第十章 智能材料

•概述（基本概念、发展、研究内容）•电/磁流变液智能材料•磁致伸缩智能材料第十章智能材料智能材料是近年来在世界上兴起并迅速发展的材料技术的一个新领域。10.1智能材料概述智能材料概念是美国和日本科学家首先提出的。•1989年日本高木俊宜教授将信息科学融于材料的特性和功能，提出智能材料(Intelligentmaterials)概念，它是指对环境具有可感知可响应等功能的新材料。•美国的R．E．Newnhain教授提出了灵巧(Smart)材料的概念，这种材料具有传感和执行功能，他将灵巧材料分为被动灵巧材料、主动灵巧材料和很灵巧材料三类。10.1.1发展智能材料是高技术新材料领域中正在形成的一门新的分支学科，是2l世纪的先进材料，是当前工程学科发展的国际前沿。智能材料是一门交叉学科，它的发展不仅是材料学科本身的需要，而且可以带动许多相关学科的发展，如物理、化学、计算机、土木工程和航空航天的发展的。10.1.2基本概念设想：•混凝土能自己发现混凝土大坝里的裂缝；•玻璃能根据环境光强的变化而自行改变透光率，使进入室内的阳光变暗或变亮；•墙纸可以变化颜色以适应不同环境；•空中飞行的飞机能自行诊断其损伤状态并自行修复。材料具有了“智能”，这种类型的材料就称为智能材料。智能材料：是指能模仿生物体，同时具有感知和控制等功能的材料或结构。它既能感知环境状况又能传输分析有关信息，同时作出类似有生命物体的智能反应，如自诊断、自适应或自修复等（见图）。这种材料一般具有四种主要功能：①对环境参数的敏感；②对敏感信息的传输；③对敏感信息的分析、判断；④智能反应。（1）敏感特性融入材料使新的复合材料能感知环境的各种参数及其变化。•光导纤维传感器可以检测力、热、声、光、电等物理参数；它体积小，种类多，而且能测量多种物理参数及其分布状况，是一种较理想的基础智能材料。机械手柔性三维运动形状记忆合金•形状记忆陶瓷叠层装置的机械夹持器通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电传感器（2）传输特性智能材料不仅需要敏感环境的各种参数，而且需要在材料与结构中传递各种信息，其信息传递类似人的神经网络，不仅体积微小，而且传递信息量特大。目前用于智能材料中信息传递的方法很多，最常用的是用光导纤维来传递信息。（3）智能特性智能特性是智能材料的核心，也是智能材料与普通功能材料的主要区别。要求能分析、判断其参数的性质与变化，具有自学习、自适应等功能。由于计算机技术的高度发展，智能材料与结构的智能特性已经或正在逐步实现，问题的关键是如何将材料敏感的各种信息通过神经网络传输到计算机系统。现在一般有两种方法，一种是在大型智能结构系统中，将智能材料敏感到的各种参数传感到结构体系的普通计算机内；另一种是在智能材料中埋入超小型电脑芯片。（4）自适应特性是由智能材料中的各种微型驱动系统来实现。该系统是由超小型芯片控制并可作出各种动作，使智能材料自动适应环境中应力、振动、温度等变化或自行修复各种构件的损伤。目前常用的微型驱动系统有形状记忆合金，磁致伸缩材料，电流变体等，尤其是电流变体材料在自适应材料中的应用特别引人注目。（5）相容性埋置的材料性质与原构件的材料基质的性质越相近越好。（ⅰ）强度相容：埋置材料不能影响原材料的强度或者说影响很小。（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构件相比，体积应很小，不影响原构件特性。（ⅳ）场分布相容：埋人材料与器件不影响原材料构件各种场分布特性，如应力场、振动模态等。10.1.3智能材料的研究内容智能材料是一门综合性的边缘科学，它包括材料科学、物理、化学、计算机仿生学、机电工程等多学科领域，涉及内容很多，主要有下面几方面内容：（1）基础智能材料研究（2）自诊断智能材料的研究（3）自适应智能材料研究下面就分别展开叙述。（1）基础智能材料研究基础智能材料是智能器件的基础，许多材料本身就具有某些“智能”特性。