《智能材料与结构系统》教学第2章智能材料.ppt

智能材料智能材料【本章学习目标【本章学习目标】l掌握：l智能材料的定义与分类；智能材料的定义与分类；l典型智能材料的基本概念、特性与应用典型智能材料的基本概念、特性与应用 l了解：l智能材料的特征与功能；智能材料的特征与功能；l智能材料的设计思路。智能材料的设计思路。【本章教学要点【本章教学要点】知识要点能力要求相关知识智能材料的定义与分类掌握智能材料的定义与分类，了解智能材料的度量指标。功能材料智能材料的特征与功能掌握智能材料的特征与功能，了解智能材料的应用。材料性能学智能材料的设计思路了解智能材料的设计思路。仿生技术典型的智能材料掌握典型的智能材料的基本概念、特性与应用。形状记忆合金；压电陶瓷内容纲要及学时安排内容纲要及学时安排l建议学时：8学时1.智能材料的定义与分类智能材料的定义与分类（2学时）学时）2.智能材料的特征与功能智能材料的特征与功能（2学时）学时）3.智能材料的设计智能材料的设计 （2学时）学时）4.思路典型的智能材料思路典型的智能材料 （2学时）学时）行业背景行业背景智能材料智能材料l定义与分类定义与分类l特征与功能特征与功能l设计思路设计思路l典型的智能材料典型的智能材料智能材料的定义与分类智能材料的定义与分类l智能材料的定义l智能材料的分类l智能材料的度量指标智能材料的定义智能材料的定义l具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料。智能材料的内涵智能材料的内涵l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、核辐射等；智能材料的内涵智能材料的内涵l(2)具有驱动功能，能够响应外界变化；l(3)能够按照设定的方式选择和控制响应；l(4)反应比较灵敏、及时和恰当；l(5)当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。智能材料英文名称智能材料英文名称l l智能材料又可以称为敏感材料，常用的有以下几种：lIntelligent material、lIntelligent material and structure、Smart material、lSmart material and structure、Adaptive material and structure等。智能材料的分类智能材料的分类l智能材料智能材料是继是继天然材料天然材料、人造材料人造材料、精细材料精细材料之后的之后的第四代功能材料第四代功能材料。因为现在因为现在可用于智能材料的材料种可用于智能材料的材料种类不断扩大类不断扩大，所以，所以智能材料的分类智能材料的分类也只也只能是粗浅的，分类方法也有多种，能是粗浅的，分类方法也有多种，智能材料的分类智能材料的分类l分类标准l智能材料按自身结构智能材料按自身结构l智能材料按结构中的构成来分智能材料按结构中的构成来分l智能材料的功能智能材料的功能l智能材料的来源智能材料的来源智能材料的分类智能材料的分类l按自身结构 l（1）嵌入式智能材料（又称智能材料结构或智能）嵌入式智能材料（又称智能材料结构或智能材料系统）材料系统）l在基体材料中，嵌入具有传感、动作和处理功能的三种原始材料。传感元件采集和检测外界环境给予的信息，控制处理器指挥和激励驱动元件，执行相应的动作。智能材料的分类智能材料的分类l（2）有些材料微观结构本身就具有智能功能，能）有些材料微观结构本身就具有智能功能，能够随着环境和时间的变化改变自己的性能，够随着环境和时间的变化改变自己的性能，l如自滤玻璃、受辐射时性能自衰减的InP半导体等。智能材料的分类智能材料的分类l按结构中的构成来分 l（1）基体材料；）基体材料；l（2）敏感材料；）敏感材料；l（3）驱动材料；）驱动材料；l（4）信息处理器。）信息处理器。智能材料的分类智能材料的分类l若按若按智能材料的功能智能材料的功能来分，可以分为来分，可以分为光导纤维光导纤维、形状记忆合金形状记忆合金、压电压电、电流电流变体变体和和电（磁）致伸缩材料电（磁）致伸缩材料等。等。l若按若按智能材料的来源智能材料的来源来分，可以分来分，可以分为为金属系智能材料金属系智能材料、无机非金属系智能无机非金属系智能材料材料和和高分子系智能材料高分子系智能材料。