第11章机敏材料与智能材料.

第十一章机敏材料和智能材料11.1机敏材料和智能材料的概念•智能材料是指对环境可感知、响应和处理后，能适应环境的材料。它是一种融材料技术和信息技术于一体的新概念功能材料。•智能材料应同时具备传感(sensing)、处理(processing)和执行(actuation)三种基本功能。•（1）传感功能。首先是对所处环境条件及其变化的感知，环境条件包括力、光、电、声、磁、热等物理、化学和生物条件。其次是把环境条件及其变化转化为某种讯号传导给处理器。•（2）处理功能。包括信息积累、识别、比较、诊断、综合、判断和作出相应的反应，然后把反应转化为指令，传达给执行器。•（3）执行功能。包括报警、自检测、自诊断、自监控、自校正、自适应、自分解、自增殖、自修复、自净化、自愈合和自学习等。•机敏材料的英文原名为smartmaterial。对机敏材料也没有统一的定义。有人认为机敏材料就是智能材料，两者之间并无区别，只是名称不同。有人认为机敏材料只有传感和执行两种基本功能，比智能材料少一个处理功能。因而，从聪明程度来看，智能材料比机敏材料至少高出一个数量级，机敏材料是一种较低阶段的智能材料，所以一般把机敏材料和智能材料统称为智能材料。•理论上讲，智能材料可以从宏观到微观各种层次上来实现。宏观层次上，单一的一种材料很难同时具备传感、处理和执行三种基本功能。•往往要把几种材料、元件或结构组合在一起构成一个结构或系统才能同时具备上述的三种基本功能。这种结构或系统称为智能结构或系统，它是由多种结构材料（结构）、功能材料（元件或结构）所构成。在微观层次上如在分子、原子水平上，则有可能在一种材料中实现上述三种基本功能。这种材料才符合智能材料的定义。•智能材料的基本功能随着研究的进展正在逐步丰富和发展，它的智能也从低级（如机敏材料）发展到比较高级（如仿生智能材料），最终可能发展到具有类似人类的部分智能。•研究智能材料最早的国家是美国和日本。随后英、意、澳等也开展了智能材料的研究。•我国对智能材料的研究也很重视，从1991年起就把智能材料列为国家自然科学基金和国家863计划的研究项目，并已取得了相当的进展。•宏观智能材料往往由结构材料和具有传感、处理或执行功能的功能材料构成。•本章介绍几种以前各章未讲到的有传感或执行功能的材料，即形状记忆材料、电流变流体、机敏窗口、刺激响应型高聚物和高分子人工肌肉材料。有的文献把这些材料也称为智能材料，这不太确切。智能材料第一节智能材料基本原理1、什么是智能材料2、智能材料的特征3、智能材料的构成4、智能材料的分类智能材料是二十世纪90年代迅速发展起来的一类新型复合材料，将在21世纪得到广泛研究和应用的材料。智能材料：是指具有感知环境（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具有智能特征材料。1、什么是智能材料？目前，已经实用化的智能材料包括：形状记忆合金材料，如镍—钛材料，可用来制作汽车易损件、人造卫星的天线等；电致、磁致变性材料等的应用具体来说，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；智能材料的构想来源于仿生学，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的“活”的材料。因此智能材料必须具备感知、驱动和控制这三个基本要素。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两种或两种以上的材料复合构成一个智能材料系统。智能材料的设计、制造、加工和性能结构特征均涉及到了材料学的最前沿领域，使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。智能材料应用的简单事例：某些太阳镜的镜片当中含有智能材料，这种智能材料能感知周围的光，并能够对光的强弱进行判断，当光强时，它就变暗，当光弱时，它就会变的透明。2、智能材料的特征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。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：(1)传感功能（Sensor）能够感知外界或自身所处的环境条件，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。(2)反馈功能（Feedback）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。(3)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起来。(4)响应功能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。(5)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，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。（6）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，来修补某些局部损伤或破坏。（7）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变化作出恰如其分的响应。3、智能材料的构成一般来说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。（1）基体材料基体材料担负着承载的作用，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，以轻质有色合金为主。（2）敏感材料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、pH值等）。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、磁流变体和液晶材料等。