智能材料与智能结构讲稿.ppt

智能材料与智能结构智能材料与智能结构讲稿讲稿21世纪的材料科学技术信息功能材料仍是最活跃的领域信息材料：信息获取、传输、转换、存储、显示或控制所需材料新能源材料的研究将加速可再生能源的开发新能源材料：实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术所需的关键材料（储氢电极合金、锂离子电池材料、太阳能电池材料环境材料将日益受到重视环境材料是具有满意的使用性能同时又被赋予优异的环境协调性的材料。对环境污染小、再生利用率高221世纪的材料科学技术高性能结构材料的研究和开发是永恒的主题高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀、抗磨损纳米材料将成为21世纪初最为活跃的领域生物材料将有很大的发展人体的相容性，人体器官321世纪是智能材料时代1.材料科学与技术已为智能材料的诞生奠定了基础。先进复合材料（层合板、三维及多维编织）的出现，使传感器、驱动器合微电子控制系统等复合或集成成为可能，也能与结构融合并组装成一体。复合材料时代为智能材料的出现奠定了基础。2.对功能材料特性的综合探索【如材料的机电（即机械能电能的互相转换）耦合特性、热机耦合特性等】及微电子技术、计算机技术的飞速发展，为智能材料所涉及的材料的耦合特性的利用、信息处理和控制打下了基础。3.军事需求与工业界的介入使智能材料与结构更具有挑战性、竞争性和保密性，使它成为高技术、多学科综合交叉的研究热点，而且也加速了它的实用化进程。4.设计理念的变革，人类对安全性及舒适性的要求越来越高，应用前景广阔。4智能材料定义智能材料就是指模仿生命系统，具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，并能实时地改变自身的一种或多种性能参数，作出所期望的，能与变化后的环境相适应的复合材料或材料的复合。智能材料要求材料体系集感知、驱动和信息处理于一体，形成类似生物材料那样的具有智能属性的材料。智能性材料应该满足下列条件：（一）材料特性随着使用环境条件的变化而变化，其变化方向对人类来说是有利的。（二）材料特性变化之能源，不是来自于材料之外而是来自于材料本身。智能材料是一个开放系统，它需要不断从外界环境输入能量或（和）物质来动态调节对外界的适应能力，以维持其类似于生物体的活性智能材料具有对环境的判断和自适应功能；具有自诊断功能；具有自修复功能；具有自增殖功能5智能材料人工合成的智能型复合材料称为智能材料，也称为机敏材料。根据响应方式不同，机敏材料可以分为主动控制式和被动控制式两种：1主动控制式机敏材料主动控制式机敏材料具有先进和复杂的功能，可自动检测材料的动力和静力，在允许范围内比较测定结果，经过筛选确定适当的响应，控制不希望出现的动态特性。2被动控制式机敏材料被动控制式机敏材料只能传输传感器所感受到的信息（如位移、应变、温度、压力、加速度等），这种机敏材料的结构简单，属于低级智能材料。智能材料并非一定是专门研制的一种新型材料，大多是根据需要选择两种或者多种不同的材料按照一定的比例以某种特定的方式复合起来，或者是材料集成，即在所使用的材料构件中埋入某种功能材料或器件，使这种新组合材料具有某种或多种机敏特性甚至智能化。6智能材料的内涵内涵：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、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、核辐射等应力、应变、化学、核辐射等；小鸟感知到气流的变化，所以它的翅膀作出调整以适应这种变化，作为智能材料也必须具有具有信息传输功能，能够按照设定的优化方式选择和控制响应具有驱动功能，能够响具有信息传输功能，能够按照设定的优化方式选择和控制响应具有驱动功能，能够响应外界变化应外界变化；小鸟的翅膀作出调整，是为了节能，作出的动作是对它有利的。同样，智能材料随着使用环境条件的变化而变化，其变化方向对人类来说是有利的。小鸟是随着风而动，由风的变化而变化，也就是说它的反应非常灵敏、及时、恰当。对于智能材料来说也是这样具有对环境变化作出响应及执行的功能具有对环境变化作出响应及执行的功能反应比较灵敏、及时和恰当反应比较灵敏、及时和恰当否则，就失去了其智能特性。