7智能复合材料与结构.ppt

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1、第第3章章 智能复合材料智能复合材料（ICM）与结构与结构 3.1 概述概述定义：定义：智智能能复复合合材材料料(Intelligent CM,Smart Materials)与与结结构构是是在在复复合合材材料料基基础础上上发发展展起起来来的的一一项项高高新新技技术术，它它是是一一种种由由传传感感器器、信信息息处处理理器器和和功功能能驱驱动动器器等等部部分分构构成成的的新新型型复复合合材材料料。不不同同于于结结构构材材料料和和功功能能材材料料，它它能能通通过过自自身身的的感感知知，获获取取外外界界信信息息，作作出出判判断断和和处处理理，发发出出指指令令，具具有有执执行行和和完完成成功功能能，所

2、所以以单单一一材材料料不不可可能能实实现现，往往往往要要由由多多种种材材料料组组元元复复合合构构成成。智智能能复复合合材材料料是是信信息息科学融入材料科学的产物。科学融入材料科学的产物。1 智能复合材料结构是一类集成有传感元、智能复合材料结构是一类集成有传感元、驱动元的主动材料系统驱动元的主动材料系统,除了除了具有感知、驱动具有感知、驱动功能外功能外,还同时具有自动控制和计算学习的功还同时具有自动控制和计算学习的功能能。这种基于仿生学概念发展起来的最先进。这种基于仿生学概念发展起来的最先进的复合材料的复合材料,能够适时地感知和调整材料的各能够适时地感知和调整材料的各种状态种状态,以适应内外环境

3、的变化以适应内外环境的变化,实现自检测、实现自检测、自诊断、自调节、自恢复、自我保护等多种自诊断、自调节、自恢复、自我保护等多种特殊功能特殊功能。2具体来说智能材料需具备以下内涵：具体来说智能材料需具备以下内涵：（1）具有）具有感知功能感知功能感知功能感知功能，能够检测并且可以识别外界（或，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、化者内部）的刺激强度，如电、光、热、应力、应变、化学、核辐射等；学、核辐射等；（2）具有）具有驱动功能驱动功能驱动功能驱动功能，能够响应外界变化；，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

4、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。智能材料又可以称为敏感材料，其英文翻译也有若智能材料又可以称为敏感材料，其英文翻译也有若干种，常用的有干种，常用的有Intelligent material、Intelligent material and structure、Smart material、Smart material and structure、Adaptive material and structure等。等。3 智能材料的构想来源于仿生，它的目标就是想研智能材料

5、的构想来源于仿生，它的目标就是想研制出一种材料，使它成为具有类似于生物的各种功能制出一种材料，使它成为具有类似于生物的各种功能的的“活活”的材料。因此智能材料必须具备的材料。因此智能材料必须具备感知、驱动感知、驱动感知、驱动感知、驱动和控制和控制和控制和控制这三个基本要素。但是现有的材料一般比较单这三个基本要素。但是现有的材料一般比较单一，难以满足智能材料的要求，所以智能材料一般由一，难以满足智能材料的要求，所以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。两种或两种以上的材料复合构成一个智能材料系统。这就使得智能材料的设计、制造、加工和性能结构特这就使得智能材料的设计、制造、加

6、工和性能结构特征均涉及到了材料学的最前沿领域，使征均涉及到了材料学的最前沿领域，使智能材料代表智能材料代表了材料科学的最活跃方面和最先进的发展方向了材料科学的最活跃方面和最先进的发展方向。4智能材料的特征智能材料的特征因为设计智能材料的两个指导思想是因为设计智能材料的两个指导思想是材料的多材料的多功能复合功能复合和和材料的仿生设计材料的仿生设计，所以智能材料系统具，所以智能材料系统具有或部分具有如下的智能功能和生命特征：有或部分具有如下的智能功能和生命特征：（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、能够感知外界或自身所处的环境条件，如负载、应力、应变、

7、振动、热、光、电、磁、化学、核辐应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学、核辐射等的强度及其变化。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。对比，并将其结果提供给控制系统。5（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能够识别传感网络得到的各类信息并将其积累起来。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。地作出相应的反应，

8、并采取必要行动。（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，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。以校正。6（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，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。来修补某些局部损伤或破坏。（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，能及时地自动对不断变化的外部环境和条件，能及时

