无非金属材料概论-110001.ppt

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1、智智 能能 无无 机机 材材 料料概述概述 智能材料的概念智能材料的概念 智能材料的设计和构思智能材料的设计和构思 智能材料的特征智能材料的特征 智能材料的研究智能材料的研究 压电陶瓷压电陶瓷 形状记忆陶瓷形状记忆陶瓷自修补、自愈合陶瓷材料自修补、自愈合陶瓷材料陶瓷基复合材料的自诊断陶瓷基复合材料的自诊断 智能混凝土材料智能混凝土材料 智能材料的概念智能材料的概念 智能材料是指环境具有可感知、可响应，并具有功智能材料是指环境具有可感知、可响应，并具有功能发现能力的新材料。它是能够接受和响应外部环能发现能力的新材料。它是能够接受和响应外部环境的信息而自动改变自身状态的一种新型材料，它境的信息而自

2、动改变自身状态的一种新型材料，它不但可以判断环境，而且还可顺应环境，即具有类不但可以判断环境，而且还可顺应环境，即具有类似于活的生物肌体组织那样的病变自诊断、外部伤似于活的生物肌体组织那样的病变自诊断、外部伤口自愈合、环境自适应、预告寿命、甚至自己分解、口自愈合、环境自适应、预告寿命、甚至自己分解、自己学习、自己增值、自组装、自恢复、应对外部自己学习、自己增值、自组装、自恢复、应对外部刺激自身积极发生变化等功能效应。由于这种材料刺激自身积极发生变化等功能效应。由于这种材料不是过去常见的单一的、简单的组织结构，因此常不是过去常见的单一的、简单的组织结构，因此常称之为智能材料系统。称之为智能材料系

3、统。自自19891989年日本高木俊宜教授提出了智能材料概念以来，先是在年日本高木俊宜教授提出了智能材料概念以来，先是在日本、美国，尔后是西欧，进而世界各国的材料界都开始研究日本、美国，尔后是西欧，进而世界各国的材料界都开始研究智能材料。智能材料。科学家们研究将必要的仿生功能引入材料，使材料和系统达到科学家们研究将必要的仿生功能引入材料，使材料和系统达到更高的层次，成为具有自监测、自判断、自结论、自指令和执更高的层次，成为具有自监测、自判断、自结论、自指令和执行功能的新材料。行功能的新材料。智能结构常常把高技术传感器或敏感元件与传统结构材料和功智能结构常常把高技术传感器或敏感元件与传统结构材料

4、和功能材料结合在一起，赋予材料崭新的性能，使材料变得有了能材料结合在一起，赋予材料崭新的性能，使材料变得有了“感觉感觉”和和“知觉知觉”，能适应环境的变化，不仅能发现问题，而，能适应环境的变化，不仅能发现问题，而且还能自行解决问题。且还能自行解决问题。例如，人们将导电性能较好的碳素纤维与玻璃纤维等集束在一例如，人们将导电性能较好的碳素纤维与玻璃纤维等集束在一起，制得的智能材料，在较强外力作用下扭曲时，其中的碳素起，制得的智能材料，在较强外力作用下扭曲时，其中的碳素纤维因较脆而首先被部分或全部折断，从而使材料的电阻发生纤维因较脆而首先被部分或全部折断，从而使材料的电阻发生相应的变化，据此可预测出

5、该材料受损的程度。相应的变化，据此可预测出该材料受损的程度。再如在混凝土材料中，预先埋入大量装有裂纹修补剂的空心纤再如在混凝土材料中，预先埋入大量装有裂纹修补剂的空心纤维，当混凝土受压开裂时，这些空心纤维也会裂开一个口了，维，当混凝土受压开裂时，这些空心纤维也会裂开一个口了，从而释放出修补剂，把裂纹重新粘接起来。从而释放出修补剂，把裂纹重新粘接起来。智能材料有时又称为机敏材料，而二者并非完全相同，机敏材智能材料有时又称为机敏材料，而二者并非完全相同，机敏材料可以判断环境，但不能顺应环境，机敏材料再加上控制功能料可以判断环境，但不能顺应环境，机敏材料再加上控制功能就是智能材料。就是智能材料。智能

6、材料则不但可以判断环境，而且还可顺应环境，即智能材智能材料则不但可以判断环境，而且还可顺应环境，即智能材料具有应付环境条件的特性。如自我诊断，自我修复，预告寿料具有应付环境条件的特性。如自我诊断，自我修复，预告寿命，自我分解，自我增生，应付外部刺激自身积极发生变化。命，自我分解，自我增生，应付外部刺激自身积极发生变化。（日本多用）智能材料指具有智慧和智力、有思考和推理的本（日本多用）智能材料指具有智慧和智力、有思考和推理的本领，或具有敏捷的体会、解释和正确决定的本领；领，或具有敏捷的体会、解释和正确决定的本领；（美国多用）机敏材料指具有或显示出思维的机灵和感受敏捷（美国多用）机敏材料指具有或显