当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态材料必须具备的两个要点，就是它的使用性和经济性，当外界的刺激消除后，智能材料必须能够复原，否则它的造价将是非常昂贵，失去了作为材料的条件。所以7智能材料的特征（1）传感功能（）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。（2）反馈功能（）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）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。（4）响应功能）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。用智能材料制成的飞机机翼，就可以像鱼尾巴一样行动自如，自行弯曲、自动改变形状，从而改进升力和阻力，使飞机飞得更高、更快。8智能材料的特征（5）自诊断能力（）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。（6）自修复能力（）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。自我修复的桥梁、烟囱（7）自调节能力（）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9智能材料的构成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。（2）敏感材料）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。（3）驱动材料）驱动材料在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和应力，它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。（参见p5表1-1，p6图1-4）（4）信息处理材料）信息处理材料包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。10智能材料的基本构成和工作原理对比P4，图1-2，p5图1-3，11传感器分类物理量传感器化学量传感器生物量传感器12物理量传感器1电学量传感器电学量传感器（电流传感器、电压传感器、电场强度传感器）2磁学量传感器磁学量传感器（磁场强度传感器、磁通密度传感器、磁阻传感器）3光学量传感器光学量传感器（可见光传感器、红外线传感器、图像传感器、激光传感器）4力学量传感器力学量传感器：压力传感器（微压力传感器、差压力传感器、静压力传感器、动压力传感器、负压力传感器），应变传感器，力传感器（重力传感器、力矩传感器、应力传感器、强力传感器），位置传感器，速度传感器（线速度传感器、角速度传感器、流速度传感器），加速度传感器（角加速度传感器、冲击加速度传感器、振动加速度传感器），位移传感器（线位移传感器、角位移传感器），几何量传感器（面积传感器、厚度传感器、容积传感器、形状传感器、粗糙度传感器），物理量传感器（密度传感器、黏度传感器、硬度传感器）5热学量传感器热学量传感器：温度传感器、热流传感器、热导传感器、6声学量传感器声学量传感器：超声波传感器、声压传感器、噪声传感器、表声波传感器7辐射传感器辐射传感器：X射线传感器、射线传感器、射线传感器13化学量传感器离子传感器离子传感器：酸度值传感器、离子活度传感器、离子浓度传感器氧体传感器氧体传感器湿度传感器湿度传感器：湿度传感器、水分传感器、露点传感器露点传感器14生物量传感器生理量传感器生理量传感器：生理化学量传感器（血液成份传感器、激素成份传感器），生理机械量传感器（心律传感器、血压传感器、气管阻力传感器、肌肉张力传感器），生化量传感器（血红蛋白传感器、尿素蛋白传感器）生物量传感器生物量传感器：葡萄糖传感器，甲烷传感器，谷氨酸传感器，头孢菌素传感器，耗氧量传感器组织传感器组织传感器酶传感器酶传感器免疫传感器免疫传感器15智能材料的分类智能材料的分类按功能来分为：光导纤维形状记忆合金压电材料电（磁）流变体电（磁）致伸缩材料基本组元机敏材料16敏感材料和传感器可感测非电量(环境参数)的变化，并以电信号的形式输出，但是，输出电信号还不能完全应答环境的刺激，常常还需要执行一些动作，完成一些驱动，这是驱动(执行)材料的任务。