形状记忆材料与智能材料

1、第四章第四章 形状记忆材料与智能材料形状记忆材料与智能材料教学重点：教学重点：形状记忆效应形状记忆效应形状记忆合金和形状记忆陶瓷的性能特点形状记忆合金和形状记忆陶瓷的性能特点智能材料的概念及基本结构智能材料的概念及基本结构 4.1 形状记忆材料形状记忆材料4.2 智能材料智能材料形状记忆材料和智能材料形状记忆材料和智能材料形状记忆材料和智能材料形状记忆材料和智能材料Ti-Ni形状记忆合金制造的人造卫星天线形状记忆合金制造的人造卫星天线形状记忆效应形状记忆效应(Shape Memory Effect ,简称简称SME)形状记忆效应形状记忆效应将材料在一定条件下进行一定限度将材料在一定条件下进行一

2、定限度 以内的变形后，再对材料施加适当以内的变形后，再对材料施加适当 的外界条件，材料的变形随之消失的外界条件，材料的变形随之消失 而回复到变形前的形状的现象。而回复到变形前的形状的现象。具有形状记忆效应的材料具有形状记忆效应的材料形状记忆材料形状记忆材料形状记忆效应实验演示片断形状记忆效应实验演示片断1形状记忆材料形状记忆材料具有形状记忆效应的金属，通常是由具有形状记忆效应的金属，通常是由2种以上的金种以上的金属元素构成的合金，故称为属元素构成的合金，故称为形状记忆合金形状记忆合金(Shape Memory Alloys，简称，简称SMA)。 20世纪世纪80年代先后在高分子聚合物、陶瓷材料

3、、年代先后在高分子聚合物、陶瓷材料、超导材料中发现形状记忆效应。超导材料中发现形状记忆效应。形状记忆材料形状记忆材料形状记忆效应可分为形状记忆效应可分为3种类型：种类型：单程形状记忆效应单程形状记忆效应双程形状记忆效应双程形状记忆效应全程形状记忆效应全程形状记忆效应 形状记忆材料形状记忆材料单程形状记忆效应单程形状记忆效应材料在材料在高温下高温下制成某种形状，制成某种形状， 在在低温相低温相时将其任意变形，时将其任意变形， 再加热时恢复为高温相形状，再加热时恢复为高温相形状， 而重新冷却时却不能恢复低而重新冷却时却不能恢复低 温相时的形状。温相时的形状。 形状记忆材料形状记忆材料图图1 单程形

4、状记忆效应单程形状记忆效应双程形状记忆效应双程形状记忆效应加热时恢复高温相形状，冷加热时恢复高温相形状，冷 却时恢复低温相形状，即通却时恢复低温相形状，即通 过温度升降自发可逆地反复过温度升降自发可逆地反复 恢复高低温相形状的现象，恢复高低温相形状的现象， 或称为或称为可逆形状记忆效应可逆形状记忆效应。 形状记忆材料形状记忆材料图图2 双程形状记忆效应双程形状记忆效应全程形状记忆效应全程形状记忆效应当加热时恢复高温相形状，冷当加热时恢复高温相形状，冷 却时变为却时变为形状相同而取向相反形状相同而取向相反 的高温相形状的高温相形状的现象。只能在的现象。只能在 富镍的富镍的Ti- Ni合金合金中出

5、现。中出现。 形状记忆材料形状记忆材料图图3 全程形状记忆效应全程形状记忆效应4.1.1 马氏体相变与形状记忆原理马氏体相变与形状记忆原理热弹性马氏体相变热弹性马氏体相变超弹性和伪弹性超弹性和伪弹性应力诱发马氏体相变应力诱发马氏体相变4.1.2 主要的几类形状记忆合金主要的几类形状记忆合金 4.1.3 形状记忆陶瓷形状记忆陶瓷形状记忆材料形状记忆材料普通的马氏体相变是普通的马氏体相变是钢的淬火强化钢的淬火强化方法，即把钢加方法，即把钢加热到某个临界温度以上保温一段时间，然后迅速冷热到某个临界温度以上保温一段时间，然后迅速冷却，钢转变为一种马氏体结构，并使钢硬化。却，钢转变为一种马氏体结构，并使

