第七章 智能材料

1、1 2 3 是是二十世纪二十世纪90年代年代迅速发展迅速发展 起来的一类起来的一类新型复合材料新型复合材料。 智能材料目前智能材料目前还没有统一的定义还没有统一的定义，不，不 过，现有的过，现有的智能材料的多种定义智能材料的多种定义仍然是大仍然是大 同小异。同小异。 4 大体来说，大体来说，就是指具有就是指具有 （包括内环境和外环境）（包括内环境和外环境）， 、，并，并 的的智能特征的材料智能特征的材料。 5 具体来说，具体来说，需具备以下需具备以下： (1)具有具有，能够检测并且可以识能够检测并且可以识 别别外界外界(或者内部或者内部)的的刺激强度刺激强度，如电、光、，如电、光、 热、应力、

2、应变、化学、核辐射等；热、应力、应变、化学、核辐射等； 6 (2)具有具有，能够，能够响应外界变化响应外界变化； (3)能够能够按照设定的方式按照设定的方式； (4)反应比较反应比较、和和； (5)当外部刺激消除后当外部刺激消除后，能够，能够 。 7 又可以称为又可以称为，常用，常用 的有以下几种：的有以下几种： Intelligent material、 Intelligent material and structure、 Smart material、 Smart material and structure、 Adaptive material and structure等。等。 8

3、来源于仿生学，它的来源于仿生学，它的 目标就是想目标就是想研制出一种材料研制出一种材料，使它成为，使它成为 的的“活活”的材料的材料。 因此因此必须具备必须具备、和和 这三个基本要素。这三个基本要素。 9 但是但是现有的材料现有的材料一般比较一般比较，难以难以 满足智能材料的要求满足智能材料的要求，所以，所以一般一般 由由复合构成一个复合构成一个智智 能材料系统能材料系统。 10 这就使得这就使得 均涉及到了均涉及到了材料学的最材料学的最 前沿领域前沿领域，使智能材料代表了，使智能材料代表了材料科学的材料科学的 最活跃方面和最先进的发展方向最活跃方面和最先进的发展方向。 11 智能材料应用的简

4、单事例：智能材料应用的简单事例： 某些某些太阳镜的镜片当中太阳镜的镜片当中含有含有， 这种智能材料能这种智能材料能感知周围的光感知周围的光，并能够，并能够对光对光 的强弱进行判断的强弱进行判断，当光强时，它就变暗，当，当光强时，它就变暗，当 光弱时，它就会变的透明。光弱时，它就会变的透明。 12 因为因为设计智能材料的两个指导思想设计智能材料的两个指导思想是是 和和，所，所 以以智能材料系统智能材料系统具有或部分具有如下的具有或部分具有如下的 和和： 13 能够能够外界或自身所处的环境条外界或自身所处的环境条 件件，如负载、应力、应变、振动、热、，如负载、应力、应变、振动、热、 光、电、磁、化

5、学、核辐射等的强度光、电、磁、化学、核辐射等的强度 及其变化。及其变化。 14 可通过可通过，对系统，对系统输入与输出信输入与输出信 息进行对比息进行对比，并将其结果提供给，并将其结果提供给控制系统控制系统。 能够识别能够识别传感网络得到的各类信息传感网络得到的各类信息 并将其积累起来。并将其积累起来。 15 能够根据能够根据外界环境和内部条件变化外界环境和内部条件变化， 作出相应的反应作出相应的反应，并采取必要并采取必要 行动行动。 16 能通过能通过系统目前的状况与过系统目前的状况与过 去的情况去的情况，对诸如，对诸如与与等等 问题问题进行自诊断并予以校正。进行自诊断并予以校正。 17 能

6、通过能通过、 等等再生机制再生机制，来修补某些，来修补某些局部损伤局部损伤 或破坏或破坏。 18 对不断变化的对不断变化的外部环境和条件外部环境和条件，能，能 自身结构和功能，并相应地自身结构和功能，并相应地 改变自己的状态和行为改变自己的状态和行为，从而使，从而使材料系统材料系统 始终始终对外界变化作出恰如对外界变化作出恰如 其分的响应。其分的响应。 19 一般来说一般来说由由、 、和和四部四部 分构成。分构成。 20 基体材料担负着基体材料担负着，一般宜，一般宜 选用选用。 一般基体材料一般基体材料，因为，因为 其其重量轻重量轻、耐腐蚀耐腐蚀，尤其具有粘弹性的非，尤其具有粘弹性的非 线性特

7、征。线性特征。也也，以，以轻轻 质有色合金质有色合金为主。为主。 21 担负着担负着传感的任务传感的任务，其主要作，其主要作 用是用是（包括（包括压力压力、应力应力、温度温度、 电磁场电磁场、pH值值等）。等）。 常用敏感材料常用敏感材料如如、 、 、和和等。等。 22 因为因为在一定条件下在一定条件下，可产生较大可产生较大 的的，所以它担负着，所以它担负着 。常用有效驱动材料常用有效驱动材料如如、 、和和等。等。 可以看出，这些材料既是可以看出，这些材料既是 ，显然起到了身兼二职的作用，这，显然起到了身兼二职的作用，这 也是也是智能材料设计时可采用的一种思路智能材料设计时可采用的一种思路。