常用的驱动材料有压电材料、形状记忆合金、电流变体和磁流变体、磁致伸缩材料和电致伸缩材料。17智能材料的分类智能材料的分类按来源来分，智能材料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：1.金属系智能材料金属系智能材料：形状记忆合金；形状记忆复合材料2.无机非金属系智能材料无机非金属系智能材料：电流变体；压电陶瓷；光致变色材料；电致变色材料3.高分子系智能材料高分子系智能材料：刺激响应性高分子凝胶；智能高分子膜材；智能高分子粘合剂；智能型药物释放体系；智能高分子基复合材料18形状记忆合金神奇的故事:1.在一次新材料的研讨会上，一位教授手持一个盛有水的玻璃瓶，上面插有一只漂亮的用纸做的蝴蝶，他走上讲台一言未发，从容的掏出打火机把瓶子加热，不一会只见蝴蝶的翅膀飞舞起来，这一试验引起了与会者的极大兴趣；2.一团被压缩得杂乱无章的金属丝，顷刻便呈现出清晰的“镍钛合金”字样；3.一件看上去再普通不过的衬衣，在它被揉成小球之后，只要用吹风机轻轻一吹，衣服便神奇般地恢复笔挺，而当天气变热时，袖子竟自动变短；4.一台转个不停的发动机，它不烧油，不烧天然气，也不用电，靠的仅仅是温水！这些不是魔术，而是一种有“记忆能力”的合金在作怪。原来在蝴蝶下面有一根所谓的“形状记忆”合金丝，这根丝随着水温的升高和降低会突然伸长或缩短。(所谓形状记忆合金是指合金经变形后，在一定的条件下，仍能恢复至原始形状的现象)。那团杂乱无章的金属丝原本就是弯曲成“镍钛合金”字样的合金丝；那件奇特衣服的纤维，是由五条尼龙线绕上一条镍钛合金丝织成的；那台靠温水转动的发动机的动力部件，用的也是镍钛合金19人的记忆与金属的记忆人的记忆与金属的记忆经历某一事件，在脑海里留下了印象遗忘（刺激：物、人、境）重新记忆再看一看这种金属：初始形状另外一种形状(低温)（刺激：热、应力）初始形状20记忆合金的发现在1962年，在美国海军研究所军械研究室里，几个专家正致力于一种新型武器的研究。在加工、制作一个部件时，冶金学家比勒需要一些镍钛合金丝。于是他命令助手去取一些来。助手遵命来到仓库，只见仓库内所有的镍钛合金都是弯弯曲曲的，没有一根是直的。助手把一根根镍钛合金拉直，交给比勒。比勒顺手把它们放在搁板上。几天后，当比勒需要这些镍钛合金丝时，他惊奇地发现，这些合金丝又变成弯弯曲曲的样子了。他又叫助手把镍钛合金拉直，然后再将它们放在原来的地方。一段时间后，这些合金又鬼使神差般地变成了曲线状。“这是怎么回事呢?”比勒对放置合金丝的周围环境进行认真的观察，证实周围没有存放特殊的化学物质，也不存在电场或磁场。最后，比勒发现放置镍钛合金丝的地方特别热。原来，在搁板下有一根蒸汽管道通过。比勒马上着手做了一个试验：将一根笔直的镍钻合金放在酒精灯上方，慢慢地加热。不一会儿，奇迹果然出现了：这根合金丝恢复了弯弯曲曲的样子!21已发现的记忆合金已研制成几十种有“记忆”能力的合金：银镉合金、铜锌铝合金、镍铝合金，金镉、银镉合金、铜锌铝合金、镍铝合金，金镉、钛钴、钛铁、锆铷等。钛钴、钛铁、锆铷等。其中最具实用价值的是镍（51%）钛（49%）合金,科学上将这种材料称为镍钛诺。这些合金具有“热记忆”和“冷记忆”的特征，科学上称它们为“记忆合金”。22形状记忆合金(ShapeMemoryAlloys，SMA)定义定义：在高温下处理成一定形状的金属急冷下来，在低温相状态下经塑性变形为另一种形状，然后加热到高温相成为稳定状态的温度时，通过马氏体逆相变恢复到低温塑性变形前的形状的现象称为形状记忆效应。是指材料在一定条件下变形，被加热至一定温度后，其形状可自动恢复的功能。具有这种效应的金属，通常是由两种以上的金属元素构成的合金，故称为形状记忆合金(SMA)。23金属金属“记忆记忆”的奥秘的奥秘在室温下，一根镍钛丝像钢一样坚硬。但一浸入冷水，它就突然变得柔软，你可以轻轻松松地把它弯成各种形状。再浸入热水中时，它又会像突然苏醒过过来一样，狠狠地弹回到原来的形状。在一定的温度范围内，“记忆合金”内部有一种特殊的可逆结构。当记忆合金受到很大的外力作用时，内部的金属原子被迫离开自己原来的位置，迁移到邻近的位置上，并暂时留在这个位置。（冻住了，马氏体）这时，我们肉眼看到的就是记忆合金改变了它的形状。如果把这变了形的合金加热（浇热水或强光照射），那么金属原子由于获得了运动所需的足够能量，同时在原结构力的作用下，就会重新回到原来的位置上去，恢复原来的形状。