博士班-智能材料与结构1

智能材料与结构,一、基本概念二、基础智能材料三、光纤智能材料与结构四、自诊断智能材料与结构五、自适应智能材料与结构六、结束语,一、基本概念,智能材料与结构是近年来在世界上兴起并迅速发展的材料技术的一个新领域。1989年，日本高木俊宜教授提出智能材料（Intelligentmaterials）概念，它是指对环境具有可感知可响应等功能的新材料。美国的R.E.Newnhain教授提出了灵巧(Smart)材料的概念，这种材料具有传感和执行功能。国际上于1988年在美国召开了第一届“光纤机敏结构与表层”会议(FiberOpticSmartStrustureandSkins)。,智能材料与结构的四种主要特性,（1）敏感特性（2）传输特性（3）智能特性（4）自适应特性上述特性的微观结合-智能材料上述特性的宏观结合-智能结构,二、基础智能材料,形状记忆合金压电铁电材料电/磁流变液磁致伸缩材料自组装材料光纤智能材料等。,1.形状记忆合金,形状记忆合金是一类具有形状记忆功能的材料；产生形状记忆效应的最根本原因是马氏体相变；在合适温度下马氏体相与奥氏体相能发生可逆的变化。,（1）静脉通道过滤器,NiTi作为一种静脉通道过滤器（图1）来打碎静脉中的血凝块。将合金通过一根ID导管，到达预定展开的位置，然后去掉合金的束缚作用,其超弹性则对管壁施加恒定的压力，使血块破碎。,图1将Simon过滤器置于2.3mm导管内(1),然后受热膨胀(2、3、4)以用于防止再发的肺栓塞,（2）SMA捕捉器和SMA牵开器,腹腔镜检查方法的发展非常迅速，现在可以通过微小的套针和套管在非常小的部位进行手术（如图2和图3）。图2中的捕捉器是当其中超弹性的SMA恢复其奥氏体结构和形状时，仪器才表现出弯曲形状。而图3中的牵开器通常呈直线型，以便在套管中插入和退出，当其中的SMA处于马氏体状态，牵开器才呈现弯曲状态。,图2Ni-TiSMA捕捉器图3SMA牵开器,2压电材料,压电材料是一类具有压电效应的材料；具有压电效应的电介质晶体在机械应力的作用下将产生极化并形成表面电荷；若将这类电介质晶体置于电场中，电场的作用将引起电介质内部正负电荷中心发生相对位移而导致晶体发生形变。压电材料的类型：,压电陶瓷压电聚合物材料压电复合材料,应用实例：,（1）悬臂梁悬臂梁用环氧材料制成，用四片粘贴在根部的压电致动元件模拟外界单一频率的振动干扰,其布局如图4所示，再分别用两片粘贴在其它位置的控制压电元件1和控制压电元件2对致动器施加控制，可实现对单一频率和噪声的有效控制，结果表明结构的振动及噪声水平显著下降。,图4悬臂梁布局,（2）减振降噪园筒,图5园筒布局,用复合材料园筒进行减振降噪试验，压电元件的布置如图5,端面安置了4个PZT元件和4个传感器，园筒安排了6个PZT元件和6个的传感器，同样可实现对单一频率振动和噪声的有效控制。,2.电/磁流变液,电流变(ER)液：在电场作用下，其剪切应力、粘度等流变性能发生显著的可逆变化。磁流变(MR)液：在磁场作用下，其剪切应力、粘度等流变性能发生显著的可逆变化。电磁流变(EMR)液：在电场或磁场的作用下，其剪切应力、粘度等流变性能发生显著的可逆变化。,（1）组成：由固体微粒分散在合适的液体载体中而制成。,（2）功能：,（3）材料研究：,ER液：半导体高分子材料金属颗粒材料铁电体材料液晶高分子材料硅铝酸盐材料MR液：磁性粒子乳滴磁性粒子磁性复合粒子EMR液：磁性复合粒子,应用实例,（1）汽车发动机减振器,图6所示。减振器中极板运动方向与ER液的流动方向垂直，利用ER液的特殊性能，可以达到减振的效果。,（2）ER液离合器,ER液离合器的基本类型有两种：同轴园筒型和平板型，其结构如图7所示。,h,图7同心园筒型（a）和平板型（b）ER离合器的结构,3.磁致伸缩材料,磁致伸缩效应磁性物质在磁化过程中因外磁场条件的改变而发生几何尺寸可逆变化的效应。而磁致伸缩智能材料是一类磁致伸缩效应强烈，具有高磁致伸缩系数的材料。它是一类具有电磁能/机械能相互转换功能的材料。TbDyFe的值较大，机电耦合系数也高，一直是超磁致伸缩材料中研究的重点,应用：声纳系统中的声波发射器,可用作超声和水声换能器件（如超声探伤、声纳）、电信器件（如振荡器、延迟线）、测量传感和控制驱动器件等。,如图8所示，图中六个单元组成一个环。随着磁场变化，环就膨胀收缩，将声波发射出去。,（2）微位移驱动器件,图9为我们研制的微位移控制装置结构原理图。在线圈磁场的作用下，超磁致伸缩Tb-Dy-Fe单晶棒发生伸长，并驱动执行杆沿P方向移动，其位移控制精度达m级。,Terfenol-D单晶2.永磁体3.弹簧4.线圈5.隔离层6.磁轭7.执行杆8.螺栓,(3)主动隔振智能结构中的动作器,图10是采用磁致伸缩智能材料Terfenol动作器的主动隔振系统。动作器的作用是产生控制力并作用于振动梁，然后以力矩作用在工程结构上以消除（或减小）它的振动。