8、23 包括包括、 等。等。 24 图所示为智能材料的图所示为智能材料的。 25 是继是继、 之后的之后的第四代功能材料第四代功能材料。 因为现在因为现在可用于智能材料的材料种类不可用于智能材料的材料种类不 断扩大断扩大，所以，所以智能材料的分类智能材料的分类也只能是粗浅也只能是粗浅 的，分类方法也有多种，的，分类方法也有多种， 26 若按若按来分，可以分为来分，可以分为 、和和 等。等。 若按若按来分，可以分为来分，可以分为 、和和 。 27 目前研究开发的目前研究开发的主要有主要有 和和两大类；两大类； 在在、 、和和材料等方面发材料等方面发 展较快；展较快； 28 的范围很广泛，作为的范围

9、很广泛，作为 智能材料的智能材料的的研究和的研究和 开发非常活跃，开发非常活跃， 其次还有其次还有、 、和和 等。等。 29 1、 30 用于军事，是用于军事，是随着智能随着智能 材料的发展材料的发展不断发展的一个领域。不断发展的一个领域。 31 因为因为不仅象不仅象 一样可以一样可以，而且它还具有了，而且它还具有了其其 他功能材料所不具备的功能他功能材料所不具备的功能，即能，即能 ，并能，并能 ，借此，借此 。 32 所以，所以，在军事应用中在军事应用中具有很具有很 大潜力，它的研究、开发和利用，对大潜力，它的研究、开发和利用，对 将产生重大影响。将产生重大影响。 目前，在各种军事领域中，目

10、前，在各种军事领域中， 主要涉及到以下几个方面：主要涉及到以下几个方面： 33 例如，例如，作为智能传感元件的作为智能传感元件的用于用于 飞机机翼的飞机机翼的中；中； 在在植入植入、 和和制成的制成的 ，可用于，可用于、和和。 34 目前美国在目前美国在包括：包括： 美国美国弹道导弹防御局弹道导弹防御局为为研制研制 含有多种传感器的智能蒙皮；含有多种传感器的智能蒙皮； 美国海军则重点研究美国海军则重点研究， 以提高以提高舰艇的隐身性能舰艇的隐身性能。 35 可用于可用于结构内部的结构内部的 应变、温度、裂纹，探测疲劳和受损伤情应变、温度、裂纹，探测疲劳和受损伤情 况况，从而能够对结构进行，从而

11、能够对结构进行。 36 例如，采用例如，采用和和 的的可对可对机翼、机架机翼、机架以以 及可重复使用及可重复使用航天运载器航天运载器进行进行 、和和； 37 等大型等大型在轨系统在轨系统采用采用 ，可，可由于交会由于交会对接碰撞对接碰撞、 陨石撞击陨石撞击或其他原因或其他原因， ，。 38 正在研究的正在研究的有：有： 自诊断技术；自诊断技术； 可以测量裂纹的可以测量裂纹的自诊断技自诊断技 术；术； 可可自诊断自诊断 技术等。技术等。 39 用于用于航空、航天系统航空、航天系统可以可以 ， 。 如美如美国防高级研究计划局国防高级研究计划局资助波音公司资助波音公司 研制的研制的，可以改善，可以改

12、善 旋翼的空气动力学性能旋翼的空气动力学性能，减小振动和噪音减小振动和噪音。 40 用于用于，可以，可以抑制噪声传抑制噪声传 播播，提高潜艇和军舰的声隐身性能提高潜艇和军舰的声隐身性能。 用于用于，可以，可以提高军提高军 用车辆的性能和乘坐的舒适度用车辆的性能和乘坐的舒适度。 国外正在研究的具有国外正在研究的具有的的 智能结构智能结构，主要由，主要由、 和和等新材料制成。等新材料制成。 41 制成的制成的，能够，能够实实 时感知外界环境的变化时感知外界环境的变化，并可以，并可以驱动机翼驱动机翼 弯曲、扭转弯曲、扭转，从而，从而改变翼型和攻角改变翼型和攻角，以获，以获 得得， 。 42 如当飞机

13、如当飞机在飞行过程中在飞行过程中遇到遇到或或 猛烈的猛烈的时，机翼中的时，机翼中的就能就能 够迅速够迅速，并，并，从，从 而而消除涡流或逆风的影响消除涡流或逆风的影响，使飞机仍能，使飞机仍能 平衡地飞行。平衡地飞行。 43 美国的一项研究表明，在美国的一项研究表明，在中中 使用使用，可使，可使机翼阻力降低机翼阻力降低 85%。 美国美国波音公司波音公司和和麻省理工学院麻省理工学院联合研联合研 究究，电致流变体时电致流变体时 可可达几度。达几度。 44 美国陆军在开发美国陆军在开发 ，将用于，将用于RAH-66武装直升机。武装直升机。 美国防部和航空航天局也在研究美国防部和航空航天局也在研究 ，

14、包括，包括翼片弯曲翼片弯曲、弯曲造型弯曲造型/控控 制面造型制面造型等。等。 45 相信在不久的将来，我们相信在不久的将来，我们用智能材料用智能材料 制成的制成的，就可以，就可以行行 动自如动自如、自行弯曲自行弯曲、自动改变形状自动改变形状，从而，从而 ，使飞机飞得更高、更快。，使飞机飞得更高、更快。 46 可能是这样的：可能是这样的：可以随可以随 心所欲的心所欲的变换颜色变换颜色；可以随人体不同的可以随人体不同的 需要需要改变温度和形状改变温度和形状；一切的；一切的都是触摸都是触摸 式的，永远不会再有触电的危险；式的，永远不会再有触电的危险； 带有传感功能；带有传感功能；。 47 随着随着的