6、钢硬化。大部分合金和陶瓷记忆材料是通过大部分合金和陶瓷记忆材料是通过热弹性马氏体热弹性马氏体相变相变而呈现形状记忆效应。而呈现形状记忆效应。4.1.1 马氏体相变与形状记忆原理马氏体相变与形状记忆原理奥氏体奥氏体(A) 马氏体马氏体(M)图图4 45钢淬火工艺曲线钢淬火工艺曲线AM钢的马氏体相变不可逆钢的马氏体相变不可逆冷却冷却加热加热形状记忆材料形状记忆材料图图5 奥氏体与马氏体金相显微组织奥氏体与马氏体金相显微组织a) 奥氏体奥氏体( (多边形等轴晶粒多边形等轴晶粒) ) b)板条状马氏体板条状马氏体在某些合金中发现在某些合金中发现热弹性马氏体相变热弹性马氏体相变：马氏体一旦生成可以随着温

7、度降低继续长大，当温度马氏体一旦生成可以随着温度降低继续长大，当温度回升时，长大的马氏体又可以缩小，直至恢复到原来回升时，长大的马氏体又可以缩小，直至恢复到原来的母相状态，即的母相状态，即马氏体随着温度的变化可以可逆地长马氏体随着温度的变化可以可逆地长大或缩小大或缩小热弹性马氏体热弹性马氏体AM 可逆性可逆性冷却冷却加热加热形状记忆材料形状记忆材料sMPncMPcMPGGGT G 弹性应变能以外的相变阻力弹性应变能以外的相变阻力(近似为近似为 定值定值)母相转变为马氏体的化学母相转变为马氏体的化学 驱动力驱动力 PMPMPMcncsG TGGGsMPncMPcMPGGGTG 母相转变为马氏体的

8、驱动力母相转变为马氏体的驱动力sMPncMPcMPGGGT G 非化学驱动力非化学驱动力(相变时新旧相体积相变时新旧相体积 变化产生的应变能变化产生的应变能) PMMPcG TGG马氏体相变动力学：马氏体相变动力学：形状记忆材料形状记忆材料图图6 马氏体相变驱动力与温度的关系马氏体相变驱动力与温度的关系TPcGMcGsMPncMPcMPGGGT G sMPncMPcMPGGGT G GT0MS热弹性马氏体实验演示热弹性马氏体实验演示1热弹性马氏体实验演示热弹性马氏体实验演示2MsMs冷却时产生热弹性马氏体的起始温度冷却时产生热弹性马氏体的起始温度M Mf f冷却时转变的终止温度冷却时转变的终止

9、温度AsAs升温时逆转变的起始温度升温时逆转变的起始温度A Af f逆转变终止温度逆转变终止温度热弹性马氏体随温度变化的相变过程热弹性马氏体随温度变化的相变过程0温度温度马氏体马氏体低温相低温相奥氏体奥氏体 母相母相AsAfMsMf电电阻阻 图图7 随温度变化发生马氏体相变时电阻的变化随温度变化发生马氏体相变时电阻的变化降温降温升温升温具有具有较较低的对低的对称性称性的的正交或正交或单斜晶单斜晶系，内系，内部是孪部是孪晶变形晶变形或层错或层错具有具有较较高的对高的对称性称性的的立方点立方点阵阵形状记忆效应的实质：形状记忆效应的实质：是在是在温度的作用温度的作用下，材料内部热弹性马氏体形成、下，

10、材料内部热弹性马氏体形成、变化、消失的相变过程的宏观表现。变化、消失的相变过程的宏观表现。 热弹性马氏体相变时伴随有形状的变化。热弹性马氏体相变时伴随有形状的变化。形状记忆材料形状记忆材料图图8 形状记忆效应机制示意图形状记忆效应机制示意图原子排列面的切应变原子排列面的切应变结构相同，位相结构相同，位相不同的马氏体不同的马氏体变体界面移动，变体界面移动，相互吞食相互吞食变形前后变形前后M结构未变结构未变图图9 形状记忆合金晶体结构变化模型形状记忆合金晶体结构变化模型形状记忆材料形状记忆材料超弹性片段演示超弹性片段演示超弹性或伪弹性超弹性或伪弹性 图图10 形状记忆合金发生超弹形状记忆合金发生超