智能材料的主要来源l目前研究开发的目前研究开发的金属系智能材料金属系智能材料主主要有要有形状记忆合金形状记忆合金和和形状记忆复合材料形状记忆复合材料两大类；两大类；l无机非金属系智能材料无机非金属系智能材料在在电流变体电流变体、压电陶瓷压电陶瓷、光致变色光致变色和和电致变色电致变色材料等材料等方面发展较快；方面发展较快；智能材料的主要来源智能材料的主要来源l高分子系智能材料高分子系智能材料的范围很广泛，的范围很广泛，作为智能材料的作为智能材料的刺激响应性高分子凝胶刺激响应性高分子凝胶的研究和开发非常活跃，的研究和开发非常活跃，l其次还有其次还有智能高分子膜材智能高分子膜材、智能高智能高分子粘合剂分子粘合剂、智能型药物释放体系智能型药物释放体系和和智智能高分子基复合材料能高分子基复合材料等。等。智能材料的度量指标智能材料的度量指标l(1)能够检测并且可以识别外界能够检测并且可以识别外界(或者内部或者内部)的刺激强的刺激强度的感知功能；度的感知功能；l(2)能够响应外界变化的驱动功能；能够响应外界变化的驱动功能；l(3)能够按照设定的方式选择和控制响应；能够按照设定的方式选择和控制响应；l(4)反应比较灵敏、及时和恰当；反应比较灵敏、及时和恰当；l(5)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。智能材料的特征和功能l 因为因为设计智能材料的两个指导思想设计智能材料的两个指导思想是是材料材料的多功能复合的多功能复合和和材料的仿生设计材料的仿生设计，所以，所以智能材智能材料系统料系统具有或部分具有如下的具有或部分具有如下的智能功能智能功能和和生命生命特征特征：l（1）传感功能（）传感功能（Sensor）l（2）反馈功能（）反馈功能（Feedback）l（3）信息识别与积累功能）信息识别与积累功能l（4）响应功能）响应功能l（5）自诊断能力（）自诊断能力（Self-diagnosis）l（6）自修复能力（）自修复能力（Self-recovery）l（7）自调节能力（）自调节能力（Self-adjusting）（1）传感功能（）传感功能（Sensor）l能够感知外界或自身所处的环境条件l如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学、核辐射等的强度及其变化。学、核辐射等的强度及其变化。(2)反馈功能Feedback）可通过可通过传感网络传感网络，对系统，对系统输入与输出输入与输出信息进行对比信息进行对比，并将其结果提供给，并将其结果提供给控制控制系统系统。(3)信息识别与积累功能l能够识别能够识别传感网络得到的各类信息传感网络得到的各类信息并将并将其积累起来。其积累起来。(4)响应功能 能够根据能够根据外界环境和内部条件变化外界环境和内部条件变化，适适时动态地时动态地作出相应的反应作出相应的反应，并采取必要并采取必要行动行动。(5)自诊断能力（Self-diagnosis）l 能通过能通过分析比较分析比较系统目前的状况与过去系统目前的状况与过去的情况的情况，对诸如，对诸如系统故障系统故障与与判断失误判断失误等等问题问题进行自诊断并予以校正进行自诊断并予以校正。（6）自修复能力（Self-recovery）l能通过能通过自繁殖自繁殖、自生长自生长、原位复合原位复合等等再再生机制生机制，来修补某些，来修补某些局部损伤或破坏局部损伤或破坏。（7）自调节能力（Self-adjusting）l 对不断变化的对不断变化的外部环境和条件外部环境和条件，能，能及及时地自动调整时地自动调整自身结构和功能，并相应自身结构和功能，并相应地地改变自己的状态和行为改变自己的状态和行为，从而使，从而使材料材料系统系统始终始终以一种优化方式以一种优化方式对外界变化作对外界变化作出恰如其分的响应。出恰如其分的响应。智能材料的应用智能材料的应用l智能材料是一种集材料与结构、智能处理、执行系统、控制系统和传感系统于一体的复杂的材料体系。它的设计与合成几乎横跨所有的高技术学科领域。主要包括：l建筑、飞机制造、医疗、军事。建筑、飞机制造、医疗、军事。智能材料的使用领域智能材料的使用领域1、军事领域军事领域2、住宅智能化、住宅智能化3、现代医学相联系的智能材料、现代医学相联系的智能材料 4、飞行器领域、飞行器领域1、在军事领域中的应用l智能材料智能材料用于军事，是用于军事，是随着智能材随着智能材料的发展料的发展不断发展的一个领域。不断发展的一个领域。