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智能材料与结构智能--Smart、Intelligent智能机器人智能仿生蜘蛛韩国仿生玩具智能、变体飞机《绝密飞行》智能变体无人机美国NASA无人机设想智能无人汽车《霹雳游侠》系统组成•承载材料、结构•能源供给系统•传感系统•驱动系统•分析、计算系统授课主要内容第1章绪论第2章智能材料系统和结构中的传感材料及传感器系统第3章智能材料系统和结构中的驱动材料及驱动器第4章光纤传感系统的应用教材及参考书1.杜善义等.智能材料系统与结构.科学出版社.20012.杨大智.智能材料与智能系统.天津大学出版社.20003.陶宝祺.智能材料结构.国防工业出版社.1997课程特点多学科交叉：力学、材料、化学、物理、机械和计算机等第1章绪论1.1智能材料与结构的概念1.2智能材料与结构的研究范围与发展趋势1.3智能材料与结构的研究与应用现状与前景1.1智能材料与结构的概念材料与信息、能源并列为人类赖以生存和发展的三大支柱之一，在人类经历的每个历史时代的发展和变迁伴随着材料科学技术的进步。材料发展历程：•石器时代：天然石头、木头、天然纤维及粘土（陶瓷）•青铜器时代：铜、锡矿石制备青铜（900℃）•铁器时代：铁矿石制备铁•18世纪：钢•20世纪：合成材料、复合材料、半导体材料•20世纪50年代，提出智能材料与结构的概念，称为自适应系统（AdaptiveSystem）。1986年1月28日，美国“挑战者”航天飞机由于封环失效引起液体燃料爆炸，致使7名航天员遇难•这次飞机事故促使美国国会通过了“飞机自我诊断和及时预报系统”的议案，要求3年内完成Smart飞机的概念设计；•1988年9月，美国陆军研究办公室组织了首届智能材料、结构与数学专题研讨会；•1989年日本航空-电子技术审议会提出了从事具有对环境变化作出相应能力的智能型材料的研究。1988年4月28日波音737客机因金属疲劳引起机舱天花板被撕裂飞脱，致使1死65伤智能材料与结构的英文表述：•Smart（Intelligent）materials•Smart（Intelligent）structures•Smart（Intelligent）materialsandstructures•Smart（Intelligent）adaptivestructures•Smart-机敏（美国）•Intelligent-智能（日本）智能材料与结构的名称功能材料可以分为两类：•感知材料：对外界（或内部）的刺激（如应力、应变、热、光、电、磁、化学及辐射等）具有感知的材料，可以制作成各种传感器；•驱动材料：对外界环境条件（或内部状态）发生变化作出相应或驱动的材料，可以制作驱动器（执行器、作动器等）。智能材料与结构来自于功能材料，由功能材料组成。智能材料与结构材料和功能材料区别智能材料与结构是利用功能材料制成传感器和驱动器，借助现代信息技术对感知的信息进行处理并把指令反馈给驱动器，从而做出灵敏、恰当的反应，当外部刺激消除后又快速恢复到原始状态。智能材料与结构源于生物体系统生物体系统与智能材料与结构系统的对比智能材料与结构组成：母体材料（结构材料）、传感器、执行器（作动器）、通信网络和处理器。1）有反馈功能能通过传感神经网络，对系统的输入和输出信息进行比较，并将结果提供给控制系统，从而获得理想的功能。2）有信息积累和识别功能能积累信息，能识别和区分传感网络得到的各种信息，并进行分析和解释。3）有学习能力和预见性能通过对过去经验的收集，对外部刺激作出适当的反应，并可预见未来并采取适当的行动。根据仿生原理，智能材料与结构应具备的功能：4）有响应性功能能根据环境变化适时地动态调节自身并作出反应。5）有自修复功能能通过自生长或原位复合等再生机制，来修补某些局部破坏。6）有自诊断功能能对现在情况和过去的情况做比较，从而能对诸如故障及判断失误等问题进行自诊断和校正。