材料科学与人类文明-第7章+智能材料.ppt

第七章智能材料 智能材料 近30年研制出的一些新型功能材料 它们能随环境 时间变化而改变自己的性能 形状 好像具有智能其中 形状记忆合金已崭露头角智能材料是20世纪90年代迅速发展起来的一类新型材料 是继天然材料 合成高分子材料 人工设计材料之后的第四代材料智能材料使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失 实现结构功能化 功能多样化的目标智能材料已成为材料科学的一个重要前沿领域 有关研究及发展受到极大的重视 传感功能 智能材料具有 或部分具有如下特征 智能材料的特征 能够感知外界或自身所处的环境条件 反馈功能 比对系统输入 输出信息 将结果提供给控制系统 信息识别与积累功能 识别传感网络得到的各类信息 并将其积累起来 响应功能 适时动态地响应外界环境和内部条件变化 自诊断能力 比对目前 过去状况 诊断并校正系统故障 判断失误等 自修复能力 通过自繁殖 自生长 原位复合机制 修补局部损伤 自调节能力 自动调整自身结构 功能 使材料始终以优化方式响应外界变化 一般来说 智能材料由基体材料 敏感材料 驱动材料 信息处理器4部分构成 智能材料的构成 智能材料设计的两个指导思想是材料的多功能复合和材料的仿生设计 现有材料的性能一般比较单一 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材料复合构成一个智能材料系统 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 智能材料的构成 敏感材料 担负着传感任务 主要作用是感知环境变化 压力 温度 电磁场 pH值等 常用敏感材料包括形状记忆材料 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 液晶材料等 驱动材料 在一定条件下 驱动材料可产生较大的应变和应力 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驱动材料又是敏感材料 起到身兼二职的作用 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 智能材料的基本构成和工作原理 智能材料的构成 目前尚无统一的定义 不过 现有智能材料的多种定义大同小异大体来说 智能材料就是指具有感知环境 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 智能材料的定义 智能材料又可以称为敏感材料 常用的有以下几种IntelligentmaterialIntelligentmaterialandstructureSmartmaterialSmartmaterialandstructureAdaptivematerialandstructure 智能材料的定义 具体来说 智能材料需具备以下5个内涵 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 2 具有驱动功能 能够响应外界变化 3 能够按照设定的方式选择和控制响应 4 反应比较灵敏 及时和恰当 5 当外部刺激消除后 能够迅速恢复到原始状态智能材料的构想来源于仿生学 其目标是研制具有类似于各种生物功能的 活 的材料智能材料必须具备感知 驱动和控制3个基本要素 某些太阳镜的镜片当中含有智能材料 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 智能材料举例 国外智能材料的研发方面已取得很多技术突破如英国宇航公司在导线传感器 可用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况英国开发出一种快速反应形状记忆合金 寿命期具有百万次循环 且输出功率高 以它作制动器时 反应时间仅为10秒 智能材料的分类 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 分类方法也有多种按材料功能 可分为光导纤维 形状记忆合金 压电 电流变体 电 磁 致伸缩材料等按材料来源 可分为金属系 无机非金属系 高分子系 金属系智能材料主要有形状记忆合金 形状记忆复合材料无机非金属系智能材料有电流变体 