南京工业大学-智能材料(10级)

1智能材料IntelligentMaterials主讲：杨建Email:[e-mail]:83587262Mobil:136051917422参考书：姚康德，成国祥．智能材料．北京：化学工业出版社，2002．杨大智．智能材料与智能系统．天津：天津大学出版社，2000．杜善义，冷劲松，王殿富．智能材料系统和结构．北京：科学出版社，2002．姜德生．智能材料、器件、结构与应用．武汉：武汉工业大学出版社，2000．陈莉．智能高分子材料．北京：化学工业出版社，2005．陶宝祺.智能材料结构.北京：国防工业出版社，1997教材：3课程内容第1章智能材料概述2学时第2章智能材料的仿生构思1学时第3章智能无机非金属材料6学时第4章智能金属材料5学时第5章智能高分子材料5学时第6章电(磁)流变液7学时第7章智能纤维6学时4第一章智能材料概述51.1引言材料发展的总趋势：高性能化、多功能化、复合化、精细化、智能化…性能—材料对外部作用的抵抗特性功能—从外部向材料输入一种信号时,材料内部发生质和量的变化而产生输出另一种信号的特性智能—能接受、感知信号，且能处理，进而做出适时的响应，即执行.一切生命体皆具备的对外界刺激的反应能力.动物：蜥蜴皮肤、乌贼、贝壳、海参、猫眼的瞳孔;植物：含羞草、向日葵；6l989年日本高木俊宜智能材料(intelligentmaterials)其它提法：smartmaterials;smartstructures;intelligentstructures，adaptivestructures；机敏材料、聪敏材料、智能结构、灵巧结构、自适应结构“smart”：灵活、机敏、迅速感觉、机智、聪敏等；“intelligent”：学习、预测、建立关系、推理、决策等。“intelligentmaterials”：更复杂和高级，是仿生命功能的材料和结构。1992年日本第一届国际智能材料会议.7智能材料来源于功能材料功能材料是智能材料的基础材料的聪明程度:智能材料功能材料普通材料8功能材料驱动材料：感知材料：可根据温度、电场或磁场的变化改变自身的形状、尺寸、位置、刚性、阻尼、内耗或结构等，对环境具有自适应功能——制成各种执行器/驱动器；能够感知来自外界或内部的刺激强度及变化(如应力、应变、热、光、电、磁、化学和辐射等)——制成各种传感器。(敏感材料/传感材料)9兼具敏感（传感）材料与驱动材料之特征，即同时具有感知与驱动功能的材料。机敏材料和控制系统相结合的产物，集传感、控制和驱动三种职能于一身，是传感材料、驱动材料和控制材料（系统）的有机合成。自身不具备信息处理和反馈机制，不具备顺应环境的自适应性。可通过自身对信息进行感知、处理并将指令反馈给驱动器执行和完成相应的动作，对环境作出灵敏、恰当的反应。智能材料机敏材料10智能材料系统和结构●一个由多种材料组元通过有机的紧密复合或严格的科学组装而构成的材料系统，与结构密切相关，互为一体。●多学科高度发展和相互交叉的产物：材料科学、人工智能、信息科学、机械科学、生物科学、化学和物理。●本课程：侧重于智能材料系统。——智能材料111.2智能材料的内涵、定义和特征1.2.1智能材料的定义高木俊宜教授:能够感知环境变化,并通过自我判断和结论而实现指令和执行的新材料。杨大智等：模仿生命系统，能感知环境变化，并能实时的改变自身的一种或多种性能参数，作出所期望的、能与变化后的环境相适应的响应的复合材料或材料的复合。12模仿生命系统,能感知外界环境或内部状态所发生的变化,而且通过材料自身的或外界的某种反馈机制,能够适时地将材料的一种或多种性质改变,作出所期望的某种响应的材料。师昌绪：三要素：感知、反馈和响应。13863新材料领域专家委员会：对使用环境敏感而且能对环境变化作出灵活反应的材料.更确切地说,智能材料是一类集传感、控制、驱动(执行)等功能于一体的机敏或智能材料—结构系统,它能适时地感知与响应外界环境的变化,实现自检测、自诊断、自修复、自适应等多种功能。