15、发展，尤其是的发展，尤其是 设想的提出，有可能设计出设想的提出，有可能设计出。 虽然目前还处于虽然目前还处于设想阶段设想阶段，但是已经开，但是已经开 始着手进行研究，并且必然将在不久的将来始着手进行研究，并且必然将在不久的将来 成为现实。成为现实。 几种几种如下：如下： 48 用来用来构建整个房屋构建整个房屋的结构单元，的结构单元， 这种结构单元这种结构单元具有具有和和。 这种这种主要由以下主要由以下三个分层三个分层构成：构成： 49 第一层是第一层是，能感受，能感受来自周围来自周围 的的、，并能，并能控制这些能控制这些能 量的输出量的输出，如果是，如果是内墙壁砖内墙壁砖，还能，还能 ； 50

16、 第二层是第二层是，能为居住者提供，能为居住者提供 ； 第三层是第三层是，可以用来，可以用来 。 51 住户还可以挑选合适的住户还可以挑选合适的 。 另外，面膜的设置及其构形并不是一成另外，面膜的设置及其构形并不是一成 不变的，而是很容易剥离并换上新的面膜。不变的，而是很容易剥离并换上新的面膜。 52 面膜面膜在砖材的最上层在砖材的最上层，它也，它也具有多具有多 功能性功能性。 如如可以可以使墙壁产生不同的色彩使墙壁产生不同的色彩 和图案和图案； 53 可以可以接收声波、热能和可见光接收声波、热能和可见光 并予以并予以减弱或增强减弱或增强； 可产生可产生耐久的色彩和图案耐久的色彩和图案； 可可

17、连接内外通信线路连接内外通信线路。 54 在未来的在未来的不会看到传统的碗碟。不会看到传统的碗碟。在毫微在毫微 塑料的桌面上，塑料的桌面上，旋转的碗不仅能旋转的碗不仅能， 而且可以而且可以根据用户的需要根据用户的需要， 供准备、烹调和上菜时使用。供准备、烹调和上菜时使用。 并且，这种并且，这种还具有还具有和和在不使用在不使用 冰箱的情况下冰箱的情况下的功能。的功能。 55 用用制作的坐椅不仅制作的坐椅不仅将大大将大大 ，而且也将，而且也将。 使用毫微塑料使用毫微塑料能改变椅座面的能改变椅座面的和和 ，也可以形成，也可以形成各种型式的椅座面各种型式的椅座面。 56 如果如果出于美学的考虑出于美学

18、的考虑，或是便于人们，或是便于人们 或从座椅中或从座椅中，毫微塑料也可以，毫微塑料也可以 ，还能，还能 。 57 由于由于不同年龄段的人不同年龄段的人对对的的 要求有很大区别，这种座椅还要求有很大区别，这种座椅还可以随心所可以随心所 欲地欲地。它甚至还。它甚至还对人们喜爱的对人们喜爱的 舒适温度舒适温度具有具有。 58 在卫生间里，常见设施是在卫生间里，常见设施是、 和和。 采用了智能结构的卫生间是这样的：采用了智能结构的卫生间是这样的： 59 在洗漱时在洗漱时，人们只要，人们只要接触洗脸盆支架接触洗脸盆支架 表面的任何区域表面的任何区域，就能，就能、 （集中喷射的水流或宽阔（集中喷射的水流或

19、宽阔 的水帘状等）供人们选择。的水帘状等）供人们选择。 洗脸盆上方的洗脸盆上方的能照出人的正常能照出人的正常 ，还能照出真实的，还能照出真实的。 60 的的随使用者的随使用者的 不同而自动变化；不同而自动变化； 自动加热至舒适的温度，整个结自动加热至舒适的温度，整个结 构十分轻便。构十分轻便。 61 在电脑住宅的在电脑住宅的里，安装了一台里，安装了一台 ，每当有人上厕所时，与马，每当有人上厕所时，与马 桶相连的桶相连的即自动分析大小便的情况，即自动分析大小便的情况， 如发现异常，电脑会立即发出警报，以便及如发现异常，电脑会立即发出警报，以便及 时到医院去看病。时到医院去看病。 62 只要和只要

20、和相连接，相连接，上下上下 水水、水温水温和和水流水流都能得到自动控制和调节。都能得到自动控制和调节。 综上所述，未来的综上所述，未来的必将显著必将显著 提高人们的生活质量提高人们的生活质量 。 63 64 因为因为能能模拟活体生物模拟活体生物，而，而 且其且其均接近于人体的肌肉。均接近于人体的肌肉。 所以这种材料可以应用于所以这种材料可以应用于， 而且它们还具有而且它们还具有与生物体的相容性与生物体的相容性，随着伤，随着伤 口的愈合，这种聚合物就会在体内口的愈合，这种聚合物就会在体内逐渐降解逐渐降解 ，最后将会消失。，最后将会消失。 65 ，可以，可以、 以及各种以及各种，并且有，并且有 。

21、 这种智能材料还可以这种智能材料还可以， 例如，例如，粗糙度粗糙度、摩擦力摩擦力等。等。 66 科学家正在研制一种能科学家正在研制一种能 ，这种聚合物，这种聚合物 可制成可制成，将它，将它注入糖尿病患者的注入糖尿病患者的 血液中血液中，小球就可，小球就可模拟胰细胞工作模拟胰细胞工作，使病人使病人 的血糖浓度的血糖浓度始终保持在平常的水平上。始终保持在平常的水平上。 67 、如图所示是一种有效的、如图所示是一种有效的 ，即，即。 68 图中的图中的疏水性疏水性形成了形成了“导弹导弹”的的 疏水内核疏水内核，而，而则则在内核周围在内核周围形成了形成了 一个一个。 所形成的这种所形成的这种是一种是一

