形状记忆材料与智能材料讲稿.ppt

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1、形状记忆材料与智能材料1第一页，讲稿共七十六页哦形状记忆材料和智能材料形状记忆材料和智能材料Ti-Ni形状记忆合金制造的人造卫星天线形状记忆合金制造的人造卫星天线2022/10/152第二页，讲稿共七十六页哦形状记忆效应形状记忆效应(Shape Memory Effect,简称简称SME)形状记忆效应形状记忆效应将材料在一定条件下进行一定限度将材料在一定条件下进行一定限度 以内的变形后，再对材料施加适当以内的变形后，再对材料施加适当 的外界条件，材料的变形随之消失的外界条件，材料的变形随之消失 而回复到变形前的形状的现象。而回复到变形前的形状的现象。具有形状记忆效应的材料具有形状记忆效应的材料

2、形状记忆材料形状记忆材料形状记忆材料形状记忆材料2022/10/153第三页，讲稿共七十六页哦具有形状记忆效应的金属，通常是由具有形状记忆效应的金属，通常是由2种以上的金种以上的金属元素构成的合金，故称为属元素构成的合金，故称为形状记忆合金形状记忆合金(Shape Memory Alloys，简称，简称SMA)。20世纪世纪80年代先后在高分子聚合物、陶瓷材料、年代先后在高分子聚合物、陶瓷材料、超导材料中发现形状记忆效应。超导材料中发现形状记忆效应。形状记忆材料形状记忆材料2022/10/154第四页，讲稿共七十六页哦形状记忆效应可分为形状记忆效应可分为3种类型：种类型：单程形状记忆效应单程形

3、状记忆效应双程形状记忆效应双程形状记忆效应全程形状记忆效应全程形状记忆效应 形状记忆材料形状记忆材料2022/10/155第五页，讲稿共七十六页哦单程形状记忆效应单程形状记忆效应材料在材料在高温下高温下制成某种形状，制成某种形状，在在低温相低温相时将其任意变形，时将其任意变形，再加热时恢复为高温相形状，再加热时恢复为高温相形状，而重新冷却时却不能恢复低而重新冷却时却不能恢复低 温相时的形状。温相时的形状。形状记忆材料形状记忆材料图图1 单程形状记忆效应单程形状记忆效应2022/10/156第六页，讲稿共七十六页哦双程形状记忆效应双程形状记忆效应加热时恢复高温相形状，冷加热时恢复高温相形状，冷

4、却时恢复低温相形状，即通却时恢复低温相形状，即通 过温度升降自发可逆地反复过温度升降自发可逆地反复 恢复高低温相形状的现象，恢复高低温相形状的现象，或称为或称为可逆形状记忆效应。可逆形状记忆效应。形状记忆材料形状记忆材料图图2 双程形状记忆效应双程形状记忆效应2022/10/157第七页，讲稿共七十六页哦全程形状记忆效应全程形状记忆效应当加热时恢复高温相形状，冷当加热时恢复高温相形状，冷 却时变为却时变为形状相同而取向相反形状相同而取向相反 的高温相形状的高温相形状的现象。只能在的现象。只能在 富镍的富镍的Ti-Ni合金合金中出现。中出现。形状记忆材料形状记忆材料图图3 全程形状记忆效应全程形

5、状记忆效应2022/10/158第八页，讲稿共七十六页哦Ti-Ni基形状记忆合金基形状记忆合金Cu基形状记忆合金基形状记忆合金 Fe基形状记忆合金基形状记忆合金 形状记忆合金的应用形状记忆合金的应用 形状记忆材料形状记忆材料4.1.2 主要几类形状记忆合金主要几类形状记忆合金2022/10/159第九页，讲稿共七十六页哦1、Ti-Ni基形状记忆合金基形状记忆合金 优点：记忆效应优良、性能稳定、生物相容性好优点：记忆效应优良、性能稳定、生物相容性好 缺点：制造过程较复杂，价格高昂缺点：制造过程较复杂，价格高昂 Ti-Ni合金通过在合金通过在1000左右固溶后，在左右固溶后，在400进行时效处理，