7）有自动动态平衡及自适应功能能根据动态的外部环境条件不断自动调整自身内部结构，从而改变自己的行为，以一种优化的方式对环境变化作出响应。•美国智能材料研究中心的Rogers的定义：集成传感器、驱动器和控制器于材料和结构部件，集成智能与生命特征，以减轻系统质量、能耗并产生自适应功能，这样的系统称之为智能材料系统（SmartmaterialSystem）•日本非传统技术学会Takagi定义：能够根据环境变化，使自身功能处于最佳状态的材料称之为智能材料（IntelligentMaterials）智能材料与结构的定义•杜善义院士的定义：智能材料与结构是以最佳条件相应外界环境变化，并且按照这种变化显示自己功能的材料。可以感到外界环境的变化，并针对这种变化作出瞬时主动响应，具有自诊断、自适应、自修复和寿命预报以及靠自身驱动完成特定功能的能力。•陶宝祺院士的定义：智能材料结构是将驱动件和传感件紧密融合在结构中。同时也将控制电路、逻辑电路、信号处理器、功率放大器等集成在结构中，通过机械、热、光、化学、电、磁等激励和控制，使智能材料结构不仅具有承受载荷的能力，还具有识别、分析、处理及控制等多种功能，并能进行数据的传输和多种参数的检测，包括应变、损伤、温度、压力、声音、光波等，而且还能够动作，具有改变结构的应力分布、强度、刚度、形状、电磁场、光学性能、化学性能及透气性等多种功能，从而使结构材料本身具有自诊断、自适应、自学习、自修复、自增值、自衰减等能力。依据智能（或机敏）材料定义中所确定的内涵，组成智能材料的组元材料可分为传感材料、信息材料、执行材料、自适应材料（仿生材料）以及两类支撑材料（能源材料和结构材料）。能源材料用作维持系统工作所需的动力，结构材料是支撑功能材料的基体材料或构件。智能材料与结构的组元材料ij表中按i、j划分：当i=j时，Pij是材料的感知信息(能源）特性，它们可以是力、声、热、光、电、磁、化学和辐射；当时，代表不同能量之间传递的特性。表1-1材料的信息感知与传递功能符号输出j输入i力声热光电磁化力P11P12P13P14P15P16P17声P21P22P23P24P25P26P27热P31P32P33P34P35P36P37光P41P42P43P44P45P46P47电P51P52P53P54P55P56P57磁P61P62P63P64P65P66P67化P71P72P73P74P75P76P77功能材料现象或机制P31（热-力）膨胀合金热胀冷缩双金属片热胀冷缩形状记忆合金形状记忆效应P41（光-力）光敏性凝胶光刺激导致相变化体积溶胀P51（电-力）电致伸缩材料电场作用下伸缩压电材料电场作用产生力（逆压电）电流变体电场作用下流体粒子极化电活性凝胶在电场作用下粒子迁移导致凝胶体积和形状变化P61（磁-力）磁致伸缩材料磁致伸缩磁流变体磁场作用流体粒子磁化P71（化-力）智能高分子凝胶化学信号刺激使高分子收缩或溶胀P31（热-声）形状记忆合金薄膜马氏体相变沉声声发射信号P14（力-光）光导纤维力致光双折射、波长及吸收变化P34（声-光）声光晶体超声波在介质中产生的弹性力使介质折射率变化声光玻璃P34（热-光）光导纤维力致光双折射、波长及吸收变化P47（光-化）感光材料在光作用下发生化学反应P54（电-光）光电晶体电场作用使得晶体折射率发生变化P15（力-电）压电材料压电效应应变电阻合金应变改变电阻率P35（热-电）热敏电阻电阻率随温度变化热释电材料加热使得屏蔽电荷失去平衡、产生电位差P65（磁-电）磁致巨阻材料电阻率随磁场变化P75（化学-电）气敏陶瓷材料气体改变电阻率湿敏陶瓷材料电阻率随环境湿度变化1）传感材料（传感器）能够对外界或内部的刺激强度（如应力、应变、热、光、电、磁、化学和辐射等）具有感知的功能。传感器是一种测量装置，它能感受或响应规定的被测量，同时，为了满足信息的传输、处理、储存、记录、显示和控制等要求，它可以将被测量按照一定规律以可用信号输出。理想的用于智能结构的传感器应能将结构内部的状态变化（应变或应变率）直接以电信号的形式输出。