（解冻了，奥氏体）24形状记忆合金的记忆机理相变:温度诱发马氏体应力诱发马氏体这类合金存在着一对可逆转变的晶体结构。马氏体相和奥氏体相。这类合金在被加热时和冷却时是不同的，虽然外表没有变化，然而在一定温度下，金属原子的排列方式会发生突变，这称为相变。25温度诱发马氏体比如含有Ti和Ni各为50的记忆合金，有两种晶体结构，一种是菱形的（马氏体），另一种是立方体的（奥氏体），这两种晶体结构相互转变的温度是一定的。高于这一温度，它会由菱形结构转变为立方体结构；低于这一温度，又由立方体结构转变为菱形结构（如图）。(参见P106页图4.1、图4.2）晶体结构类型改变了，它的形状也就随之改变。这种由温度引起的相变热弹性马氏体相变。表现出来的就是，形状记忆合金在一定温度下成形后，能记住自己的形状。当温度降到一定值（相变温度）以下时，形状记忆合金会发生相变，其内部的原子排列方式发生变化，使其形状发生改变；但当温度再升高到相变温度以上时，形状记忆合金会自动恢复它原来的形状。SMA在加热时产生的回复应力非常大，可达500MPa。26温度诱发马氏体形状记忆合金的晶体结构(相结构)随温度的不同而异，一般将低温下的相(结构)称为马氏体相(简称为M)，高温下的相称为母相或奥氏体相(简称为A)。温控记忆合金是依靠M与A之间的可逆相变实现形状的记忆的。形状记忆效应可定义为：将处于M相的合金进行一定程度的变形，然后将其加热到A相，合金将回复到变形前的形状与体积，称这种现象为形状记忆效应、称具有这种效应的材料(合金)为形状记忆材料(合金)。参见P108图4.3）27形状记忆效应机理28应力诱发马氏体Stress-InducedMartensite在相变温度以上对合金施加外力也能引起马氏体相变所形成的马氏体为应力诱发马氏体。其持点是当除去外力时马氏体消失，产生一种力学型形状记忆。（外观上表现为超弹性特性，例如眼镜架。）换句话说，无温度变化，在应力作用下合金发生马氏体相变，一旦应力消失，马氏体就变得不稳定，回到它原来的状态。它的相变驱动力是机械能。而不是热能。形状记忆合金的机械性质优良，能恢复的形变可高达10，而一般金属材料只有0.1以下。29弹性马氏体弹性马氏体热弹性马氏体和应力诱发马氏体统称为弹性马氏热弹性马氏体和应力诱发马氏体统称为弹性马氏体。只有弹性马氏体相变才能产生形状记忆效应。体。只有弹性马氏体相变才能产生形状记忆效应。SMA这种可响应温度、外力变化而产生的超弹性特性，从微观来看，是对环境刺激的自适应，即通过调整内部结构来适应外界条件。这种特性在许多智能材料和智能机械系统的设计中有重要价值。30弹性马氏体弹性马氏体一般而言，SME与M相和A相之间的可逆相变有关。设从A到M的开始转变温度为MS，终了温度为Mf，从M到A的开始温度为AS，终了温度为Af，则当相变热滞很小、一般为几度到几十度时，相变是可逆的，即M板条可随温度的下降(升高)而可逆地生长(收缩)，称这种M为热弹性马氏体。若M板条随应力(应变)的增大(减小)而可逆地生长(收缩)，则称这种M为应力(应变)弹性马氏体。凡能随外界条件的变化而可逆地伸缩的M统称为弹性马氏体。弹性M中从M到A之间的相变是通过M与A之间相界面的可逆移动，或者是孪晶界面的可逆移动实现的，故一般希望M中的亚结构为孪晶，位错密度尽可能低。31形状记忆合金的性能（1）超弹性特性（伪弹性，机械形状记忆效应。参见P110图4.6）形状记忆合金的机械性质优良，能恢复的形变可高达10，而一般金属材料只有0.1以下，几乎高出普通金属材料弹性应变两个数量级,可用来提高材料的冲击韧性将编制成网状的NiTi合金丝贴在高分子材料表面，明显提高了冲击韧性。这是因为：在冲击过程中，产生了马氏体相变（应力诱发的马氏体相变），消耗了大量的能量，并且由于NiTi合金丝具有均载荷传递性，（类似蜘蛛网）使冲击能量分布至整个复合材料中，导致冲击后的塑性变形很小。这个试验的意义非同一般，预示着在高科技领域中，高分子材料取代金属材料的可能性。（2）单程形状记忆效应(OneWayShapeMemoryEffectOWSM)形状记忆合金在较高温度下制成某种形状，在低的温度下任意变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。但重新冷却时，合金不能恢复低温时的形状。OWSM是指合金加热到Af以上温度后，M逆转变到A，恢复高温时形状，但降温发生A到M转变时，不再发生形状变化，仍保留高温形状。