l因为因为智能材料结构智能材料结构智能材料结构智能材料结构不仅象不仅象一般功能材料一般功能材料一般功能材料一般功能材料一样可以一样可以承承承承受载荷受载荷受载荷受载荷，而且它还具有了，而且它还具有了其他功能材料所不具备的其他功能材料所不具备的功能功能，即能，即能感知所处的内外部环境变化感知所处的内外部环境变化感知所处的内外部环境变化感知所处的内外部环境变化，并能，并能通过通过通过通过改变其物理性能或形状等做出响应改变其物理性能或形状等做出响应改变其物理性能或形状等做出响应改变其物理性能或形状等做出响应，借此，借此实现自诊实现自诊实现自诊实现自诊断、自适应、自修复等功能断、自适应、自修复等功能断、自适应、自修复等功能断、自适应、自修复等功能。l 所以，所以，智能材料智能材料在军事应用中在军事应用中具有具有很大潜力，它的研究、开发和利用，对很大潜力，它的研究、开发和利用，对未来武器装备的发展未来武器装备的发展将产生重大影响。将产生重大影响。l目前，在各种军事领域中，目前，在各种军事领域中，智能材智能材料的应用料的应用主要涉及到以下几个方面：主要涉及到以下几个方面：1、在军事领域中的应用、在军事领域中的应用（1）智能蒙皮l 例如，例如，作为智能传感元件的作为智能传感元件的光纤光纤用用于飞机机翼的于飞机机翼的智能蒙皮智能蒙皮中；中；l在在武器平台的蒙皮中武器平台的蒙皮中植入植入传感元件传感元件、驱驱动元件动元件和和微处理控制系统微处理控制系统制成的制成的智能蒙智能蒙皮皮，可用于，可用于预警预警、隐身隐身和和通信通信。目前美国在目前美国在智能蒙皮方面的研究智能蒙皮方面的研究包括：包括：美国美国弹道导弹防御局弹道导弹防御局为为导弹预警卫星导弹预警卫星研制含研制含有多种传感器的智能蒙皮；有多种传感器的智能蒙皮；美国海军则重点研究美国海军则重点研究舰艇用智能蒙皮舰艇用智能蒙皮，以提高以提高舰艇的隐身性能舰艇的隐身性能。舰艇用智能蒙皮舰艇用智能蒙皮美 国 麻 省 理 工 学 院 正 在 研 制 的 增 强型 主 动 降 噪 潜 艇 壳 体 模 型。（2）结构监测和寿命预测l智能结构智能结构可用于可用于实时测量实时测量结构内部的结构内部的应变、温度、裂纹，探测疲劳和受损伤应变、温度、裂纹，探测疲劳和受损伤情况情况，从而能够对结构进行，从而能够对结构进行监测和寿命监测和寿命预测预测。（2）结构监测和寿命预测）结构监测和寿命预测 例如，采用例如，采用光纤传感器阵列光纤传感器阵列和和聚偏氟聚偏氟乙烯传感器乙烯传感器的的智能结构智能结构可对可对机翼、机架机翼、机架以及可重复使用以及可重复使用航天运载器航天运载器进行进行全寿命全寿命期实时监测期实时监测、损伤评估损伤评估和和寿命预测寿命预测；（2）结构监测和寿命预测）结构监测和寿命预测l l空间站空间站等大型等大型在轨系统在轨系统采用采用光纤智能结光纤智能结构构，可，可实时探测实时探测由于交会由于交会对接碰撞对接碰撞、陨陨石撞击石撞击或其他原因或其他原因引起的损伤引起的损伤，对损伤对损伤进行评估进行评估，实施自诊断实施自诊断。（2）结构监测和寿命预测）结构监测和寿命预测l 正在研究的正在研究的自诊断智能结构技术自诊断智能结构技术有：有：光纤传感器光纤传感器自诊断技术；自诊断技术；l可以测量裂纹的可以测量裂纹的“声音声音”传感器传感器自诊断自诊断技术；技术；l可可监测复合材料层裂的传感器监测复合材料层裂的传感器自诊自诊断技术等。断技术等。（3）减振降噪l 智能结构智能结构用于航空、航天系统可以用于航空、航天系统可以消除系统的有害振动消除系统的有害振动，减轻对电子系统减轻对电子系统的干扰的干扰，提高系统的可靠性提高系统的可靠性。l如美如美国防高级研究计划局国防高级研究计划局资助波音资助波音公司研制的公司研制的直升机智能结构旋翼叶片直升机智能结构旋翼叶片，可以改善可以改善旋翼的空气动力学性能旋翼的空气动力学性能，减小减小振动和噪音振动和噪音。（3）减振降噪l l智能结构智能结构用于用于舰艇舰艇，可以，可以抑制噪声传播抑制噪声传播，提高潜艇和军舰的声隐身性能提高潜艇和军舰的声隐身性能。l智能结构智能结构用于用于地面车辆地面车辆，可以，可以提高提高军用车辆的性能和乘坐的舒适度军用车辆的性能和乘坐的舒适度。l国外正在研究的具有国外正在研究的具有减振降噪功能减振降噪功能的的智能结构智能结构，主要由，主要由压电陶瓷压电陶瓷、形状记形状记忆合金忆合金和和电致伸缩电致伸缩等新材料制成。等新材料制成。