6、再淬火得到马氏体。进行时效处理，再淬火得到马氏体。形状记忆材料形状记忆材料2022/10/1510第十页，讲稿共七十六页哦2、Cu基形状记忆合金基形状记忆合金 主要由主要由Cu-Zn和和Cu-A1两个二元系发展而来。两个二元系发展而来。通过第三元素可以有效地通过第三元素可以有效地提高形状记忆合金的提高形状记忆合金的 相变温度，相变温度，发展了一系列的发展了一系列的Cu-Zn-X (X=Al,Ge,Si,Sn锡锡,Be铍铍,Ni)三元合金。三元合金。lCu-Zn-A1基形状记忆合金基形状记忆合金lCu-A1-Ni基形状记忆合金基形状记忆合金形状记忆材料形状记忆材料2022/10/1511第十一页

7、，讲稿共七十六页哦性能特点性能特点优点：制造加工容易，价格便宜，具有良好的记忆优点：制造加工容易，价格便宜，具有良好的记忆 性能，相变点可在一定温度范围内调节，不性能，相变点可在一定温度范围内调节，不 同成分的同成分的Cu-Zn-A1合金相变温度不同。合金相变温度不同。缺点：强度较低，稳定性及耐疲劳性能差，不具有缺点：强度较低，稳定性及耐疲劳性能差，不具有 生物相容性。生物相容性。形状记忆材料形状记忆材料2022/10/1512第十二页，讲稿共七十六页哦3、Fe基形状记忆合金基形状记忆合金 分为两类：分为两类：（1）热弹性马氏体相变）热弹性马氏体相变Fe-Pt,Fe-Pd钯钯,Fe-Ni-Co

8、-Ti合金等；合金等；（2）应力诱发马氏体相变（非热弹性马氏体），）应力诱发马氏体相变（非热弹性马氏体），Fe-Mn-Si,Fe-Cr-Ni-Mn-Si-Co合金等。合金等。形状记忆材料形状记忆材料2022/10/1513第十三页，讲稿共七十六页哦性能特点：性能特点：价格较价格较Ti-Ni系和系和Cu基系合金便宜，原料易得，可以采基系合金便宜，原料易得，可以采用现有的钢铁工艺进行冶炼和加工，强度高，刚性好，用现有的钢铁工艺进行冶炼和加工，强度高，刚性好，适用作结构材料，也可作特种用途材料，在应用方面适用作结构材料，也可作特种用途材料，在应用方面具有明显的竞争优势。具有明显的竞争优势。形状记忆特

9、性比形状记忆特性比Ti-Ni合金差。合金差。形状记忆材料形状记忆材料2022/10/1514第十四页，讲稿共七十六页哦4、形状记忆合金的应用、形状记忆合金的应用形状记忆材料形状记忆材料2022/10/1515第十五页，讲稿共七十六页哦高技术中的应用高技术中的应用：制造人造卫星天线制造人造卫星天线 图图12 Ti-Ni形状记忆合金制造的人造卫星天线形状记忆合金制造的人造卫星天线美国宇航局的月面天线计划：美国宇航局的月面天线计划：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 5厘厘米以下的小团，放入阿波罗米以下的小团，放入阿波罗11

10、11号的舱内，在月面上经太阳光的照射号的舱内，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加热使它恢复到原来的抛物面形状,从而能从而能用空间有限的火箭舱运送用空间有限的火箭舱运送体积庞大的天线。体积庞大的天线。形状记忆材料形状记忆材料2022/10/1516第十六页，讲稿共七十六页哦工程应用工程应用:紧固件、连接件、密封垫、管件接头等紧固件、连接件、密封垫、管件接头等图图13 形状记忆合金用作铆钉的工作原理图形状记忆合金用作铆钉的工作原理图形状记忆材料形状记忆材料2022/10/1517第十七页，讲稿共七十六页哦医疗领域应用医疗领域应用:牙齿矫形丝、血栓过滤器、动脉瘤牙齿矫形丝、血栓过