利用这种记忆效应可制作一次性的紧固件、连接件和密封垫，通过配合其他元件，也可制作具有双向行程的元件。（参见P108图4.4）32形状记忆合金的性能（3）双程形状记忆效应双程形状记忆效应(TwoWayShapeMemoryEffectTWSM)某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。TWSM是指合金加热到Af以上温度时，会恢复高温时的形状，冷却到Mf以下温度时，会恢复低温时的形状，如此反复进行。一般而言，合金需经过一定的训练才具有TWSM。具有TWSM的合金可用于制作各种驱动器。（4）全程形状记忆效应全程形状记忆效应(All-roundShapeMemoryEffectARSM)加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。（参见P109图4.5）三种记忆效应如下图所示。33形状记忆合金的应用形状记忆材料是智能材料一个重要的分支。形状记忆材料自身具有优异的性能，诸如形状记忆效应，伪弹性或高的回复形变，良好的抗震性和适应性。形状记忆效应是指可通过热、化学、机械、光、磁或电等外加刺激，触发材料响应，从而可能改变材料的技术参数，诸如形状、位置、应变、硬度、频率、抗震、摩擦等动态或静态特征。到目前为止，具有形状记忆效应的材料有记忆合金、陶瓷、高聚物、凝胶。由于形状记忆材料容易制成薄膜、纤维或线、颗粒等形式，容易与其他材料结合形成复合材料，其发展越来越受到重视34形状记忆合金的应用（1）记忆合金最令人鼓舞的应用是在航天技术中记忆合金最令人鼓舞的应用是在航天技术中1969年7月20日，“阿波罗”11号登月舱在月球着陆，宇航员登月后，在月球上放置了一个半球形的直径数米大的天线，用以向地球发送和接受信息。数米大的天线装在小小的登月舱里送上了太空。天线就是用当时刚刚发明不久的记忆合金制成的。用极薄的记忆合金材料先在正常情况下按预定要求做好，然后降低温度把它压成一团，装进登月舱带上天去。放到月面上以后，在阳光照射下温度升高，当达到转变温度时，天线又“记”起了自己的本来面貌，变成一个巨大的半球形。形状记忆合金可以用作航天器上的轻型温度控制调节器。在太空中形状记忆合金可以被用来在航天器发射之后释放太阳能电池板35形状记忆合金的应用利用镍-钛(Ni-Ti)系形状记忆智能材料研制试验了宇宙飞船的无线电通信天线，其制法和应用的示意图如图6所示。首先前Ni-Ti合金丝加热到65高温，使其转变为奥氏体物相(图中a)，然后将合金丝冷却，冷却到65以下合金丝转变为马氏体。在室温下将马氏体合金丝切成许多小段，再把这些合金丝弯成天线形状，并将天线中各小段相互交叉处焊接固定(图中b)，然后把这天线压成小团，使天线的线度减小到十分之一，以便于宇宙飞船携带(图中c)。当需要使用天线时，只需把这天线小团加热到77，使马氏体完全转变为奥氏体，天线便会自动张开，完全恢复天线原来的大小和形状(图中d)36形状记忆合金的应用（2）机械领域方面的应用用记忆合金制成的汽车车身，如车身被撞瘪，只要用开水浇注凹陷的地方，车身在较高温度作用下，就能恢复原来的形状。因为记忆合金“记下”自己在较高温度下被制成的车身形状。我们完全可以设想：假如用记忆合金材料造一辆赛车，那么，即使车被撞得面目全非，只要烤烤火或者泡个热水澡，“报废”的赛车就会像瘪了的乒乓球一样恢复原样，重新上路！记忆合金材料夹制在汽车轮胎中，紧急刹车，摩擦生热，使加在轮胎中的合金丝动作，从而有效刹车。37形状记忆合金的应用记忆合金的出现，也导致了许多记忆合金部件或装置的发明。利用单程形状记忆效应的单向形状恢复。如管接头、天线、套环等。形状记忆合金的最早应用是在管接头和紧固件上。用形状记忆合金加工成内径比欲连接管的外径小4的套管，然后在液氮（200多）温度下将套管扩径约8，装配时将这种套管从液氮取出，把欲连接的管子从两端插入。当温度升高至常温时，套管收缩即形成紧固密封。这种连接方式接触紧密能防渗漏，远胜于焊接，特别适合用于航空、航天、核工业及海底输油管道等危险场合。美国航空专家用记忆合金制成各种机械接头。这种机械接头是在较低温度下，将两个管子扣在一起。在常温下，由于记忆合金恢复原形，从而使接头紧锁在一起，绝不会脱开。1970年，这种接头被应用在F-14型战斗机上（油压系统的镍钛合金管接头），已使用了数百万只；美国海军使用的镍钛合金管接头至今已30万个以上；尚未有漏油或失事的报告。