智能复合材料

1、智能复合材料智能复合材料课程论文智能复合材料的研究现状与发展趋势(Research status and development trend of intelligent composite materials)学院名称： 材料科学与工程学院 专业班级： 复合材料1102 学生姓名： 不知道 学 号： 31107056541 指导教师： 陈贝贝 智能复合材料智能复合材料的研究现状与发展趋势摘要：智能复合材料是一类基于仿生学概念发展起来的高新技术材料，它实际上是集成了传感器、信息处理器和功能驱动器的新型复合材料。本文介绍了几种常见的智能复合材料及其研究现状。关键词: 智能复合材料；形状记忆合金；

2、压电智能复合材料；电/磁流变体智能复合材料；纤维素智能复合材料；光导纤维智能复合材料Research status and development trend of intelligent composite materialsAbstract: the intelligent composite material is a kind of high-tech materials based on bionics concept developed, it is actually integrated model composite sensor, information processor

3、and the function driver. This paper introduces several common intelligent composite material and its research status. Keywords: intelligent composite material; shape memory alloy; piezoelectric smart composite materials; electric / magnetic fluids of intelligent composite materials; cellulose smart

4、composite materials; optical fiber intelligent composite material1 前言智能材料的兴起在材料科学引发了一个新的革命，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。智能材料特别之处，就是它拥有像生物一样能感应附近的环境并做出适当的反应的特性1,2。换句话说，智能材料能因应外界的刺激而改变自己，或者会产生某种讯息。如能运用适宜，以智能材料所做的一个零件可以取代一些复杂系统的几个环节(例如负责感觉及反应的部分)，从而大大减低了系统的大小及复杂性3-9。智能

5、材料可以简单分成被动和主动两种。被动智能材料在没有经过讯息分析的情况下或想也不想便会自动作出反应； 而主动智能材料会分析接收到的讯息后才决定做出什么反应。智能材料的构想来源于仿生(仿生就是模仿大自然中生物的一些独特功能制造人类使用的工具，如模仿蜻蜓制造飞机等)，它的目标就是想研制出一种材料，使它成为具有类似于生物的各种功能的“活”的材料。因此智能材料必须具备感知，驱动和控制这三个基本要素。但是现有的材料一般比较单一，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的材料复合构成一个智能材料系统。这就使得智能材料的设计，制造、加工和性能结构特征均涉及材料学的最前沿领域，使智能材料代表了材

6、料科学的最活跃方面和最先进的发展方向10-14。智能复合材料是一类基于仿生学概念发展起来的高新技术材料，它实际上是集成了传感器、信息处理器和功能驱动器的新型复合材料。其通过传感器感知内外环境状态的变化，将变化所产生的信号通过信息处理器做出判断处理，并发出指令，而后通过功能驱动器调整材料的各种状态，以适应内外环境的变化，从而实现自检测、自诊断、自调节、自恢复、自我保护等多种特殊功能，类似于生物系统。智能复合材料是微电子技术、计算机技术与材料科学交叉的产物，在许多领域展现了广阔的应用前景，2 智能复合材料的构成(1)基体材料 基体材料主要起承受载荷的作用,一般选用轻质材料,其中高分子材料因重量轻、

7、耐腐蚀等优点而受到人们的重视。也可选用金属材料,尤其以轻质有色合金为主。(2)传感器部分传感器部分由具有感知能力的敏感材料构成。它的主要作用是感知环境的变化,如温度、压力、应力、电磁场等,并将其转换为相应的信号。这种材料目前有形状记忆合金、压电材料、光纤、磁致伸缩材料、PH致伸缩材料、电致变色材料、电致粘流体、磁致粘流体、液晶材料、功能梯度材料和功能塑料合金等。(3)驱动器部分构成驱动器部分的驱动材料在一定的条件下可产生较大的应变和应力,从而起到响应和控制的作用。如形状记忆合金、磁致伸缩材料、PH致伸缩材料、电致伸缩材料等。(4)信息处理器部分信息处理器部分是智能复合材料的最核心部分。随着高度