（4）环境自适应结构 智能结构智能结构制成的制成的自适应机翼自适应机翼，能够，能够实实时感知外界环境的变化时感知外界环境的变化，并可以，并可以驱动机驱动机翼弯曲、扭转翼弯曲、扭转，从而，从而改变翼型和攻角改变翼型和攻角，以获得以获得最佳气动特性最佳气动特性，降低机翼阻力系降低机翼阻力系数数，延长机翼的疲劳寿命延长机翼的疲劳寿命。（4）环境自适应结构如当飞机如当飞机在飞行过程中在飞行过程中遇到遇到涡流涡流或猛烈的或猛烈的逆风逆风时，时，机翼中的机翼中的智能材料智能材料就能够迅速就能够迅速变形变形，并，并带动机带动机翼改变形状翼改变形状，从而，从而消除涡流或逆风的影响消除涡流或逆风的影响，使，使飞机仍能平衡地飞行。飞机仍能平衡地飞行。（4）环境自适应结构l美国的一项研究表明，在美国的一项研究表明，在机翼结构机翼结构中使中使用用磁致伸缩致动器磁致伸缩致动器，可使，可使机翼阻力降低机翼阻力降低85%。l美国美国波音公司波音公司和和麻省理工学院麻省理工学院联合联合研究研究在桨叶中嵌入智能纤维在桨叶中嵌入智能纤维，电致流变电致流变体时体时可可使桨叶扭转变形使桨叶扭转变形达几度。达几度。美国陆军在开美国陆军在开发发直升机旋翼主动直升机旋翼主动控制技术控制技术，将用于，将用于RAH-66武装直升武装直升机。机。（RAH-66武装直升机（4）环境自适应结构（4）环境自适应结构 相信在不久的将来，我们相信在不久的将来，我们用智能材料制成用智能材料制成的的飞机机翼飞机机翼，就可以，就可以像鱼尾巴一样像鱼尾巴一样行动自如行动自如、自行弯曲自行弯曲、自动改变形状自动改变形状，从而，从而改进升力和阻改进升力和阻力力，使飞机飞得更高、更快。，使飞机飞得更高、更快。2、智能材料与住宅智能化l未来的住宅未来的住宅可能是这样的：可能是这样的：墙壁墙壁可可以随心所欲的以随心所欲的变换颜色变换颜色；椅子椅子可以随人可以随人体不同的需要体不同的需要改变温度和形状改变温度和形状；一切的；一切的电器电器都是触摸式的，永远不会再有触电都是触摸式的，永远不会再有触电的危险；的危险；可视电话可视电话带有传感功能；带有传感功能；。2、智能材料与住宅智能化l随着随着智能材料智能材料的发展，尤其是的发展，尤其是毫微塑料毫微塑料设想的提出，有可能设计出设想的提出，有可能设计出智能化住宅智能化住宅。l虽然目前还处于虽然目前还处于设想阶段设想阶段，但是已，但是已经开始着手进行研究，并且必然将在不经开始着手进行研究，并且必然将在不久的将来成为现实。久的将来成为现实。l几种几种未来的智能产品未来的智能产品如下：如下：（1）多功能砖l多功能砖多功能砖用来用来构建整个房屋构建整个房屋的结构的结构单元，单元，这种结构单元这种结构单元具有具有变通性变通性和和智能智能性性。l这种这种多功能砖多功能砖主要由以下主要由以下三个分层三个分层构成：构成：（1）多功能砖l第一层是第一层是功能层功能层，能感受，能感受来自周围来自周围的的声能声能、热能热能、光能光能，并能，并能控制这些能控制这些能量的输出量的输出，如果是，如果是内墙壁砖内墙壁砖，还能，还能控制控制和改变墙的功能和改变墙的功能；（1）多功能砖l第二层是第二层是通讯层通讯层，能为居住者提供，能为居住者提供内外内外通信联系的通道通信联系的通道；l第三层是第三层是输送通道输送通道，可以用来，可以用来输送输送水和其它材料水和其它材料。（1）多功能砖）多功能砖l 住户还可以挑选合适的住户还可以挑选合适的带带“面膜面膜”的的砖材砖材。l另外，面膜的设置及其构形并不是另外，面膜的设置及其构形并不是一成不变的，而是很容易剥离并换上新一成不变的，而是很容易剥离并换上新的面膜。的面膜。（1）多功能砖l面膜面膜在砖材的最上层在砖材的最上层，它也，它也具有多功具有多功能性能性。l如如壁膜壁膜可以可以使墙壁产生不同的色彩使墙壁产生不同的色彩和图案和图案；（1）多功能砖l l传感膜传感膜可以可以接收声波、热能和可见光接收声波、热能和可见光并并予以予以减弱或增强减弱或增强；l地膜地膜可产生可产生耐久的色彩和图案耐久的色彩和图案；l界面膜界面膜可可连接内外通信线路连接内外通信线路。（2）食物器皿l在未来的在未来的厨房里厨房里不会看到传统的碗碟。不会看到传统的碗碟。在毫微塑料的桌面上，在毫微塑料的桌面上，旋转的碗不仅能旋转的碗不仅能测知食物的存在测知食物的存在，而且可以，而且可以根据用户的根据用户的需要需要自动形成各种形状的碟子自动形成各种形状的碟子，供准备、，供准备、烹调和上菜时使用。烹调和上菜时使用。l并且，这种并且，这种盛食物的碗盛食物的碗还具有还具有保温保温和和在不使用冰箱的情况下在不使用冰箱的情况下保鲜保鲜的功能。