22、种 ，它能，它能 而而有效的到达癌细胞所在地有效的到达癌细胞所在地。 69 、90年代后期，研制出用年代后期，研制出用对电磁场对电磁场 敏感的敏感的 制成了制成了。 70 首先，首先，通过导管通过导管将这种针将这种针植入病人癌植入病人癌 变部位变部位，由于，由于，这种针会发，这种针会发 生生现象；现象； 其次，在通过其次，在通过涡流效应产生涡流效应产生 ，形状记忆合金针形状记忆合金针将能够将能够 而使而使癌变区得到萎缩癌变区得到萎缩。 71 智能材料系统中智能材料系统中最成熟的应用领域最成熟的应用领域大大 概就是概就是。 采用智能结构进行采用智能结构进行是是 的有效途径。的有效途径。 72 一

23、般说来，可以采用一般说来，可以采用来实现来实现 主动结构声控主动结构声控。 一种是简单地一种是简单地， 显然它可以显然它可以使声辐射降低到零使声辐射降低到零，这是一种，这是一种 强制性的方法强制性的方法，往往也是办不到的。，往往也是办不到的。 73 另一种就是采用另一种就是采用，它是，它是 指指。 该方法的效率取决于该方法的效率取决于 和和 。 74 因为，并不是所有的因为，并不是所有的都辐射都辐射 “”的声波，的声波， 也同样是必须考虑的因素。也同样是必须考虑的因素。 75 因而最好的办法是因而最好的办法是“”辐射辐射“ ”的的，并使用，并使用分布分布 在整个结构中的在整个结构中的（压电材料

24、或电致（压电材料或电致 流变体）对产生的流变体）对产生的该振动模进行控制该振动模进行控制。 76 美国军方提出采用美国军方提出采用进行进行 ，提高，提高潜艇主动隐身性能潜艇主动隐身性能。这。这 项技术将使项技术将使噪声降低噪声降低60分贝分贝，并使，并使潜艇探潜艇探 测目标的时间缩短测目标的时间缩短100倍。倍。 这种这种将采用将采用 和采用和采用的的主动消声贴片主动消声贴片。 77 震动会极大地震动会极大地降低工程系统的性能降低工程系统的性能，如，如 降低降低的的，减弱跟踪减弱跟踪 和预警卫星跟踪目标的能力和预警卫星跟踪目标的能力，使制导武器性使制导武器性 能下降能下降，导致系统金属结构的疲

25、劳破坏导致系统金属结构的疲劳破坏，此，此 外还会外还会干扰空间站的微重力环境干扰空间站的微重力环境等。等。 78 采用采用、或或 的的均可均可实现振动的主动控制实现振动的主动控制， 提高军用系统的性能。提高军用系统的性能。 如如进行进行主动震动控制主动震动控制，可，可 以及以及 ，提高直升机的有效载荷提高直升机的有效载荷，使速度使速度 增加增加，戒备能力提高戒备能力提高。 79 空间系统的空间系统的，主，主 要采用要采用或或作为作动器。作为作动器。 考虑的主要因素考虑的主要因素是是、 、等问题，同时等问题，同时 还考虑还考虑。 80 可用可用和和。当系统结。当系统结 构受到构受到外力作用振动外

26、力作用振动并并产生形变产生形变时，时， 可产生与压力成正比的可产生与压力成正比的表面电荷表面电荷， 对传感器测量的信号进行处理后，对传感器测量的信号进行处理后， 再给再给反馈一个适当的电压，使其反馈一个适当的电压，使其 产生产生，从而产生，从而产生 ，使系统结构的振动随之迅速减弱使系统结构的振动随之迅速减弱。 81 的的主动振动控制主动振动控制，另一项主，另一项主 要应用是可能要应用是可能 。 未来大型未来大型因其因其振动频率低振动频率低 于控制系统的频率于控制系统的频率，会导致有害的控制结，会导致有害的控制结 构干扰作用。必须从构干扰作用。必须从结构优化结构优化、阻尼减振阻尼减振方方 面考虑

27、。面考虑。 82 在在应用应用智能结构的建智能结构的建 筑物筑物，将大大，将大大提高建筑提高建筑 物的抗震性物的抗震性。 83 84 受到外力作用后，受到外力作用后， 首先发生首先发生弹性变形弹性变形，达到屈服点，就，达到屈服点，就 产生产生塑性变形塑性变形，应力消除后应力消除后留下留下 。 85 但有些材料，在但有些材料，在发生了塑性变形发生了塑性变形 后后，经过，经过， ，这种现象叫做，这种现象叫做 （SME）。）。 86 具有具有的材料，一般是的材料，一般是 ，称为，称为 。 可以分为三种：可以分为三种： 87 形状记忆合金形状记忆合金在较低的温度下在较低的温度下变变 形，形，加热后加热

28、后可恢复变形前的形状，这可恢复变形前的形状，这 种种 称为称为。 88 某些合金某些合金 ， 称为称为。 89 ， ， 称为称为。 90 三种三种如下图所示。如下图所示。 目前，已开发成功的形状记忆合金有目前，已开发成功的形状记忆合金有 形状记忆合金、形状记忆合金、形状记忆合金、形状记忆合金、形形 状记忆合金等。状记忆合金等。 91 最早关于最早关于是由是由 Chang及及Read等人等人在在1952年年作出的。他们作出的。他们 观察到观察到相变的可逆性。相变的可逆性。 后来在后来在也发现了同样的现也发现了同样的现 象，但当时并未引起人们的广泛注意。象，但当时并未引起人们的广泛注意。 92 直