8、集成的硅晶技术的发展,信息处理器也变得越来越小,这就为将信息处理器复合进智能复合材料提供了良好的条件。 智能复合材料在功能结构上虽然可以分为以4大部分,但是它并不是这4部分的简单叠加,而是它们的有机结合。制取智能复合材料时在工艺上需要解决很多关键的技术问题,不仅要在宏观上进行尺寸和结构的设计与控制,而且更要在微观(至纳米级、分子乃至原子的尺寸)上进行结构设计与复合15 。智能复合材料设计方法(1) 根据智能复合材料的应用和目标,提出智能复合材料的系统智能特性；(2) 选择基体材料和传感器部分、处理器部分、驱动器部分的机敏材料；(3) 从宏观上和微观上进行结构设计；(4) 建立数学和力学模型,对

9、智能复合材料系统进一步优化；(5) 进行理化测试,检验材料的功能。随着计算机技术的日益发展和在生产实际中的广泛应用,智能复合材料的设计也可应用计算机进行模拟设计。3 智能复合材料3.1 智能复合材料的分类“智能复合材料”这个名词源于欧美的smart material(聪明材料)，active and adaptive material(主动适应性材料)及日本的intelligent material(智能材料)。智能复合材料的概念来自于自然界生物的生理本能，这些生理本能包括自行诊断能力、自行修复能力、学习能力和适应环境的能力等。智能复合材料就是让复合材料具备上述生物生理本能的机能。凡是导人特殊

10、功能位元于复合材料的网状结构中，以感知或分析复合材料外在环境所产生的整体变化，都是智能复合材料的应用范畴。智能复合材料可作如下分类: 3.2 形状记忆合金(SMA) 智能复合材料形状记忆复合材料是通过将形状记忆材料置于复合材料中，利用形状记忆材料的形状记忆效应、伪弹性和高阻尼能力等来实现复合材料功能的一种智能复合材料。当这种智能材料在外界条件变化(如温度、光、电场、磁场、pH值)使得材料的形状发生改变时，只要将外界条件恢复到初始状态，材料的形状就可以自行恢复。目前形状记忆材料主要有形状记忆合金(SMA)和形状记忆聚合物(SMP)。SMA是一种特殊的金属材料，它包括镍钛( Ni-Ti)合金、镍钛

11、铜(Ni-Ti-Cu)合金和铜锌铝(Cu-Zn-Al)合金等，具有结构简单、成本低廉和控制方便等独特的优点;SMP具备了重量轻、成本低、良好的加工性能、形状变形大、适宜的转变温度和高达100%的大回复变形等优点。Neuss Sabine等人16使用形状记忆聚合物聚（-已内酯)甲基丙烯酸酷( PCLDMA)作为组织工程支架，并显示良好的应用效果。Morita Takeshi17把一种磁致伸缩材料应用到形状记忆压电制动器上，在65V的正、负脉冲电压下，使此复合结构产生了磁导率记忆效应(磁力记忆值达到9.3mN)。Ni Qing-Qing等人18把Ni-Ti形状记忆合金短纤维分散到环氧树脂基体中，在

12、形状记忆材料的相转变温度时，实现复合材料的高效阻尼特性，当加人3.5wt%的SMA纤维，可使复合材料达到最大的固有频率(14Hz左右)和储能模量。3.3 压电智能复合材料19压电智能复合材料是指在基体材料中埋人压电材料发展起来的一种功能材料。压电材料具有压电效应，在材料上施加机械力应力时，材料的某些表面会产生电荷，这种现象被称为正压电效应，反之称为逆压电效应。压电功能材料可以实现机械能与电能的相互转化，其压电效应随环境温度、振动频率等变化不大，可以有效提高材料的稳定性，也为能量消耗提供了新的途径。因其具有高带宽、高输出能力、尺寸紧凑和高功率密度等优点而被广泛应用于智能传感器和制动器，实现复合材