11、滤器、动脉瘤 夹、接骨板等（夹、接骨板等（Ti-Ni合金）合金）图图14 支撑性与柔韧性完美协调支撑性与柔韧性完美协调 的的Ti-Ni记忆合金食道记忆合金食道支架支架形状记忆材料形状记忆材料2022/10/1518第十八页，讲稿共七十六页哦 图图15 记忆金属记忆金属Ti-Ni合金支架治疗食管狭窄合金支架治疗食管狭窄支架形状的回复力对组织产生持续而柔和的扩张作用，支架植入后患者支架形状的回复力对组织产生持续而柔和的扩张作用，支架植入后患者的进食困难症状明显减轻，由于生物相容性好，可较长期放置体内。的进食困难症状明显减轻，由于生物相容性好，可较长期放置体内。主要适应症包括：中晚期食道癌、食道癌术

12、后复发和食道癌放疗后引起的主要适应症包括：中晚期食道癌、食道癌术后复发和食道癌放疗后引起的吞咽困难等。治疗后吞咽困难等。治疗后10分钟内可解除吞咽困难，增加进食量，明显改善生分钟内可解除吞咽困难，增加进食量，明显改善生活质量。活质量。形状记忆材料形状记忆材料2022/10/1519第十九页，讲稿共七十六页哦形状记忆材料形状记忆材料图图16 Ti-Ni合金制作的多种支架合金制作的多种支架(a)尿道支架尿道支架(b)食道支架食道支架(c)胆道支架胆道支架(d)气管支架气管支架2022/10/1520第二十页，讲稿共七十六页哦智能应用智能应用 形状记忆合金是一种集感知和驱动双重功能为形状记忆合金是一

13、种集感知和驱动双重功能为 一体一体 的新型材料，可广泛应用于各种自动调节的新型材料，可广泛应用于各种自动调节 和控制装置，如各种智能、仿生机械。和控制装置，如各种智能、仿生机械。形状记忆材料形状记忆材料2022/10/1521第二十一页，讲稿共七十六页哦4.1.3 形状记忆陶瓷（形状记忆陶瓷（ZrO2陶瓷）陶瓷）1、氧化锆陶瓷的基本结构与相变、氧化锆陶瓷的基本结构与相变随温度的变化随温度的变化纯纯ZrO2有三种晶型，按温度由高到有三种晶型，按温度由高到低，其结构分别为低，其结构分别为立方晶系、四方晶系立方晶系、四方晶系(t相相)、单斜晶系、单斜晶系(m相相)形状记忆材料形状记忆材料2022/1

14、0/1522第二十二页，讲稿共七十六页哦相变过程：相变过程：1170 2370 2715单斜单斜ZrO2 四方四方ZrO2 立方立方ZrO2 液体液体ZrO2 (m相相)(t相相)可逆马氏体相变可逆马氏体相变有约有约5的体积变化的体积变化注意注意体积效应太大体积效应太大晶型稳定化处理晶型稳定化处理在在ZrO2中加入中加入CaO、MgO、Y2O3、CeO2(氧化铈氧化铈)等稳定剂，可以使立等稳定剂，可以使立方相和四方相保持到低温。方相和四方相保持到低温。形状记忆材料形状记忆材料2022/10/1523第二十三页，讲稿共七十六页哦三种结构的三种结构的ZrO2陶瓷陶瓷(添加剂数量与种类的不同添加剂数

15、量与种类的不同)：完全稳定化的完全稳定化的ZrO2陶瓷：陶瓷：立方相在冷却过程不发生相变，稳定保留到低温。立方相在冷却过程不发生相变，稳定保留到低温。部分稳定化的部分稳定化的ZrO2陶瓷陶瓷：由立方相和四方相组成的混合结构，立方相不发生相变，由立方相和四方相组成的混合结构，立方相不发生相变，稳定保留到低温。四方稳定保留到低温。四方(t)(t)相在冷却时或应力作用下可转相在冷却时或应力作用下可转 变为单斜变为单斜(m)相。相。四方四方ZrO2多晶体多晶体：在室温下全部为四方在室温下全部为四方(t)相，四方相，四方(t)相在冷却时或应力作相在冷却时或应力作 用下可转变为单斜用下可转变为单斜(m)相