29、到直到1962年，年，Buehler及其合作者在及其合作者在 ，观察到，观察到具有宏观形具有宏观形 状变化的状变化的记忆效应，才引起了材料科学界记忆效应，才引起了材料科学界 与工业界的重视。与工业界的重视。 到到70年代初，年代初，、 等合金中也发现了等合金中也发现了与马氏体相变有与马氏体相变有 关的关的。 93 几十年来，有关几十年来，有关的研究的研究 已逐渐成为国际已逐渐成为国际相变会议相变会议和和材料会议材料会议的重的重 要议题，并为此召开了多次要议题，并为此召开了多次专题讨论会专题讨论会， 不断丰富和完善了不断丰富和完善了。 94 奥氏体的概念 碳溶于-Fe中的间隙固溶体称为奥氏体，以

30、 符号A表示。由于-Fe是面心立方晶格结构， 它的晶格致密度虽然高于体心立方晶格的- Fe，但由于其晶格间的最大空隙要比-Fe 大，故溶碳能力也就大些。在1148时溶碳 量最大，可达2.11,随着温度的下降溶碳量 逐渐减少，在727时溶碳量为0.77 奥氏体的性能与其溶碳量及晶粒大小有关， 一般奥氏体的硬度为HB170-220，延伸率为 40-50，因此奥氏体的硬度较低而塑性较 高，易于锻压成型。 奥氏体存在于727以上的高温范围内。 与-Fe一样，奥氏体为非铁磁性相。 95 马氏体和奥氏体有什么区别? 1893年将高碳钢经淬火后的显微组织命名为马氏体.以后 人们就以这类组织的形 态(针叶状)

31、及其性质(硬度高，具铁磁性) 来描述马氏体，把形成这类组织的过程 以及其晶体结构改变(面心立方四角(正方)过程称为马氏体相变，随着其 他合金中也发现具有马氏体，其形成和钢中马氏体近似，但马氏体的形态和性质 各异，如Fe-Ni合金中的马氏体硬度不高，低碳钢中马氏体呈条状形态;有色合金 马氏体的硬度甚至低于母相，且不具磁性. 1946年以切变作为马氏体相变特征 (以区别于形核一长大型相变)，就是以不同特征的相变的产物来描述或定义马氏 体的，1948年Cohen认为应摒弃以往以组织形态和性质来定义马氏体，宜着重 研究其形成过程.以后，一些学者根据马氏体形成的特征，提出马氏体相变的定 义.他们所作的定

32、义并无基本矛盾，只是各自强调了不同的侧面. 1965年以前.诸 家对马氏体相变的定义，侧重无扩散、原子协作迁动和形状改变(致使表面倾动). 1953年至1954年，马氏体相变晶体学的表象(唯象)理论问世，阐述了“不变平 面 应变”的概念，即相变中相界面(惯习面)不应变、不转动，此后， Lieberman(1969)和wayman(1970)等以晶体学特征来定义马氏体。 按现有马氏体相变热力学的知识，以相变驱动力大小可将相变分为两类。一类 是相变驱动力较大，达几百卡/mol，铁基合金 中面心立方母相转变为体心立方 (正方)马氏体属于这一类，其相变驱动力在282卡/mol以上。一类是相变驱动力 较

33、小，只几卡/mol或几十卡/mol，其中包括由面心立方母相转变为六方相马氏体 (称为三马氏体)和一些热弹性马氏体.如钻及钻合金的相变驱动力仅几卡/mol, Fe- Ru形成;马氏体的相变驱动力为50卡/mol，弹性马氏体的相变驱动力多数也只几 卡/mol. 96 在理论研究不断深入的同时，在理论研究不断深入的同时， 也取得了长足进步，也取得了长足进步， 其应用范围涉及其应用范围涉及机械机械、电子电子、化工化工、宇宇 航航、能源能源和和医疗医疗等许多领域。等许多领域。 97 ： （1）利用）利用的的单向形单向形 状恢复状恢复。如管接头、天线、套环等。如管接头、天线、套环等。 98 （2）。即利。

34、即利 用用并并借助外力随温借助外力随温 度升降做反复动作度升降做反复动作，如热敏元件、机，如热敏元件、机 器人、接线柱等。器人、接线柱等。 99 （3）。即。即 利用利用随温度升降做反复随温度升降做反复 动作动作，如热机、热敏元件等。，如热机、热敏元件等。 但这类应用但这类应用记忆衰减快记忆衰减快、可靠性可靠性 差差，不，不常用常用。 100 （4）。如弹簧、接。如弹簧、接 线柱、眼镜架等。线柱、眼镜架等。 101 TiNi合金的合金的很好，利用其很好，利用其 和和的医学实例相当多。的医学实例相当多。 如如血栓过滤器血栓过滤器、脊柱矫形棒脊柱矫形棒、牙齿矫形牙齿矫形 丝丝、脑动脉瘤夹脑动脉瘤夹

35、、接骨板接骨板、髓内针髓内针、人工关人工关 节节、心脏修补元件心脏修补元件、人造肾脏用微型泵人造肾脏用微型泵等。等。 102 103 104 105 106 107 108 20世纪是世纪是的时代。的时代。 是最典型的是最典型的机机 械电子控制系统械电子控制系统，但复杂而庞大。，但复杂而庞大。 109 兼有兼有和和的的 双重功能，可以实现双重功能，可以实现控制系统的控制系统的 ，如全息机器人、毫米级，如全息机器人、毫米级 超微型机械手等。超微型机械手等。 110 21世纪将成为世纪将成为的时代。的时代。 的的机器人的动作机器人的动作，除了，除了 外，外，不受任何环境条件的影响不受任何环境条件的