例如：•材料的性能（颜色、形状、尺寸、机械特性等）随环境或使用条件的变化而改变，具有学习、诊断和预见的能力，以及对信号的识别和区分能力。•材料的结构或成分可随工作条件变化，从而具有一种对环境自适应、自调节的功能。•一些材料的电、光以及其它物理或化学性能随外部条件的不同而变化，因而除了具有识别和区分信号、诊断、学习和刺激能力外，还可发展成具有动态自动平衡及自维修的功能。目前可用于智能器件的智能材料主要有：•形状记忆智能材料•压电智能材料•磁致伸缩智能材料•自组装智能材料•光纤智能材料•电／磁流变液智能材料（ⅰ）形状记忆基础智能材料•是一类具有形状记忆功能的材料。•其产生形状记忆效应的最根本原因是马氏体相变和逆相变。•由于形状记忆合金材料集自感知、自诊断和自适应功能于一体，故具有传感器、处理器和驱动器的功能，是一类具有特殊功能的智能材料。•人们不但可以利用形状记忆合金来制备各种智能器件，而且还可以用形状记忆合金来进行智能材料设计，并对智能材料与结构进行主动控制。这就进一步拓宽了形状记忆合金智能材料的应用领域。记忆型镍钛牙弓丝（ⅱ）压电基础智能材料•压电智能材料是一类具有压电效应的材料。•具有压电效应的电介质晶体在机械应力的作用下将产生极化并形成表面电荷，若将这类电介质晶体置于电场中，电场的作用将引起电介质内部正负电荷中心发生相对位移而导致形变。•可实现传感元件与动作元件的统一，从而可以有效地用于材料损伤自诊断自适应，减振与噪声控制等方面。•常用的压电材料主要是压电陶瓷，而最近发展的压电复合材料是将压电陶瓷、聚合物按一定的比例、连通方式和空间几何分布复合而成，具有比常用压电陶瓷更优异的性能。压电陶瓷主动控制驱动器系统，在控制坦克炮塔振动方面的应用，减轻了颤振。（ⅳ）磁致伸缩基础智能材料磁致伸缩效应是指磁性物质在磁化过程中因外磁场条件的改变而发生几何尺寸可逆变化的效应。也就是说，它是一类具有电磁能／机械能相互转换功能的材料。磁致伸缩材料通常分为金属磁致伸缩材料和稀土-铁(RFe2)超磁致伸缩材料两大类。由于稀土-铁(RFe2)超磁致伸缩材料具有磁致伸缩值大、机械响应快、功率密度大、耦合系数高的优点，目前这类材料已广泛用于声纳系统，大功率超声器件、精密定位控制、机械制动器，各种阀门和驱动器件等方面。（ⅴ）自组装基础智能材料•近年来发展起来的可以按照人们的需要以分子量级的尺度设计和制作的具有一种或多种智能特性的新材料。•自组装智能材料是在特定的基片上，通过化学键、氢键或静电引力将聚合物分子或聚合物与无机纳米粒子的复合物逐层组装上去，以形成单层、双层或多层自组装薄膜材料。•近几年来，静电自组装薄膜材料发展很快。这种材料具有薄膜厚度可精确控制到分子水平，薄膜与基体以及薄膜与薄膜之间结合力强、薄膜厚度与成分均匀等特点，在非线性光学材料、光学器件等方面有着重要的潜在应用。（ⅵ）光纤基础智能材料•光导纤维是一种圆柱介质光波导，它能够约束并引导光波在其内部或表面附近沿轴线方向向前传播。•由于光纤具有感测和传输双重功能，并且有直径小、柔韧易弯曲、质量轻、抗电磁干扰等优点，因此，光纤已成为一种非常重要的智能材料，光纤传感技术则已成为智能材料的主要技术基础之一。•光纤传感技术在智能材料与结构中主要用于检测材料受力、损伤情况，结构状态监测及振动主动控制等。用光纤组成的各种传感器可测量温度、压力、位移、应力、应变等多种物理量，并具有极高的灵敏度。单纤双向光纤收发器用途■城域光纤宽带网，适用于电信、网通、广电等数据网络运营商■多媒体传输：图像、话音、数据综合传输、适用于远程教学、会议电视、可视电话等应用■实时监控：实时控制信号、图像及数据同时传输■抗恶劣环境：适用于强电磁干扰、远距离的恶劣环境下组网（ⅲ）电／磁流变液智能材料（ⅳ）磁致伸缩智能材料（2）自诊断智能材料的研究•自诊断智能材料是智能材料中最简单最基础的一种形式。