智能材料

智能材料IntelligentMaterials主讲：刘秀奇智能材料智能材料功能展示记忆合金趣味实验智能太阳眼镜智能玻璃智能垃圾桶智能家居3智能材料什么是材料？《辞海》：人们把自然界经过开采而获得的劳动对象称为原料。自然界自然存在而未经过人类任何劳动输入的就不能称为原料。例如：开采出来的矿物是冶金的原料，种植出来的小麦是制造面粉的原料。在加工工业中，一般把来自采掘工业和农业的劳动对象称为原料，把经过工业加工的原料（如钢铁、水泥）称为材料。材料和原料合成为原材料。4智能材料阐明了原料和材料之间的联系和区别，但却没有指出材料在使用中本质的变化。《辞海》定义可以总结为：经过人类劳动而取得的劳动对象称为原料，经过二次加工的原料称为材料。使用这定义在实际中带来不便：①化工品烧碱(NaOH)？按定义应是材料，但类似不胜枚举的化工产品都是原料。②来自采掘工业的沙石、木材等等？按定义似乎应是原料，习惯上将其归入建筑材料。思考？食盐在加工中失去了其原质。烧碱在应用于其它化工加工过程时，也要失去原质。所以，食盐和烧碱一般都看作是化工原料。原料在加工中一般均失去了原质。5智能材料6智能材料7材料的发展和应用历史：智能材料图1材料科学的发展演化过程8智能材料9智能材料上世纪10智能材料11智能材料12智能材料13智能材料14智能材料第一章智能材料概述16智能材料材料发展的总趋势海参是一种防御能力很差的棘皮动物，在海底它会经常遇到敌人。它行动起来很迟缓，身体又绵软无力，可这不必担心，海参可以用”分身法”逃命。如果被敌人盯上了，而又无路可逃，海参就把身体紧缩起来，然后用尽力气把内脏从肛门挤出来，敌人会立即盯住它的内脏。这样海参还照样活着而且不久又生出内脏来，它的再生能力真是太强啦！有一种管状海参，当它被敌人捕捉住时，身体会分裂成两段，一段留下，另一段被吃。留下的一段又会把失去的一段长出来。17智能材料18智能材料19智能材料20智能材料21智能材料22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、核辐射等；（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。智能材料23智能材料必须具备感知、控制和驱动三个基本要素。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。智能材料24智能材料的基本结构智能材料不是一种单一的材料，而是一个由多种材料组元通过有机紧密复合或严格地科学组装而构成的材料系统，是一种智能机构。传感器执行器控制器智能机构材料自身能够探测到外部环境状态的变化能够自动地执行改变材料状态的指令能够对探测到的外部环境的变化作出判断，并给出相应的改变材料状态的指令25智能材料的构成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。(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。首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀。其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。智能材料26(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：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。智能材料27(3)驱动材料因为在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和应力，所以它担负着响应和控制的任务。常用有效驱动材料：形状记忆材料、压电材料、电流变体和磁致伸缩材料等。(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。