16、。相。陶瓷相变增韧：利用了陶瓷相变增韧：利用了中发生的应力诱中发生的应力诱发马发马 氏体相变氏体相变2022/10/1524第二十四页，讲稿共七十六页哦陶瓷的形状记忆效应与合金相比存在的主要差别：陶瓷的形状记忆效应与合金相比存在的主要差别：（1）形状记忆变形的量较小；）形状记忆变形的量较小；（2）每次记忆循环中都有较大的不可恢复变形，随）每次记忆循环中都有较大的不可恢复变形，随 循环次数的增加，累积变形增加，最终导致裂循环次数的增加，累积变形增加，最终导致裂 纹出现；纹出现；（3）没有双程记忆效应）没有双程记忆效应形状记忆材料形状记忆材料2022/10/1525第二十五页，讲稿共七十六页哦l智

17、能材料的概念智能材料的概念 l智能材料的基本结构智能材料的基本结构l智能变色材料智能变色材料l智能材料的应用智能材料的应用智能材料智能材料2022/10/1526第二十六页，讲稿共七十六页哦4.2.1 4.2.1 智能材料的概念智能材料的概念材料的发展和应用历史：材料的发展和应用历史：智能材料智能材料图图17 材料科学的发展演化过程材料科学的发展演化过程2022/10/1527第二十七页，讲稿共七十六页哦智能材料智能材料(Intelligent material，Smart material)是一种能从自身的表层或内部获取是一种能从自身的表层或内部获取 关于环境条件及其变化的信息，并关于环境条

18、件及其变化的信息，并 进行判断、处理和作出反应，以改进行判断、处理和作出反应，以改 变自身的结构与功能并使之很好地变自身的结构与功能并使之很好地 与外界相协调的具有自适应性的材与外界相协调的具有自适应性的材 料系统。料系统。智能材料智能材料智能材料是继天然材料、人造材料、精细材料之后的智能材料是继天然材料、人造材料、精细材料之后的第四代功能材料第四代功能材料。2022/10/1528第二十八页，讲稿共七十六页哦智能材料需具备以下内涵：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）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、界（或者内部）的刺激

19、强度，如电、光、热、应力、应变、化学、核辐射等；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；）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；）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；）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）当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始 状态。状态。2022/10/1529第二十九页，讲稿共七十六页哦智能材料必须具备智能材料必须具备感知、控制感知、控制和和驱动驱动三个基本要三个基本要素。素。智能材料一般由两种或两种以上的材料复合构智能材料一般由两种或两种以上的材料

20、复合构成一个智能材料系统。成一个智能材料系统。智能材料智能材料2022/10/1530第三十页，讲稿共七十六页哦智能材料大体来说，大体来说，智能材料智能材料智能材料智能材料就是指具有就是指具有感知环境感知环境感知环境感知环境（包括内环境和外环境）（包括内环境和外环境）刺激刺激刺激刺激，对之进行分析对之进行分析对之进行分析对之进行分析、处理处理处理处理、判断判断判断判断，并，并采取一定的措施进行适度响应采取一定的措施进行适度响应采取一定的措施进行适度响应采取一定的措施进行适度响应的的智能特智能特征的材料征的材料。2022/10/1531第三十一页，讲稿共七十六页哦4.2.2 智能材料的基本结构智

21、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。料系统，是一种智能机构。传传感感器器执执行行器器控制器控制器智能机构智能机构材料自身材料自身能够探测能够探测到外部环到外部环境状态的境状态的变化变化能够自动能够自动地执行改地执行改变材料状变材料状态的指令态的指令能够对探测到的外部环境的变化作出判断，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并给出相应的改变材料状态的指令2022/10/1532第