11、弹 性变形的应力应变曲线性变形的应力应变曲线 (Af温度以上加载）温度以上加载） 在在T0与与Ms之间的某一温度之间的某一温度对合金施加外力对合金施加外力也可引也可引起马氏体转变。起马氏体转变。应力诱发马氏体演示片断应力诱发马氏体演示片断1应力诱发马氏体演示片断应力诱发马氏体演示片断2由外部应力诱发产生的马氏体相变称为由外部应力诱发产生的马氏体相变称为应力诱应力诱发马氏体相变发马氏体相变 (Stress-Induceed Martensite Transformation)。本质：应力作用使材料的本质：应力作用使材料的MS点升高。点升高。应力诱发马氏体相变应力诱发马氏体相变图图11 Cu-34

12、.1-Zn-1.8Sn合金合金Ms与拉伸应力的关系与拉伸应力的关系020406080100120140290 310330 350270应力应力/MPa温度温度/KMSAS加载加载卸载卸载环境温度环境温度275K 图图10 形状记忆合金发生超弹形状记忆合金发生超弹 性变形的应力应变曲线性变形的应力应变曲线 (Af温度以上加载）温度以上加载） 在在Af 温度以上变形，因应力使温度以上变形，因应力使Ms升高，发生升高，发生M转转变，应力一旦解除，因变，应力一旦解除，因Af点低于环境温度，立即产点低于环境温度，立即产生逆相变，回到母相状态，在应力作用下产生的宏生逆相变，回到母相状态，在应力作用下产生

13、的宏观变形也随逆相变而完全消失。观变形也随逆相变而完全消失。其中应力与应变的关系表现出明显的非线性，这种其中应力与应变的关系表现出明显的非线性，这种非线性弹性和相变密切相关，叫做相变伪弹性，即非线性弹性和相变密切相关，叫做相变伪弹性，即超弹性。超弹性。 形状记忆材料形状记忆材料uTi-Ni基形状记忆合金基形状记忆合金uCu基形状记忆合金基形状记忆合金u Fe基形状记忆合金基形状记忆合金u 形状记忆合金的应用形状记忆合金的应用 形状记忆合金片断形状记忆合金片断形状记忆材料形状记忆材料4.1.2 主要几类形状记忆合金主要几类形状记忆合金1、Ti-Ni基形状记忆合金基形状记忆合金 优点：记忆效应优良

14、、性能稳定、生物相容性好优点：记忆效应优良、性能稳定、生物相容性好 缺点：制造过程较复杂，价格高昂缺点：制造过程较复杂，价格高昂 Ti-Ni合金通过在合金通过在1000左右固溶后，在左右固溶后，在400进行时效处理，再淬火得到马氏体。进行时效处理，再淬火得到马氏体。形状记忆材料形状记忆材料(1) Ti-Ni基记忆合金中的基本相和相变基记忆合金中的基本相和相变CsCl结构的体心立方晶体结构的体心立方晶体高温相（母相高温相（母相TiNi ）单斜晶体单斜晶体马氏体马氏体冷却冷却R相（菱面体点阵）相（菱面体点阵）适当的热处理或成分条件适当的热处理或成分条件R相变相变在在Ti-Ni二元合金系中有二元合金

15、系中有TiNi、Ti2Ni和和Ti3Ni三种金三种金属间化合物。属间化合物。形状记忆材料形状记忆材料单斜晶体单斜晶体马氏体马氏体冷却冷却菱面体点阵菱面体点阵R相相一定的热一定的热处理或成处理或成分条件分条件CsCl体心立方结构体心立方结构母相母相(2) 合金元素对合金元素对Ti-Ni合金相变的影响合金相变的影响vCu的影响的影响(Ti-Ni-Cu合金合金)vNb的影响的影响(Ti-Ni-Nb合金合金)vFe的影响的影响(Ti-Ni-Fe合金合金)v杂质元素的影响杂质元素的影响形状记忆材料形状记忆材料Cu在在Ti-Ni合金中固溶度可高达合金中固溶度可高达30。u加入一定量的加入一定量的Cu置换置

16、换Ni后，合金形状记忆效应后，合金形状记忆效应和力学性能仍然很好，但合金的和力学性能仍然很好，但合金的价格大大下降价格大大下降。u加入加入Cu对相变温度有一定影响：随对相变温度有一定影响：随Cu含量的增含量的增 加，合金的加，合金的Ms点升高，而点升高，而As点变化不大。点变化不大。形状记忆材料形状记忆材料Nb使使Ti-Ni合金逆转变温度合金逆转变温度(As)显著升高。显著升高。原因：原因：以纯以纯Nb相弥散分布在相弥散分布在NiTi基体中。由于基体中。由于Nb相很软，相很软，在施加应力使马氏体变形时，在施加应力使马氏体变形时，Nb相也相应发生塑相也相应发生塑性变形。性变形。逆转变时，马氏体的