作为智能结构传感器，应具有对包括变形状态（应变、位移）、运动状态（速度、加速度）、受载状态（力、压力、应力）、温度状态（温度、温度梯度等）、健康状态（动态损伤及突发损伤，如战争、地震、风暴、洪水）等的结构状态敏感、易于集成且高度分布的特点。由于电学性能易于放大、传输和调节，因而通常寻求具有Pi5的性能通过这类材料，将所输人的各种信息转换为电学信息而输出。例如，应变电阻合金、磁致巨阻材料和热敏电阻合金的性能分别是P15、P65、P35。材料效应输出温度感知器NiO，FeO，CaO，Al2O3，SiC（成型、薄膜）载流粒子浓度随温度的变化负温度系数阻抗变化半导体BaTiO3（烧结体）正温度系数VO2，V2O3半导体—金属相变Mn-Zn系铁酸盐弗里磁体—常磁转变磁化变化位置速度感知器PZT（钛锆酸铅）压力效应反射波的波形变化光感知器LiNbO3，LiTaO3,PZT,SrTiO3热电效应电动势Y2O3S（Eu）荧光可见光ZnS（Cu，Al）CaF2热荧光表1-2感知器用陶瓷材料陶瓷基感知材料光导纤维损耗低，反应灵敏、信息传输容量大，抗干扰性强，可以从表1-5中查出它在不同场合下的感知功能。光导纤维对应于表1-1中的P14、P34、P44、P54、P64和P74。j=4表1-3光纤感知功能iPij现象1P14力致光双折射、光吸收变化3P34温度引起光的折射及吸收变化4P44X射线、γ辐射引起发光5P54电光效应、电致色差6P64磁致发光效应7P74成分变化引起光折射、光吸收变化荧光光导纤维是利用两种介质面上光的全反射原理制成光的光导元件，通过分析光的传输特性（光强、位相等）可获得光纤周围的力、温度、位移、压强、密度、磁场，成分和X射线等参数的变化，因而广泛用作传感元件或智能材料中的“神经元”。光学传感器2）驱动器（作动器）驱动器具有改变智能材料系统形状、刚度、位置、自然频率、阻尼、摩擦、流体速率及其它机械特性的能力，能够对外界环境条件或内部状态发生变化时做出响应。功能材料现象或机制P31（热→力）膨胀合金热胀冷缩双金属片热胀冷缩形状记忆合金形状记忆P41（光→力）光敏性凝胶光刺激导致相转变体积溶胀P51（电→力）电致伸缩材料在电场作用下伸缩压电材料在电场作用下产生力（逆压电效应）电致流变液在电场作用下流体粒子极化电活性凝胶在电场作用下离子迁移导致凝胶体积和形状变化P61（磁→力）磁致伸缩材料磁致伸缩磁致流变液在磁场作用下流体粒子磁化智能材料与结构常用－驱动材料压电材料形状记忆合金形状记忆聚合物电（磁）流变体磁滞伸缩材料形状记忆合金压电效应形状记忆合金压电材料电（磁）流变液可作为一种执行器。流体中分布着许多细小可极化粒子，它们在电场（磁场）作用下极化时是链状排列，流变特性发生变化，可以由液体变得粘滞直至固化，其粘度，阻尼性和剪切强度都会发生变化。电（磁）流变液磁致伸缩材料磁致伸缩材料是将磁能转变成机械能的材料，在磁场作用下，材料中的磁畴发生旋转，最终与磁场排列一致，导致材料产生变形。1.2智能材料与结构的研究范围和发展趋势智能材料与结构的研究涉及材料学、力学、化学、力学、生物、微电子、分子电子学、计算机、控制、人工智能等多学科和技术，是多学科综合交叉的研究领域。因此，智能材料与结构的研究范围广泛，涉及学科领域众多，当前智能材料与结构的研究内容主要包括以下几个方面：1）传感器和作动器材料研究新型传感器和作动器材料的研究，是智能材料与结构研究的基础，他的研究进展很大程度上决定了智能材料与结构的实用化进程。（一）研究范围2）智能材料与结构的设计和模拟包括智能材料与结构的优化设计、分析和性能模拟、传感器和作动器的优化布设等。3）信号处理方法及高速中央处理器的研究包括神经网络、模糊控制、小波分析等人工智能信号处理技术，以及高速并行处理芯片的研究。4）智能材料与结构的制造技术包括智能材料的传感器和作动器的置入技术、组装及自动化生成技术。5）智能材料与结构的应用领域研究A）智能复合材料成型工艺的在线监控技术以测量固化进程中表征参量的传感器