智能材料28如：将光导纤维、形状记忆合金和镓砷化合物半导体控制电路埋入复合材料中。光导纤维传感元件(检测结构中的应变和温度)形状记忆合金执行元件(使结构动作改变性状)半导体控制电路控制系统(根据传感元件的信息驱动元件动作)智能材料29智能结构的动作流程图识别分析判断行动驱动元件自适应地改变结构形状、刚度、位置、应力状态、固有频率等智能材料30智能变色材料由于光、电、热等外界条件的作用，使材料内部结构发生变化从而改变材料对光波吸收的特性，使材料呈现出不同的颜色。光色玻璃电致变色薄膜智能材料311、光色玻璃(变色玻璃)能够随照射光强的变化而改变颜色。原因：含有在光照下能发生可逆变化的亚稳态色心：在光波的照射下，色心的光吸收特性发生改变，从而使光色玻璃表现出随光照而改变颜色的特性。同相型光色玻璃异相型光色玻璃智能材料34光色玻璃的应用：图2变色太阳镜汽车、飞机、船舶的前向玻璃或观察窗玻璃，起防眩作用等。智能材料352、电致变色薄膜电致变色现象(Electrochromism)——材料在电场作用下所引起的颜色变化，这种变化是可逆的、连续可调的(透过率、吸收率、反射率三者比例关系可调）。应用：智能窗(调节玻璃透光特性)机理：一些氧化物薄膜在电场的作用下能够发生电子的交换，导致颜色的改变。智能材料36图3法拉利首款自动硬顶敞篷车玻璃车顶采用了利用电场变化来改变颜色的电致变色技术，可对透过率进行5级调整。智能窗的应用：智能材料37汽车防眩目后视镜汽车夜间行驶时根据后面行驶车辆前大灯射出的光线照射到后视镜上产生的眩目光程度，自动控制后视镜的透光度，以减少后视镜镜面的反射光强度，使驾驶员既能舒服的通过后视镜了解后面行驶车辆及行人的情况，又能安全驾驶汽车。汽车防眩目后视镜是当前玻璃制造业前沿产品-电致变色玻璃在汽车上的应用。智能材料38智能材料的应用在军事领域中的应用智能材料与住宅智能化与现代医学相联系的智能材料智能材料39（1）智能蒙皮光纤作为智能传感元件用于飞机机翼的智能蒙皮中，或者在武器平台的蒙皮中植入传感元件、驱动元件和微处理控制系统制成的智能蒙皮，可用于预警、隐身和通信。智能材料40（2）结构监测和寿命预测采用光纤传感器和聚偏氟乙烯传感器的智能结构可对机翼、机架以及可重复使用航天运载器进行全寿命期实时监测、损伤评估和寿命预测；空间站等大型在轨系统采用光纤智能结构，可实时探测由于交会对接碰撞、陨石撞击或其他原因引起的损伤，对损伤进行评估，实施自诊断。智能材料41（3）环境自适应结构智能结构制成的自适应机翼，能够实时感知外界环境的变化，并可以驱动机翼弯曲、扭转，从而改变翼型和攻角，以获得最佳气动特性，降低机翼阻力系数，延长机翼的疲劳寿命。在机翼结构中使用磁致伸缩致动器，可使机翼阻力降低85%。智能材料42（1）多功能砖具有变通性和智能性。主要由四个分层构成：第一层是功能层，能感受来自周围的声能、热能、光能，并能控制这些能量的输出；第二层是通讯层，能为居住者提供内外通信联系的通道；第三层是输送通道，可以用来输送水和其它材料；第四层面膜是砖材的最上层，也具有多功能性。如壁膜可以使墙壁产生不同的色彩和图案；传感膜可以接收声波、热能和可见光并予以减弱或增强；地膜可产生耐久的色彩和图案；界面膜可连接内外通信线路。智能材料43（2）食物器皿在毫微塑料的桌面上旋转的碗不仅能测知食物的存在，而且可以根据用户的需要自行形成各种形状的碟子，供准备、烹调和上菜时使用。并且这种盛食物的碗还具有保温和在不使用冰箱的情况下保鲜的功能。智能材料45（3）座椅用毫微塑料制作的坐椅不仅功能将大大增加，而且也将增加舒适程度。使用毫微塑料能改变椅座面的柔韧性和弹性，也可以形成各种型式的椅座面。毫微塑料可以形成所需的任何图案或结构，还能改变座椅本身的结构。由于不同年龄段的人对温度舒适性的要求有很大区别，座椅还可以随心所欲地升温和降温，甚至对人们喜爱的舒适温度具有记忆功能。智能材料46（1）人造肌肉生物弹性材料能模拟活体生物，而且其力量和反应速度均接近于人体的肌肉。生物弹性材料可以应用于人体组织的修复，具有与生物体的相容性，随着伤口的愈合，这种聚合物就会在体内逐渐降解，最后将会消失。