13、料的阻尼降噪、减少应力集中、延长疲劳寿命、减振、监控材料状态、实现材料自适应等功能。Van den Ende DA等人20利用错钦酸铅(PZT)与尼龙6(PA6)和一种热固性高分子液晶( LCT)复合，制作了一种开关式准静态压力传感器。巴西的Walter Katsumi Sakamoto等人21将改性钦酸铅铁电陶瓷粉末和聚醚醚酮高性能树脂复合，安装在一个铝制面板上，此压电复合膜可以作为声波发射检测工具。通常使用的压电材料都存在一些缺点，如压电陶瓷的脆性大、极限应变小、密度高;而压电薄膜则使用温度低、压电常数不高、与基体相容性差。为了使压电材料能够适应智能材料结构的发展，在未来的研究工作中，对压

14、电智能复合材料性能的增强、加工性能的改善和材料使用温度范围的拓宽等问题还需进一步探索与研究，相信压电智能复合材料领域将不断推陈出新、迅猛发展。3.4 电/磁流变体智能复合材料 电/磁流变体智能复合材料是一种重要的智能复合材料，其主要由磁流变体(MR)和电流变体(ER)构成。两者都是软颗粒的悬浊液，在强磁场或强电场的作用下发生流变效应，分散体系的粘度、模量和屈服应力等发生突变，从液态变成半固态或者固态，移除磁场或电场后，恢复到原来的液态22。Song KangHyun等23将磁性碳基铁(carbonyl iron , CI)纳米添加剂加人到磁流变体悬浮液中，以提高其沉降稳定性。通过实验数据分析，

15、纳米添加剂加人不仅解决了普通纯CI磁流变体的严重沉降问题，还能在较宽剪切速率范围维持一个稳定的剪切应力。Vasudevan Rajamohan等人24探究了一种三明治夹层的磁流变体材料，其上下层为弹性体，中间夹杂了磁流变体。实验数据显示其自然频率随着外加磁场的增大而增大，最大挠度却减少，证明了此材料有震动抑制能力。Fuchs Alan等人25制备了一种可压缩磁流变体，通过加人一种弹性体来使磁流变体获得了可控的压缩性。3.5 纤维素智能复合材料 纤维素智能复合材料是一种重要的智能复合材料。纤维素在物理刺激(如热、光、电场、磁场、力场、X射线等)和化学刺激(如pH、各种化学物质和生物物质)下发生一

16、定的响应性，如形状、大小等性质的素(cellulose)是天然高分子材料，具有价廉、可降解性、与生物相容性好等优点。纤维素及其复合材料可以用作涂层、薄板制品、光学薄膜、医药品和纺织品等一系列可降解产品。 Auad MarLa L等26制备了一种新型的形状记忆聚氨酷，他们把纳米纤维素添加到聚氨酷基体中，获得了较高的拉伸模量和强度(1Wt%的纤维素能提高53%的模量)，改善了普通形状记忆材料硬度低的缺点。Kalidindi Sanjay等研究了在交流电场作用下，纤维素晶须在硅油中可发生取向排列，将这种纤维素晶须添加到聚合物基体中可制备纳米复合材料，有望提高材料的电性能和力学性能。3.6 光导纤维智

17、能复合材料光纤智能复合材料27是目前国内外研究较多的一种智能材料结构，它将光纤传感器和驱动器以及有关信号处理器和控制电路集成在复合材料结构中，通过机、光、电、热等激励和控制，不仅具有承受载荷的能力，而且具有识别、分析、处理及控制等多种功能，能进行自诊断、自适应、自学习、自修复的材料结构。将光纤进行处理后埋入复合材料结构中，可以对复合材料在制作过程中的内部温度的变化以及树脂填充情况进行监测，在结构制作完成后，埋置于其中的光纤可以对复合材料结构进行非破损检测，还可以作为永久的传感器实现对复合材料结构终生健康监测，另外光纤传感器还可用于飞行器隐形。3.7 碳纤维增强智能复合材料该复合材料较多地出现在

