第六章-智能材料

第六章智能材料CompanyLogo年由日本高木俊宜教授在日本科学技术厅航空、电子等技术评审会上提出的。它是将信息科学融合于材料物性的一种材料新构思。智能材料：目前还没有统一的定义，但是现有智能材料的多种定义大同小异。大体来说，智能是指具有感知环境(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智能特征的材料。智能材料必需具备感知、信息处理和执行功能。智能材料来源于功能材料，功能材料是智能材料的基础。CompanyLogo智能材料-结构和概念感知材料：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。驱动材料：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；机敏材料：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。智能材料：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。CompanyLogo智能材料-结构和概念智能材料的构成(1)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，其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。(2)敏感材料：担负着传感的任务，其主要作用是感知环境变化。常用敏感材料如形状记忆材料、压电材料、磁致伸缩材料、电致变色材料、电流变体等。(3)驱动材料：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。这些材料既是驱动材料又是敏感材料，身兼两职。(4)信息处理器：在敏感材料和驱动材料间传递信息的部件，是联系两者的桥梁。CompanyLogo智能材料-结构和概念智能材料不但可以判断环境，而且还可顺应环境，即智能材料具有应付环境条件的特性，如自己内部诊断，自己修复，自己分解，自己学习，应付外部刺激自身积极发生变化。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内部的刺激强度，如电、光、热、应力、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。CompanyLogo智能材料-结构和概念智能材料应具有或部分具有以下生物功能：1传感功能：能感知自身所处的环境与条件，如负载、应变、振动、热、光、电、磁、化学、核辐射等的强度变化。2反馈功能：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，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。(4)学习能力和预见性功能：通过对过去经验的收集，对外部刺激作出适当反应，并预见未来采取适当的行动。CompanyLogo智能材料-结构和概念(5)响应性功能：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：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，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：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。CompanyLogo智能材料-结构和概念智能材料按基材分类金属系智能材料：主要指形状记忆合金材料(SMA)，是一类重要的执行器材料，用其控制振动和结构变形。强度比较大、耐热性好、耐腐蚀性能好，主要用于航空、航天、原子能。工业上能够检测自身的损伤并将其抑制，具有自修复功能。无机非金属系智能材料：能够局部吸收外力以防材料整体破坏。主要包括压电陶瓷、电致伸缩陶瓷,电(磁)流变体等。高分子系智能材料：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。CompanyLogo智能材料-结构和概念人工合成高分子材料的品种多，范围广，其中智能凝胶、药物控制释放体系、压电聚合物、智能膜等是高分子智能材料的重要体现。纳米分子自组装技术：在合成智能材料方面具有光明的应用前景。例如利用分子识别机制，控制环境，使结构单元排列成超晶格结构，开发新型光子、电子、磁学及非线性光学器件。自组装：通过较弱的非共价键，如氢键、范德华力或静电引力等将原子、离子、分子、纳米粒子等结构单元连接在一起，自发的形成一种稳定的结构体系的过程。结构单元通过协同作用自发的排列成有序结构，不需借助外力的作用。CompanyLogo智能材料-结构和概念智能材料是一种集材料与结构、智然处理、执行系统、控制系统和传感系统于一体的复杂的材料体系。它的设计与合成几乎横跨所有的高技术学科领域。今后的研究重点包括以下六个方面：智能材料概念设计的仿生学理论研究；材料智然内禀特性及智商评价体系的研究；耗散结构理论应用于智能材料的研究；机敏材料的复合-集成原理及设计理论；智能结构集成的非线性理论；仿人智能控制理论；CompanyLogo智能材料-设计智能材料的设计：通常以功能材料为基础，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。