36、影响，可望，可望 在在、等高技等高技 术领域大显身手。术领域大显身手。 111 智能材料大多是由智能材料大多是由合合 成材料成材料或或陶瓷材料陶瓷材料制成的，具有制成的，具有 ，其，其变化的变化的 大小大小与与电场和磁场的强度电场和磁场的强度有关。有关。 112 科学家研制成功一种科学家研制成功一种， 这种材料这种材料在接通电流时在接通电流时，可以，可以 。 如果向如果向空心复合梁空心复合梁中充入中充入 ，在外电场的作用下在外电场的作用下，这种，这种液体材液体材 料就会变硬料就会变硬，从而使梁变成僵硬状。，从而使梁变成僵硬状。 113 将将现象与现象与结合起结合起 来，就可以实现使来，就可以实

37、现使复合梁随着负载的复合梁随着负载的 变化变化而而改变其性质改变其性质。这将是。这将是 智能化的智能化的一个突破性的新起点。一个突破性的新起点。 114 还可以用作还可以用作在地震在地震 时时能能自动加固建筑物的基础自动加固建筑物的基础。 此外，此外，在在机电工业机电工业 中也有广泛的用途。中也有广泛的用途。 115 目前目前智能材料的主流是智能材料的主流是 ，是近是近 期才发展起来的一种新型功能材料。期才发展起来的一种新型功能材料。 116 在电磁场的作用在电磁场的作用 下下可以产生可以产生，也可以，也可以 转化为转化为电磁能电磁能。 117 具有具有磁磁 、和和 特点，在国防、航空航天和高

38、技术领特点，在国防、航空航天和高技术领 域应用极为广泛。域应用极为广泛。 118 （1）由于）由于比比传传 统材料统材料在性能上有了惊人的提高，所以在在性能上有了惊人的提高，所以在 电器、家电、通讯器材、电脑电器、家电、通讯器材、电脑等生产领域，等生产领域， 逐渐取代了逐渐取代了传统的磁致传统的磁致 伸缩材料和电致伸缩材料伸缩材料和电致伸缩材料，使产品升级和，使产品升级和 更新换代更加容易。更新换代更加容易。 119 （2）由于）由于的独的独 特的性能，可被用于特的性能，可被用于， 如如（如油料控制、导弹发射（如油料控制、导弹发射 控制装置等），控制装置等），（如信号处（如信号处 理、声纳扫描

39、、超声、水声等），以及理、声纳扫描、超声、水声等），以及 等的开发。等的开发。 120 对于对于的应用，目前，的应用，目前， 美国位居各国之首美国位居各国之首，其成功标志在于开发，其成功标志在于开发 出了一系列出了一系列，如，如 以及以及 等。等。 121 我国对我国对新产品的开新产品的开 发发也呈现出良好的发展势头。也呈现出良好的发展势头。 如开发出的大功率如开发出的大功率， 应用于应用于三峡工程和地球物理勘探三峡工程和地球物理勘探；开发出；开发出 的的； 122 123 在某些晶体材料上在某些晶体材料上施加机械力施加机械力时，时， 晶体表面会晶体表面会产生电荷产生电荷，这种现象称，这种现象

40、称 。 在一定范围内，在一定范围内， 。 124 在晶体上在晶体上施加电场施加电场时，晶体会时，晶体会产生产生 几何变形几何变形，称，称。 决定了材料决定了材料能否产能否产 生压电性生压电性。 而且，压电效应只存在于而且，压电效应只存在于 中。中。 125 ，从而导致，从而导致介质两端表面介质两端表面 。 126 (2) 127 由许多由许多排列无序的小晶粒排列无序的小晶粒构成，构成， 具有具有，。 经经电场处理电场处理后，陶瓷后，陶瓷 ，是以是以表现出来，且由表现出来，且由各各 向同性向同性变成变成各向异性各向异性，从而，从而。 128 由于束缚电荷的作用由于束缚电荷的作用，在陶瓷片两极板上

41、，在陶瓷片两极板上吸吸 附了一层表面电荷（如图所示）附了一层表面电荷（如图所示），这些，这些 与片内与片内数量相等数量相等，符号相反符号相反，起，起 片内极化强度对外界的作用片内极化强度对外界的作用。 129 当在瓷片上加一个当在瓷片上加一个与极化方向平行的与极化方向平行的 外力时外力时，在应力的作用下在应力的作用下。 130 即即，使，使Ti4+位移变位移变 小，小，因而，因而释放出部分释放出部分 原来被吸附的表面电荷原来被吸附的表面电荷，这就是被压缩后，这就是被压缩后 出现的压电效应出现的压电效应()。 其过程示意所示：其过程示意所示： 131 132 当压力撤去后当压力撤去后，(膨胀膨胀

42、 过程过程)，这时，这时c轴变长轴变长，Ti4+位移增大位移增大， ，因此，电极上，因此，电极上 而出现充电现象。而出现充电现象。 133 当在瓷片上施加当在瓷片上施加与极化方向相同的与极化方向相同的 时，此时时，此时，表示，表示Ti4+位移位移 增大增大，晶胞晶胞c轴变长轴变长，瓷片发生，瓷片发生， 此时，此时，电能变为机械能电能变为机械能(逆压电逆压电)。此过程示。此过程示 意如下：意如下： 134 135 另外，对于另外，对于来说，它不来说，它不 仅具有仅具有的性质，而且这种的性质，而且这种 会会因外电场的方向因外电场的方向而产而产 生生。 136 无机压电材料无机压电材料共有两种：共有

