用自然界的波浪和风能。61(6)压电陶瓷马达它是利用压电陶瓷的逆压电效应，直接把