仿生智能材料2011-1.ppt

仿生智能材料 材料科学与工程学院李湘祁 第1章绪论 1 1仿生学1 仿生学概念2 生物材料与仿生材料 1 2智能材料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 智能材料的应用 第1章绪论 1 1仿生学1 仿生学概念人类进化只有500万年的历史 而生命进化已经历了约35亿年 人类很早就认识到生物具有许多超出人类自身的功能和特性 对生物的结构 形态 功能和行为等进行研究 我们就会从自然中获得解决问题的智慧和灵感 水母的顺风耳 仿照水母耳朵的结构和功能 设计了水母耳风暴预测仪 能提前15小时对风暴作出预报 对航海和渔业的安全都有重要意义 第1章绪论 宝马H2R氢燃料汽车外型和设计的灵感来自海豚 企鹅的低阻身材 圆鼓的前脸 收起的尾部 极小的正锋面 成就了其0 21的阻力系数 同样 尺寸庞大的宝马7系得益于其流线造型 阻力系数也仅为0 29 第1章绪论 美国研发出一款举世无双的 海豚潜艇 它不仅在外形上酷似海豚 而且能像海豚一样时而潜入水中 时而跃出水面做出惊险刺激的翻腾动作 第1章绪论 第1章绪论 仿生学 Bionics 模仿生物系统的结构 形状 原理 行为以及相互作用 建造技术系统 或者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学 简而言之 仿生学就是 模仿生物的科学 仿生学是一门生命科学 物质科学 信息科学 数学和工程技术等学科相互渗透而结合成的一门边缘科学 第1章绪论 2 生物材料和仿生材料自然界存在的天然生物材料有着人工材料无可比拟的优越性能 生物材料通常有两个定义 一是有生命过程形成的材料 如结构蛋白 蚕丝等 和生物矿物 骨 牙 贝壳等 另一个是指生物医用材料 Biomedicalmaterials 其定义随医用材料的发展不断发展 指用于取代 修复活组织的天然或人造材料 第1章绪论 天然生物材料是经过亿万年的自然选择与进化 在细胞调制下形成的 其基本组成单元很平常 但材料的微观结构很复杂 具有空间上的分级结构 通常是两相或多相的复合材料 表现出人工合成材料无法比拟的性能 第1章绪论 生物体的启示 生命体中特殊机能的智能化大多与其微观结构密切相关 如昆虫复眼感光膜的视觉神经纤维具微纳米结构 由紧密排列的柱状的微绒毛构成 绒毛的长度约1 2um 直径约60nm 鲨鱼皮肤表面具有排列有序的微小鳞状突起 第1章绪论 第1章绪论 仿生材料 Bio inspired 受生物启发或者模拟生物的各种特性而开发的材料 材料的仿生包括模仿天然生物材料的成分和结构特征的成分 结构仿生 模仿生物体中形成材料的过程和加工制备仿生 模仿生物体系统功能的功能仿生 第1章绪论 1 2智能材料1 什么是智能材料 材料一般分为结构材料和功能材料两大类 对结构材料主要要求其机械强度 而对功能材料侧重于其特有的功能 功能材料 对来自外界或内部的各种信息具有感知能力的敏感材料 在外界环境或内部状态发生变化时能对之作出适当的反应并产生相应动作的驱动材料 第1章绪论 20世纪80年代 人们提出了智能材料的概念 智能材料 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类似生物智能特征的材料 如果能把感知 驱动 执行 和信息等三种功能材料有机地复合或集成于一体就可能实现材料的智能化 第1章绪论 2 智能材料的特征 具体地说 智能材料具备下列智能特性 1 具有感知功能 可探测并识别外界 或内部 的刺激强度 如应力 应变 热 光 电 磁 化学 辐射等 智能金属材料智能无机非金属材料智能高分子材料 第1章绪论 2 具有信息传输功能 以设定的优化方式选择和控制响应 3 具有对环境变化作出响应及执行的功能 4 反应灵敏 恰当 5 外部刺激条件消除后能迅速回复到原始状态 智能材料必须具备感知 驱动和控制三个基本要素 第1章绪论 从仿生学的观点出发 智能材料应具有或部分具有下列生物功能 1 有反馈功能 能通过传感神经网络 对系统的输入和输出信息进行比较 并将解结果提供给控制系统 2 有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 第1章绪论 3 有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 4 有响应性功能 能根据环境变化适时地动态调节自身并作出响应 5 有自修复功能 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 第1章绪论 6 有自诊断功能 能对现在和过去的情况作比较 从而能对诸如故障及判断失误等问题进行自诊断和校正 7 有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 从而改变自己的行为 以一种优化的方式对环境作出响应 第1章绪论 3 智能材料的构成智能材料一般由基体材料 敏感材料 驱动材料和信息处理器四部分构成 它不是传统的单一均质材料 而是一种复杂的智能材料系统 基体材料首选高分子材料 因为质量轻 耐腐蚀 其次也可选金属材料 以轻质有色合金为主 第1章绪论 敏感材料担负传感的任务 其主要作用是感知环境的变化 温度 湿度 压力 pH值等 常用的敏感材料有形状记忆材料 压电材料 光纤材料 磁致伸缩材料 电致变色 液晶材料等 第1章绪论 在一定条件下 驱动材料可产生较大的应变和应力 所以它担负响应和控制的任务 常用的驱动材料有形状记忆材料 压电材料 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 第1章绪论 在一定条件下 驱动材料可产生较大的应变和应力 所以它担负响应和控制的任务 常用的驱动材料有形状记忆材料 压电材料 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 第1章绪论 1 用于航空 航天飞行器采用光纤传感器阵列和聚偏氟乙烯传感器的智能结构可对机翼 机架以及可重复使用航天运载器进行全寿命期实时监测 损伤评估和寿命预测 空间站等大型在轨系统采用光纤智能结构 可实时探测由于交会对接碰撞 陨石撞击或其他原因引起的损伤 对损伤进行评估 实施自诊断 4 智能材料的应用 第1章绪论 自适应机翼具有翼型自适应能力 如当飞机在飞行过程中遇到涡流或猛烈的逆风时 机翼中的智能材料就能够迅速变形 并带动机翼改变形状 从而消除涡流或逆风的影响 使飞机仍能平衡地飞行 第1章绪论 2 用于建筑 工程结构例 可以利用形状记忆合金材料对应变敏感 电阻率大及加热后可以产生大回复力的特点 将记忆材料埋植在各种结构中 再配上微处理器 使之集传感驱动于一体 便构成自动探测裂纹或损伤和主动控制裂纹扩展的完整控制系统 第1章绪论 例 自愈合 纤维能感知混凝土中的裂纹和钢筋的腐蚀 并能自动粘合混凝土的裂纹或阻止钢筋的腐蚀 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 将其掺入混凝土中后 在混凝土过度挠曲时 它会被撕裂 从而释放出一些化学物质 来充填和粘合混凝土中的裂缝 防腐蚀纤维则被包在钢筋周围 当钢筋周围的酸度达到一定值时 纤维的涂层就会溶解 从纤维中释放出能阻止混凝土中的钢筋被腐蚀的物质 第1章绪论 3 用于日常生活例 通用汽车已经在进行将智能材料应用在其未来汽车产品中的研发工作 这些非常 聪明 的材料能够随着温度 压力 磁场和电压等条件的不同变化 而相应改变自身的密度 硬度 甚至外形 第1章绪论 例 日本推出了一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素小球 注入糖尿病患者的血液中 血液中的血糖浓度高时 小球释放出胰岛素 血糖浓度低时