18、水泥基材料中。将定形状、尺寸和掺量的短切碳纤维掺入水泥基材料中，不仅材料的强度得到提高且具有应力、应变和损伤自检测功能。此外将切短的碳纤维适量掺入水泥材料还将使其具有热电效应，即：温差电动势E与温差At之间在最高温度为70、最大温差为50的范围内存在稳定的线性关系。利用这种特性该种水泥材料可实时监测建筑物内外和路面表层、底层的温度变化。此效应还可利用太阳能和室内温差为建筑物提供电能，即具有温度自调节功能。 碳纤维复合材料在体育器材28上的碳纤维复合材料的比强度愈高，构件自重愈小；比模量愈高，构件的刚度愈大，因此充分利用碳纤维复合材料的特性，可提升诸多体育项目的成绩。采用碳纤维增强材料(CFRP

19、)加固混凝土结构29是一种新型、简便、高效的加固、修复和改造技术。它是将具有高抗拉强度、高弹性模量的碳纤维材料利用高性能环氧树脂类粘结胶粘贴在混凝土结构表面，使碳纤维材料与原混凝土结构形成整体，从而增强混凝土结构的承载能力30，以保证CFRP和混凝土结构表面有可靠的粘结显得尤为重要。预埋在钢筋混凝土中的智能骨料作为作动器激发扫频波，并将粘贴在碳纤维表面的PZT片作为传感器接收信号，通过对接收的信号分别进行时域和频域分析，可以看出信号在经过不同表面的人工模拟剥离损伤时，信号能量衰减变大，幅值减小；进一步利用小波包分析，根据定义的两个指标，通过对比发现差异更加明显，从而确定了剥离损伤的位置和损伤程

20、度，也为碳纤维加固钢筋混凝土结构剥离损伤的无损伤检测提供一种简单有效地方法31。4 智能复合材料的制备工艺方法目前,在国内外,智能复合材料的合成方法有以下几种32。4.1 粒子复合将具有不同功能的材料颗粒按特定的方式进行组装,可构制出具有多种功能特性的智能复合材料。如在特定的褊衬底上,通过电子束扫描产生电子气化花样,在电子静电引力的作用下,带电的颗粒就会排列成设计的花样33,如在CaTiO3的衬底上,用电子束扫描法可将SiO2粉末粒子组成各种花样。这一技术可使微粒组装成多功能式的智能复合材料。将一种机敏材料的颗粒复合在异质基体中也获得优化的智能复合材料。例如压电陶瓷和压电高分子以不同连接度复合

21、,可获得性能优异的压电智能复合材料;将压电陶瓷颗粒弥散分布在压电聚合物中可制得大面积的各种形状的压电薄膜4.2 薄膜复合薄膜生长及合成技术近年来发展很快,制备超晶格量子阱超薄层材料已成为可能。如分子束外延(MBE)、金属有机化合物分解、化学气相沉积(MOCVD)、原子层外延(ALE)、化学束处延(CBE)和迁移增强层外延(MEE)等多种技术,为制备纳米级的多层功能智能复合材料创造了条件。将2种或多种机敏材料以多层微米级的薄膜复合可获得优化的多功能特性材料,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。4.3 纳米级及分子复合