9、地自动调整自身结构和功能，并相应地改变自己的状态和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。变化作出恰如其分的响应。7 分类：分类：复复合合材材料料智智能能结结构构分分为为被被动动控控制制式式和主动控制式和主动控制式两类。两类。被被动动控控制制式式智智能能结结构构低低级级而而简简单单（亦亦称称为为机机敏敏结结构构），只只传传输输传传感感器器感感受受到到的的信信息息，如如应应变变、位位移移、温温度度、压压力力和和加速度等，结构与电子设备相互独立。加速度等，结构与电子设备相互独立。8q

10、主主动动控控制制式式是是一一种种智智能能化化结结构构，具具有有先先进进而而复复杂杂的的功功能能，能能主主动动检检测测结结构构的的静静力力、动动力力等等特特性性，比比较较检检测测结结果果，进进行行筛筛选选并并确确定定适适当当的的响应，控制不希望出现的动态特性。响应，控制不希望出现的动态特性。9q智能复合材料的构成：智能复合材料的构成：(1)基基体体材材料料 基基体体材材料料主主要要起起承承受受载载荷荷的的作作用用 ,一一般般选选用用轻轻质质材材料料 ,其其中中高高分分子子材材料料因因重重量量轻轻、耐耐腐腐蚀蚀等等优优点点而而受受到到人人们们的的重重视视。也也可可选选用用金金属属材材料料 ,尤尤其

11、其以以轻轻质质有有色色合金为主。合金为主。(2)传感器部分传感器部分(敏感材料敏感材料)传传感感器器部部分分由由具具有有感感知知能能力力的的敏敏感感材材料料构构成成。它它的的主主要要作作用用是是感感知知环环境境的的变变化化 ,如如温温度度、压压力力、应应力力、电电磁磁场场等等 ,并并将将其其转转换换为为相相应应的的信信号号。这这种种材材料料有有形形状状记记忆忆合合金金、压压电电材材料料、光光纤纤、磁磁致致伸伸缩缩材材料料、致致伸伸缩缩材材料料、电电致致变变色色材材料料、电电致致粘粘流流体体、磁磁致致粘粘流流体、液晶材料、功能梯度材料和功能塑料合金体、液晶材料、功能梯度材料和功能塑料合金。10(

12、3)驱动器部分驱动器部分 构构成成驱驱动动器器部部分分的的驱驱动动材材料料如如形形状状记记忆忆合合金金、磁磁致致伸伸缩缩材材料料、致致伸伸缩缩材材料料、电电致致伸伸缩缩材材料料等等。在在一一定定的的条条件件下下可可产产生生较较大大的的应应变变和和应应力力 ,从从而而起起到到响响应应和和控控制制的的作作用用。可可以以根根据据温温度度、电电（磁磁）场场等等的的变变化化而而改改变变其其形形状状、尺尺寸寸、位位置置、刚刚性性、自自然然频频率率、阻阻尼尼以以及及其其它它一一些力学特征，因而可具有对环境的自适应功能。些力学特征，因而可具有对环境的自适应功能。(4)信息处理器部分信息处理器部分 信信息息处处

13、理理器器部部分分是是智智能能复复合合材材料料的的最最核核心心部部分分。随随着着高高度度集集成成的的硅硅晶晶技技术术的的发发展展 ,信信息息处处理理器器也也变变得得越越来来越越小小 ,这这就就为为将将信信息息处处理理器器复复合合进进智智能能复复合合材材料料提提供了良好的条件。供了良好的条件。1112q应用：应用：由由于于复复合合材材料料的的可可设设计计性性强强，加加之之智智能能结结构构与与先先进进复复合合材材料料的的制制造造方方法法相相同同，因因此此可可根根据据实实际际应应用用情情况况的的需需要要，重重新新将将已已用用于于航航空空航航天天等等结结构构中中的的复复合合材材料料部部件件进进行行智智能

14、能化化处处理理，这这样样可可从从根根本本上上解解决决复复合合材材料料构构件件其其结结构构运运行行中中出出现现的的较较难难克克服服的的问问题题（如如振振颤、应力集中、损伤检测等）。颤、应力集中、损伤检测等）。13在军事领域中的应用在军事领域中的应用智能材料结构不仅象一般功能材料一样可以智能材料结构不仅象一般功能材料一样可以承受载荷，而且它还具有了其他功能材料所不承受载荷，而且它还具有了其他功能材料所不具备的功能，即能感知所处的内外部环境变化，具备的功能，即能感知所处的内外部环境变化，并能通过改变其物理性能或形状等做出响应，并能通过改变其物理性能或形状等做出响应，借此实现自诊断、自适应、自修复等功