7、示出思维的机灵和感受敏捷性，即具有计算能力、敏捷快速有效的能动性有生气的活度。性，即具有计算能力、敏捷快速有效的能动性有生气的活度。二者有层次上的区别，即机敏材料只能作出简单线性的响应，二者有层次上的区别，即机敏材料只能作出简单线性的响应，但智能材料可根据环境条件的变化程度非线性地使材料与之适但智能材料可根据环境条件的变化程度非线性地使材料与之适应以达到最佳的效果，可以说在机敏材料的自诊断、自适应和应以达到最佳的效果，可以说在机敏材料的自诊断、自适应和自愈合的基础上增加了自决策功能，体现具有智能的高级形式，自愈合的基础上增加了自决策功能，体现具有智能的高级形式，但因二者在现研究阶段联系多于区别

8、，故常混用。但因二者在现研究阶段联系多于区别，故常混用。智能材料本身一定是复合材料，因为智能材料要求复杂的智能材料本身一定是复合材料，因为智能材料要求复杂的独特的多功能，而一种材料不可能兼备这些功能，必须复独特的多功能，而一种材料不可能兼备这些功能，必须复合化后才能得到智能材料，合化后才能得到智能材料，智能材料又多是纳米材料，这是因为纳米材料具有许多优智能材料又多是纳米材料，这是因为纳米材料具有许多优异的特性，同时便于集成。异的特性，同时便于集成。智能材料的概念也在不断地扩展，它是材料学、电子学、智能材料的概念也在不断地扩展，它是材料学、电子学、信息科学、生命科学等众多学科与技术的交叉产物。信

9、息科学、生命科学等众多学科与技术的交叉产物。目前正在研究发展之中的自愈合复合材料、自应变复合材目前正在研究发展之中的自愈合复合材料、自应变复合材料等，这是可以把某种处于暂稳态的材料作为潜在组分与料等，这是可以把某种处于暂稳态的材料作为潜在组分与其它常规条件下起作用的材料复合，一旦出现异常状态其它常规条件下起作用的材料复合，一旦出现异常状态（如受力损伤等）则在外场的作用下（如力场）使潜在组（如受力损伤等）则在外场的作用下（如力场）使潜在组分所处的暂稳态变成稳定态而起到应有的效能，以达到自分所处的暂稳态变成稳定态而起到应有的效能，以达到自愈合和自应变的目的。愈合和自应变的目的。有关智能材料的研究刚

10、刚开始，定义尚不统一，但其内涵有关智能材料的研究刚刚开始，定义尚不统一，但其内涵一般应包括五个方面一般应包括五个方面:(1)(1)具有感知功能具有感知功能,能检测并可识别外界能检测并可识别外界(或内部或内部)的刺激，的刺激，如应力、应变、热、光、电、磁、化学或核辐射等如应力、应变、热、光、电、磁、化学或核辐射等;(2)(2)具有驱动特性及响应环境变化功能具有驱动特性及响应环境变化功能;(3)(3)能以设定的方式选择和控制响应能以设定的方式选择和控制响应;(4)(4)反应灵敏、恰当反应灵敏、恰当;(5)(5)外部刺激条件消除后外部刺激条件消除后,能迅速回复到原始状态。能迅速回复到原始状态。因此因

11、此,智能材料应具备智能材料应具备感知、处理和驱动感知、处理和驱动三个基本要素。三个基本要素。由于现有的单一均质材料通常难以具备多功能的智能由于现有的单一均质材料通常难以具备多功能的智能特性特性,因此因此,往往需要两种或几种材料的复合往往需要两种或几种材料的复合,构成一个智能构成一个智能材料体系，这是复杂材料体系的复合。它的设计、制备、材料体系，这是复杂材料体系的复合。它的设计、制备、加工及结构和性能表征均涉及材料科学中最前沿的领域，加工及结构和性能表征均涉及材料科学中最前沿的领域，集中反映和代表了材料科学的最高水平和最新发展方向。集中反映和代表了材料科学的最高水平和最新发展方向。智能材料的设计

12、和构思智能材料的设计和构思 智能材料的构想源自仿生，目标是要获得具有类似生物材料的结构智能材料的构想源自仿生，目标是要获得具有类似生物材料的结构及功能的及功能的“活活”材料系统。它能够感知外界环境的刺激或内部状态材料系统。它能够感知外界环境的刺激或内部状态所发生的变化，通过材料自身的信息处理和某种反馈机制，能实时所发生的变化，通过材料自身的信息处理和某种反馈机制，能实时地改变材料自身一个或多个性能参数，作出恰当的响应，同变化后地改变材料自身一个或多个性能参数，作出恰当的响应，同变化后的环境相适应。的环境相适应。智能材料设计的思路与以下几种因素有关：智能材料设计的思路与以下几种因素有关：1）材料