22、将具有光敏、压敏、热敏等各种不同功能的纳米粒子复合在多孔道的骨架内,可灵活地调控纳米粒大小、纳米粒之间及其与骨架之间的相互作用,具有很好的可操作性,能得到兼有光控、压控、热控以及其他响应性质的智能复合材料:如在沸石分子筛中(具有纳米级空笼和孔道)组装半导体纳米材料(如ZnS、PDS)可做光电控元件,组装纳米光学材料(AgCl、AgBr),可做光控元件。5 结语目前，世界上许多国家都已展开对智能材料的研究，智能复合材料作为复合材料方向的一个重要分支，结合了有机和物理化学、材料科学、生物化学及电气和机械工程等众多学科，赋予了材料“生命”特征，在众多领域都有着广阔的发展前景，但现有研究还存在材料间的

23、相容性、制造工艺等问题，制约了其大规模应用。智能复合材料是高技术的综合，其发展将全面提高材料的设计以及应用水平。实现复合材料的智能化将显著降低工艺成本，提高服役可靠性与使用效率，拓展复合材料的应用范围，这是智能材料与结构技术向应用转化的最佳途径之一。我们相信，在不久的将来，随着科技的进步，世界各国对智能复合材料的积极研究和探索，定将全面提高其设计与应用水平。参考文献1 Lendlein A，Jiang H，Junger 0 and Langer R 2005 Light-induced shape memory polymers Nature(London)434 879-82.2 Leng

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25、at.Mater.3 115-20.4 Liu Y.J. Lv HB，Lan X, Leng JS and Du SY 2009 Review of electro-activate Shape-memory polymer composite Comp Sci,Tech.69 2064-8.5 Lv HB，Leng JS, Liu YJ and Du SY 2008 Shape-memory polymer in response Lo solution Adv. Eng. Mater. 10 592-5.6 Leng JS, Lv HB，Liu YJ and Du SY 2008 Comm

26、ent on “Water-driven programmable polyurethane shape memory polymer:Demonstration and mechanism Appl. Phys. Lett 86，114105，(2005) Appl. Phy.s. Lett. 92 206105.7 Lu HB，Liu YJ, Leng JS and Du SY 2009 Qualitative separation of the effect of solubility parameter on the recovery behavior of shape-memory

27、polymer Smart Mater. Struct. 18 085003.8 Leng JS, Lu HB，Liu YJ, Huang WM and Du SY 2009 Shape-memory polymer-A novel class of smart material MRS Bull. 34 848-55.9 Zhou B and Leng JS 2009 A glass transition model for shape memory polymer and its composite Intern. J. Modern Phy.s. B.23 1248-53.10 Leng

28、 JS, Lv HB，Liu YJ and Du SY 2007 Electro activate Shape Memory Polymer Filled with Nanocarbon Particles and Short Carbon Fibers Appl. Phys. Lett. 91 144105.11 Lan X, Liu YJ, Lv HB，Leng JS and Du SY 2009 Fiber reinforced shape-memory polymer composite and its application in a deployable hinge Smart M

29、ater. Struct.18 024002.12 Leng JS, Lv HB，Liu YJ and Du SY 2008 Synergic Effect of Carbon Black and Short Carbon Fiber on Shape Memory Polymer Actuation by Electricity J.Appl. Phs.104 104917.13 Leng JS, Huang WM，Lan X, Liu YJ and Du SY 2008 Significantly reducing electrical resisLiviLy by forming con

30、ductive Ni chains in a polyurethane shape-memory polymer/carbon black composite Appl. Phs. Lett. 92 204101.14 Weigel T, Mohr R and Lendlein A 2009 Investigation of parameters Lo achieve temperatures required Lo initiate the shape-memory effect of magnetic nanocomposites by inductive healing Smart Ma

31、ter. Struct. 18 025011.15 沈新元，沈 云.智能纤维的现状及发展趋势J.合成纤维工业，2001,24（1）：1-5.16 Neuss Sabine Blomenkamp Iris, Stainforth, Rebekah Alberto. Knuchel Ruth. The use of a shape-memory poly(-caprolactone) dimethacry-late network as a tissue engineering scaffoldJ.Biomaterials.2009，(30):1697-170517 Morita Takeshi,

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