共同点：智能材料应具有感知、判断和响应的功能。141.2.2智能材料的内涵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；具有驱动功能，能够响应外界变化；能够按照设定的方式选择和控制响应；反应比较灵敏、及时和恰当；当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。151.2.3智能材料的特征(1)传感功能：能感知自身所处的环境与条件，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：能通过传感神经网络，对系统的输入和输出信息进行比较，并将结果提供给控制系统，从而获得理想的功能。(3)信息积累和识别功能：能积累信息，能识别和区分传感网络得到的各种信息，并进行分析和解释。从仿生学的观点出发，智能材料内部应具有或部分具有以下生物功能：16(4)学习能力和预见性功能：能通过对过去经验的收集，对外部刺激作出适当反应，并可预见未来并采取适当的行动。(5)响应性功能：能根据环境变化适时地动态调节自身并作出反应。(6)自修复功能：能通过自生长或原位复合等再生机制来修补某些局部破损。(7)自诊断功能：能对现在情况和过去情况作比较，从而能对诸如故障及判断失误等问题进行自诊断和校正。(8)自动动态平衡及自适应功能：能根据动态的外部环境条件不断自动调整自身的内部结构，从而改变自已的行为．以一种优化的方式对环境变化作出响应。171.4智能材料的设计1.4.1智能材料的设计思路以功能材料为基础,以仿生学、人工智能及系统控制为指导,依据材料复合的非线性效应,用先进的材料复合技术,将感知材料、驱动材料和基体材料进行复合。18智能效应的基本原理：——物质和场之间的交互作用过程智能材料智能效应的实现过程19智能材料设计的具体过程：明确材料的应用目标和实现思路确定智能材料的输入场和输出场选择感知组元、驱动组元和中间场借助于中间场,通过几个物理或化学效应的耦合来实现所需的智能化效应20选择传感器和驱动器时需把握的原则（1）兼容性要求（2）稳定性要求（3）响应带宽要求（4）传感器精度的要求（5）驱动器驱动力的要求211.4.2智能材料的构成（1）基体材料作用和任务：承载材料其它三部分种类：轻质材料（高分子材料、轻质有色合金）（2）敏感材料作用和任务：感知环境变化种类：光纤材料、压电材料、形状记忆材料、磁致伸缩材料、C纤维等221.4.2智能材料的构成（3）驱动材料作用和任务：产生应变和应力→→响应和控制。（4）信息处理器种类：压电材料、形状记忆材料、电(磁)流变体、磁致伸缩材料、刺激响应性高分子凝胶等。231.4.3智能材料的复合方法（1）纤维及颗粒形式的复合将一种机敏材料颗粒(或纤维)复合在异质基体中可实现各组元性能的优势互补，获得优化的智能特性。压电陶瓷和压电高分子以不同连接度复合——性能优异的压电智能材料；TiNi形状记忆合金粒子或纤维复合在金属或高分子中——改善机械性能及阻尼能力.24（2）多层薄膜复合将两种或多种机敏材料以多层μm级的薄膜复合,获得优化的综合性能或多功能特性.PZT和BaTiO3薄膜沉积在TiNi记忆合金衬底上——良好的压电和形状记忆特性、传感和驱动功能、阻尼性能，可用于主动控振。25（3）多孔架材料组装将具有光敏、压敏和热敏等不同功能特性的纳米粒子原位复合在多孔道骨架内，通过调控纳米粒子的尺寸、间距及纳米粒子与骨架之间的相互作用，有可能得到兼具光控、压控、热控及其他响应性质的智能材料.纳米多孔架材料：富勒烯(Ｃ60)、碳纳米管沸石分子筛微米多孔架材料：多孔形状记忆合金26（4）材料内部结构周期的纳米化纳米材料和纳米复合材料将是智能材料设计的有效途径之一。在原子尺度上将具有不同功能的材料按特定的方式进行操作组装，可创造出新的具有多功能特性的材料。