43、两种： (如石英如石英SiO2)； 。 137 十分十分 广泛，压电陶瓷广泛，压电陶瓷在组成上在组成上可以是可以是 ；在结构上在结构上可以有可以有 ABO3型型或或。 138 最常用的压电陶瓷最常用的压电陶瓷有有PbTiO3 (PT)、Pb(Ti1-xZrx)O3 (PZT)、 及及三元系压电陶瓷三元系压电陶瓷。 所谓所谓是指是指在在PZT二元系基础上二元系基础上 。 139 一般一般大都是大都是 型型化合物。如化合物。如 Pb(Mgl/3Nb2/3)xZryTizO3、 Pb(Znl/3Nb2/3)xZryTizO3等。等。 140 具有在具有在更更 宽广范围内宽广范围内， 有利于制备有利于

44、制备。 141 加上电场之后加上电场之后，不仅存在，不仅存在 产生的应变，而且还存在产生的应变，而且还存在 ，并且，并且 ，后一效应称为，后一效应称为 。 142 即即是一种是一种 ，外加电场所产生的，外加电场所产生的可表示为可表示为 S = dE + ME2 + NE3 + 式中，式中，dE是一阶的线性耦合效应，即压是一阶的线性耦合效应，即压 电效应；系数电效应；系数d称为压电常数；称为压电常数；ME2，NE3， 为高阶的非线性耦合效应，或电致伸缩效为高阶的非线性耦合效应，或电致伸缩效 应；系数应；系数M、N等为电致伸缩常数。等为电致伸缩常数。 143 是利用是利用 产生微小应变产生微小应变

45、，并能，并能由电场非常精由电场非常精 确地加以控制确地加以控制的陶瓷。的陶瓷。 144 由于由于非常微弱非常微弱，通常，通常 电致伸缩效应是指电致伸缩效应是指。 大多数材料的电致伸缩效应都非常大多数材料的电致伸缩效应都非常 小，而在小，而在中，此效应为中，此效应为应应 变的主体变的主体。 145 兼具兼具的压电陶瓷，的压电陶瓷， 在构筑在构筑智能系统的功能材料智能系统的功能材料中，是重要中，是重要 的材料之一。的材料之一。 146 具有具有机电机电、声声、光光、热热、弹弹等等 多种功能及其多种功能及其耦合效应耦合效应，可用作，可用作压力、温度压力、温度 、光、光等多种等多种。 又具有又具有位移

46、控制精度高位移控制精度高 (0.01 m)、响应快响应快(10 s)、推动力大推动力大(40MPa) 、驱动功率低驱动功率低和和工作频率宽工作频率宽等优点。等优点。 147 一些实用化及正进行研究的一些实用化及正进行研究的 如下：如下： 148 这是利用这是利用制制 成的，它可以成的，它可以自动感觉雨量自动感觉雨量并并自动调节挡自动调节挡 风玻璃上的雨刷至最佳速度风玻璃上的雨刷至最佳速度。 149 这是利用这是利用、和和 的叠合的叠合研制成的研制成的， 这套智能系统具有这套智能系统具有识别路面识别路面(粗糙度粗糙度)并进并进 行行自我调节自我调节的功能，可以的功能，可以使粗糙路面产生使粗糙路面

47、产生 的振动减至最低的振动减至最低，从而，从而提高乘坐舒适性提高乘坐舒适性。 150 用于用于振动频率低于振动频率低于500Hz的消声的消声，是，是 由由、 和和组成。组成。 151 这类这类，是由，是由两种或两种以两种或两种以 上功能陶瓷上功能陶瓷进行进行组合后组合后形成的一种形成的一种 ，这种，这种复合功能块复合功能块会呈现会呈现一些新一些新 效应效应，称为，称为。 152 模仿自然界生物具有的特性模仿自然界生物具有的特性构思仿生构思仿生 物物，研究，研究像尾鳍和鸟翼那样柔软像尾鳍和鸟翼那样柔软，能折叠能折叠 又很结实的又很结实的智能材料用作智能材料用作，并，并有有 效利用自然界的波浪和风

48、能效利用自然界的波浪和风能。 153 它是利用压电陶瓷的它是利用压电陶瓷的 ，直接，直接把电能转换成机械能把电能转换成机械能输出，输出， 而不需要而不需要通常使用的电磁线圈通常使用的电磁线圈。 154 这种新型这种新型，具有，具有结结 构简单构简单、起动快起动快、转矩大转矩大、体积小体积小、 功耗低功耗低等特点，主要用作等特点，主要用作自动控制、自动控制、 机器人机器人等的致动器。等的致动器。 155 它是由若干层它是由若干层(PZT)压压 电陶瓷块电陶瓷块构成的，构成的，既作为既作为 又作为又作为。 156 157 当当落到落到上时，上时，球的冲击球的冲击 力力产生产生； 电压脉冲电压脉冲通

49、过通过加以加以放大和调整放大和调整 ，然后，然后返回并施加到返回并施加到压电块的压电块的； 突然突然，把金属球抛出把金属球抛出 压电块所在的孔压电块所在的孔，使球，使球爬出，落入爬出，落入 另一孔内，再盘旋上升，如此周而复始。另一孔内，再盘旋上升，如此周而复始。 158 科学家最近研制成功一种科学家最近研制成功一种， 如果将其如果将其放入壁纸中放入壁纸中，就可以大大，就可以大大减小冰减小冰 箱或空调机的噪声箱或空调机的噪声，给住户创造了一个安，给住户创造了一个安 静的居住环境。静的居住环境。 159 是一种能是一种能在光的激在光的激 发下发下的玻璃。的玻璃。 160 含卤化银含卤化银的的光色玻

