智能材料和结构.pdf

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1、文章编号!#$%&()#*#%#+,%#-智能材料和结构高培德（中国科学院上海微系统与信息技术研究所.上海#(#）摘要：介绍了智能材料（/01233/4201 56127/638 97 85671 56127/638）和智能结构（/01233/4201 817:;1:72）的基本概念、分类和发展，并对当前材料研究关注热点的四类智能材料：压电陶瓷和压电聚合物、综合性光纤、形状记忆合金、电流变体和磁流变体作了较详细的描述，同时对智能材料和结构在各个领域中的应用进行了探讨。关键词：智能材料,?文献标识码!#$%&$#()#$*&)%+,+#*-.#-*$+AB C2/%D2)EF604F6/G081

2、/1:12 9H I/;798J8125 60D G0H97561/90=2;F09394J.KF/0282;6D25J 9H E;/20;28.EF604F6/#(#.KF/06*/0+#*).#!L:0D6520163;90;2M1.;3688/H/;61/90 60D D2N239M5201 H97/01233/4201 56127/638 60D 817:;1:728O272 72N/2O2DP L9:7 Q/0D8 9H 56127/638 OF/;F 672 1F2 728267;F F918M918 72;2013J O272 D28;7/R2D/0%;3:D/04 M/2S92

3、32;17/;2765/;8 60D M93J5278.89MF/81/;612D 9M1/;63 H/R27.8F6M2 52597J 6339J8.232;1797F29394/;63 H3:/D8 60D 56402197F29394/;63 H3:/D8P=F2/0D:817/63 60D 5/3/167J 6MM3/;61/908 9H/01233/4201 56127/638 60D 817:;1:728 O272 D/8;:882D 68 O233P1$2 34*5+!/01233/4201 56127/638/01233/4201 817:;1:72收稿日期!#%修订日期!#%

4、#&%#(作者简介!高培德)+&%*.男.副研究员.曾长期从事材料特性的研究和理化分析工作 P引言#世纪?#年代以来.智能材料)GI*和智能结构)GE*引起国际学术界的广泛重视.这是一种能感知外部环境和内部状态变化.并通过自身机制对信息加以识别和推断.进而合理地决策并驱动结构作出响应的、复合的材料结构系统。随着对材料特性认识的深化和全面应用，人类从最初利用材料热膨胀系数的差异制作温湿度计，到全方位利用材料晶体结构、相变等各种特性制成自适应材料和器件，使GI 和 GE 在众多领域中作为传感、执行、控制功能的智能器件或系统而得到广泛的应用.智能材料已经进入一个全新的概念TU（如图 示）。目前国外已

5、开始将智能材料应用在航空、航天飞行器、空间平台、核反应堆、潜艇、海底工程和桥梁等重要结构中，甚至汽车、高速公路和智能化大楼等民用建筑中TU，实现在线监测负载和结构内部应力、变形、温度、损伤等状况，通过预警、自适应调整、自修复等方式，减缓以致消除危害，从而提高结构运行的安全性和可靠性。#年-月VBWXYZ BL LWYK=GBYZ I=XGZE Y GKEV:02.#第?卷第 期功能材料与器件学报93P?.Y9P 表!智能材料的分类和应用#$%&!(&)#*+#(%,-#.,/*)/0 12$#)&+/*.3&4#.&5,#%-3#5#-.&5,).,-)系列材料类别应用金属形状记忆合金形状记忆

6、复合材料航空、航天和原子能工业中结构材料无机非金属压电陶瓷电流变流体光致变色材料电致变色材料传感器、测量元件、辐照探测器、膜、变压器、驱动器、超声电机以及抑制噪声和振动等高分子刺激响应性高分子凝胶智能高分子膜智能高分子粘合剂智能药物释放体智能高分子基复合材料医学、建筑、仪器和自动化等67功能材料与器件学报8 卷9,:;!器件的复合结构。传感元件主要有电磁、声学、化学、力学传感器、生物传感器，光纤、压电陶瓷、压电聚合物、电阻应变计等?驱动元件有电流变和磁流变材 料，以及超 声马达，微 电子机 械系统（22A）B 微光电子机械系统（2C2A）执行器等?控制系统包括模糊控制、神经网络和分布式控制等。