38机械领域方面的应用NiTi记忆合金复合材料提高冲击韧性：产生残余压应力，或者利用应力诱发A-M相变吸收能量，提高韧性。NiTi记忆合金主动控制裂纹产生和扩展：NiTi记忆合金电阻率大且对应变敏感，可做成电阻应变片，实现对裂纹和损伤的主动探测和控制；利用记忆合金的回复力使裂纹闭合。NiTi合金主动控制振动：NiTi记忆合金可灵敏地感知振动，通过对NiTi合金加热或者冷却产生驱动力，可有效控制振动（参见P134图4.31）。加热或冷却需要时间，尽限于控制低频振动。39形状记忆合金的应用（3）形状记忆合金在能源开发上也是大有作为的早在1973年，美国就制成了镍钛形状记忆合金热机（热发动机）。美国发明家班克斯用记忆合金制成一台热机。这台热机利用记忆合金丝在温度相差几十度的水中的形状变化，从而输出功率。它既不需要燃料，也不需要电能，而且不排放废气。它的问世，轰动了世界。目前科学家正在做进一步的研究，以使它早日得到应用。近年来，世界各国研制的形状记忆合金热机大都是回转式的，其中以日本研制成的热机具有代表性。这种形状记忆合金热机有两个直径不同的链轮，链轮上配有一条环形链条。作为传动带的环形链条是用形状记忆合金制成。当环形链条的一侧通过热水加热时，链条便恢复原形，即由于形状记忆合金效应而收缩，使得链条另一侧产生拉力，从而引起链轮转动。而当收缩的链条转到另一侧时，受到冷水冷却便变软而伸长。如此反复加热和冷却，就会使记忆合金链条反复缩短和伸长，结果导致链条带动链轮旋转，即可产生机械力。它的转速达每分钟1000转。40形状记忆合金的应用（4）电子仪器方面的应用在电子仪器方面，形状记忆合金也大显身手，用它制成的各种电磁控制装置，不仅可取代许多电动器，简化结构，而且降低了成本。例如，自动电子干燥箱采用形状记忆合金后性能大为提高。利用形状记忆合金制成（热敏）驱动元件的自动电子干燥箱，由干燥室和内装干燥剂的干燥器组成。在干燥器和干燥室之间有一个闸门，而在干燥器的外侧还装有一个排泄湿气的闸门。在电子干燥箱处于低温时，干燥剂吸收空气中的湿气；而当加热器工作使温度升高时，形状记忆合金弹簧开始动作，关闭内闸门而打开外闸门，使干燥剂中的湿气往外排出，同时切断加热器电源。当温度降到一定值时，在偏压弹簧作用下使用形状记忆合金弹簧复原，同时关闭外闸门，并打开内闸门吸湿和接通加热器电源。这样，两个闸门在形状记忆合金弹簧的控制下，交替地打开、关闭，自动地完成了干燥工作。这种干燥箱的闸门开闭器，采用了镍钛形状记忆合金弹簧和偏压弹簧构成的热敏元件，代替了常用的电磁元件，使干燥箱的体积减小重量减轻，而干燥能力却大为提高。使用形状记忆合金制作的驱动器，可以在低电压、小电流的条件下进行工作，既安全又省电，用一节小号电池就可控制它的开关活动达4万次以上，有些国家已经将这种小巧玲珑的部件用在微型机器人上。41形状记忆合金的应用（5）用于温度控制器形状记忆合金具有感知温度和驱动的双重本领，而所需要的热能可以直接取自周围环境，因而形状记忆合金可制成理想的温度控制装置，用来取代传统的控温装置，使自动控制器不仅能小型化、无声化，而且可提高效率、节约能源和降低成本。例如，现在已将形状记忆金用于灯光调节和遥控门窗开关等方面，取得了较好的效果。电加热水壶手柄控制器（P138图4.36）：水开后，蒸汽吹至记忆合金制作的弹簧上发生马氏体向奥氏体相变，弹簧伸长带动按钮推开电触头，自动切断电源。外因性双向记忆恢复。即利用单程形状记忆效应并借助外力随温度升降做反复动作，如热敏元件、机器人、接线柱等。内因性双向记忆恢复。即利用双程记忆效应随温度升降做反复动作，如热机、热敏元件等。但这类应用记忆衰减快、可靠性差，不常用。42NiTi形状记忆合金温度传感驱动器的原理及应用形状记忆合金温度传感驱动器的原理及应用偏置式双程SMA动作元件(a)及其动作原理(b)(a)43既可以利用单程形状记忆效应、也可以利用双程形状记忆效应制作具有双程动作特性的驱动器。用具有单程SME的元件与其他部件组合在一起实现双向动作特性的方式称为偏置(压)式，用两个或两个以上形状记忆合金组合在一起实现双向动作特性的方式称为差动式。两种方式均利用了SMA在P相时高的屈服应力和M相时低的屈服应力的特点。其工作原理可用上图说明。记忆合金丝的下端吊挂一重量为FB的重锤(图a)，重锤给记忆合金一个偏置力。设合金在P时的屈服力为FP，在M时的屈服力为FM，则偏置力FB必须满足：在低温时，由于FBFM，故合金丝被重锤拉长，高温时，由于FB7；氢键形成，网络大分子链间形成配合物，即缔合脱溶胀；PH7；氢键解离，网络大分子链间解离配合物，即分开溶胀。