15、能。所借此实现自诊断、自适应、自修复等功能。所以，智能材料在军事应用中具有很大潜力，它以，智能材料在军事应用中具有很大潜力，它的研究、开发和利用，对未来武器装备的发展的研究、开发和利用，对未来武器装备的发展将产生重大影响。将产生重大影响。14 目前，在各种军事领域中，智能材料的应用主目前，在各种军事领域中，智能材料的应用主要涉及到以下几个方面：要涉及到以下几个方面：（1）智能蒙皮）智能蒙皮例如光纤作为智能传感元件用于飞机机翼的智能蒙例如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

16、智能蒙皮，可用于预警、隐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。身和通信。目前美国在智能蒙皮方面的研究包括：美国弹道导目前美国在智能蒙皮方面的研究包括：美国弹道导弹防御局为导弹预警卫星和天基防御系统空间平台研制弹防御局为导弹预警卫星和天基防御系统空间平台研制含有多种传感器的智能蒙皮；美空军莱特实验室进行的含有多种传感器的智能蒙皮；美空军莱特实验室进行的结构化天线（即把天线与蒙皮结构融合在一起）研究；结构化天线（即把天线与蒙皮结构融合在一起）研究；美海军则重点研究舰艇用智能蒙皮，以提高舰艇的隐身美海军则重点研究舰艇用智能蒙皮，以提高舰艇的隐身性能。性能。15（2）结构监测和寿命

17、预测）结构监测和寿命预测 智能结构可用于实时测量结构内部的应变、温度、智能结构可用于实时测量结构内部的应变、温度、裂纹，探测疲劳和受损伤情况，从而能够对结构进行监裂纹，探测疲劳和受损伤情况，从而能够对结构进行监测和寿命预测。例如，采用光纤传感器阵列和聚偏氟乙测和寿命预测。例如，采用光纤传感器阵列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；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，可实时探测空间站等大型在轨系统采用光纤智能结构，可实时探测由

18、于交会对接碰撞、陨石撞击或其他原因引起的损伤，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。对损伤进行评估，实施自诊断。16（3）减振降噪）减振降噪 智能结构用于航空、航天系统可以消除系统的有智能结构用于航空、航天系统可以消除系统的有害振动，减轻对电子系统的干扰，提高系统的可靠性。害振动，减轻对电子系统的干扰，提高系统的可靠性。如美国防高级研究计划局资助波音公司研制的直升机如美国防高级研究计划局资助波音公司研制的直升机智能结构旋翼叶片，可以改善旋翼的空气动力学性能，智能结构旋翼叶片，可以改善旋翼的空气动力学性能，减小振动和噪音。智能结构用于舰艇，可以抑制噪声减小振

19、动和噪音。智能结构用于舰艇，可以抑制噪声传播，提高潜艇和军舰的声隐身性能。智能结构用于传播，提高潜艇和军舰的声隐身性能。智能结构用于地面车辆，可以提高军用车辆的性能和乘坐的舒适度。地面车辆，可以提高军用车辆的性能和乘坐的舒适度。国外正在研究的具有减振降噪功能的智能结构，主要国外正在研究的具有减振降噪功能的智能结构，主要由压电陶瓷、形状记忆合金和电致伸缩等新材料制成。由压电陶瓷、形状记忆合金和电致伸缩等新材料制成。17（4）环境自适应结构）环境自适应结构 固固 定定 翼翼 飞飞 机机 在在 起起 飞飞 和和 降降 落落 时时 需需 要要 升升 降降 副副 翼翼；在在 遇遇 有阵有阵 风风 等等

20、情情 况况 时时，飞飞 机机 翼翼 片片 的的 受受 力力 分分 布布 将将 发发 生生 变变 化化，从从 而不而不 能能 始始 终终 保保 持持 最最 佳佳 升升 力力/阻阻 力力 比比。这这 些些 显显 而而 易易 见见 的的 事事 实实 都说都说 明明 飞飞 机机 在在 不不 同同 的的 飞飞 行行 状状 态态 和和 飞飞 行行 条条 件件 下下 需需 要要 不不 同同 的的 机型机型 和和 翼翼 型型。18智能结构制成的自适应机翼（可变形机翼），智能结构制成的自适应机翼（可变形机翼），能够实时感知外界环境的变化，并可以驱动机翼弯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