压电陶瓷 光致变色和电致变色材料等高分子系智能材料的范围很广泛 有高分子凝胶 智能高分子膜材 智能高分子粘合剂 智能型药物释放体系 智能高分子基复合材料等 智能材料在军事领域的应用 智能材料结构不仅象一般功能材料一样可以承受载荷 而且它还具有了其他功能材料所不具备的功能 能感知所处的内外部环境变化 并能通过改变其物理性能或形状等做出响应 借此实现自诊断 自适应 自修复等功能作为智能传感元件的光纤用于飞机机翼的智能蒙皮中在武器平台中植入智能蒙皮 可用于预警 隐身和通信智能蒙皮的研究包括 含多种传感器的导弹预警卫星智能蒙皮舰艇用智能蒙皮 提高舰艇隐身性能 智能结构可用于实时测量结构内部的应变 温度 裂纹 探测疲劳和受损伤情况 从而能够对结构进行监测和寿命预测采用光纤传感器阵列 聚偏氟乙烯传感器的智能结构可对机翼 机架 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 实施自诊断正在研究的自诊断智能结构技术有 光纤传感器自诊断技术可测量裂纹的 声音 传感器自诊断技术可监测复合材料层裂的传感器自诊断技术 智能材料在军事领域的应用 智能结构用于航空 航天系统可消除系统的有害振动 减轻对电子系统的干扰 提高系统的可靠性如美国防高级研究计划局资助波音公司研制的直升机智能结构旋翼叶片 可改善旋翼的空气动力学性能 减小振动和噪音智能结构用于舰艇 可抑制噪声传播 提高潜艇和军舰的声隐身性能智能结构用于地面车辆 可提高军用车辆的性能和乘坐舒适度国外正在研究的具有减振降噪功能的智能结构 主要由压电陶瓷 形状记忆合金和电致伸缩等新材料制成 智能材料在军事领域的应用 智能结构制成的自适应机翼 能够实时感知外界环境的变化 并可驱动机翼弯曲 扭转 从而改变翼型和攻角 以获得最佳气动特性 降低机翼阻力系数 延长机翼的疲劳寿命如当飞机在飞行过程中遇到涡流或猛烈的逆风时 机翼中的智能材料可迅速变形 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在机翼结构中使用磁致伸缩致动器 可使机翼阻力降低85 在桨叶中嵌入智能纤维电致流变体 可使桨叶扭转变形达几度美国防部和航空航天局正在研究的环境自适应结构 包括翼片弯曲 弯曲造型 控制面造型等在不久的将来 用智能材料制成的飞机机翼 可以像鱼尾巴一样行动自如 自行弯曲 自动改变形状 从而改进升力和阻力 使飞机飞得更高 更快 智能材料在军事领域的应用 智能材料系统最成熟的应用领域是主动结构声控采用智能结构进行主动结构声控是降低军用系统噪声的有效途径可采用两种方法来实现主动结构声控一种是结构振动完全停止 使声辐射降低到零 往往办不到一种是采用智能控制方法有选择地控制辐射振动模最好的办法是 感觉 具有危险性 的辐射波振动模 并用分布在整个结构中的作动器 压电材料或电致流变体 控制该振动模美国军方采用主动声控涂层进行声信号抑制 提高潜艇主动隐身性能 可使噪声降低60分贝 并使潜艇探测目标的时间缩短100倍主动声控涂层采用压电涂层材料和电致流变体技术的主动消声贴片 智能材料在主动结构声控中的应用 智能材料在主动振动控制中的应用 振动会降低工程系统性能 如降低对地观测卫星的传感器精度 减弱卫星跟踪目标的能力 降低制导武器性能 导致金属结构的疲劳破坏 干扰空间站的微重力环境等采用压电材料 形状记忆合金或电致流变体的智能结构均可实现振动的主动控制 提高军用系统的性能传感器可用光纤和压电材料 当系统结构受到外力作用振动并产生形变时 压电应变传感器可产生与压力成正比的表面电荷 控制系统对传感器测量的信号进行处理后 再给压电作动器反馈一个适当的电压 使其产生反向变形力 从而产生对系统结构的阻尼作用 使系统结构的振动随之迅速减弱 具有变通性和智能性的多功能砖由以下3个分层构成 第一层是功能层 能感受来自周围的声能 热能 光能 并能控制这些能量的输出 如果是内墙壁砖 还能控制和改变墙的功能第二层是通讯层 能为居住者提供内外通信联系的通道第三层是输送通道 可以用来输送水和其它材料面膜在砖材的最上层 可使墙壁产生不同的色彩和图案传感膜可以接收声波 热能和可见光并予以减弱或增强地膜可产生耐久的色彩和图案界面膜可连接内外通信线路 智能材料在智能化住宅中的应用 能改变椅座面的柔韧性和弹性 也可形成各种型式的椅座面由于不同年龄段的人对温度舒适性的要求有很大区别 这种座椅还可以随心所欲地升温和降温 