（5）粒子复合组装271.5智能材料的类型(1)金属系智能材料按材料基质的不同分类：强度比较大、耐热性好、耐腐蚀性能好航空、航天、原子能工业——结构材料。检测自身的损伤,且可将其抑制,具有自修复功能,从而确保使用过程中的稳定性。形状记忆合金、磁致伸缩材料等。特点：应用领域：智能效应：主要种类：28(2)无机非金属系智能材料最初的考虑：局部吸收外力以防止材料整体破坏。电(磁)流变液、压电陶瓷、光致变色和电致变色材料、光纤等。主要种类：29多重亚稳态、多水平结构层次、较弱的分子间作用力，侧链易引入各种官能团——利于感知和判断环境，实现环境响应。(4)复合(composite)和杂化(hybrid)型智能材料特点：主要种类：(3)高分子系智能材料刺激响应性高分子凝胶智能高分子膜材智能药物释放体系智能纤维与织物等301.6智能材料的应用将微型传感元件、微型计算机芯片、形状记忆合金、电流变体及压电材料等经设计后复合在结构体中，可研制出带有感知及判断能力，可自动加固及防护的自适应性智能结构，实现在线监测、自诊断、自预警、自修复，防止灾难性事故的发生。(1)建筑和结构工程领域自诊断混凝土自愈合混凝土31自动加固的直升飞机水平旋转叶片：当叶片在飞行中遇到疾风而猛烈振动时,分布在叶片中的微小液滴变成固体自动加固叶片。（2）航空航天领域能经受恶劣环境,同时能对自己的状况进行自我诊断,并能阻止损坏和退化,能自动加固或自动修补裂纹,从而防止灾难性事故的发生。机翼用智能材料：在高性能复合材料中嵌入细小的光纤,光纤象神经那样感受机翼上承受的不同压力,光纤断裂时,光传输中断,发出事故警告。32智能蒙皮:对于飞行器及潜水艇等，具有探测周围环境以及随外界条件变化而变化的能力的表皮(蒙皮)。检测飞行速度、温度、湿度等各种条件,并能对变化的环境做出反应，如抑制噪声和振动、维持座舱的通风、温度恒定、改变机翼形状等。对于材料内部的缺陷和损伤,能进行自诊断，确定缺陷和损伤部位并进行自修复、自适应。33（3）抑制振动和噪声传感元件对结构的振动进行监测,驱动元件在微电子系统的控制下准确地动作以改变结构的振动状态——具有振动和噪声主动控制功能的智能结构.成功应用：减轻交通工具如汽车、飞机振动和噪声。34压电材料将压电材料置于结构表面或内部用来感测振动,利用经过放大的输出功率去驱动另一个粘贴于不同区域的压电材料,来减小振动反应。——已成功应用于降低圆柱型卫星天线桅杆的振动。电(磁)流变体在复合材料悬臂梁的空腔内注入电流变体,通过外加电场改变电流变体的状态,从而实时控制梁的刚度、阻尼,实现了对结构整体振动的主动控制.35（4）用于机器人形状记忆合金：能够感知温度或位移的变化,可将热能转换为机械能.如果控制加热或冷却,可获得重复性很好的驱动动作.刺激响应性高分子凝胶在机器人中的应用：触觉传感器、机器人手足和筋骨动作部分等.36（5）在医学领域的应用智能药物释放体系——以智能材料为载体材料，根据病情所引起的化学物质和物理量(信号)的变化自反馈控制药物释放的通/断特性。智能胰岛素释放体系：可感知人体血糖浓度水平并做出反应，有效地把糖尿病患者的血糖浓度维持在正常水平。37靶向抗癌药物：与癌细胞有很好的相容性和亲和性，能优先与癌细胞结合即能识别癌细胞，从而只对癌细胞产生作用，而不会对正常细胞产生影响。38（6）用于日常生活智能纤维做成的服装：可随人体和环境温度的变化发生相变，起到空调的作用，使人体始终感受到适宜的温度。电致变色玻璃：在电场控制下，可以改变玻璃对同波长的光的透过能力，从而构成智能窗。39第二章智能材料的仿生构思40信息神经系统大脑脊髓中枢神经系统神经系统身体的各种动作感觉执行2.1生物体的信息传感、处理和执行元件41生物体对环境的响应源于细胞。细胞本身就是具有传感、处理和执行三种功能的融合材料，可作为智能材料的蓝本。2.1生物体的信息传感、处理和执行元件42（1）信息传感视觉——视网膜中的视细胞听觉——内耳外毛细胞味觉——口腔粘膜中味蕾内的味细胞嗅觉——鼻后隐窝的嗅觉上皮细胞触觉