21、改变翼型和攻角，以获得最佳气动曲、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。特性，降低机翼阻力系数，延长机翼的疲劳寿命。如当飞机在飞行过程中遇到涡流或猛烈的逆风时，如当飞机在飞行过程中遇到涡流或猛烈的逆风时，机翼中的智能材料就能够迅速变形，并带动机翼改机翼中的智能材料就能够迅速变形，并带动机翼改变形状，从而消除涡流或逆风的影响，使飞机仍能变形状，从而消除涡流或逆风的影响，使飞机仍能平衡地飞行。平衡地飞行。19 美国的一项研究表明，在机翼结构中使用磁致伸美国的一项研究表明，在机翼结构中使用磁致伸缩致动器，可使机翼阻力降低缩致动器，可使机翼阻力降低85%。

22、美国波音公司和。美国波音公司和麻省理工学院联合研究在桨叶中嵌入智能纤维、电致麻省理工学院联合研究在桨叶中嵌入智能纤维、电致流变体时可使桨叶扭转变形达几度。美国陆军在开发流变体时可使桨叶扭转变形达几度。美国陆军在开发直升机旋翼主动控制技术，将用于直升机旋翼主动控制技术，将用于RAH-66武装直升机。武装直升机。美国防部和航空航天局也在研究自适应结构，包括翼美国防部和航空航天局也在研究自适应结构，包括翼片弯曲、弯曲造型片弯曲、弯曲造型/控制面造型等。控制面造型等。用智能材料制成的飞机机翼，可以自行弯曲、自用智能材料制成的飞机机翼，可以自行弯曲、自动改变形状，从而改进升力和阻力，使飞机飞得更高、动改

23、变形状，从而改进升力和阻力，使飞机飞得更高、更快。更快。20 将将新型智能材料、新型驱动器、激励器、传感新型智能材料、新型驱动器、激励器、传感器器无缝地综合应用于飞行器的一种新的设计概念。无缝地综合应用于飞行器的一种新的设计概念。变形机翼通过应用灵敏的传感器和驱动器，光滑而变形机翼通过应用灵敏的传感器和驱动器，光滑而持续地改变机翼的形状，对不断改变的飞行条件做持续地改变机翼的形状，对不断改变的飞行条件做出响应，从而可使飞机像鸟一样随意地在空中进行出响应，从而可使飞机像鸟一样随意地在空中进行盘旋、倒飞和侧向滑行。盘旋、倒飞和侧向滑行。变形机翼技术变形机翼技术21 飞机在巡航时通常要求机翼具有高展

24、弦比和大机飞机在巡航时通常要求机翼具有高展弦比和大机翼面积，而要想保持飞行速度快，就要求低展弦比翼面积，而要想保持飞行速度快，就要求低展弦比和小的机翼面积。变形机翼的概念就是把二者的特和小的机翼面积。变形机翼的概念就是把二者的特点结合在一起，使机翼面积能够在点结合在一起，使机翼面积能够在50%到到150%之间之间变化。变形机翼能够从根本上改善飞机的巡航和冲变化。变形机翼能够从根本上改善飞机的巡航和冲刺能力，以及飞行机动能力。刺能力，以及飞行机动能力。美国防部预先研究计划局美国防部预先研究计划局2003年启动年启动变形飞机变形飞机结构（结构（MAS）项目，旨在通过在飞行中改变飞机的项目，旨在通过

25、在飞行中改变飞机的气动外形使飞机在执行不同任务或在不同飞行包线气动外形使飞机在执行不同任务或在不同飞行包线时的飞机性能都保持在最佳状态，即通过变形飞时的飞机性能都保持在最佳状态，即通过变形飞22部件使新一代军用飞机能够用于执行多种形式的作部件使新一代军用飞机能够用于执行多种形式的作战任务。其长远目标是设计一种续航能力比战任务。其长远目标是设计一种续航能力比全球鹰全球鹰无人机更强、机动性比无人机更强、机动性比F/A-22战斗机更好的飞机。战斗机更好的飞机。项目第一阶段的合同由三家主承包商承担，分别是项目第一阶段的合同由三家主承包商承担，分别是洛克希德洛克希德马丁公司的折叠机翼概念；马丁公司的折叠