智能材料和器件的研究目前主要有两条技术路线：1、将传感器、处理器和致动器埋入结构中，通过高度集成制造智能结构，即所谓智能结构。2、将智能结构中的传感器、致动器、处理器与结构的宏观结合变为在原子、分子层次上的微观“组装”，从而得到更为均匀的物质材料，即所谓智能材料。创造人工原子并实现其三维任意排列，是人工材料的极限，也是智能材料的最终目标。CompanyLogo智能材料-设计智能效应的基本原理是物质和场之间的交互作用过程。智能材料设计的具体过程CompanyLogo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选择感知组元、驱动组元和中间场智能材料-设计1、仿生自愈伤水泥基复合材料：a)模仿生物组织受伤后自动分泌某种物质形成愈伤组织，愈合伤口。将内含黏结剂的空心玻璃纤维或胶囊掺入水泥基材料中，水泥在外力作用下发生开裂时玻璃纤维或胶囊破裂而释放黏结剂，流向开裂处将其重新黏结起来，起到愈伤作用。b)模仿骨骼的结构和形成。在集体磷酸钙水泥中加入多孔的编制纤维网，在水泥水化和硬化过程中，纤维放出聚合物和聚合反应引发剂形成高聚物，聚合反应留下的水分参与水化。纤维网表面形成大量有机、无机物质穿插黏结，形成具有优异强度和延性的复合材料。如果材料受损，多孔纤维释放高聚物愈合损伤。CompanyLogo、仿生陶瓷：主要应用于海洋相关领域，如仿生水声器，用于潜水艇、海上石油平台、地震监测器等。还可用于医用，如人工骨、人工牙齿等。3、智能皮肤：用光纤材料或高分子材料制成能像人的手那样可以“感觉”和“动作”的传感器与执行器；运用电子技术和计算机技术制造出能够像人的大脑那样可以分析判断、逻辑推理及综合理解的微型数据信息处理系统：将这些传感器、执行器及控制系统埋入到结构材料之中就形成了一种具有类似人皮肤那样功能的复合智能材料结构。可以用来制成飞机的机翼和机身的蒙皮．以防止鸟撞飞机等意外事故的发生；还可以用在潜艇上，吸收来自声纳的反射波，使其摆脱敌方声纳系统的监控。CompanyLogo智能材料-设计目前研究的重点其一是设计与研制具有“智能”的新型材料，如先进的压电材料、电磁致伸缩材料、形状记忆合金、电致流变体等；其二是通过在传统的材料内增设由光导纤维构成的传感器式调节器，赋予材料自诊断、自适应的综合性能。智能材料的合成方法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。例如：将压电陶瓷颗粒弥散分布在压电聚合物中可制成大面积的各种形状压电薄膜；将形状记忆合金粒子或纤维复合在金属或高分子中可改善力学性能及阻尼能力。CompanyLogo智能材料-设计多层膜复合：两种或多种机敏材料以多层微米级的薄膜复合，获得优化的综合性能或多功能特性。例如：将铁弹性的形状记忆合金与铁磁或电驱动材料复合，把热驱动方式变成电或磁的驱动方式，可拓宽响应频率范围，提高响应速度。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，使材料兼具光控、压控、热控及其他响应性质。粒子复合组装：将具有不同功能的材料粒子按特定的方式进行操作组装，创造出新的具有多功能特性的材料。CompanyLogo智能材料-记忆合金形状记忆效应(ShapeMemoryEffect，简称SME)：在高温下处理成一定形状的金属急冷下来，在低温相状态下经塑性变形为另一种形状，然后加热到高温相成为稳定状态的温度时，通过马氏体逆相变恢复到低温塑性变形前的形状的现象。形状记忆合金(ShapeMemoryAlloys，简称SMA)：具有SME的金属，通常是由两种以上的金属元素构成的合金。CompanyLogo(a)原始形状(b)拉直(c)加热后恢复智能材料-记忆合金马氏体最初是在钢中发现的，将钢加热到一定温度后经迅速冷却，得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。马氏体：母相在过冷状态或是应变过程中按无扩散的、以惯习面为不变平面共格切变的固态相变的产物。马氏体具有体心正方结构。以在α-Fe中的过饱和间隙固溶体为例，碳原子呈部分有序(80%)排列在原α-Fe体心立方点阵的八面体间隙c轴上。碳原子溶入后必然会引起点阵畸变，使短轴c轴方向上的铁原子间距拉长，而在另外两个方向a轴方向稍有缩短，轴比c/a称为马氏体的正方度。CompanyLogo智能材料-记忆合金马氏体的正方度(c/a)取决于其碳含量的高低，故马氏体的正方度可用来表示马氏体中碳的过饱和程度。碳原子远不足以填满八面体间隙，那么碳原子在马氏体点阵中的分布是不均匀的，并由此引起点阵的局部畸变。马氏体相变的特征：1、无扩散相变：马氏体转变属于低温转变，此时碳原子和铁原子都已经失去扩散能力。因此，马氏体转变是以无扩散的方式进行的。铁原子的晶格改组是通过近程的迁动完成的，原子之间的相对位移不超过一个原子间距，新相承袭了母相的化学成分、原子序态和晶体缺陷。CompanyLogo、切变性：马氏体转变的表面浮凸效应，说明马氏体转变是以切变方式完成的，在此过程中原子集体、协同、有规则地作小于一个原子间距的近程迁移，并保持各原子间原有的相邻关系不变，属于协同型转变。3、共格性：马氏体转变时，新相和母相的点阵间保持共格联系。马氏体的长大便是靠母相中原子作有规则的迁移(即切变)使界面推移而不改变界面上共格关系的结果。由于这种界面是以切变维持的共格界面，故称为“切变共格