17、变形是可回复的，而逆转变时，马氏体的变形是可回复的，而Nb相的变相的变形是不可回复，而且形是不可回复，而且Nb相的变形对马氏体的逆转相的变形对马氏体的逆转变有阻碍作用，从而导致逆转变温度显著升高。变有阻碍作用，从而导致逆转变温度显著升高。 形状记忆材料形状记忆材料加加Fe使合金显现出明显的使合金显现出明显的R相变，合金的相变过相变，合金的相变过程明显分为两个阶段程明显分为两个阶段: 母相母相R相相马氏体马氏体在在Ti-Ni合金中加入适量的合金中加入适量的Co也有类似的作用。也有类似的作用。 形状记忆材料形状记忆材料杂质元素杂质元素(C、O)的影响：的影响： 随随C、O含量的增加，含量的增加，M

18、s点均降低。点均降低。 原因：原因： 加入加入 C、O后会形成后会形成TiC、Ti4Ni2O，导致，导致TiNi基基 体相中体相中Ni的含量相对增加，而的含量相对增加，而Ms点随点随Ni含量的含量的 增加下降。增加下降。形状记忆材料形状记忆材料2、Cu基形状记忆合金基形状记忆合金 主要由主要由Cu-Zn和和Cu-A1两个二元系发展而来。两个二元系发展而来。 通过第三元素可以有效地通过第三元素可以有效地提高提高形状记忆合金的形状记忆合金的 相变温度相变温度，发展了一系列的，发展了一系列的Cu-Zn-X (X= Al, Ge, Si, Sn锡锡, Be铍铍, Ni)三元合金。三元合金。lCu-Zn

19、-A1基形状记忆合金基形状记忆合金lCu-A1-Ni基形状记忆合金基形状记忆合金形状记忆材料形状记忆材料性能特点性能特点优点：制造加工容易，价格便宜，具有良好的记忆优点：制造加工容易，价格便宜，具有良好的记忆 性能，相变点可在一定温度范围内调节，不性能，相变点可在一定温度范围内调节，不 同成分的同成分的Cu-Zn-A1合金相变温度不同。合金相变温度不同。缺点：强度较低，稳定性及耐疲劳性能差，不具有缺点：强度较低，稳定性及耐疲劳性能差，不具有 生物相容性。生物相容性。形状记忆材料形状记忆材料3、Fe基形状记忆合金基形状记忆合金 分为两类：分为两类：（1）热弹性马氏体相变）热弹性马氏体相变Fe-P

20、t, Fe-Pd钯钯,Fe-Ni-Co- Ti合金等；合金等；（2）应力诱发马氏体相变（非热弹性马氏体），）应力诱发马氏体相变（非热弹性马氏体）， Fe-Mn-Si, Fe-Cr-Ni-Mn-Si-Co合金等。合金等。形状记忆材料形状记忆材料性能特点：性能特点：价格较价格较Ti-Ni系和系和Cu基系合金便宜，原料易得，可基系合金便宜，原料易得，可以采用现有的钢铁工艺进行冶炼和加工，强度高，以采用现有的钢铁工艺进行冶炼和加工，强度高，刚性好，适用作结构材料，也可作特种用途材料，刚性好，适用作结构材料，也可作特种用途材料，在应用方面具有明显的竞争优势。在应用方面具有明显的竞争优势。形状记忆特性比形

21、状记忆特性比Ti-Ni合金差。合金差。形状记忆材料形状记忆材料4、形状记忆合金的应用、形状记忆合金的应用形状记忆材料形状记忆材料高技术中的应用高技术中的应用 ： 制造人造卫星天线制造人造卫星天线 图图12 Ti-Ni形状记忆合金制造的人造卫星天线形状记忆合金制造的人造卫星天线美国宇航局的月面天线计划：美国宇航局的月面天线计划：在室温下用形状记忆合金制成抛物面天线，然后把它揉成直径在室温下用形状记忆合金制成抛物面天线，然后把它揉成直径5 5厘米以下的小团，放入阿波罗厘米以下的小团，放入阿波罗1111号的舱内，在月面上经太阳光号的舱内，在月面上经太阳光的照射加热使它恢复到原来的抛物面形状的照射加热