22、三十二页，讲稿共七十六页哦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。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，一般宜选用轻质基体材料担负着承载的作用，一般宜选用轻质 材料。材料。首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀。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。其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。2022/10/1533第三十三页，讲稿共七十六页哦(2)敏感材料敏感材料敏感材料担负着传感的任务，其主要作用是感知敏感材料担负着传感的任务，

23、其主要作用是感知 环境变化（包括压力、应力、温度、电磁场、环境变化（包括压力、应力、温度、电磁场、PH值等）。值等）。常用敏感材料：形状记忆材料、压电材料、光纤常用敏感材料：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、磁致伸缩材料、电致变色 材料、电流变体、磁流变体和液材料、电流变体、磁流变体和液 晶材料等。晶材料等。2022/10/1534第三十四页，讲稿共七十六页哦(3)驱动材料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。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

24、料、压电材料、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。电流变体和磁致伸缩材料等。(4)其它功能材料其它功能材料 包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。2022/10/1535第三十五页，讲稿共七十六页哦如：将光导纤维、形状记忆合金和镓砷化合物半导体如：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。控制电路埋入复合材料中。光导纤维光导纤维传感元件传感元件(检测结构中的检测结构中的 应变和温度应变和温度)形状记忆合金形状记忆合金执行元件执行元件 (使结构动作使结构动作 改变性状改变性状)半导体控制电

25、路半导体控制电路控制系统控制系统(根据传感元件的信根据传感元件的信 息驱动元件动作息驱动元件动作)智能材料智能材料2022/10/1536第三十六页，讲稿共七十六页哦l智能材料的构想智能材料的构想来源于仿生学，它的目标就来源于仿生学，它的目标就是想是想研制出一种材料研制出一种材料，使它成为，使它成为具有类似具有类似于生物的各种功能于生物的各种功能的的“活活”的材料的材料。l因此因此智能材料智能材料必须具备必须具备感知感知、驱动驱动和和控控制制这三个基本要素。这三个基本要素。2022/10/1537第三十七页，讲稿共七十六页哦图图14 智能结构的动作流程图智能结构的动作流程图识别识别分析分析判断

26、判断行动行动驱动元件驱动元件自适应地改变结构形状、刚度、自适应地改变结构形状、刚度、位置、应力状态、固有频率等位置、应力状态、固有频率等智能材料智能材料2022/10/1538第三十八页，讲稿共七十六页哦4.2.3 智能变色材料智能变色材料由于光、电、热等外界条件的作用，使料内部结构发生由于光、电、热等外界条件的作用，使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。同的颜色。l光色玻璃光色玻璃l电致变色薄膜电致变色薄膜智能材料智能材料2022/10/1539第三十九页，讲稿共七十六页哦1、光色玻璃、光色玻璃(变色玻璃变色

27、玻璃)能够随照射光强的变化而改变颜色。能够随照射光强的变化而改变颜色。原因：原因：含有在光照下能含有在光照下能发生可逆变化的亚稳态色心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。色玻璃表现出随光照而改变颜色的特性。l同相型光色玻璃同相型光色玻璃l异相型光色玻璃异相型光色玻璃智能材料智能材料2022/10/1540第四十页，讲稿共七十六页哦同相型光色玻璃同相型光色玻璃亚稳态色心与玻璃基质具有相同亚稳态色心与玻璃基质具有相同 的相。的相。如：光学玻璃的组分中加入氧化铈（选择吸收）如