的功能。（3）座椅l 用用毫微塑料毫微塑料制作的坐椅不仅制作的坐椅不仅功能功能将大将大大大增加增加，而且也将，而且也将增加舒适程度增加舒适程度。l使用毫微塑料使用毫微塑料能改变椅座面的能改变椅座面的柔韧柔韧性性和和弹性弹性，也可以形成，也可以形成各种型式的椅座各种型式的椅座面面。（3）座椅 如果如果出于美学的考虑出于美学的考虑，或是便于人们，或是便于人们入入座座或从座椅中或从座椅中站起站起，毫微塑料也可以，毫微塑料也可以形形成所需的任何图案或结构成所需的任何图案或结构，还能，还能改变座改变座椅本身的结构椅本身的结构。（3）座椅由于由于不同年龄段的人不同年龄段的人对对温度舒适性温度舒适性的的要求有很大区别，这种座椅还要求有很大区别，这种座椅还可以随心可以随心所欲地所欲地升温和降温升温和降温。它甚至还。它甚至还对人们喜对人们喜爱的舒适温度爱的舒适温度具有具有记忆功能记忆功能。（4）卫生间）卫生间l在卫生间里，常见设施是在卫生间里，常见设施是洗脸盆洗脸盆、抽抽水马桶水马桶和和淋浴器淋浴器。l采用了智能结构的卫生间是这样的：采用了智能结构的卫生间是这样的：（4）卫生间）卫生间l在洗漱时在洗漱时，人们只要，人们只要接触洗脸盆支架表接触洗脸盆支架表面的任何区域面的任何区域，就能，就能调节控制调节控制水温水温、水水速和水流的状态速和水流的状态（集中喷射的水流或宽（集中喷射的水流或宽阔的水帘状等）供人们选择。阔的水帘状等）供人们选择。l洗脸盆上方的洗脸盆上方的镜子镜子能照出人的正常能照出人的正常反转象反转象，还能照出真实的，还能照出真实的非反转象非反转象。（4）卫生间）卫生间l l抽水马桶抽水马桶的的形状和大小形状和大小可可随使用者的不随使用者的不同而自动变化；同而自动变化；l坐垫坐垫自动加热至舒适的温度，整个自动加热至舒适的温度，整个结构十分轻便。结构十分轻便。（4）卫生间）卫生间在电脑住宅的在电脑住宅的厕所厕所里，安装了一台里，安装了一台检检查身体的电脑系统查身体的电脑系统，每当有人上厕所时，每当有人上厕所时，与马桶相连的与马桶相连的体检装置体检装置即自动分析大小即自动分析大小便的情况，如发现异常，电脑会立即发便的情况，如发现异常，电脑会立即发出警报，以便及时到医院去看病。出警报，以便及时到医院去看病。（4）卫生间）卫生间淋浴设备淋浴设备只要和只要和多功能砖多功能砖相连接，相连接，上下水上下水、水水温温和和水流水流都能得到自动控制和调节。都能得到自动控制和调节。综上所述，未来的综上所述，未来的智能化住宅智能化住宅必将显著提高人必将显著提高人们的生活质量们的生活质量。3、与现代医学相联系的智能材料、与现代医学相联系的智能材料l l（1）人造肌肉）人造肌肉l l （2）人造皮肤）人造皮肤l l（3）在药物自动投入系统上的应用）在药物自动投入系统上的应用l l（4）智能材料的两种抗癌应用）智能材料的两种抗癌应用（1）人造肌肉l 因为因为生物弹性材料生物弹性材料能能模拟活体生物模拟活体生物，而且其而且其力量和反应速度力量和反应速度均接近于人体的均接近于人体的肌肉。所以这种材料可以应用于肌肉。所以这种材料可以应用于人体组人体组织的修复织的修复，而且它们还具有，而且它们还具有与生物体的与生物体的相容性相容性，随着伤口的愈合，这种聚合物，随着伤口的愈合，这种聚合物就会在体内就会在体内逐渐降解逐渐降解，最后将会消失。，最后将会消失。（2）人造皮肤l 人造皮肤智能材料人造皮肤智能材料，可以，可以感知温度感知温度、热流的变化热流的变化以及各种以及各种应力的大小应力的大小，并且，并且有有良好的空间分辨力良好的空间分辨力。l这种智能材料还可以这种智能材料还可以分辨表面状况分辨表面状况，例如，例如，粗糙度粗糙度、摩擦力摩擦力等。等。(3)在药物自动投入系统上的应用在药物自动投入系统上的应用科学家正在研制一种能科学家正在研制一种能根据血液中的葡萄糖浓根据血液中的葡萄糖浓度而扩张收缩的聚合物度而扩张收缩的聚合物，这种聚合物可制成，这种聚合物可制成人人造胰细胞造胰细胞，将它，将它注入糖尿病患者的血液中注入糖尿病患者的血液中，小，小球就可球就可模拟胰细胞工作模拟胰细胞工作，使病人的血糖浓度使病人的血糖浓度始始终保持在平常的水平上。终保持在平常的水平上。（4）智能材料的两种抗癌应用）智能材料的两种抗癌应用1.如图所示是一种有效的如图所示是一种有效的抗癌药物胶囊抗癌药物胶囊抗癌药物胶囊抗癌药物胶囊，即，即药物药物药物药物“导弹导弹导弹导弹”。