,灵敏梁,质量,加速度计,加速度计,振动梁,激振力,磁致伸缩动作器,图10主动隔振简图,(4)高灵敏磁触发系统中的弱磁传感器件,将Tb-Dy-Fe涂覆在光纤上（或直接将Tb-Dy-Fe片粘合在光纤上），作为Mach-Zehnder干涉仪的信号臂，当磁场使超磁致伸缩材料发生长度变化并导致光纤的光程变化时，光纤干涉仪中参考臂和信号臂之间产生相对位相移动，从而可形成并输出一个触发信号。也可用这种传感器构成的干涉仪直接作高灵敏磁场测量传感器（如图11所示）。,图11磁致伸缩式光纤弱磁传感器原理,（5）磁弹性静力传感器件,Tb-Dy-Fe单晶磁弹性静力传感器件则实现了静态机械能向动态电磁能的转换。其原理结构如图12所示。该传感器为变压器式结构，静态力作用在Tb-Dy-Fe单晶棒上，使其磁化特性发生改变，从而导致变压器的交流输出信号发生变化。,图12Tb-Dy-Fe单晶磁弹性静力传感器结构原理,5自组装材料,自组装材料是在特定的基片上，通过化学键，氢键或静电引力将聚合物分子或聚合物与无机纳米粒子的复合物逐层组装上去，以形成单层、双层或多层自组装薄膜材料。,图13静电自组装薄膜材料的制作过程,多层自组装的示意图,三、光纤智能材料与结构,1、光纤的基本概念,光纤是一种介质圆柱光波导，它能够约束并引导光波在其内部或其表面附近沿轴线方向向前传播。光纤纤芯、包层、涂覆层、护套等构成。光纤的分类：单模光纤和多模光纤；阶跃型多模光纤、梯度型多模光纤和阶跃型单模光纤。光纤的制备,光纤的主要特性,传光性能好频带宽本身就是一个敏感元件对电磁干扰不敏感，电绝缘性能好，耐高压光纤质轻径细，可挠曲,光纤的结构,光纤的结构,光纤传感器的传光原理,全反射,n1n2入射角,光纤传光与数值孔径,光纤传感器的基本原理,将被测参量转换为光信号参数的变化,光纤传感器的调制和解调技术,强度、相位、频率、波长等的调制和解调,光纤模式及其对光信号传输的影响,光纤传感技术,光纤传感器与电类传感器对比,从对比可见光纤传感器与电类传感器是并行互补的一类新型传感器,光纤传感器的特点,*本质防爆适合于易燃、易爆等危险物品检测*对电绝缘适合于高电压场合检测*无感应性适合于强电磁场干扰环境下检测*化学稳定性适合于环保、医药、食品工业检测*时域变换性适合于多点分布测量*低损耗*大容量*高精度*尺寸小*重量轻*非接触式,1.光纤传感系统的组成,组成：传感器、传输系统、探测系统,光纤传感器系统与设计,光纤传感器在易燃易爆场合的应用,光纤传感器在高电压、强电磁场干扰场合的应用,光纤传感器在实时在线检测中的应用,OTDR技术用于分布检测,光纤传感技术在分布测量中的应用（时域变换技术）,光纤,埋入式功能型光纤传感器件,马赫曾德尔光纤干涉仪,法布里一珀罗腔干涉型应变传感器,偏振型埋入式光纤应变传感器,缠绕式光纤传感器,多模光纤,钢丝绳索,布拉格光栅的制备,通过相位掩膜制作光纤光栅的原理,布拉格光纤光栅的结构,布拉格光栅的透射谱,布拉格光栅的反射谱,光纤光栅分布式传感机理,用于BeddingtonTrail大桥的四路光纤布喇格光栅传感解码系统,自诊断光纤智能材料结构与应用,智能材料结构中光纤传感器的结构与特点,智能材料结构系统最基本的组成要素之一，是具有能感知内外环境变化的神经传感系统。光纤的特点：具有细径、柔韧、质轻，优良的可埋性；集信息传感、传输于一体；便于实现分布式传感或多点复用；宽频带与高数据传输速率；抗电磁干扰；耐高温、腐蚀。光纤传感器是在智能材料结构研究中最适宜的传感器形式。,应用实例,（1）用于复合材料中的Mach-Zehnder光纤传感器,（2）用于复合材料中的Michelson光纤传感器,（3）用于复合材料中的Fabry-Perot光纤传感器,(4)用于智能锚索系统和混凝土结构内部裂缝检测的光纤微弯传感器,智能锚索结构示意图,实验系统结构示意图,光时域反射计（OTDR）记录的传感器输出信号示意图,后向散射光损耗量与梁挠度的相关曲线,自适应智能材料结构与应用,自适应智能材料结构指的是将基体材料、传感和驱动材料以及微电子处理控制系统集成或融合在一起形成一个整体。这个整体不仅具有承受载荷、传递运动的能力，而且具有检测、动作、改变结构的特性等功能。该结构可根据不断变化着的外界环境和自身状况，在自诊断的基础上作自适应调整，使其始终处于最佳工作状态。,应用实例：,悬臂梁主动振动控制系统结构,主动控制系统流程图,实验用方形板件由玻璃纤维/环氧树脂复合材料制成，在板的上、下表面分别粘固两套SMA丝网络，图中是一套平面SMA丝网络的总单元示意图，它由四个分单元组成，每个分单元含四个方形框架及9根引出线。损伤位置由传感器阵列及控制单元判断。如果损伤造成SMA丝断裂，亦可由引出线辅助判断损伤位置。然后接通电源，激励相应的SMA丝，使其收缩，在损伤区外围形成压应力区域，防止损伤的扩展，实现强度自适应。,用于防止复合材料损