28、：光学玻璃的组分中加入氧化铈（选择吸收）色心：能变价的铈离子色心：能变价的铈离子紫蓝光波紫蓝光波4f5d铈离子内电子跃迁铈离子内电子跃迁铈离子恢复电子状态铈离子恢复电子状态4f5d光减弱光减弱玻璃逐渐由高透明态玻璃逐渐由高透明态转向深黄褐色转向深黄褐色玻璃逐渐恢复高透明玻璃逐渐恢复高透明态态2022/10/1541第四十一页，讲稿共七十六页哦光色玻璃的应用：光色玻璃的应用：图图18 变色太阳镜变色太阳镜汽车、飞机、船舶的前向玻璃或观察窗玻璃，汽车、飞机、船舶的前向玻璃或观察窗玻璃，起防眩作用等。起防眩作用等。智能材料智能材料2022/10/1542第四十二页，讲稿共七十六页哦2、电致变色薄膜、

29、电致变色薄膜电致变色现象电致变色现象(Electrochromism)材料在电场作材料在电场作用下所引起的颜色变化，这种变化是可逆的、连续用下所引起的颜色变化，这种变化是可逆的、连续可调的可调的(透过率、吸收率、反射率三者比例关系可透过率、吸收率、反射率三者比例关系可调调）。）。应用：应用：智能窗智能窗(调节玻璃透光特性调节玻璃透光特性)机理：机理：一些氧化物薄膜在电场的作用下能够发生一些氧化物薄膜在电场的作用下能够发生电子的交换电子的交换，导，导致颜色的改变。致颜色的改变。智能材料智能材料2022/10/1543第四十三页，讲稿共七十六页哦图图19 智能窗结构示意图智能窗结构示意图着色和退色

30、的电化学反应如下：着色和退色的电化学反应如下：Ni1-xO(初始态初始态)+yM+ye-MyNi1-xO(着色态着色态)MyNil-xO(着色态着色态)My-2N1-xO(退色态退色态)+2M+2e-氧化还原的电化学反应氧化还原的电化学反应玻璃基片玻璃基片透明电极透明电极(氧化铟锡膜氧化铟锡膜)离子注入膜离子注入膜快离子导体隔膜快离子导体隔膜电致变色膜电致变色膜(-WO3、NiO薄膜薄膜)蓝色、灰色蓝色、灰色2022/10/1544第四十四页，讲稿共七十六页哦图图20 法拉利首款自动硬顶敞篷车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玻璃车顶采用了利用电场变化来改

31、变颜色的电致变色技术，可术，可对透过率进行对透过率进行5级调整级调整。智能窗的应用：智能窗的应用：智能材料智能材料2022/10/1545第四十五页，讲稿共七十六页哦图图21 汽车防眩目后视镜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，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，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。辆及行人的

32、情况，又能安全驾驶汽车。汽车防眩目后视镜汽车防眩目后视镜是当前玻璃制造业是当前玻璃制造业前沿产品前沿产品-电致变电致变色玻璃色玻璃在汽车上在汽车上的应用。的应用。智能材料智能材料2022/10/1546第四十六页，讲稿共七十六页哦4.2.4 智能材料的应用智能材料的应用在军事领域中的应用在军事领域中的应用智能材料与住宅智能化智能材料与住宅智能化 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 主动控振结构主动控振结构 智能材料智能材料2022/10/1547第四十七页，讲稿共七十六页哦（1）智能蒙皮）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，光纤作为智能传感元件用于飞机机翼

33、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、隐身微处理控制系统制成的智能蒙皮，可用于预警、隐身和通信。和通信。2022/10/1548第四十八页，讲稿共七十六页哦（2）结构监测和寿命预测）结构监测和寿命预测 智能结构智能结构智能结构智能结构可用于可用于实时测量实时测量实时测量实时测量结构内部的结构内部的应变、温度、裂纹，探测疲劳和受损伤情况应变、温度、裂纹，探测疲劳和受损伤情况，从而，从而能够对结构进行能够对结构进行监测和寿命预测监测和寿命预测监测和寿命预测监测和寿命预测例如，采用例如，采用