7、智能结构在 8D 年代中期由美国军方率先提出并进行研究，近年在世界各工业发达国家中它作为一个新兴的高新技术领域而受到各界的青睐。E智能材料智能材料是一种能通过系统协调材料内部各种功能并对时间、地点和环境作出反应和发挥功能作用的材料。响应性是智能材料的共同特征。按材料特性智能材料可分为金属系、无机非金属系和高分子系三大类F表!G。智能材料的最新研究涉及压电聚合物、分布式可控材料中多层传感器和执行器阵列、医学应用等领域。当前研究活动的主要方向集中在介观（!D H!D E4）尺度嵌入式系统和集成智能组件上，更多注意在组件或系统的响应。95#*I%,*J/I&KLM认为N 如下四类智能材料是当前材料研

8、究关注的热点。E;!压电陶瓷和压电聚合物 F(,&O/&%&-.5,-&5#4,-)#*+(/%4&5)G这是近年发展最快的一类智能材料，目前已有压电陶瓷变压器、压电振动陀螺和压电传输微马达等常规产品。压电材料能制作模拟神经、大脑和肌肉的传感器、执行器和控制电路进入单片集成，构成一种新型复合智能材料。美国霍尼韦尔公司新近开发的 A LDDD 智能传感器是一种带有微处理器的兼有检测和信息处理功能的新型传感器，用离子注入等半导体工艺在同一芯片上制作差压、静压和温度三种敏感元件N 具有量程比宽、精度高、温度静压特性好、可远距离调节、设定和操作以及自诊断等特性K7M。在新型压电技术中，超声电机能满足小

9、型化、薄膜化、低噪声、无电磁干扰等要求，有可能取代小型的传统电磁电机在卫星、飞机以及其他精密仪器中大量使用。目前N 超声电机已在宇航、机器人、汽!期高培德 智能材料和结构#$车、精密定位、医疗器械和微型机械中获得了成功应用。例如：美国%&和()*联合研制的超声电机应用于火星探测微着陆器+,-.-将超声电机用于空间机器人技术。我国清华大学、哈尔滨工业大学、浙江大学和南京航空航天大学等近年也先后开展了这方面的研究，并研制成多种旋转型超声电机和直线型超声电机，在大扭矩、微型和特种超声电机的研究方面也取得了不少的研究成果/$0。尽管超声电机具有上述一系列优点，但目前还存在着运行效率低、寿命短、输出功率

10、不大和可靠性差等问题有待进一步解决。!1!综合性光纤 2.345综合性光纤集传感与传输于一体，能与数字通信系统兼容6 在自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警等方面有着广泛的应用前景。各种传感器目前达到的水平列于表!/70。光纤分布式传感器技术是利用光纤的相关物理特性对被测场的空间和时间行为进行实时检测。光纤分布式传感器系统可分为本征型光纤分布式传感器和准分布式光纤传感器两大类/80。本征型光纤分布式传感器一般基于单根光纤沿长度分布的基本损耗或散射机理而工作的，而准分布式光纤传感器增加了沿光纤长度分布的离散传感单元，使被测点的分辨率大大提高。时分复用技术（*9(）、频分复用技术（49(）和波分

11、复用技术（:9(）是准分布式光纤传感器中常使用的技术。图!给出了本征型光纤分布式传感器和准分布式光纤传感器的基本物理模型。鉴于准分布式光纤传感器耗时、耗资和布线上的困难，近年又发展了全分布式光纤传感器，它是基于二维分布式传感器网络的系统，可快速准确地传感大范围信息。光纤开关作为光纤分布式网络的关键部件是当前研究的热点。最近，-1&;?)ER;56 可望改进至优于 M!$OHF)ER;传光型 2K5I L S71$T&;6 动态范围 KK$OH+2!5#$&;L!(&;6 动态范围 N8OH温度传光型M KI L U SIIC?、V K L V SC?6 响应时间为!W转动相位干涉仪 灵敏度 K

12、II L SII X KC?M(6 相当于 KI M NC?X Y相位干涉仪 理论灵敏度优于 KIM 8O=X ZF2机械型 KI!、激光型 KIM 75实际 短期漂移 I1 II!O=X ZF6 长期漂移 I1 KO=X ZF磁场相位干涉 实际已达 KIM#W6 政府极限 KIM KSW。传统方法6 室温 KIM 8W6 低温 KIM KIW加速度传光型!1$KIM$=相位干涉型 Q K KIM N=6!KIM SL KIM KI=电流光强调制型$!L KIIIY-偏振态变化型$I L K!II-6 优于 I1!级仪表标准传光型.4 M 8 玻璃6 磁场!I M$III 时振辐误差 V I1