它甚至还对人们喜爱的舒适温度具有记忆功能 智能材料在智能化住宅中的应用 用毫微塑料制作的坐椅 智能材料在现代医学中的应用 人造肌肉生物弹性材料能模拟活体生物的功能 其力量和反应速度接近于人体肌肉组织修复材料生物材料与生物体相容 可应用于人体组织修复 随着伤口的愈合 材料在体内逐渐降解 最后被吸收或派出人造皮肤可感知温度 热流变化 应力大小 有良好的空间分辨力药物自动投入系统根据血糖浓度而扩张 收缩的聚合物 可制成人造胰细胞 注入糖尿病患者血液中 可模拟胰细胞工作 使病人的血糖浓度始终保持在平常的水平上 智能抗癌系统 抗癌药物胶囊 即药物 导弹 亲水部分 疏性部分 形成 导弹 药物 外壳 内核 智能材料在现代医学中的应用 疏水性药物载体形成了 导弹 的疏水内核 而亲水性部分则在内核周围形成了一个水化物外壳所形成的胶囊是一种智能型药物载体 可自动避免被机体内单核吞噬细胞捕获而有效的到达癌细胞所在地 20世纪90年代后期 采用对电磁场敏感的铁氧体包覆Ti Ni形状记忆合金丝制成了癌症温热疗法用针通过导管将癌症温热疗法用针植入病人癌变部位 由于形状记忆作用 针会弯曲变形在高频电磁场作用下 癌症温热疗法用针将能够产生一定的热量 使癌变区萎缩 智能材料在现代医学中的应用 癌症温热疗法用针 智能材料主要种类 形状记忆合金电流变体和磁流变体磁致伸缩材料压电陶瓷电致伸缩陶瓷光致变色玻璃电致变色材料 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 在屈服点后产生塑性变形 应力消除后留下永久变形有些材料发生塑性变形后 经合当的热处理 可回复到变形前的形状 这种现象叫做形状记忆效应 SME 具有形状记忆效应的材料 一般是两种以上金属元素组成的合金 称为形状记忆合金 SMA 形状记忆合金是一种超弹性合金 变形大大超过屈服极限后 一旦除去载荷 它能缓慢返回原形 形状记忆合金 单程记忆效应只在加热过程中存在形状记忆现象在较低温度下变形 加热后可恢复原形双程记忆效应加热时恢复高温相形状 冷却时恢复低温相形状 形状记忆合金的种类 全程记忆效应加热时产生高温相形状 冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状 形状记忆合金 镍 钛合金 又称NT合金 具有记忆功能能引起记忆合金形状改变的条件是温度 全程Ti Ni记忆合金花 形状记忆合金 形状记忆合金的历史 1952Chang及Read等最早报道形状记忆效应 观察到Au Cd合金中相变的可逆性后来发现 Cu Zn合金也存在同样现象 但未引起广泛注意1962美国海军军械实验室主任冶金师Buehler等在等原子比的TiNi合金中观察到宏观形状变化的记忆效应 引起了材料科学界与工业界的重视Buehler把海军军械实验室的英文简写NOL加在合金后命名 组成了 Nitinol 即为著名的 镍钛诺 名称的来源20世纪70年代初发现CuZn CuZnAl CuAlNi等合金的形状记忆效应 与马氏体相变有关 形状记忆合金 形状记忆合金的工业应用 管接头 天线 套环等利用单程形状记忆效应的单向形状恢复 热敏元件 机器人 接线柱等利用单程形状记忆效应并借助外力随温度升降做反复动作热机 热敏元件等利用双程记忆效应随温度升降做反复动作记忆衰减快 可靠性差 不常用弹簧 接线柱 眼镜架等超弹性的应用 形状记忆合金 形状记忆合金的医学应用 TiNi合金具有优异的生物相容性 其形状记忆效应和超弹性在医学上应用广泛如血栓过滤器 脊柱矫形棒 牙齿矫形丝 脑动脉瘤夹 接骨板 髓内针 人工关节 心脏修补元件 人造肾脏用微型泵等 人工关节 人造牙齿 脊柱修复支架 电流变体和磁流变体 大多由高分子或陶瓷材料制成 在电 磁场作用下具有变形能力 其变性能力与电场或磁场强度有关在接通电时可从液体变为固体的电致变性材料如果向空心梁中充入电流变性液体材料 在电场作用下 液体材料变硬 从而使梁变成僵硬状利用电致变性材料可在地震时自动加固建筑物 磁致伸缩材料 主流是稀土磁致伸缩材料 在电磁场作用下可产生微变形或声能 也可将微变形或声能转化为电磁能磁致伸缩智能材料具有磁致伸缩值大 机械响应速度快 功率密度高的特点 广泛应用于国防 航空航天和高技术领域 主要用途 美国 军事目的尖端产品 如舰艇水下声纳探测系统 导弹发射控制装置等我国 