34、光纤传感器阵列光纤传感器阵列光纤传感器阵列光纤传感器阵列和和聚偏氟乙烯传感器聚偏氟乙烯传感器聚偏氟乙烯传感器聚偏氟乙烯传感器的的智能结构智能结构智能结构智能结构可对可对机翼、机架机翼、机架以及以及可重复使用可重复使用航天运载器航天运载器进行进行全寿命期实时监测全寿命期实时监测全寿命期实时监测全寿命期实时监测、损伤评估损伤评估损伤评估损伤评估和和寿命预测寿命预测寿命预测寿命预测；空间站空间站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构光纤智能结构光纤智能结构光纤智能结构，可，可实时探测实时探测实时探测实时探测由于交会由于交会对接碰撞对接碰撞、陨石撞击陨石撞击或其他原因或其他原因引

35、起的损伤引起的损伤引起的损伤引起的损伤，对损伤进行评估对损伤进行评估对损伤进行评估对损伤进行评估，实施自诊断实施自诊断实施自诊断实施自诊断。2022/10/1549第四十九页，讲稿共七十六页哦（3）环境自适应结构）环境自适应结构 智能结构制成的自适应机翼，能够实时智能结构制成的自适应机翼，能够实时感知外界环感知外界环境的变化境的变化，并可以，并可以驱动机翼弯曲、扭转驱动机翼弯曲、扭转，从而，从而改变改变翼型和攻角翼型和攻角，以获得最佳气动特性，降低机翼阻力系，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。数，延长机翼的疲劳寿命。在机翼结构中使用在机翼结构中使用磁致伸缩致动器磁致伸缩

36、致动器，可使机翼阻，可使机翼阻力降低力降低85%。2022/10/1550第五十页，讲稿共七十六页哦（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根据血液中的葡萄糖 浓度而扩张收缩的聚合物，浓度而扩张收缩的聚合物，这种聚合物可制这种聚合物可制 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。糖浓度始终保持在平常的水平上。2022/10/1551第五十一页，讲稿共七十六页哦图图22 形状

37、记忆合金的主动控振系统形状记忆合金的主动控振系统 主动控振结构主动控振结构主动控振的智能材料系统模型主动控振的智能材料系统模型智能材料智能材料图图23 固定有固定有Ni-Ti记忆合金丝的记忆合金丝的 悬臂梁振幅衰减图悬臂梁振幅衰减图 未通电未通电通电通电2022/10/1552第五十二页，讲稿共七十六页哦2、智能材料与住宅智能化、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：墙壁墙壁可以随可以随心所欲的心所欲的变换颜色变换颜色；椅子椅子可以随人体不同可以随人体不同的需要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都是触摸式的，永远不会再有触电的危险；触

38、摸式的，永远不会再有触电的危险；可可视电话视电话带有传感功能；带有传感功能；。2022/10/1553第五十三页，讲稿共七十六页哦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设想的提出，有可能设计出的提出，有可能设计出智能化住宅智能化住宅。虽然目前还处于虽然目前还处于设想阶段设想阶段，但是已经开始，但是已经开始着手进行研究，并且必然将在不久的将来成为现着手进行研究，并且必然将在不久的将来成为现实。实。几种几种未来的智能产品未来的智能产品如下：如下：2022/10/1554第五十四页，讲稿共七十六页哦（1）多功能砖）多功能砖 具有变通性和智能性。具有变通性和智能性。主

39、要由四个分层构成：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；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、热能和可见光并予产生不同的色彩和图案；传感膜可以接收声波、热能和可见

40、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。通信线路。2022/10/1555第五十五页，讲稿共七十六页哦（2）座椅）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。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。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。构。由于

41、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。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。2022/10/1556第五十六页，讲稿共七十六页哦（3）食物器皿）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

42、冰箱的情况下保鲜的物的碗还具有保温和在不使用冰箱的情况下保鲜的功能。功能。2022/10/1557第五十七页，讲稿共七十六页哦（4）卫生间）卫生间在卫生间里，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。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：2022/10/1558第五十八页，讲稿共七十六页哦在洗漱时在洗漱时，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、水速和水速和水流的状态水流的状态（集中喷射的水流或宽阔的水帘（集中喷射的水流或宽阔的水帘状等）供人们选择。状等）供人