13、开发的历史，结构材料）材料开发的历史，结构材料功能材料功能材料智能材料；智能材料；2）人工智能计算机的影响，也就是生物计算机的未来模式、学习）人工智能计算机的影响，也就是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；计算机、三维识别计算机对材料提出的新要求；3）从材料设计的角度考虑智能材料的制造；）从材料设计的角度考虑智能材料的制造；4）软件功能引入材料；）软件功能引入材料；5）对材料的期望；）对材料的期望；6）能量的传递；）能量的传递；7）材料具有时间轴的观点，如寿命预告功能、自修复功能，甚至）材料具有时间轴的观点，如寿命预告功能、自修复功能，甚至自学习、自增殖和自净化

14、功能，因外部刺激时间轴可对应作出积极自学习、自增殖和自净化功能，因外部刺激时间轴可对应作出积极自变的动态响应，即仿照生物体所具有的功能。自变的动态响应，即仿照生物体所具有的功能。通过对生物结构系统的研究和考察通过对生物结构系统的研究和考察,智能材料有了可借鉴的智能材料有了可借鉴的设计及建造思想、模型和方法设计及建造思想、模型和方法.从仿生学的观点出发，智能从仿生学的观点出发，智能材料应具有或至少是部分具有以下一些生物智能特性：材料应具有或至少是部分具有以下一些生物智能特性：(1)感知感知;(2)反馈反馈;(3)信息积累和识别信息积累和识别;(4)判断能力和预见性判断能力和预见性;(5)响应性响

15、应性;(6)自维修自维修;(7)自诊断自诊断;(8)自动动态平衡及自适应等。自动动态平衡及自适应等。智能材料系统的组元智能材料系统的组元许许多多材材料料本本身身具具有有内内在在的的一一些些“智智能能”特特性性，例例如如，一一些些材材料料的的性性能能如如颜颜色色、形形态态、尺尺寸寸、机机械械性性能能等等随随环环境境或或使使用用条条件件的的变变化化而而改改变变,具具有有内内在在的的自自诊诊断断、学学习习和和预预见见能能力力、刺刺激激-响响应应能能力力以以及及对对信信号号的的识识别别和和区区分分能能力力；还还有有一一些些材材料料的的结结构构或或成成分分可可随随工工作作条条件件而而变变化化，从从而而具

16、具有有一一种种对对环环境境的的自自适适应应和和自自调调节节功功能能；一一些些材材料料的的电电性性能能、光光性性能能及及其其他他物物理理或或化化学学性性能能随随外外部部条条件件不不同同而而变变化化，因因而而除除了了识识别别和和区区分分信信号号、自自诊诊断断、和和抗抗刺刺激激能能力力外外，还还可可发展成具有动态自动平衡及自维修功能。发展成具有动态自动平衡及自维修功能。具具有有各各种种独独特特功功能能或或性性能能并并可可用用于于建建构构智智能能材材料料系系统的材料正在不断丰富和完善。统的材料正在不断丰富和完善。智能材料是材料领域中正在形成的一门新兴学科。智能智能材料是材料领域中正在形成的一门新兴学科

17、。智能材料系统和结构是当前工程学科发展的前沿，智能材料材料系统和结构是当前工程学科发展的前沿，智能材料将是将是21世纪的新材料，它的问世将发生一场划时代的材世纪的新材料，它的问世将发生一场划时代的材料革命，因而引起世界各国科学家的高度关注，投入大料革命，因而引起世界各国科学家的高度关注，投入大量的人力、物力进行研究和开发，并取得重大进展和一量的人力、物力进行研究和开发，并取得重大进展和一些成果。到现在为止，真正意义上的智能材料系统还没些成果。到现在为止，真正意义上的智能材料系统还没有制造出来，有制造出来，正在研制的和应用的正在研制的和应用的“智能智能”材料系统，材料系统，通常仍是机敏材料系统，

18、这里的敏感器和驱动器仍是分通常仍是机敏材料系统，这里的敏感器和驱动器仍是分立的，而不是微观连续分布的。立的，而不是微观连续分布的。根据材料的来源，智能材料可分为金属智能材料、无机根据材料的来源，智能材料可分为金属智能材料、无机智能材料和智能高分子材料。智能材料和智能高分子材料。目前有三种智能材料：目前有三种智能材料：压电陶瓷、形状记忆合金、电磁压电陶瓷、形状记忆合金、电磁流变体流变体。它们的共同点是。它们的共同点是本身能感受电磁信号或热能等本身能感受电磁信号或热能等物理信号，并随之发生明显的内部结构状态的变化或者物理信号，并随之发生明显的内部结构状态的变化或者形状体积的变化。形状体积的变化。国