26、机翼概念；Hypercomp公司公司/新一代航空技术公司提出的新一代航空技术公司提出的滑动蒙皮滑动蒙皮变形机变形机翼概念，利用海军的翼概念，利用海军的火蜂火蜂无人机机体作为验证平无人机机体作为验证平台台;以及雷声公司的压缩机翼概念，采用美军以及雷声公司的压缩机翼概念，采用美军战斧战斧巡航导弹作为试验平台。巡航导弹作为试验平台。2324形状记忆聚合物（形状记忆聚合物（SMP）新型材料）新型材料在变形机翼设计中最重要的因素是一种称作在变形机翼设计中最重要的因素是一种称作形状记忆聚形状记忆聚合物（合物（SMP）的特殊材料，这种材料主要用作变形机翼的蒙的特殊材料，这种材料主要用作变形机翼的蒙皮。皮。S

27、MP具有一种特殊的记忆功能，当机翼被改变为不同形具有一种特殊的记忆功能，当机翼被改变为不同形状布局后，状布局后，SMP分子将会重新组构以恢复其初始形状（如图分子将会重新组构以恢复其初始形状（如图4所示）。所示）。SMP材料的初始形态，也就是它的材料的初始形态，也就是它的“记忆记忆”形状是形状是一种刚性体即高模量形态。当它受热、高频光或电激励后将一种刚性体即高模量形态。当它受热、高频光或电激励后将变成一种低模量弹性体，从而可被驱动器和特殊的控制装置变成一种低模量弹性体，从而可被驱动器和特殊的控制装置伸展成不同的形状，当它再次被激励后，它将恢复到它的原伸展成不同的形状，当它再次被激励后，它将恢复到

28、它的原来的高模量形态。来的高模量形态。2526 新型压电作动器新型压电作动器在在MAS项目中，项目中，DARPA还资助发展一种新型压电作还资助发展一种新型压电作动器，称之为动器，称之为“紧凑式紧凑式混合驱动器混合驱动器项目（项目（CHAP），这，这种作动器相对于传统种作动器相对于传统的驱动器的驱动器来说体积非常小、功效却来说体积非常小、功效却很大。体积小将带来很大优势，因为如果采用大体积很大。体积小将带来很大优势，因为如果采用大体积的的驱动器驱动器，其连接机构也将非常大，势必大幅增加机翼重，其连接机构也将非常大，势必大幅增加机翼重量，有效功率将大大减小。量，有效功率将大大减小。下面图下面图5和

29、图和图6示出美国宾夕法尼亚州立大学技术研示出美国宾夕法尼亚州立大学技术研究所在究所在MAS项目支持下为洛克希德项目支持下为洛克希德马丁公司的变形折马丁公司的变形折叠机翼设计和制造的应用于折叠机翼和前缘襟翼的叠机翼设计和制造的应用于折叠机翼和前缘襟翼的压电压电驱动器驱动器。272829(5)智能材料与住宅智能化智能材料与住宅智能化未来的住宅：墙壁可以随心所欲地变换颜色；未来的住宅：墙壁可以随心所欲地变换颜色；椅子可以随人体不同的需要改变温度和形状；一切椅子可以随人体不同的需要改变温度和形状；一切的电器都是触摸式的，永远不会再有触电的危险；的电器都是触摸式的，永远不会再有触电的危险；可视电话带有传

30、感功能；可视电话带有传感功能；。随着智能材料的发。随着智能材料的发展，智能化住宅已经不再只是梦想。虽然目前还处展，智能化住宅已经不再只是梦想。虽然目前还处于设想阶段，但是已经开始着手进行研究，并且必于设想阶段，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实。然将在不久的将来成为现实。30u多功能砖多功能砖多功能砖用来构建整个房屋的结构单元，这种结构单多功能砖用来构建整个房屋的结构单元，这种结构单元具有变通性和智能性。这种多功能砖的第一层是功能层，元具有变通性和智能性。这种多功能砖的第一层是功能层，能感受来自周围的声能、热能、光能，并能控制这些能量的能感受来自周围的声能、热能、光能，并