图中的图中的疏水性疏水性药物载体药物载体药物载体药物载体形成了形成了“导弹导弹”的的疏水内核疏水内核，而，而亲水性部分亲水性部分亲水性部分亲水性部分则则在内核周围在内核周围形成了一个形成了一个水化物外壳水化物外壳水化物外壳水化物外壳。所形成的这种所形成的这种高分子聚合物胶囊高分子聚合物胶囊高分子聚合物胶囊高分子聚合物胶囊是一种是一种智能型药物载体智能型药物载体智能型药物载体智能型药物载体，它能，它能自动避免自动避免自动避免自动避免被机体内单核吞噬细胞捕获被机体内单核吞噬细胞捕获被机体内单核吞噬细胞捕获被机体内单核吞噬细胞捕获而而有效的到达癌细胞所在地有效的到达癌细胞所在地。亲水部分亲水部分亲水部分亲水部分疏性部分疏性部分疏性部分疏性部分形成形成形成形成“导弹导弹导弹导弹”药物药物药物药物外壳外壳外壳外壳内核内核内核内核（4）智能材料的两种抗癌应用）智能材料的两种抗癌应用l、90年代后期，研制出用年代后期，研制出用对电磁场敏对电磁场敏感的感的铁氧体包覆铁氧体包覆Ti-Ni形状记忆合金丝形状记忆合金丝制制成了成了癌症温热疗法用针癌症温热疗法用针。l首先，首先，通过导管通过导管将这种针将这种针植入病人癌变部位植入病人癌变部位，由于，由于形状记忆作用形状记忆作用形状记忆作用形状记忆作用，这种针会发生，这种针会发生弯曲变形弯曲变形弯曲变形弯曲变形现象；现象；l其次，在通过其次，在通过涡流效应产生涡流效应产生高频电磁场作用下高频电磁场作用下高频电磁场作用下高频电磁场作用下，形形状记忆合金针状记忆合金针将能够将能够产生一定的热量产生一定的热量产生一定的热量产生一定的热量而使而使癌变区得癌变区得到萎缩到萎缩。智能材料的设计思路智能材料的设计思路l智能材料的开发与设计的出发角度l智能材料设计思路的影响因素智能材料的开发与设计的出发角度智能材料的开发与设计的出发角度l仿生技术。l从智能材料本身的结构特色出发，找出智能材料结构的共有规律，从而合成加工、设计出不同智能特性的材料。智能材料设计思路的影响因素智能材料设计思路的影响因素l(1)材料开发的历史，发明创造学研究。l结构材料结构材料功能材料功能材料智能材料。智能材料。l(2)人工智能计算机的影响，生物计算机的未来模式，学习计算机，三维识别计算机对材料提出的新要求。l(3)从材料设计的角度考虑智能材料的制造。智能材料设计思路的影响因素智能材料设计思路的影响因素l(4)软件功能引人材料。l(5)对材料的期望。l(6)能量的传递。l(7)材料具有时间轴的观点l如寿命预告功能、自修复功能，甚至自学习、如寿命预告功能、自修复功能，甚至自学习、自增殖和自净化功能，因外部刺激时间轴可对自增殖和自净化功能，因外部刺激时间轴可对应做出积极自变的动态响应。应做出积极自变的动态响应。典型的智能材料典型的智能材料l光纤l形状记忆合金与形状记忆聚合物l压电材料l磁致伸缩材料l电致伸缩材料典型的智能材料典型的智能材料l电流变体材料和磁流变液l疲劳寿命丝(箔)l聚合胶体l光致变色玻璃l电致变色材料光纤光纤由柔软且极富弹性的光导纤维光导纤维塑料制成，内部含有LED发光装置、电池和开关。光纤传感器光纤光纤l光纤的分类l光纤的结构原理光纤的分类光纤的分类l按光在光纤中的传输模式可分为：单模光纤和多模光纤l按最佳传输频率窗口分为：常规型单模光纤和色散位移型单模光纤l按折射率分布情况分为：突变型和渐变型光纤光纤的结构原理光纤的结构原理l皮芯型结构光导纤维皮芯型结构光导纤维l当光线射到内芯和外层界面的角度大于产生全反射的临界角时，光线透不过界面，全部反射。这时光线在界面经过无数次的全反射，以锯齿状路线在内芯向前传播，最后传至纤维的另一端。l自聚焦型结构光导纤维自聚焦型结构光导纤维好似由许多微双凸透镜组合而成，迫使入射光线逐渐自动地向中心方向会聚，这类纤维中心的折射率最高，向四周连续均匀地减少，至边缘为最低。光纤的衰减光纤的衰减l本征：固有损耗。l弯曲：l光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成的损耗成的损耗l挤压l光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗l杂质l不均匀l对接等 光纤传输优点光纤传输优点l频带宽l损耗低l重量轻l抗干扰能力强l保真度高 l工作性能可靠l成本不断下降 光纤的生产方法光纤的生产方法l管棒法l双坩埚法l分子填充法形状记忆合金形状记忆合金l工作原理及分类l铁基形状记忆合金l铜基形状记忆合金l镍钛基形状记忆合金l形状记忆合金的应用1、形状记忆合金原理及分类、形状记忆合金原理及分类一般金属材料一般金属材料受到外力作用后，首先发生受到外力作用后，首先发生弹性变形弹性变形，达到屈服点，就产生，达到屈服点，就产生塑性变塑性变形形，应力消除后应力消除后留下留下永久变形永久变形。