19、外已研制成功并实现了商品化的该类材料有两类：国外已研制成功并实现了商品化的该类材料有两类：一类可用做智能材料系统中的驱动器材料一类可用做智能材料系统中的驱动器材料(即执行器材即执行器材料料)，如形状记忆材料、电流变体、磁流变体、电致伸，如形状记忆材料、电流变体、磁流变体、电致伸缩材料、磁致伸缩材料、功能凝胶等。由于这些材料缩材料、磁致伸缩材料、功能凝胶等。由于这些材料可根据温度、电场或磁场的变化来改变自身的形状、可根据温度、电场或磁场的变化来改变自身的形状、尺寸、位置、刚性、频率、阻尼、内耗或结构，因而尺寸、位置、刚性、频率、阻尼、内耗或结构，因而对环境具有自适应功能。对环境具有自适应功能。另

20、一类是光导纤维、压电陶另一类是光导纤维、压电陶瓷、压电高分子、应变合金及其他特种传感器材料等，瓷、压电高分子、应变合金及其他特种传感器材料等，它们都可用做智能材料系统中的传感网络材料。它们都可用做智能材料系统中的传感网络材料。目前研究和应用的无机智能材料系统和结构有：目前研究和应用的无机智能材料系统和结构有：压电压电陶瓷、电致伸缩陶瓷、形状记忆陶瓷、光导纤维、电陶瓷、电致伸缩陶瓷、形状记忆陶瓷、光导纤维、电致流变流体、自修补和自愈合陶瓷以及机敏无机复合致流变流体、自修补和自愈合陶瓷以及机敏无机复合材料、变色玻璃材料、变色玻璃等。等。智能材料的特征智能材料的特征 智能材料的特征包括：材料的多功能

21、复合；材料的智能材料的特征包括：材料的多功能复合；材料的仿生形。仿生形。因为设计智能材料的两个指导思想是材料的多功能因为设计智能材料的两个指导思想是材料的多功能复合和材料的仿生设计，所以智能材料系统具有或复合和材料的仿生设计，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：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）（2）反馈功能（）反馈功能（Feedback）（3）信息识别与积累功能）信息识别与积累功能（4）响应功能）响应功能（5）自诊断能力（）自诊断能力（Self-diagnosis）（6）自修复能力（）自修复能力（Self-recovery）（7）

22、自调节能力（）自调节能力（Self-adjusting）一般来说智能材料由一般来说智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器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，选取基体材料主要基体材料担负着承载的作用，选取基体材料主要看材料所使用的环境，以及对材料的要求。一般宜选看材料所使用的环境，以及对材料的要求。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，

23、以轻质有色合金为主。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、环境变化（包括压力、应力、温度、电磁场、PH值值等）。常用敏感材料如形状记忆材料、压电材料、光等）。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、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。磁流变体和液晶材料等。（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

24、负着响应和控制的任务。应变和应力，所以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、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，这也是智能材料设计时可采身兼二职的作用，这也是智能材料设计时可采用的一种思路。用的一种思路。（4）信息处理器）信息处理器类似人的大脑，接受信息，分析信息，并类似人的大脑，接受信息，分析信息，并发出相应的指令。发出相应的指令。智能材料的研究智能材料的研究 现在科学家们对智能材料

25、的研究主要集中在以下一些方面：现在科学家们对智能材料的研究主要集中在以下一些方面：（1 1）在建筑方面在建筑方面，科学家正集中力量研制使桥梁、高大的建，科学家正集中力量研制使桥梁、高大的建筑设施以及地下管道等能自诊其筑设施以及地下管道等能自诊其“健康健康”状况，并能自行状况，并能自行“医医治疾病治疾病”的材料。这方面，英国伊利斯诺大学的科学家的研究的材料。这方面，英国伊利斯诺大学的科学家的研究已经有了成效。该大学建筑研究中心开发出了两种已经有了成效。该大学建筑研究中心开发出了两种“自愈合自愈合”纤维，这两种纤维能分别感知混凝土中的裂纹和钢筋的腐蚀。纤维，这两种纤维能分别感知混凝土中的裂纹和钢筋

26、的腐蚀。粘合裂纹的纤维是用玻璃丝和聚丙烯制成的多孔状中空纤维，粘合裂纹的纤维是用玻璃丝和聚丙烯制成的多孔状中空纤维，将其掺入混凝土中后，在混凝土过渡挠曲时，它会被撕裂，从将其掺入混凝土中后，在混凝土过渡挠曲时，它会被撕裂，从而释放出一些化学物质，来填充和粘合混凝土中的裂缝。另一而释放出一些化学物质，来填充和粘合混凝土中的裂缝。另一种纤维能感知造成钢筋腐蚀的酸度。若把这种纤维包在钢筋周种纤维能感知造成钢筋腐蚀的酸度。若把这种纤维包在钢筋周围，当钢筋周围的酸度达到一定值时，纤维的涂层就溶解，从围，当钢筋周围的酸度达到一定值时，纤维的涂层就溶解，从纤维中释放出阻止混凝土中的钢筋被腐蚀的物质。纤维中释