43、们选择。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。2022/10/1559第五十九页，讲稿共七十六页哦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；坐垫坐垫自动加热至舒适的温度，整个结构自动加热至舒适的温度，整个结构十分轻便。十分轻便。2022/10/1560第六十页，讲稿共七十六页哦在电脑住宅的在电脑住宅的厕所厕所里，安装了一台里，安装了一台检查身检查身体的电脑系统体的电脑系统，每当有人上厕所时，与马桶相，每当有人上厕所时，与马桶相连的连的体检装置体检装置即自动分析

44、大小便的情况，如发现即自动分析大小便的情况，如发现异常，电脑会立即发出警报，以便及时到医院去异常，电脑会立即发出警报，以便及时到医院去看病。看病。2022/10/1561第六十一页，讲稿共七十六页哦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、水温水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必将显著提高人们的生活质量人们的生活质量。2022/10/1562第六十二页，讲稿共七十六页哦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（1）人造肌肉）人造肌肉（2）人造皮肤）人造

45、皮肤（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（4）智能材料的两种抗癌应用）智能材料的两种抗癌应用2022/10/1563第六十三页，讲稿共七十六页哦（1）人造肌肉）人造肌肉 生物弹性材料能模拟活体生物，而且其力量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。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，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，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，最后将会这种聚合物就会在体内逐渐降解，最后将会 消失。消失。2022/10/1564第

46、六十四页，讲稿共七十六页哦（2）人造皮肤）人造皮肤意大利比萨大学的科研人员为了使机器人与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。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。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，这种智能材料还可以分辨表面状况，例如，粗糙度、摩擦力等。粗糙度、摩擦力等。2022/10/1565第六十五页，讲稿共七十六页哦(3)在药物自动投入系统上的

47、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根据血液中的葡萄糖浓度而扩张收缩的聚合物糖浓度而扩张收缩的聚合物，这种聚合物可制，这种聚合物可制成成人造胰细胞人造胰细胞，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，小球就可小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终保持在平常的水平上。始终保持在平常的水平上。2022/10/1566第六十六页，讲稿共七十六页哦（4）智能材料的两种抗癌应用）智能材料的两种抗癌应用、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抗癌药物胶囊囊，即，即药物药物“导弹导弹”。亲水部分

48、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2022/10/1567第六十七页，讲稿共七十六页哦图中的图中的疏水性疏水性药物载体药物载体形成了形成了“导弹导弹”的的疏水疏水内核内核，而，而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水化物外壳物外壳。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是一种是一种智能型智能型药物载体药物载体，它能，它能自动避免自动避免被机体内单核吞噬细胞捕被机体内单核吞噬细胞捕获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。2022

49、/10/1568第六十八页，讲稿共七十六页哦、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成了制成了癌症温热疗法用针癌症温热疗法用针。2022/10/1569第六十九页，讲稿共七十六页哦首先，首先，通过导管通过导管将这种针将这种针植入病人癌变植入病人癌变部位部位，由于，由于形状记忆作用形状记忆作用，这种针会发生，这种针会发生弯曲弯曲变形变形现象；现象；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高频电磁场作用下用下，形状记忆合金针形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而使而使癌变

50、区得到萎缩癌变区得到萎缩。2022/10/1570第七十页，讲稿共七十六页哦4、主动结构声控、主动结构声控智能材料系统中智能材料系统中最成熟的应用领域最成熟的应用领域大概大概就是就是主动结构声控主动结构声控。采用智能结构进行采用智能结构进行主动结构声控主动结构声控是是降低降低军用系统噪声军用系统噪声的有效途径。的有效途径。2022/10/1571第七十一页，讲稿共七十六页哦美国军方提出采用美国军方提出采用主动声控涂层主动声控涂层进行进行声信号抑制声信号抑制，提高，提高潜艇主动隐身性能潜艇主动隐身性能。这项。这项技术将使技术将使噪声降低噪声降低60分贝分贝，并使，并使潜艇探测目潜艇探测目标的时间