2、形状记忆合金原理及分类、形状记忆合金原理及分类l但有些材料，在但有些材料，在发生了塑性变形后发生了塑性变形后，经，经过过合适的热过程合适的热过程，能够回复到变形前的能够回复到变形前的形状形状，这种现象叫做，这种现象叫做形状记忆效应形状记忆效应（SME）。）。2、形状记忆合金原理及分类、形状记忆合金原理及分类l 具有具有形状记忆效应形状记忆效应的材料，一般是的材料，一般是两种以上金属元素组成的合金两种以上金属元素组成的合金，称为，称为形形状记忆合金（状记忆合金（SMA）。形状记忆合金形状记忆合金可以分为三种：可以分为三种：(1)单程记忆效应单程记忆效应l形状记忆合金形状记忆合金在较低的温度下在较低的温度下变形，变形，加加热后热后可恢复变形前的形状，这种可恢复变形前的形状，这种只在加只在加热过程中存在的形状记忆现象热过程中存在的形状记忆现象称为称为单程单程记忆效应记忆效应。（2）双程记忆效应）双程记忆效应l某些合金某些合金加热时恢复高温相形状加热时恢复高温相形状，冷却冷却时又能恢复低温相形状时又能恢复低温相形状，称为，称为双程记忆双程记忆效应效应。（3）全程记忆效应l l加热加热时恢复时恢复高温相高温相形状形状，冷却冷却时变为时变为形形状相同状相同而而取向相反取向相反的的低温相低温相形状形状，称为，称为全程记忆效应全程记忆效应。三种三种记忆效应记忆效应如下图所示。如下图所示。目前，已开发成功的形状记忆合金有目前，已开发成功的形状记忆合金有TiNi基基形状记忆合金、形状记忆合金、铜基铜基形状记忆合金、形状记忆合金、铁基铁基形形状记忆合金等。状记忆合金等。2、形状记忆合金、形状记忆合金l 最早关于最早关于形状记忆效应的报道形状记忆效应的报道是由是由Chang及及Read等人等人在在1952年年作出的。他作出的。他们观察到们观察到Au-Cd合金中合金中相变的可逆性。相变的可逆性。l后来在后来在Cu-Zn合金中合金中也发现了同样也发现了同样的现象，但当时并未引起人们的广泛注的现象，但当时并未引起人们的广泛注意。意。2、形状记忆合金、形状记忆合金l直到直到1962年，年，Buehler及其合作者及其合作者在在等原子比的等原子比的TiNi合金中合金中，观察到，观察到具有具有宏观形状变化的宏观形状变化的记忆效应，才引起了材记忆效应，才引起了材料科学界与工业界的重视。料科学界与工业界的重视。l到到70年代初，年代初，CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合金中也发现了等合金中也发现了与马氏体相变与马氏体相变有关的有关的形状记忆效应形状记忆效应。2、形状记忆合金、形状记忆合金l几十年来，有关几十年来，有关形状记忆合金形状记忆合金的研究已的研究已逐渐成为国际逐渐成为国际相变会议相变会议和和材料会议材料会议的重的重要议题，并为此召开了多次要议题，并为此召开了多次专题讨论会专题讨论会，不断丰富和完善了不断丰富和完善了马氏体相变理论马氏体相变理论。形状记忆合金原理形状记忆合金原理l马氏体相变理论形状记忆合金形状记忆合金l主要有三大类l铁基形状记忆合金铁基形状记忆合金l铜基形状记忆合金铜基形状记忆合金l镍钛基形状记忆合金镍钛基形状记忆合金 铁基形状记忆合金铁基形状记忆合金l铁基形状记忆合金分为两类：l基于热弹性马氏体相变基于热弹性马氏体相变l主要有Fe-Pt，Fe-Pd和Fe-Ni-Co-Ti l基于非热弹性可逆马氏体相变。基于非热弹性可逆马氏体相变。lFe-Mn-SilFe-Cr-Ni-Mn-Si-Co 铁基形状记忆合金的结构、组织和性能铁基形状记忆合金的结构、组织和性能合金合金成分成分马马氏体氏体晶体晶体结结构构相相变变特征特征形状形状记忆记忆恢复率恢复率/%Ms范范围围/KFe-Pt25%(1)bct热弹热弹性性4080280Fe-Pd30%(1)fct热弹热弹性性4080180300Fe-Ni-Co-TiFe-33Ni-10Co-4Ti(2)bct热弹热弹性性80100-150Fe-Ni-CFe-31Ni-0.4C(2)bct非非热弹热弹性性508577150Fe-Cr-NiFe-19Cr-10Ni(2)hcp/bct非非热弹热弹性性25Fe-Mn-SiFe-(2833)Mn-(46)Si(2)hcp非非热弹热弹性性30100200390Fe-Mn-Si-CrFe-28Mn-6Si-5Cr(1)hcp非非热弹热弹性性100300Fe-Mn-Si-Cr-Ni-CoFe-8Mn-5Si-13Cr-6Ni-12Co(2)hcp非非热弹热弹性性95312注：（1）原子分数；（2）分子分数但基于非热弹性可逆马氏体相变的铁基记忆合金的形状记忆机制与基于热弹性马氏体相变的机制有所不同。