开发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稀土超大磁致伸缩材料可用于开发新一代精密控制系统 如油料控制 导弹发射控制装置 声光发射系统 如信号处理 声纳扫描 超声 水声等 换能器 驱动器等 压电陶瓷 压电效应在某些晶体材料上施加机械力时 晶体表面会产生电荷 这种现象称正压电效应在一定范围内 电荷密度与作用力成正比相反 在晶体上施加电场时 晶体会产生变形 称逆压电效应 压电效应的本质机械作用引起晶体极化 导致介质两端表面出现相反的束缚电荷压电效应只存在于没有对称中心的晶体中 BaTiO3陶瓷的压电机理 BaTiO3晶体中 氧形成八面体 Ti位于氧八面体的中心 Ba处于八个八面体的间隙 压电陶瓷 陶瓷由小晶粒无序排列而构成 具有各向同性 不显示压电性经电场处理后 陶瓷出现剩余极化强度 由各向同性变成各向异性 从而具有压电性 由于束缚电荷的作用 在陶瓷片两极板上吸附了一层表面电荷 吸附电荷与片内束缚电荷数量相等 符号相反在瓷片上加与极化方向平行的外力时 瓷片发生形变 Ti4 位移变小 极化强度变小 释放出部分原来被吸附的表面电荷 出现压电效应当压力撤去后 陶瓷片恢复原状 膨胀过程 Ti4 位移增大 极化强度增大大 电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象 BaTiO3陶瓷的压电机理 压电陶瓷 BaTiO3陶瓷的压电机理 压电陶瓷 在瓷片上施加与极化方向相同的电场时 Ti4 位移增大 极化强度增大 瓷片伸长形变 电能变为机械能 逆压电 压电陶瓷材料的种类 压电陶瓷 无机压电材料共有两种 压电晶体 如石英SiO2 压电陶瓷在组成上 压电陶瓷包括二元 三元和四元系在结构上 压电陶瓷可以是ABO3型钙钛矿结构或钨青铜结构常用压电陶瓷 钛酸铅PbTiO3 PT 锆钛酸铅Pb Ti1 xZrx O3 PZT 改性锆钛酸铅 三元系压电陶瓷三元系是指在PZT基础上添加第三组元化合物第三组元化合物大都是复合钙钛矿型 如铌镁锆钛酸铅 铌锌锆钛酸铅 压电材料具有机电 声 光 热 弹等多种功能及其耦合效应 可用作压力 温度 光等多种传感器 1 智能雨刷利用BaTiO3陶瓷制成 可自动感觉雨量 并自动调节雨刷至最佳速度 2 高级轿车中的减震装置利用正压电效应 逆压电效应 电致伸缩效应而制成的智能减震器 具有识别路面 粗糙度 并自我调节的功能 可使粗糙路面产生的振动减至最低 3 有源消声由压电陶瓷拾音器 谐振器 模拟声线圈和数字信号处理集成电路组成 用于振动频率低于500Hz的消声 4 压电陶瓷马达利用逆压电效应 把电能转换成机械能 不需要电磁线圈 压电材料的应用 压电陶瓷 电致伸缩陶瓷 在电场作用下 压电材料不仅由于逆压电效应而产生应变 而且还存在一般电介质在电场作用下产生的应变 并且该应变与电场强度的平方成正比 后一效应称为电致伸缩效应电致伸缩效应是非线性机 电耦合效应 外加电场E所产生的应变S可表示为S dE ME2 NE3 dE是一阶线性耦合效应 即压电效应 系数d为压电常数 ME2 NE3 为高阶非线性耦合效应 或电致伸缩效应 系数M N等为电致伸缩常数利用电致伸缩效应 电致伸缩陶瓷可产生微小应变 并能由电场加以精确的控制高阶耦合效应非常微弱 通常电致伸缩效应是指二阶效应大多数材料的电致伸缩效应都非常小 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AgCl的碱铝硼硅酸盐玻璃受到紫外 可见光照射时 AgCl晶体分解为Ag和Cl原子 析出的Ag原子团簇使玻璃颜色变深 从而阻止阳光的透过h 1为短波激活光能 h 2为长波光源光能 为加热退色效应在没有紫外线照射时 Ag和Cl原子重新结合为无色AgCl 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 光致变色玻璃 在配料中加入少量敏化剂 可显著提高敏感性 增大光致变色能力如Cu 是一种增感剂 在AgCl晶体中成为空穴的捕获中心 增加光解Ag0浓度 大大提高玻璃的变暗灵敏度光致变色玻璃随光波长和强度的变化而自动调节光的透过率 也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 电致变色材料 无机电致变色材料有NiO WO3原理在电场作用下 电子 离子注入材料 导致结构或价态发生