•它往往只具备智能特性四个主要特性中的二种或三种，这一类智能材料能接受和响应外部环境参数的变化，能够自诊断内部运行状态，如缺陷或损伤等，并能根据预先约定给予报警或传输有关信息，但不具备驱动和自适应的功能。•例如对于结构材料，人们期望材料内部的劣化和损伤以及表面的微细裂纹形成时，能自行监测，在形成重大事故或内部变异之前能够有效地预知或报警。（3）自适应智能材料研究•自适应智能材料是一种完备的智能体系，它具备智能材料的四个基础属性。•它不仅能接受和响应外部的信息，而且能自动改变自身状态，以适应外部环境变化。•自适应包括的含义如：自我回复性(形状和物理、化学性能能够自动复原)；自动调节性(能够随外部环境的需要而改变自身状态)；自我修复性(能根据自身损伤状态自我修复)等。（ⅰ）自回复形状记忆智能材料就是一种具有形状自回复功能的智能材料。无论将该材料拉伸或弯曲成何种复杂形状，只要一加热，又回复到原来的初始形状。其原理是利用了马氏体相变，受力后材料内晶格发生扭曲变形而显示出塑性形变，受热获得能量后晶格自动回复原状。这种形状记忆材料，已经应用于大型钢管使其结合精密和牢固。自洁净功能的温度和气体传感器：•日本人研制的一种能够在所测试的环境气体受污染后随时自动恢复其新鲜洁净的表层和界面。•其原理是利用CuO／ZnO两种陶瓷片紧密接触制成气体传感器，碳氢化合物在一侧被吸附和分解，在另一侧被还原而离开元件材料表层，使材料表面总能接触到最新进入的被检气体，缩短了传感器的响应时间，解决了以往的气体传感器中毒劣化的问题，提高了检测的准确性，增加了使用寿命。（ⅱ）自调节•一般材料的电阻是恒定的。电流与电压的关系服从欧姆定律。•但是，有些陶瓷材料的电阻随着电压而变化，例如ZnO等，称为可变电阻。它具有根据外部电压的大小而改变自身电阻的能力，故被列入智能材料范畴。•它能用作智能性电路开关；用这种可变电阻制作成加热元件时，可以自动控制自己的加热温度。这种本身具有控温能力的材料已成为高级轿车空调的核心元件。光致变色玻璃（光色玻璃）也是一种能自行调节透光性能的智能材料。利用Ag0－Ag+化学状态之间的转换，能够自动屏蔽强的光线。最近的所谓智能窗，就是利用光能-电能之间转换，形成能屏蔽光线的大型透明窗口或者能够显示亮度和色彩的显示屏幕，•（一）彩色装饰玻璃：国内首创新产品，填补国内空白，主要用于各种楼、堂、馆、所及广告装饰，具有色泽鲜艳，光彩照人，反射性能强，能拼凑成各种图案，永不褪色等特点。目前，该产品全部出口东南亚地区，深受外商青睐。（二）工业用滤色玻璃、光学仪器玻璃：主要用于各种仪器仪表盘的滤色防护，有几十种颜色规格。自调节智能材料的另一有趣实例，就是能够使药物定位投放。日本科学家已经研制一种微细胶囊物质材料，能够将药物包裹后带到身体的病变部位。在病变部位胶囊物质表皮自行破裂而释放出药物，医治病变细胞。这种定向投药原理，用于农药和化肥在酸碱土壤中的定位投放，能提高效率，降低成本，减少污染，是农业技术发展的方向。（ⅲ）自适应性和自修复性•研究得比较多的是使材料表层的形状和厚度能根据需要随时自动形成。人体皮肤的自适应性。•钛铝合金是用于高温发动机的重要高温材料，高温使用时，氧化皮层容易裂开和脱落，人们通过加入一些物质到材料中，在表皮发生裂纹时，能及时扩散进表皮的裂纹伤口内，充填裂纹，并逐渐隆起形成致密的抗氧化层而保护材料肌体部件。在高温真空器件的不锈钢中，加入B和N元素，在进入使用状态后，B和N会向表层扩散并相互结合形成一层致密的BN高温陶瓷保护层，保护层是材料中“自生”出来的，在成分和结构上与基底之间逐渐过渡，所以结合非常牢固。这一举解决了以往的陶瓷涂层容易剥落的问题。10.2电/磁流变液智能材料•电流变液•电流变液的分类•电流变液的影响因素•电流变液材料的研究进展•磁流变液•电磁流变液10.2.1电流变液一般介绍电-粘度效应：19世纪末发现电场作用于流体可导致其表观粘度的增加；kV/mm电场强度，粘度增加百分之零点几。分子、离子簇极化。电流变效应：1947年Wins