制备铁基形状记忆合金的条件制备铁基形状记忆合金的条件l母相具有高的屈服强度或低的弹性极限；母相具有高的屈服强度或低的弹性极限；l马氏体相交引起的体积变化和切变应变较小；马氏体相交引起的体积变化和切变应变较小；l马氏体的比方度马氏体的比方度(ca)大，有利于形成孪晶亚结构；大，有利于形成孪晶亚结构；lMs较低，有利于形成孪晶亚结构并提高母相的屈较低，有利于形成孪晶亚结构并提高母相的屈服强度。服强度。铜基形状记忆合金铜基形状记忆合金l优点l形状记忆、l超弹性、l高阻尼l良好的导电性 l种类lCu-Zn，Cu-Zn-Al，Cu-Zn-Sn，Cu-Zn-Ni，Cu-Zn-Si，Cu-Zn-Ga，Cu-A1，Cu-A1-Ni，Cu-Al-Mn，Cu-Al-Si，Cu-Al-Nb，Cu-Al-Be等。等。l铜基形状记忆合金的性能铜铜基基形形状状记记忆忆合合金金的的性性能能名称单位Cu-Zn-AlCu-Al-Ni熔点950102010001050密度Kg/m37800800071007200电阻率.m0.070.120.10.4导热率W/(m.)120（20）75热膨胀系数161810-6（马）161810-6（马）比热容J/(kg.)390400480相变热J/kg7000900070009000弹性模量GPa7010080100屈服强度MPa150300150300抗拉强度（马氏体）MPa70080010001200伸长率（马氏体）%1015810疲劳极限MPa270350晶粒大小m501002560转变温度-200+170-200+170滞后大小10201020最大单向形状记忆（应变）%56最大双向形状记忆（应变）%N=10211.2N=1050.80.8N=1070.50.5上限加热温度（1h）160200300阻尼比SDC%3010最大伪弹性应变（单晶）%1010最大伪弹性应变（多晶）%22回复应力MPa200铜基形状记忆合金的工艺特点铜基形状记忆合金的工艺特点l制备制备l合金通常采用中频感应电炉熔炼。对合金通常采用中频感应电炉熔炼。对Cu-Al-Ni、Cu-Al、Cu-A1-Si系合金可采用真空熔炼或气体系合金可采用真空熔炼或气体保护熔炼，对保护熔炼，对Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Al-Mn等含等含Zn、Mn元素的合金不能采用真空元素的合金不能采用真空熔炼，在熔炼，在N2或或Ar保护性气氛下进行熔炼。上述合保护性气氛下进行熔炼。上述合金在大气中熔炼时可采用燃烧木炭做覆盖，造渣金在大气中熔炼时可采用燃烧木炭做覆盖，造渣剂采用剂采用Na3 AlF6与与CaF2，浇注温度，浇注温度12801360。铜基形状记忆合金的工艺性能铜基形状记忆合金的工艺性能l加工加工l合金热加工性能良好，可进行挤压、热轧、锻造合金热加工性能良好，可进行挤压、热轧、锻造等加工。热加工温度为等加工。热加工温度为800-860。合金冷加工。合金冷加工性能较差，可在双相区淬火后进行冷加工，冷加性能较差，可在双相区淬火后进行冷加工，冷加工后，合金需进行固溶处理，固溶温度工后，合金需进行固溶处理，固溶温度800-850，介质淬火或空冷。，介质淬火或空冷。镍钛基形状记忆合金镍钛基形状记忆合金l形状记忆功能l耐磨损l抗腐蚀l高阻尼l超弹性镍钛基形状记忆合金特点镍钛基形状记忆合金特点l伸缩率在20%以上，l疲劳寿命达107次，l阻尼特性比普通的弹簧高10倍，l耐腐蚀性优于目前最好的医用不锈钢。Ti-Ni合金的力学特性合金的力学特性 力学性能硬度/HV屈服极限/MPa抗拉强度/MPa伸长率/%指标马氏体相：180200奥氏体相：200350马氏体相：50200奥氏体相：100600100011002060Ti-Ni合金形状记忆特性合金形状记忆特性 相变温度（Af点）/温度滞后/形状回复量(循环次数少