31、能控制这些能量的输出，如果是内墙壁砖的话，还能控制和改变墙的功能；第输出，如果是内墙壁砖的话，还能控制和改变墙的功能；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。住户还可以挑层是输送通道，可以用来输送水和其它材料。住户还可以挑选合适的带选合适的带“面膜面膜”的砖材。面膜是砖材的最上层，可以使的砖材。面膜是砖材的最上层，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；可见光并予以减弱

32、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。面膜的设置及其构形并不是一界面膜可连接内外通信线路。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的面膜。成不变的，而是很容易剥离并换上新的面膜。31u食物器皿食物器皿在未来的厨房里不会看到传统的碗碟。在毫微在未来的厨房里不会看到传统的碗碟。在毫微塑料的桌面上旋转的碗不仅能测知食物的存在，而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，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

33、不使用冰箱的情况下保鲜的功能。还具有保温和在不使用冰箱的情况下保鲜的功能。32u座椅座椅坐椅不仅功能将大大增加，而且也将增加舒适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，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。如果出于美学的考也可以形成各种型式的椅座面。如果出于美学的考虑，或是便于人们入座或从座椅中站起，毫微塑料虑，或是便于人们入座或从座椅中站起，毫微塑料也可以形成所需的任何图案或结构，还能改变座椅也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本身的结构。由于不同年龄段的人对

34、温度舒适性的要求有很大区别，这种座椅还可以随心所欲地升温要求有很大区别，这种座椅还可以随心所欲地升温和降温。它甚至还对人们喜爱的舒适温度具有记忆和降温。它甚至还对人们喜爱的舒适温度具有记忆功能。功能。33u卫生间卫生间在卫生间里，常见设施是洗脸盆、抽水马桶和在卫生间里，常见设施是洗脸盆、抽水马桶和淋浴器。而采用了智能结构后：淋浴器。而采用了智能结构后：在洗漱时，人们只要接触洗脸盆支架表面的任在洗漱时，人们只要接触洗脸盆支架表面的任何区域，就能调节控制水温、水速和水流的状态何区域，就能调节控制水温、水速和水流的状态（集中喷射的水流或宽阔的水帘状等）供人们选择。（集中喷射的水流或宽阔的水帘状等）供

35、人们选择。洗脸盆上方的镜子能照出人的正常反转象，还能照洗脸盆上方的镜子能照出人的正常反转象，还能照出真实的非反转象。出真实的非反转象。34 抽水马桶的形状和大小可随使用者的不同而自抽水马桶的形状和大小可随使用者的不同而自动变化，坐垫自动加热至舒适的温度，整个结构十动变化，坐垫自动加热至舒适的温度，整个结构十分轻便。无论安装在室内的任何地方，都能和多功分轻便。无论安装在室内的任何地方，都能和多功能砖牢固地砌合，从而解决上下水的问题。在电脑能砖牢固地砌合，从而解决上下水的问题。在电脑住宅的厕所里，安装了一台检查身体的电脑系统，住宅的厕所里，安装了一台检查身体的电脑系统，每当有人上厕所时，与马桶相连

36、的体检装置即自动每当有人上厕所时，与马桶相连的体检装置即自动分析大小便的情况，如发现异常，电脑会立即发出分析大小便的情况，如发现异常，电脑会立即发出警报。警报。淋浴设备只要和多功能砖相连接，上下水、水淋浴设备只要和多功能砖相连接，上下水、水温和水流都能得到自动控制和调节。温和水流都能得到自动控制和调节。35(6)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u人造肌肉人造肌肉因为生物弹性材料能模拟活体生物，而且其力因为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。所以这种材料量和反应速度均接近于人体的肌肉。所以这种材料可以应用于人体组织的修复，而且它们还具有与生可以

37、应用于人体组织的修复，而且它们还具有与生物体的相容性，随着伤口的愈合，这种聚合物就会物体的相容性，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。在体内逐渐降解，最后将会消失。36u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真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，这种材料可以感知温度、热种人造皮肤智能材料，这种材料可以感知温度、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，

38、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。粗糙度、摩擦力等。37u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根据血液中的葡萄糖浓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。的水平上。38u智能材料的两种抗癌应用智能材料的两种抗癌应用 、如图一种有效的抗癌药物胶囊，即药物、如图一