50、璃受到光色玻璃受到 照射时，照射时，氯化银晶体分解为氯化银晶体分解为 Ag和和Cl原子，析出的原子，析出的使玻璃颜色使玻璃颜色 变深，从而变深，从而阻止阳光的透过阻止阳光的透过。 发生的光化学反应如下：发生的光化学反应如下： 161 式中，式中，h 1为为短波激活光能短波激活光能；h 2为为长长 波光源光能波光源光能；为；为加热退色效应加热退色效应。 ),(),( 0000 , 2 IBrClAgIBrClA h h1 玻璃变色过程中，发生的光化学反应如下：玻璃变色过程中，发生的光化学反应如下： 162 在没有紫外线照射时，原来分解产生的在没有紫外线照射时，原来分解产生的 又又重新结合重新结合

51、恢复为恢复为无色的氯化无色的氯化 银银AgCl，玻璃，玻璃(镜片镜片)褪色。褪色。 因此，变色眼镜因此，变色眼镜在阳光下在阳光下，在室内在室内 则恢复则恢复。 163 若配料中加入少量若配料中加入少量，就能显，就能显 著地著地提高敏感性提高敏感性，并，并 。 如加入如加入Cu2O时，时， 是一种增感剂。是一种增感剂。 164 在氯化银晶体中在氯化银晶体中作为作为 ，它，它 的存在增加了光解银原子的存在增加了光解银原子 Ag0的浓度，使玻璃的变暗灵敏度大大的浓度，使玻璃的变暗灵敏度大大 提高。提高。 h1 20 , 2 CuAgCuAg h 165 具有具有随光的波长和强度的随光的波长和强度的

52、变化而自动调节光的透过率变化而自动调节光的透过率的自适应特性，的自适应特性， 因而被称为因而被称为，除用作，除用作 外，还用作外，还用作、 、以及、以及等。等。 166 是是在外加电场作用下在外加电场作用下， 材料由于材料由于导致导致结构或价结构或价 态发生可逆变化态发生可逆变化，进而，进而调节材料的透过与反调节材料的透过与反 射特性射特性，表现为，表现为。 167 通常由通常由多层结构多层结构组成，即组成，即 /。 当当两组电极之间建立电场两组电极之间建立电场时，离子时，离子 经过离子导体经过离子导体发生发生 ，从而导致，从而导致电致变色薄膜的光学电致变色薄膜的光学 性能发生变化性能发生变化

53、。 168 无机电致变色材料无机电致变色材料有有NiO、 -WO3。 近年来利用近年来利用薄膜材料薄膜材料的的 制造了制造了“电开关电开关”自动控制灵巧窗自动控制灵巧窗，用于，用于 建筑采光建筑采光等。等。 169 1、 170 “个人航空器个人航空器” 、“空中汽车空中汽车” 的核的核 心技术是心技术是“。 这种物质具有神奇的特性，它可以根这种物质具有神奇的特性，它可以根 据指令据指令弯曲弯曲、可以、可以“感受感受”压力压力、当放入、当放入 磁场中，还可以磁场中，还可以从液态变成固态从液态变成固态。 171 现在有些飞机已经具有现在有些飞机已经具有。 如挪威的如挪威的F-14雄猫飞机和雄猫飞

54、机和B-1超音速超音速 轰炸机。这些飞机将轰炸机。这些飞机将刚性的机翼刚性的机翼通过通过巨大、巨大、 沉重的曲轴沉重的曲轴安装在机身上。安装在机身上。 172 作为对比，形态工程的科学家们所设想作为对比，形态工程的科学家们所设想 的的可以可以。 这种机翼是使用这种机翼是使用“形态记忆形态记忆”合金合金或其或其 他新颖的材料制成，他新颖的材料制成，可以弯曲可以弯曲产生产生。 173 具有独特的性能，具有独特的性能， 当当提供足够的能量提供足够的能量后，它可以很快的恢后，它可以很快的恢 复原有形状，任何形状都可以最终恢复复原有形状，任何形状都可以最终恢复 成它原有的状态。成它原有的状态。 174

55、在在研究的新型材料中，研究的新型材料中， 相对比较普通。相对比较普通。 观察一颗子弹穿过一层观察一颗子弹穿过一层自体愈合材料自体愈合材料， 材料被子弹穿射后便很快愈合了！材料被子弹穿射后便很快愈合了！ 175 科学家们同时研究可科学家们同时研究可的压电的压电 材料。材料。 这种物质这种物质随电压而变化随电压而变化，当，当这种这种 压电材料时就会有压电材料时就会有产生，相反，如果产生，相反，如果 对其对其则材料便会则材料便会。 176 利用这种利用这种变化特性，将压变化特性，将压 电材料设计成电材料设计成或或“”， 安装在机器中作为可产生微小动作的部件。安装在机器中作为可产生微小动作的部件。 例

56、如移动飞机的副翼。进一步结合例如移动飞机的副翼。进一步结合微微 电子技术电子技术，这些材料可以从根本上提高未，这些材料可以从根本上提高未 来飞机的设计水平。来飞机的设计水平。 177 未来的飞机可以随时进行分布式的未来的飞机可以随时进行分布式的 和和。 要想达到这样的技术水平，需要在机翼要想达到这样的技术水平，需要在机翼 中分布安装中分布安装。 这如同人体的工作，我们有遍布全身的这如同人体的工作，我们有遍布全身的 肌肉和神经，所以我们能意识到身体发生的肌肉和神经，所以我们能意识到身体发生的 变化并通过一些途径对这些变化产生反应。变化并通过一些途径对这些变化产生反应。 178 这项从自然获取知识的这项从自然获取知识的 实践，已经导致实践，已经导致骨头仿生品骨头仿生品和其它多种仿生和其它多种仿生 品的研究。品的研究。 骨头之所