27、放出阻止混凝土中的钢筋被腐蚀的物质。科学家还设计出了这样一种含敏感材料的水泥地下水管，它可科学家还设计出了这样一种含敏感材料的水泥地下水管，它可以自我察觉到混凝土中的裂缝，并能在水管破裂漏水之前发出以自我察觉到混凝土中的裂缝，并能在水管破裂漏水之前发出预警信号。预警信号。（2 2）在）在飞机制造飞机制造方面，科学家正在研制具有如下功能的智能方面，科学家正在研制具有如下功能的智能材料。当飞机在飞行中遇到涡流或猛烈的逆风时，机翼中的材料。当飞机在飞行中遇到涡流或猛烈的逆风时，机翼中的智能材料能迅速变形，并带动机翼改变形状，从而消除涡流智能材料能迅速变形，并带动机翼改变形状，从而消除涡流或逆风的影响

28、，使飞机仍能平稳的飞行。可进行损伤评估和或逆风的影响，使飞机仍能平稳的飞行。可进行损伤评估和寿命预测的飞机自诊断监测系统。该系统可自行判断突然的寿命预测的飞机自诊断监测系统。该系统可自行判断突然的结构损伤和累积损伤，根据飞行经历和损伤数据预计飞机结结构损伤和累积损伤，根据飞行经历和损伤数据预计飞机结构的寿命，从而在保证安全的情况下，大大减少停飞检修次构的寿命，从而在保证安全的情况下，大大减少停飞检修次数和常规维护费用，使商业飞机能获得可观的经济效益。这数和常规维护费用，使商业飞机能获得可观的经济效益。这方面的研究还没有获得实质性的进展。方面的研究还没有获得实质性的进展。现在只是有人设想将光纤埋

29、入机翼中，正常情况下，光现在只是有人设想将光纤埋入机翼中，正常情况下，光能通过光纤从机翼的一侧传到另一侧，但当机翼中出现应力能通过光纤从机翼的一侧传到另一侧，但当机翼中出现应力或裂痕时，经光纤传播的光线位置会偏离，甚至光还可能被或裂痕时，经光纤传播的光线位置会偏离，甚至光还可能被遮挡。根据传播的光线的变化，计算机可以算出机翼中的应遮挡。根据传播的光线的变化，计算机可以算出机翼中的应力或劈裂状况，从而向驾驶员进行险情预报。此外，还有人力或劈裂状况，从而向驾驶员进行险情预报。此外，还有人设想用智能材料制成涂料，涂在机身和机翼上，当机身或机设想用智能材料制成涂料，涂在机身和机翼上，当机身或机翼内出现

30、应力时，涂料会改变颜色，以此告警。翼内出现应力时，涂料会改变颜色，以此告警。（3 3）在）在医疗医疗方面，智能材料和结构可用来制造无需方面，智能材料和结构可用来制造无需马达控制并有触觉响应的假肢。这些假肢可模仿人体马达控制并有触觉响应的假肢。这些假肢可模仿人体肌肉的平滑运动，利用其可控的形状回复作用力，灵肌肉的平滑运动，利用其可控的形状回复作用力，灵巧地抓起易碎物体，如盛满水的纸杯等。根据人体内巧地抓起易碎物体，如盛满水的纸杯等。根据人体内部状况投放适量药物的药物自动投放系统也是智能材部状况投放适量药物的药物自动投放系统也是智能材料一显身手的领地。日本东京女子医学院已经推出一料一显身手的领地。

31、日本东京女子医学院已经推出一种能根据血液中的葡萄糖浓度而扩张和收缩的聚合物。种能根据血液中的葡萄糖浓度而扩张和收缩的聚合物。葡萄糖浓度低时，聚合物条带会缩成小球，葡萄糖浓葡萄糖浓度低时，聚合物条带会缩成小球，葡萄糖浓度高时，小球会伸展成带，借助于这一特性，这种聚度高时，小球会伸展成带，借助于这一特性，这种聚合物可制成人造胰细胞。将用这种聚合物包封的胰岛合物可制成人造胰细胞。将用这种聚合物包封的胰岛素小球，注入糖尿病患者的血液中，小球就可以模拟素小球，注入糖尿病患者的血液中，小球就可以模拟胰细胞工作；血液中的血糖浓度高时，小球释放出胰胰细胞工作；血液中的血糖浓度高时，小球释放出胰岛素，血糖浓度低

32、时，胰岛素就密封。这样，病人血岛素，血糖浓度低时，胰岛素就密封。这样，病人血糖浓度就会始终保持在正常的水平上。糖浓度就会始终保持在正常的水平上。（4 4）军事军事方面，除飞机以外，智能材料还能方面，除飞机以外，智能材料还能降低军用系统噪声。美国军方发明出一种可涂降低军用系统噪声。美国军方发明出一种可涂在潜艇上的智能材料，它可使潜艇噪声降低在潜艇上的智能材料，它可使潜艇噪声降低6060分贝，并使潜艇探测目标的时间缩短分贝，并使潜艇探测目标的时间缩短100100倍。倍。关于航空航天飞机下面有较为详细的介绍。关于航空航天飞机下面有较为详细的介绍。（5 5）智能材料的再一个重要成果就是）智能材料的再一