13、$6 相位误差 V!$Y!&FCRFBW CA BZ RFWDB CRB_;M AF WDWCFW!#$%&()*+,-.+,*/012(/+13 4564+,2+56)75(2+(4+16+*42 87*+9 2+56)75(2+(4+16+图%*:本征型光纤分布式传感器和):准分布式光纤传感器的基本物理模型%$;形状记忆合金?:形状记忆合金具有形状记忆、超弹性和减震三大功能，广泛应用于温控驱动件、温度开关、机器人、饰品与玩具等方面。在美国(A(B,1 大学人造肌肉研究所工作的王国平等人CDEF利用形状记忆效应（=G）和准弹性效应（-+(721(/*+5,(33(,5F 简称HGG）研制成了

14、形状记忆合金旋转关节（图;）。在=?中，以&基为代表的形状记忆合金既能满足生物力学功能要求，又能满足化学（人体内恶化、分解溶化、腐蚀）和生物学（生物相容性、毒性、致癌性、抗血栓性、抗原性）要求，并经医学试验证明具有良好的生物化学稳定性，因而在制作牙齿矫形丝、牙根、弓形接骨板、血管夹、人手关节、血管扩张支架等方面得到了广泛的医学应用。!#$;=,(0*5,26*A4#13*=?615*516.*,57*516 7+4#+*-(0(016.(33(,5*42-+(721(/*+5,(33(,5图;采用形状记忆效应和压电效应制备的形状记忆合金旋转关节示意图%$I 电流变体（(/(,5616(1/1#

15、,*/3/72+）和磁流变体（0*#4(516(1/1#,*/3/72+）电流变体通常是高绝缘的液体，它是由细小的极性固体颗粒悬浮在合适的液态中组成的浆液。利用它的电流变效应 GJG:可制备多种驱动器和执行器。清华大学邱虹云等人CKE利用压电效应和电流变效应研制了用于精密定位、控制和细微操作的新型平面部进驱动器。磁流变体是由非常细的铁磁粒子稳定地悬浮在非磁载体中构成，应用外加磁场可控制该流变体的行为。与电流变体类似，磁流变体也可能会引起液压系统、执行器、阀、振动阻尼器等机械系统革命性的变化CLME。;智能结构智能结构是将传感元件、驱动元件和控制系统结合或融合在机体测量中而形成的一种材料 9 器

16、件的复合结构。随着纳米技术的发展，传感器、处理器和执行器的小型化达到单分子或分子簇尺度，而平行分布处理技术的发展，使生物型智能材料逐步向神经信息处理系统发展。智能结构具有广泛的应用前景。;$L 在航空 N 航天方面：（L）飞行器结构完整性的实时监测系统这类系统可对因疲劳、腐蚀、冲击、磨损、温度以及误操作等引起的结构损伤实现及时探测、定位并作出评价，当损伤达到临界状态时，它能发出警告。如果结构中含有驱动元件，则能对损伤进行自抑制和自愈合。同时，该系统也能监测和记录实时应力、应变、温度及振动等动态，以随时了解和掌握结构的KO功能材料与器件学报D 卷!#$%&()*+(,-.-/012 341.5

17、67#,78图%&()*+(接收原理图工作状态。（9）自适应结构这是当前研究的热点:包括的内容很多，其中研究最多的是振动和噪声的主动控制结构和机翼形状主动控制结构。降低飞机的振动和噪声一直是飞机设计师追求的目标，智能结构的出现为解决这一问题提供了一条新途径。振动和噪声的主动控制结构可有效地避免共振，大大降低振幅与噪声，提高飞机的安全可靠性。机翼形状主动控制结构利用驱动元件使机翼变形，通过实现无舵面飞机降低飞行阻力，延长疲劳寿命，提高飞机的机动性能。（;）飞行器智能表层将飞行器的控制、通信、导航、雷达、电子对抗等系统集成在表层中，通过公用传感器和信号处理器!#$?,-3-40?2#A(B0C 8

18、?40D1,8-83-6E6-6-21,726.C/图 用 A(制作的具有多种嵌入式传感器和芯片的波音飞机智能机翼来实现多种功能。它是电子元件和结构材料的组合，既起结构作用又起电子设备的功能，从而提高系统可靠性，改善飞行器的机动性能，以及减轻飞行器重量。图 给出用 A(制作的具有多种嵌入式传感器和芯片的波音飞机机翼实样和剖面图FGGH。;$9 自主导航IJ 年代兴起的全球定位辅助惯性导航系统K&()*+(L 能用于地面信息智能收集、侦察和对目标的实时精确定位，能达到载人飞机所不能达到的效果。由于其具有低廉的价格和可提供可靠的导航手段，近年在军事和民用航空上得到广泛应用。&()*+(接收原理图示