245化学物质响应凝胶有些凝胶的溶胀行为，会因特定物质的刺激（如糖类）而发生突变。例如药物释放凝胶体系可依据病灶引起的化学物质（或物理信号）的变化进行自我反馈，通过凝胶的溶胀与收缩控制药物释放的通、断。例如：胰岛素药物释放体系。246应用高分子凝胶的智能化表现在以下几方面。当外部环境的pH、离子强度、温度、电场以及环境中所含有的其他化学物质发生变化时，高分子凝胶即呈现出“刺激应答”状态。例如在高分子凝胶中出现相转变，表现为网络的网孔增大、网络失去弹性、网络的体积急剧变化（可变化几百倍之多），甚至在三维网络结构中不再存在凝胶相。而且这些变化是可逆的和不连续的。上述这些变化使高分子凝胶的体积既可以发生溶胀，又可以收缩，利用这种性质，可以设计出什么样的智能材料呢？247应用1、人工肌肉凝胶可作为与外界进行能量、物质、信息交换的开放体系，环境变化的信息输入可使其产生非线性的形状和性能变化，进而能将化学能或物理能转变为机械能，成为运动功能材料，即人工肌肉。其推动力就是凝胶内部和外界环境的化学位差，所引起的水和溶质的进出使形状发生变化。人体和其他动物，实际上都是由许多智能材料组成的，人们模仿人体和其他动物的肌肉，研制出一系列人工肌肉。有这样一种装置，它具有肌肉的功能，这种人造肌肉制成的机械手类似于智能机器人的手，能够拿东西。现在我们完全可以看出，这种人造肌肉是被谁指令的？那就是上面指出的依据外部环境的各种物理性质和化学性质发生的变化而变化的智能凝胶。虽然此类凝胶的响应速率已得到改善，但仍不够快，距离人工肌肉的商品化还有很大差距。248人工肌肉科学家将聚丙烯腈纤维热处理后加水分解，制成了氰基和吡啶环共存的两性凝胶纤维。将其水解后，氰基变成羧基，成为两性凝胶纤维。交替地加入酸和碱，该纤维可发生交替的收缩和溶胀，将化学能转化成机械能。由于这类凝胶纤维的溶胀长度变化约为80，而收缩响应变化时间不到2秒，因此有望作为人工肌肉而应用。有人以射线和电子辐射交联制备的聚乙烯基甲基醚水凝胶，与赋形用的高分子混合，制成多孔泡沫状的人工肌肉模型，当交替供给冷热水时，凝胶反复溶胀与收缩，模型可产生2.94mN的收缩应力，相当于肌肉的1/101/3，其伸缩动作时间1s。（人类肌肉的收缩应力0.3Mpa,时间为0.1s）最近，美国学者装备出能在100ms内响应电脉冲的凝胶，这一时间相当于人类肌肉得到脑神经的电信号收缩所需的时间。日本仿效人体胳膊的肌腱，研制了一种由外部温度变化后而发生伸缩的智能材料，这种材料叫做“聚乙烯甲醚高分子”，呈冻胶状，将它加工成直径约0.2mm的细丝，并将1000条以上的这种细丝捆扎成束制成了温度敏感性的人造肌肉。，当用40的热水加热其表面时，成束的高分子就像肌肉那样收缩起来。这种智能材料可以使肌肉萎缩者的功能得到恢复。249应用2、刺激响应分离凝胶一般分离方法要使用大量有机溶剂，而且分离条件剧烈，在分离蛋白质等物质时会使其失去活性。采用智能凝胶准备刺激响应分离膜，可在水性体系中通过微弱刺激进行吸附脱附分离。例如：环境工程中的应用污水处理中产生大量污泥一直是环境工程中的大问题。污泥中含有大量的水，机械脱水耗能巨大。日本学者用聚乙烯基甲基醚（PVME）凝胶海绵吸收污泥中的水分，污泥脱水后得到浓缩，分离再生吸水溶胀的凝胶可循环利用，污泥则连续脱水250环境工程中的应用251环境工程中的应用近年来，日本学者采用厚度为10mm的PVME凝胶海绵在脱水装置中处理食品加工厂排出的（150002000）106高浓度活性淤泥，脱水时间10min，凝胶含水率为88，而脱水后的淤泥的含水率很低。由于该过程没有使用其他助剂，脱水后的淤泥可得到有效利用252环境工程中的应用田中丰一等人还开发了能选择性识别、吸附和释放如铅离子等有毒重金属离子的凝胶。它由丙烯酸和异丙基丙稀酰胺共聚而成，低于37时溶胀，加热至50急剧收缩。由于该水凝胶含有螯合基团（丙烯酸单元上含有的羧基），可与二价离子形成配合物。凝胶溶胀时此类基团间的间距增大，加热时凝胶收缩，基团靠拢二形成铺获金属离子的特性位点，凝胶再次溶胀释放出截留的金属离子，从而达到分离的目的。此外，如果所截获的金属离子不同时，凝胶的相转变温度有所变化，这就使该凝胶在水处理中具有广阔的应用前景。253分离蛋白质前面介绍过的PIPAm就是一个典型的例子，其脱水温度为32。