（3）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、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。（4）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。4、智能材料的分类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。因为现在可用于智能材料的材料种类不断扩大，所以智能材料的分类也只能是粗浅的，分类方法有多种。若按智能材料的功能来分，可以分为光导纤维、形状记忆合金、压电、电流变体和电（磁）致伸缩材料等。若按智能材料的化学成分来分，可以分为金属系智能材料、无机非金属系智能材料和高分子系智能材料。目前研究开发的金属系智能材料主要有形状记忆合金和形状记忆复合材料两大类；无机非金属系智能材料：在电流变体、压电陶瓷、光致变色和电致变色材料等方面发展较快；常用的智能材料1、形状记忆合金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，能够回复到变形前的形状，这种现象叫做形状记忆效应（SME）。形状记忆材料兼有传感和驱动的双重功能，可以实现控制系统的微型化和智能化，如机器人、毫米级超微型机械手等。21世纪将成为材料电子学的时代。形状记忆合金的机器人的动作，除了温度外，不受任何环境条件的影响，可望在反应堆、加速器、太空实验室等高技术领域大显身手。2、电流变体和磁流变体电致、磁致变体智能材料大多是由合成材料或陶瓷材料制成的，具有在电场或磁场的作用下发生变性的能力，其变化的大小与电场和磁场的强度有关。科学家研制成功一种电致变性材料，这种材料在接通电流时，可以从液体变为接近固体。•电流变体：1947年，一个叫温斯洛的美国人发现了一个奇怪的现象。他把石膏、石灰和炭粉加在橄榄油中，然后加水搅成一种悬浮液，想看看这种悬浮液能不能导电。•结果：这种悬浮液没有加上电场时，可以像水或油一样自由地流动；可是一加上电场，自由流动的液体变成固体，而且随着电场强度的增加，固体的强度也在增加。当撤消电场时，它又能立即由固体变回液体。•由于这种悬浮液可以用电场来控制，因此科学家们就把它叫做“电流变体”，并把这种现象称为“温斯洛现象”。•软体遥控器：采用了软体的设计，看上去就像是瘫死在那里一样。不过一旦遥控器启动，它就会变得坚硬起来，就像是复活了一样。不仅如此，启动后，遥控器内还会发出光亮，非常漂亮。如果向空心复合梁中充入电流变性液体材料，在外电场的作用下，这种液体材料就会变硬，从而使梁变成僵硬状。电致变性材料还可以用作在地震时能自动加固建筑物的基础。3、磁致伸缩材料目前磁致伸缩智能材料的主流是稀土磁致伸缩材料，稀土超磁致伸缩材料是近期才发展起来的一种新型功能材料。•物质有热胀冷缩的现象。除了加热外，磁场和电场也会导致物体尺寸的伸长或缩短•发现物质的磁致伸缩效应后，人们就一直想利用这一物理效应来制造有用的功能器件与设备。•研究和发展了一系列磁致伸缩材料，主要有三大类：即：磁致伸缩的金属与合金，如镍基合金（Ni，Ni－Co合金，Ni－Co－Cr合金）和铁基合金（如Fe－Ni合金，Fe－Al合金，Fe－Co－V合金等）和铁氧体磁致伸缩材料。•稀土超磁致伸缩材料•磁致伸缩：指的是对软磁体进行磁化后，其形状、大小会发生变化的物理现象。•磁致伸缩现象具有各向异性。当长度为l的磁性材料在磁化方向上的长度变化为ΔL时，磁致伸缩率可表示为：λ=ΔL/l。由于磁致伸缩率一般在10-5以下，所以对磁致伸缩效应的应用远不如对压电效应的应用广泛。•到20世纪60、70年代后，发现了伸缩率在10-3的超磁致伸缩材料。磁致伸缩效应才重新受到重视。磁致伸缩材料在电磁场的作用下可以产生微变形或声能，也可以将微变形或声能转化为电磁能。•声波仪：发射机是一种声源讯号的发射器，由它向电致材料（或磁制）制成的换能器输送电脉冲，激励换能器的晶片，使之振动而产生声波，向岩体发射。声波在岩体中以弹性波形式传播，然后由接收换能器加以接收，该换能器将声能转换成电子讯号送到接收机，经放大后在接收机的示波管屏幕上显示波形。若将接收机与微机连接，则可对声波讯号进行数字处理。磁致伸缩智能材料具有磁致伸缩值大、机械响应速度快等特点，在国防、航空航天和高技术领域应用极为广泛。磁致伸缩智能材料的主要用途（1）由于稀土超大磁致伸缩材料比传统材料在性能上有了惊人的提高，所以在电器、家电、通讯器材、电脑等生产领域，稀土磁致伸缩材料逐渐取代了传统的磁致伸缩材料和电致伸缩材料，使产品升级和更新换代更加容易。对于磁致伸缩智能材料的应用，目前，美国位居各国之首，其成功标志在于开发出了一系列用于军事目的的尖端产品，如舰艇水下声纳探测系统以及导弹发射控制装置等。我国对磁致伸缩智能材料新产品的开发也呈现出良好的发展势头。如开发出的大功率岩体声波探测器，应用于三峡工程和地球物理勘探；开发出的井下物理法采油装置；光致变色玻璃光致变色玻璃是一种能在光的激发下发生变色反应的玻璃。含卤化银的碱铝硼硅酸盐光色玻璃受到紫外光和可见光照射时，氯化银晶体分解为Ag和Cl原子，析出的银原子团簇使玻璃颜色变深，从而阻止阳光的透过。发生的光化学反应如下：式中，h1为短波激活光能；h2为长波光源光能；△为加热退色效应。),(),(0000,2IBrClAgIBrClAhh1玻璃变色过程中，发生的光化学反应如下：在没有紫外线照射时，原来分解产生的银和卤素原子又重新结合恢复为无色的氯化银AgCl，原于团簇解体，玻璃(镜片)褪色。因此，变色眼镜在阳光下变深，在室内则恢复透明。若配料中加入少量敏化剂，就能显著地提高敏感性，并增大光致变色的变暗能力。如加入Cu2O时，Cu+是一种增感剂Cu+在氯化银晶体中作为空穴的捕获中心，它的存在增加了光解银原子Ag0的浓度，使玻璃的变暗灵敏度大大提高。h120,2CuAgCuAgh光致变色玻璃具有随光的波长和强度的变化而自动调节光的透过率的自适应特性，因而被称为光敏型智能玻璃，除用作变色眼镜外，还用作汽车防护玻璃、航天器窗口、激光防护、以及装饰等。•高分子智能材料：成分是水和一种聚合物的