39、种有效的抗癌药物胶囊，即药物“导导弹弹”。图中的疏水性药物载体形成了。图中的疏水性药物载体形成了“导弹导弹”的疏的疏水内核，而亲水性部分则在内核周围形成了一个水水内核，而亲水性部分则在内核周围形成了一个水化物外壳。所形成的这种高分子聚合物胶囊是一种化物外壳。所形成的这种高分子聚合物胶囊是一种智能型药物载体，它能自动避免被机体内单核吞噬智能型药物载体，它能自动避免被机体内单核吞噬细胞捕获而有效的到达癌细胞所在地。细胞捕获而有效的到达癌细胞所在地。39、90年代后期，研制出用对电磁场敏感的铁氧年代后期，研制出用对电磁场敏感的铁氧体包覆体包覆Ti-Ni形状记忆合金丝制成了癌症温热疗形状记忆合金丝制成

40、了癌症温热疗法用针。首先，通过导管将这种针植入病人癌法用针。首先，通过导管将这种针植入病人癌变部位，由于形状记忆作用，这种针会发生弯变部位，由于形状记忆作用，这种针会发生弯曲变形现象；其次，在通过涡流效应产生高频曲变形现象；其次，在通过涡流效应产生高频电磁场作用下，形状记忆合金针将能够产生一电磁场作用下，形状记忆合金针将能够产生一定的热量而使癌变区得到萎缩。定的热量而使癌变区得到萎缩。40(7)主动结构声控主动结构声控智能材料系统中最成熟的应用领域是主动智能材料系统中最成熟的应用领域是主动结构声控。采用智能结构进行主动结构声控是结构声控。采用智能结构进行主动结构声控是降低军用系统噪声的有效途径

41、。一般说来，可降低军用系统噪声的有效途径。一般说来，可以采用两种方法来实现主动结构声控。以采用两种方法来实现主动结构声控。一种是简单地使结构完全停止振动，显然一种是简单地使结构完全停止振动，显然它可以使声辐射降低到零，这是一种强制性的它可以使声辐射降低到零，这是一种强制性的方法，往往也是办不到的。方法，往往也是办不到的。41 另一种就是采用智能控制方法，它是指有另一种就是采用智能控制方法，它是指有选择地控制辐射振动模。因为并不是所有的振选择地控制辐射振动模。因为并不是所有的振动模都辐射动模都辐射“具有危险性具有危险性”的声波，减少系统的声波，减少系统的质量和功耗也同样是必须考虑的因素，因而的质

42、量和功耗也同样是必须考虑的因素，因而最好的办法是最好的办法是“感觉感觉”辐射辐射“具有危险性具有危险性”的的辐射波振动模，并使用分布在整个结构中的驱辐射波振动模，并使用分布在整个结构中的驱动器（压电材料或电致流变体）对产生的该振动器（压电材料或电致流变体）对产生的该振动模进行控制。该方法的效率取决于对材料系动模进行控制。该方法的效率取决于对材料系统相互作用的基本物理现象的认识和智能材料统相互作用的基本物理现象的认识和智能材料系统的自适应能力。系统的自适应能力。42 美国军方提出采用主动声控涂层进行声信美国军方提出采用主动声控涂层进行声信号抑制，提高潜艇主动隐身性能。这项技术将号抑制，提高潜艇主

43、动隐身性能。这项技术将使噪声降低使噪声降低60分贝，并使潜艇探测目标的时间分贝，并使潜艇探测目标的时间缩短缩短100倍。预计这种主动声控涂层将倍。预计这种主动声控涂层将采用压电采用压电涂层材料和采用电致流变体技术的主动消声贴涂层材料和采用电致流变体技术的主动消声贴片片。43美美 国国 麻麻 省省 理理 工工 学学 院院 正正 在在 研研 制制:增增 强型强型 主主 动动 降降 噪噪 潜潜 艇艇 壳壳 体体 模模 型型 44(8)主动振动控制主动振动控制振动会极大地降低工程系统的性能，如降低对地振动会极大地降低工程系统的性能，如降低对地观测卫星的传感器精度，减弱跟踪和预警卫星跟踪目观测卫星的传感