智能材料47（2）人造皮肤意大利比萨大学的科研人员为了使机器人与真人更接近，让它的皮肤具有感觉功能，研制成功一种人造皮肤智能材料。材料可以感知温度、热流的变化以及各种应力的大小，并且有良好的空间分辨力。这种智能材料还可以分辨表面状况，例如，粗糙度、摩擦力等。智能材料48（3）在药物自动投入系统上的应用科学家正在研制一种能根据血液中的葡萄糖浓度而扩张收缩的聚合物，这种聚合物可制成人造胰细胞，将它注入糖尿病患者的血液中，小球就可模拟胰细胞工作，使病人的血糖浓度始终保持在平常的水平上。智能材料4960年代初的一天，美国海军军械实验室的研究人员领来了一批镍钛合金丝，也许是制造过程中处理不当，合金丝被弄弯了，他们只能一根一根地将合金丝校直。有人顺手把校直的合金丝堆放在炉子的旁边。这时意外的事情发生了，一些校直的的合金丝在炉温的烘烤下，不一会儿就恢复到原来弯曲的形状。于是不得不重新校直合金丝。起初，他们没有在意，还是把校直的合金丝堆放在炉旁，结果合金丝又弯曲了，这种现象重复出现了多次，直到人们把校直的合金丝换了一地方堆放，不再受到炉温的烘烤以后，合金丝才继续保持挺直的形状。军械实验室的研究人员紧紧地抓住了上述的意外的事情，开展反复的实验研究，终于发现含50%镍和50%钛的合金在温度升高40℃以上时，能“记住”自己原来的形状。科学家把这种现象叫做形状记忆效应，具有记忆功能的合金称为形状记忆合金。阅读材料有记忆的金属52形状记忆合金形状记忆效应(ShapeMemoryEffect):一旦取消外力或改变温度,使发生塑性变形后的合金又能恢复原来的形状。形状记忆效应有三种形式:单向形状记忆效应、双向形状记忆效应和全方位形状记忆效应。53冷却冷却冷却冷却冷却变形变形变形加热加热加热高温时形状(a)(b)(c)55双程CuZnAl记忆合金花采用CuZnAl记忆合金片，以热水或热风为热源，开放温度为65℃~85℃，闭合温度为室温。花蕾直径80mm,展开直径200mm。动作幅度为1800。另外，可据用户要求订做。56工业常用形状记忆合金作开关，用于火警探测系统等。由于生物相容性好，Ti-Ni合金是目前医学领域使用的唯一的形状记忆合金。形状记忆合金更多的潜在应用是埋置在材料里组成智能复合材料。57记忆钉子菲力浦公司研制了一种由“记忆金属”制成的钉子,把它安在汽车外胎上，当气温降低、公路结冰时，钉子会“自动”从外胎里伸出来，防止车轮打滑。“记忆金属”食道架能在喉部膨胀成新的食道。必要时只要向食道里加上冰块，“食道”又会遇冷收缩，从而可轻易取出，使失去进食功能的食道癌患者提高了生活质量。记忆食道支架用这种“记忆金属”造出汽车，万一被撞瘪，只要浇上一桶热水就可恢复到原来的形状。汽车58人们盖上用记忆合金丝混合羊毛织成的毛毯后，如毛毯温度过热，它就会自动掀开一部分，适当降低温度，使人睡得更安稳。记忆毛毯记忆照明灯法国巴黎用形状记忆合金制造的城市照明灯，有两瓣随着灯的亮灭而逐渐张开或合上的金属叶片。白天，路灯熄灭，叶片合上；傍晚，路灯亮起灯泡发热，叶片受热而逐渐张开，使灯泡显露出来。60形状记忆合金的用途（一）在航空上的应用——月球上的“奇葩”在室温下用形状记忆合金制成抛物面天线，然后把它揉成直径5厘米以下的小团，放入阿波罗11号的舱内，在月面上经太阳光的照射加热使它恢复到原来的抛物面形状。这样就能用空间有限的火箭舱运送体积庞大的天线了。63形状记忆合金的用途（二）在医学上的应用合金作为驱动元件，具有可动的肩、肘、腕及手指的微型机械手。手指和手腕靠TiNi合金螺旋弹簧的伸缩实现开闭和弯曲动作，肘和肩是靠直线状的TiNi合金丝的伸缩做弯曲动作，各个形状记忆合金驱动元件都由直接通上的电流加以控制。67一般眼镜架于耳上，使人感到不自在。本设计引用记忆金属，适合头部不同形状和大小，兼具防滑作用，不佩戴时，可置于头上，防止遗失。记忆眼镜68防火烟灰缸日本研制出用记忆金属制造的烟灰缸，可自动将吸烟者置于烟灰缸边上的香烟熄火。这种烟缸利用记忆金属随温度变形的特点，当香烟燃至一定的程度，处于水平状态下的金属片外端就会自动抬起，使烟头