有一定交联度的PIPAm凝胶微球分散液中，PIPAm粒径随温度发生变化，在临界点32左右粒径随温度的变化而溶胀或收缩的程度尤为显著。换言之，可认为该微球具有室温吸收水，而高温吐出水的能力，可用来浓缩各种蛋白质。微球的这种特性可以说很有实用价值。254应用3、智能药物释放功能材料给药方式以及药品配置一直是药剂师的事，然而，人们逐渐认识到药物疗效和毒、副作用是药物释放需要考虑的最重要的问题。一般的给药方式，使人体内的药物浓度只能维持较短时间，血液和体内组织中的药物浓度上下波动较大，时常超过药物最高耐受剂量或低于最低有效剂量。这样不但起不到应有的疗效，而且还可能产生毒副作用，在某些情况下甚至导致医原性疾病或损伤，这就促使人们对控制给药或程序化给药进行研究。255应用智能材料的出现，特别是智能凝胶的发展，为智能药物释放体系提供了研究和应用基础。我们知道，智能凝胶就是对外界刺激敏感，发生体积变化。所谓体积变化，就是溶胀与收缩，那么溶胀与收缩又是什么？吸附与脱附。理解了这点，就容易理解智能药物释放体系。智能药物释放体系对药物的投放，从用量、时间和空间上进行控制。它不仅具有一般控制体系的优点，而且最重要的是能根据病灶信号而控制的脉冲释放。使用智能高分子材料作为药物释放载体，并集传感、处理、执行功能于一体，就能感知外界刺激从而作出响应，使药物在需要时才被释放，不需要时停止释放，从而达到药物控制智能化的目的。256脉冲释放技术脉冲释放技术田中丰一教授的GelScience/GelMed公司生产出一种凝胶。该凝胶可响应温度的变化。其低浓度水溶液在室温下呈流体状态（收缩），而在体温下变得粘稠（溶胀）。此类凝胶还能和生物组织粘连，而且对剪切力敏感。可将这类凝胶作为常效眼药水、鼻腔喷剂和防晒霜的载体使用。一般眼药水很快被泪水稀释，而这种凝胶以液体状滴入眼睛后，响应眼内的较高温度变得粘稠，又由于具有对剪切力敏感的特性，当每次眨眼时又变成流体状，从而在眼内完全铺展开，保持药物释放数小时。此类凝胶是抗青光眼和消炎药物的眼内施药和减充血剂、激素鼻腔给药的良好载体。257智能药物释放体系智能药物释放体系糖尿病是当今世界各国的一种多发病，发病率高达2，世界糖尿病患者已数以亿计，我国也达到1200万之多。正常人机体胰岛素的释放受机体反馈机制调节，以维持血糖水平的正常范围。糖尿病患者则需要注射胰岛素来控制血糖水平，但是注射胰岛素的方法不能完全维持体内葡萄糖的代谢水平。过量用药会引起低血糖危及生命。许多研究者认为，传统的胰岛素注射治疗不能避免视网膜损伤、神经性疾病、肾病等糖尿病并发症的发生，所以，人们一直在寻求新的治疗方法，在对糖尿病的治疗中已经采用了多种手段。为使胰岛素用量控制在适宜水平，人们根据对响应性凝胶的研究3，设计出对葡萄糖响应的胰岛素给药系统。这里向大家介绍的是葡萄糖响应胰岛素释放体系。即：在这一类凝胶中包含有胰岛素，在血糖浓度低时，胰岛素被束缚在凝胶中不能扩散到凝胶外的血液中。在血糖浓度高时，葡萄糖扩散进入凝胶将胰岛素替换下来进入血液发挥药效。胰岛素释放体系的响应性是借助多价羟基于硼酸基的可逆键合。258智能药物释放体系智能药物释放体系对葡萄糖敏感的传感部分是含苯基硼酸的乙烯基吡咯烷酮共聚物。其中硼酸于聚乙烯醇的顺式二醇键合，形成结构紧密的高分子配合物。当葡萄糖分子渗入时，苯基硼酸和聚乙烯醇间的配合物被葡萄糖取代，上述大分子间的键解离，溶胀度增大.这种具有三维网络结构的高分子凝胶的溶胀行为还可以由于糖类的刺激而发生突变，这样，高分子溶胀行为将受到葡萄糖浓度变化的指令。因此，这种高分子配合物可作为胰岛素的载体，来负载胰岛素。形成半透膜包覆药物控制释放体系。在此体系中随着葡萄糖浓度的变化，高分子凝胶将作出响应，执行释放胰岛素的命令，从而有效地维持糖尿病患者的血糖浓度处于正常。也就是说，它能传感葡萄糖浓度信息，从而执行了药物释放功能。259智能药物释放体系智能药物释放体系根据在不同pH下高分子凝胶共聚物的溶胀度、渗透压变化不同，人们还设计出pH敏感给药系统4，使达到靶向给药、控制释放浓度的效果；对治疗某些发热，设计出根据体温变化给药的热敏给药系统5。此外，利用高分子制作的粘贴型外用药物和微胶囊等也都属于高分子载体药物。日本正在研制的用高分子聚碳酸酯与液晶结合而成的液晶膜或人工分离膜已在医药工业得到应用。比如，在医疗中，将薄膜做成胶囊状，把消炎剂放人里面，然后将胶囊埋入发炎部位，胶囊可依据患处发炎而引起的温度变化，及时释放出药剂，达到预期的治疗目的和治疗效果。在食品工业方面，利用人工膜可研制出“辨味机器