33、个重要成果就是形状记形状记忆合金忆合金。使用形状记忆合金可以做成卫星天线，。使用形状记忆合金可以做成卫星天线，进行信号接收和发送；还有人用记忆合金制成进行信号接收和发送；还有人用记忆合金制成了温室窗户自动开闭器。当温室温度升至了温室窗户自动开闭器。当温室温度升至2525o oC C时，窗户自动打开；温度降至时，窗户自动打开；温度降至1818o oC C时，窗户自时，窗户自动关闭。动关闭。（6）除形状记忆合金外，近年来科学家们还开发）除形状记忆合金外，近年来科学家们还开发出了一些出了一些其他的智能材料其他的智能材料。法国开发出了一种可防。法国开发出了一种可防止复印的油墨。这种油墨在通常情况下呈黑

34、色，但止复印的油墨。这种油墨在通常情况下呈黑色，但在强光照射下会在强光照射下会“隐形隐形”。用这种油墨印刷的文件。用这种油墨印刷的文件或书籍可以防止别人复印。或书籍可以防止别人复印。（7）德国研制成了一种称为）德国研制成了一种称为“施马蒂斯施马蒂斯”的的智能智能塑料塑料，这种塑料能根据受力的情况，时而变硬，时，这种塑料能根据受力的情况，时而变硬，时而变软。用这种塑料做汽车上的缓冲器，能有效的而变软。用这种塑料做汽车上的缓冲器，能有效的减轻外来撞击的影响（以柔克刚）。据说用这种塑减轻外来撞击的影响（以柔克刚）。据说用这种塑料制成的油箱被坦克压过也不会破裂。把这种塑料料制成的油箱被坦克压过也不会破

35、裂。把这种塑料用于建筑，建筑物能具有很强的抗震性能；用这种用于建筑，建筑物能具有很强的抗震性能；用这种塑料制成药丸胶囊，药物可以在药丸到达人体内的塑料制成药丸胶囊，药物可以在药丸到达人体内的指定部位时才被释放。指定部位时才被释放。（8）此外，日本还发明了一种当温度高时）此外，日本还发明了一种当温度高时颜色会改变的智颜色会改变的智能材料能材料，有关厂家已用这种材料制成了附在食品包装上的标，有关厂家已用这种材料制成了附在食品包装上的标签，当食品被储存在温度过高的地方时，标签就改变颜色，签，当食品被储存在温度过高的地方时，标签就改变颜色，发出警告。发出警告。（9）当前，科学家已经能）当前，科学家已经

36、能将体积极小的信号传感器和微电将体积极小的信号传感器和微电子计算器埋入材料子计算器埋入材料中，这种智能材料在局部出现问题时，计中，这种智能材料在局部出现问题时，计算器收到信号后会发生指令，使一些形状记忆合金和胶粘剂算器收到信号后会发生指令，使一些形状记忆合金和胶粘剂之类的物质发生变化，起到自动加固的作用。之类的物质发生变化，起到自动加固的作用。（10）在）在机器人制造机器人制造方面，科学家研制出一种由硅、橡胶和方面，科学家研制出一种由硅、橡胶和金属组成的复合材料，它是一种极敏感的力敏材料。只要对金属组成的复合材料，它是一种极敏感的力敏材料。只要对它施加轻微的压力，电阻值就会自动降低，从而引起电

37、路中它施加轻微的压力，电阻值就会自动降低，从而引起电路中电流的变化。当这一电信号传递到电脑，机器人便会产生一电流的变化。当这一电信号传递到电脑，机器人便会产生一定的动作去完成指定的任务。比如要机器人拿起一个苹果，定的动作去完成指定的任务。比如要机器人拿起一个苹果，苹果重量产生的压力所引起的电流信号能使电脑判断出苹果重量产生的压力所引起的电流信号能使电脑判断出“这这是一个苹果是一个苹果”，于是指挥机器人使用适当的力将苹果握住。，于是指挥机器人使用适当的力将苹果握住。（11）有一种）有一种光敏变色玻璃光敏变色玻璃，它含有磷、铝、银等光敏材料。，它含有磷、铝、银等光敏材料。当阳光强烈时，会自动降低透

38、明度，使室内光线柔和；当室当阳光强烈时，会自动降低透明度，使室内光线柔和；当室内光线太弱时，又会自动提高透明度，让更多的室外光线透内光线太弱时，又会自动提高透明度，让更多的室外光线透过。其效果如同有人在为自己拉上或打开窗帘一般。美国加过。其效果如同有人在为自己拉上或打开窗帘一般。美国加州大学的研究人员在两层玻璃中涂上一层只有头发丝州大学的研究人员在两层玻璃中涂上一层只有头发丝1/100那那么厚的镉涂层敏感材料，只要按一下电钮，窗玻璃就会改变么厚的镉涂层敏感材料，只要按一下电钮，窗玻璃就会改变颜色，从而达到调整室内光照和温度的效果。颜色，从而达到调整室内光照和温度的效果。英国英克化学公司推出一种