44、器精度，减弱跟踪和预警卫星跟踪目标的能力，使制导武器性能下降，导致系统金属结构标的能力，使制导武器性能下降，导致系统金属结构的疲劳破坏，此外还会干扰空间站的微重力环境等。的疲劳破坏，此外还会干扰空间站的微重力环境等。采用压电材料、形状记忆合金或电致流变体的智能结采用压电材料、形状记忆合金或电致流变体的智能结构均可实现振动的主动控制，提高军用系统的性能。构均可实现振动的主动控制，提高军用系统的性能。如采用智能结构进行主动振动控制，可降低直升机旋如采用智能结构进行主动振动控制，可降低直升机旋翼的振动振幅以及产生可控的扭曲形变，提高直升机翼的振动振幅以及产生可控的扭曲形变，提高直升机的有效载荷，使速

45、度增加，戒备能力提高。的有效载荷，使速度增加，戒备能力提高。45 空间系统的主动振动控制智能结构，主要采用压空间系统的主动振动控制智能结构，主要采用压电陶瓷或电致伸缩材料作为驱动器。考虑的主要因素电陶瓷或电致伸缩材料作为驱动器。考虑的主要因素是低功耗、耐久性、疲劳特性、稳定性和温度环境是低功耗、耐久性、疲劳特性、稳定性和温度环境效应等问题，同时还考虑控制器的小型化。效应等问题，同时还考虑控制器的小型化。传感器可用光纤和压电材料。当系统结构受到外力传感器可用光纤和压电材料。当系统结构受到外力作用振动并产生形变时，压电应变传感器可产生与压作用振动并产生形变时，压电应变传感器可产生与压力成正比的表面

46、电荷，控制系统对传感器测量的信号力成正比的表面电荷，控制系统对传感器测量的信号进行处理后，再给压电驱动器反馈一个适当的电压，进行处理后，再给压电驱动器反馈一个适当的电压，使其产生反向变形力，从而产生对系统结构的阻尼作使其产生反向变形力，从而产生对系统结构的阻尼作用，使系统结构的振动随之迅速减弱。用，使系统结构的振动随之迅速减弱。46 主动振动控制自适应结构，另一项主要应用主动振动控制自适应结构，另一项主要应用是消除航天器控制系统与柔性结构的相互干扰作是消除航天器控制系统与柔性结构的相互干扰作用，未来大型柔性航天结构因其振动频率低于控用，未来大型柔性航天结构因其振动频率低于控制系统的频率，会导致

47、有害的控制结构干扰作制系统的频率，会导致有害的控制结构干扰作用，用传统的设计方法不能消除这种作用，并且用，用传统的设计方法不能消除这种作用，并且不能简单地从传感器中滤去结构振动信息，必须不能简单地从传感器中滤去结构振动信息，必须从结构优化、阻尼减振方面考虑。智能结构则是从结构优化、阻尼减振方面考虑。智能结构则是解决大型柔性结构相互干扰作用最有效的手段。解决大型柔性结构相互干扰作用最有效的手段。47智能材料的种类：智能材料的种类：形状记忆合金形状记忆合金一般金属材料受到外力作用后，首先发生一般金属材料受到外力作用后，首先发生弹性变形，达到屈服点，就产生塑性变形，应弹性变形，达到屈服点，就产生塑性

48、变形，应力消除后留下永久变形。但有些材料，在发生力消除后留下永久变形。但有些材料，在发生了塑性变形后，经过合适的热过程，能够回复了塑性变形后，经过合适的热过程，能够回复到变形前的形状，这种现象叫做形状记忆效应到变形前的形状，这种现象叫做形状记忆效应（SME）。）。具有形状记忆效应的金属一般是两具有形状记忆效应的金属一般是两种以上金属元素组成的合金，称为形状记忆合种以上金属元素组成的合金，称为形状记忆合金（金（SMA）。48形状记忆合金可以分为三种：形状记忆合金可以分为三种：（1）单程记忆效应）单程记忆效应形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形

49、前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记复变形前的形状，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。忆现象称为单程记忆效应。（2）双程记忆效应）双程记忆效应某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢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。复低温相形状，称为双程记忆效应。（3）全程记忆效应）全程记忆效应加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而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。取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。4950形状记忆合金的应用形状记忆合金的应用工业应用：工业应用：（1）利用单程形状记忆效应

50、的单向形状恢复。）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。如管接头、天线、套环等。（2）外因性双向记忆恢复。即利用单程形状记）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。敏元件、机器人、接线柱等。（3）内因性双向记忆恢复。即利用双程记忆效）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。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。但这类应用记忆衰减快、可靠性差，不常用。（4）超弹性的应用。如弹簧、接线柱