19、于图%FG9H。;$;卫星天线发射器的自适应结构德国宇航研究院力学研究所正在研制一种新型的、用于卫星天线发射器的自适应结构体系，以开发和利用更高的远程通讯频率来满足未来卫星进一步提高通讯能力的要求。自适应结构是集驱动器、传感器和控制器于一体的智能结构，是具有自检测、自适应、自致动等某些智能功能与生命特征的仿生机械结构。自适应天线反射器由四层组成FG;H（图 M）：抛物面反射器内表层用高级纤维增强复合材料 N!O 材料制成；驱动器由 PQ 压电陶瓷和碳纤维复合材料保护层组成，蜂窝状芯子用%88 厚六方铝材制作R外表层用粗纤维以微细间隔缠绕而成。这种自适应结构天线反射器可实时地将与理想状态的偏差信

20、号发送出去，然后计算出所要求的控制信号，并将控制信号传送到驱动器，驱动器动作使发送器恢复到原始轮廓，故有很高的热稳定性和可实现高效控制。9 期高培德S 智能材料和结构IT!#$%&()*+,-(*,.*,(/*,/(0,1.,2*30-401(2,.(5,0-图%自适应天线反射器的表层设计6$7 分布式机器人和智能仿生结构自上世纪 89 年代末以来，随着机器人学、分布式人工智能（:&;）和分布式系统的研究和发展，机器人已朝着分布式、系统化和智能化方向发展。目前流行的智能体（&#,/*）被认为是一个能作用于自身和环境，并能对环境做出反应的物体或抽象体，是一个具有自主性、主动性、社会交换性及反应性

21、的对象模型。多智能体体系（&=）是&#,/*的集合，每个智能体都能利用局部信息进行自主规划，并通过规划推理解决局部冲突实现协作，从而完成与自身相关的局部目标。依据 9 世纪 89 年代兴起的军民二用高新科学技术，它集材料学、物理、化学、生物学、计算机、微电子机械、自动控制等于一身，在航空?航天、航海、能源、交通、建筑、医学等重要领域具有广泛的应用前景。智能材料的出现是材料领域的一次飞跃，智能材料和结构的研究开发孕育着新的理论和技术，其研究成果必将涉及到信息科学、电子科学、生命科学、海洋科学和软科学技术等各个领域，将对 世纪的科学技术和国民经济的发展起到巨大的推动作用。参考文献ABC&.,D(/

22、,0=*0(4E$=F(0*$BCQ,/05 R,*03-LO=F(0*F(*,0(.-F(0*E,*130*K,14*40,31,/#/,0/#BGH?IJC$K*)A!SSS$*,2K/,S-$+*$,4?&0T2M3+,-?UU%?&4#?U%N%$K*F.O 9 P 7 P$B6C!0(/L./Q3L,O=F(0*F(*,0(.0,-,(02K,D)(/-E,53/,1,/-,(0,/(BGH?IJC$K*)A!SSS$*K,-2,/*-*$23F?50UU?()0.?0,-,(02K U97V$K*F.O 9 P 7 P 6$B7C 皮广禄$国外传感器技术的现状与发展W;X BYC$

23、传感器世界O UUUO A V$BNC 赵淳生$世纪超声电机技术展望 BYC$振动、测试与诊断，999O 9WXA V$B%C 毛良明O 等$光纤分布式传感器 BYC$传感器世界，UUUOA N$BVC R(#,&Z.1*3/!4003SO!#$!E,0 3)*2-S*2K/#,+2,-23/-*042*,103F*K,0F(.5-*(E.,F(*,0(.-BYC$!#$O UUVO6979A%$B8C(/#43)/#O 6$BUC 邱虹云O 等$压电 P 电流变二维步进式驱动器 BYC$压电与声光，999O W%XA 6%V$B9C I-(F(&-K340OZ0(#3#,0-O!#$999O7A$BC.3E(.R3-*3/#=5-*,F-O;/,0*(._(+#(*3/;/*,#0(T*3/O R4E.-K,0O 99$B6C 陶云刚O等$基于纤维缠绕技术的自适应天线反射器BYC$宇航学报O 99O WXA 8U$U8功能材料与器件学报8 卷