39、英国英克化学公司推出一种新款时装新款时装，它能在，它能在2833 C的温的温度范围内，随温度的改变，变幻出丰富的色彩。例如，度范围内，随温度的改变，变幻出丰富的色彩。例如，28 C时呈红色；时呈红色；33 C时又呈蓝色。模特儿穿在身上时，由于身体时又呈蓝色。模特儿穿在身上时，由于身体各部位体温的变化，会使服装显现如同彩虹般的迷人色彩。各部位体温的变化，会使服装显现如同彩虹般的迷人色彩。原来，这种时装面料所用的染料是一种热敏液晶材料。这家原来，这种时装面料所用的染料是一种热敏液晶材料。这家公司已经开发成功变色范围从零下公司已经开发成功变色范围从零下20 C到到100 C以上的各种以上的各种热敏变

40、色液晶材料。由于这些材料对温度的变化极为灵敏，热敏变色液晶材料。由于这些材料对温度的变化极为灵敏，有望为工业、医学和某些领域的研究和应用，提供一个崭新有望为工业、医学和某些领域的研究和应用，提供一个崭新的研究手段。的研究手段。压电陶瓷压电陶瓷 某些材料在机械力作用下产生变形，会引起表面带电的现某些材料在机械力作用下产生变形，会引起表面带电的现象，而且其表面电荷密度与应力成正比，这称为正压电效象，而且其表面电荷密度与应力成正比，这称为正压电效应（力应（力电）。反之，在某些材料上施加电场，会产生机电）。反之，在某些材料上施加电场，会产生机械变形，而且其应变与电场强度成正比，这称为逆压电效械变形，而

41、且其应变与电场强度成正比，这称为逆压电效应（电应（电力）。如果施加的是交变电场，材料将随着交变力）。如果施加的是交变电场，材料将随着交变电场的频率作伸缩振动。施加的电场强度越强，振动的幅电场的频率作伸缩振动。施加的电场强度越强，振动的幅度越大。正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。度越大。正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。压电材料是能够把机械能转变成电能，反之亦然的材料。压电材料是能够把机械能转变成电能，反之亦然的材料。表征这一功能的主要参数有：压电系数表征这一功能的主要参数有：压电系数d、电压系数、电压系数g和机和机电耦合系数电耦合系数k。常用的压电陶瓷有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅以及三元

42、系常用的压电陶瓷有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅以及三元系压电陶瓷等。压电陶瓷等。压电陶瓷的应用范围非常广泛，而且与人类的生活密切压电陶瓷的应用范围非常广泛，而且与人类的生活密切相关。其应用大致可归纳为以下四方面。相关。其应用大致可归纳为以下四方面。（1）能量转换能量转换。压电陶瓷可以将机械能转换为电能，。压电陶瓷可以将机械能转换为电能，故可用于制造压电打火机、压电点火机、移动故可用于制造压电打火机、压电点火机、移动X光机电光机电源、炮弹引爆装置等。用压电陶瓷也可以把电能转换为源、炮弹引爆装置等。用压电陶瓷也可以把电能转换为超声振动，用于探寻水下鱼群，对金属进行无损探伤，超声振动，用于探寻水下鱼群，

43、对金属进行无损探伤，以及超声清洗、超声医疗等。以及超声清洗、超声医疗等。（2）传感传感。用压电陶瓷制成的传感器可用来检测微弱。用压电陶瓷制成的传感器可用来检测微弱的机械振动并将其转换为电信号，可应用于声纳系统、的机械振动并将其转换为电信号，可应用于声纳系统、气象探测、遥感遥测、环境保护、家用电器等。气象探测、遥感遥测、环境保护、家用电器等。（3）驱动驱动。压电驱动器是利用压电陶瓷的逆压电效应。压电驱动器是利用压电陶瓷的逆压电效应产生形变，以精确地控制位移，可用于精密仪器与精密产生形变，以精确地控制位移，可用于精密仪器与精密机械、微电子技术、光纤技术及生物工程等领域。机械、微电子技术、光纤技术及

44、生物工程等领域。（4）频率控制频率控制。压电陶瓷还可以用来制造各种滤波器。压电陶瓷还可以用来制造各种滤波器和谐振器。和谐振器。形状记忆陶瓷形状记忆陶瓷所谓形状记忆效应，是指一定形状的固体材料，所谓形状记忆效应，是指一定形状的固体材料，在某种条件下经过一定的塑性变形，然后加热到在某种条件下经过一定的塑性变形，然后加热到这种材料固有的某一临界温度以上时，材料又完这种材料固有的某一临界温度以上时，材料又完全恢复到原来形状的现象。具有形状记忆效应的全恢复到原来形状的现象。具有形状记忆效应的材料，即为形状记忆材料。材料，即为形状记忆材料。形状记忆效应最先在金属材料中发现。形状记忆效应最先在金属材料中发现

45、。20世纪世纪80年代科学家发现在一些陶瓷和高分子材料中也存年代科学家发现在一些陶瓷和高分子材料中也存在形状记忆效应。由于其巨大的应用前景，科技在形状记忆效应。由于其巨大的应用前景，科技和产业界对形状记忆效应的基础理论、材料制备和产业界对形状记忆效应的基础理论、材料制备以及应用进行了大量的研究。现在记忆材料已发以及应用进行了大量的研究。现在记忆材料已发展成一类重要的功能材料。展成一类重要的功能材料。形状记忆效应有两种形式形状记忆效应有两种形式形状记忆效应有两种形式形状记忆效应有两种形式(a)单向形状记忆效应单向形状记忆效应单向形状记忆效应单向形状记忆效应(b)(b)双向形状记忆效应双向形状记忆

46、效应双向形状记忆效应双向形状记忆效应形状记忆材料记忆原理形状记忆材料记忆原理形形状状记记忆忆材材料料为为何何会会具具备备这这种种奇奇特特的的记记忆忆效效应应呢呢？从从本质上说是由于材料内部微观组织的变化所引起的。本质上说是由于材料内部微观组织的变化所引起的。分分析析表表明明，这这类类材材料料存存在在着着一一对对可可逆逆转转变变的的晶晶体体结结构构。如如含含有有Ti和和Ni各各为为50的的记记忆忆合合金金，有有两两种种晶晶体体结结构构，一一种种是是菱菱形形的的，另另一一种种是是立立方方体体的的，这这两两种种晶晶体体结结构构相相互互转转变变的的温温度度是是一一定定的的。高高于于这这一一温温度度，它

47、它会会由由菱菱形形结结构构转转变变为为立立方方体体结结构构；低低于于这这一一温温度度，又又由由立立方方体体结结构构转转变变为为菱菱形形结结构构。晶晶体体结结构构类类型型改改变变了了，它它的的形状也就随之改变。形状也就随之改变。能引起记忆材料形状改变的条件是温度。能引起记忆材料形状改变的条件是温度。形状记忆陶瓷形状记忆陶瓷同时具有铁弹性和铁电性的陶瓷材料有很好的形状同时具有铁弹性和铁电性的陶瓷材料有很好的形状记忆效应。铁弹性是指某些电介质材料在一定温度记忆效应。铁弹性是指某些电介质材料在一定温度范围内的应力范围内的应力应变关系曲线相似于铁磁体的磁滞应变关系曲线相似于铁磁体的磁滞回线特征的性能，铁

48、弹性在没有外力作用下的晶体回线特征的性能，铁弹性在没有外力作用下的晶体内存在自发应变区，故具有恢复自发应变的能力。内存在自发应变区，故具有恢复自发应变的能力。产生形状记忆效应。若陶瓷材料还有铁电性，则不产生形状记忆效应。若陶瓷材料还有铁电性，则不但在一定温度范围内可自发极化，而且在外电场下，但在一定温度范围内可自发极化，而且在外电场下，此自发极化随外电场取向，这种铁弹此自发极化随外电场取向，这种铁弹铁电材料的铁电材料的自发应变能力不仅可通过机械力控制，而且能由电自发应变能力不仅可通过机械力控制，而且能由电场调节。场调节。目前，研究的形状记忆陶瓷，是以含有氧化锆成分目前，研究的形状记忆陶瓷，是以

49、含有氧化锆成分为特点的形状记忆元件。为特点的形状记忆元件。陶瓷的形状记忆效应与合金的相比还有如下一陶瓷的形状记忆效应与合金的相比还有如下一些差别：些差别：首先，陶瓷相变的热滞较大；首先，陶瓷相变的热滞较大；第二，它的形状记忆变形的量较小；第二，它的形状记忆变形的量较小；第三，每次记忆循环中都有较大的不可恢复变第三，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，最终形，随循环次数的增加，累积变形增加，最终导致裂纹出现；导致裂纹出现；第四，没有双程记忆效应。第四，没有双程记忆效应。自愈合陶瓷材料自愈合陶瓷材料 材料一旦产生缺陷，在无外界作用情况下，材料本材料一旦产生缺陷，在

50、无外界作用情况下，材料本身具有自我恢复的能力称为自愈合。身具有自我恢复的能力称为自愈合。自愈合的途径：自愈合的途径：输入热能输入热能，当特制的具备愈合功能金属基复合材料，当特制的具备愈合功能金属基复合材料内部产生缺陷时，会导致预埋的的钢管纤维破裂，内部产生缺陷时，会导致预埋的的钢管纤维破裂，此时对材料简单加热可令管内低熔点合金流出快速此时对材料简单加热可令管内低熔点合金流出快速输运至缺陷处令其愈合。输运至缺陷处令其愈合。输入电能输入电能，设想材料经一段疲劳试验后，内部产生，设想材料经一段疲劳试验后，内部产生一定的微观缺陷，此时若能输入一定电能，或大电一定的微观缺陷，此时若能输入一定电能，或大电