22、使它恢复到原来的抛物面形状, ,从而能从而能用空间有限的用空间有限的火箭舱运送体积庞大的天线火箭舱运送体积庞大的天线。形状记忆材料形状记忆材料工程应用工程应用:紧固件、连接件、密封垫、管件接头等紧固件、连接件、密封垫、管件接头等图图13 形状记忆合金用作铆钉的工作原理图形状记忆合金用作铆钉的工作原理图形状记忆材料形状记忆材料医疗领域应用医疗领域应用:牙齿矫形丝、血栓过滤器、动脉瘤牙齿矫形丝、血栓过滤器、动脉瘤 夹、接骨板等（夹、接骨板等（Ti-Ni合金）合金）图图14 支撑性与柔韧性完美协调支撑性与柔韧性完美协调 的的Ti-Ni记忆合金食道记忆合金食道支架支架形状记忆材料形状记忆材料 图图15

23、 记忆金属记忆金属Ti-Ni合金支架治疗食管狭窄合金支架治疗食管狭窄支架形状的回复力对组织产生持续而柔和的扩张作用，支架植支架形状的回复力对组织产生持续而柔和的扩张作用，支架植入后患者的进食困难症状明显减轻，由于生物相容性好，可较入后患者的进食困难症状明显减轻，由于生物相容性好，可较长期放置体内。长期放置体内。主要适应症包括：中晚期食道癌、食道癌术后复发和食道癌放主要适应症包括：中晚期食道癌、食道癌术后复发和食道癌放疗后引起的吞咽困难等。治疗后疗后引起的吞咽困难等。治疗后10分钟内可解除吞咽困难，增分钟内可解除吞咽困难，增加进食量，明显改善生活质量。加进食量，明显改善生活质量。形状记忆材料形状

24、记忆材料形状记忆材料形状记忆材料图图16 Ti-Ni合金制作的多种支架合金制作的多种支架(a)尿道支架尿道支架(b)食道支架食道支架(c)胆道支架胆道支架(d)气管支架气管支架智能应用智能应用 形状记忆合金是一种集感知和驱动双重功能为形状记忆合金是一种集感知和驱动双重功能为 一体一体 的新型材料，可广泛应用于各种自动调节的新型材料，可广泛应用于各种自动调节 和控制装置，如各种智能、仿生机械。和控制装置，如各种智能、仿生机械。形状记忆材料形状记忆材料4.1.3 形状记忆陶瓷（形状记忆陶瓷（ ZrO2陶瓷）陶瓷）1、氧化锆陶瓷的基本结构与相变、氧化锆陶瓷的基本结构与相变随温度的变化随温度的变化纯纯

25、ZrO2有三种晶型，按温度由高到有三种晶型，按温度由高到低，其结构分别为低，其结构分别为立方晶系、四方晶系立方晶系、四方晶系(t相相)、单斜晶系、单斜晶系(m相相)形状记忆材料形状记忆材料相变过程：相变过程： 1170 2370 2715单斜单斜ZrO2 四方四方ZrO2 立方立方ZrO2 液体液体ZrO2 (m相相) (t相相) 可逆马氏体相变可逆马氏体相变有约有约5的体积变化的体积变化注意注意体积效应太大体积效应太大晶型稳定化处理晶型稳定化处理在在ZrO2中加入中加入CaO、MgO、Y2O3、CeO2(氧化铈氧化铈)等稳定剂，可以使立等稳定剂，可以使立方相和四方相保持到低温。方相和四方相保

26、持到低温。形状记忆材料形状记忆材料三种结构的三种结构的ZrO2陶瓷陶瓷( (添加剂数量与种类的不同添加剂数量与种类的不同) )： 完全稳定化的完全稳定化的ZrO2陶瓷：陶瓷： 立方相在冷却过程不发生相变，稳定保留到低温。立方相在冷却过程不发生相变，稳定保留到低温。 部分稳定化的部分稳定化的ZrO2陶瓷陶瓷： 由立方相和四方相组成的混合结构，立方相不发生相变，由立方相和四方相组成的混合结构，立方相不发生相变， 稳定保留到低温。四方稳定保留到低温。四方(t)(t)相在冷却时或应力作用下可转相在冷却时或应力作用下可转 变为单斜变为单斜(m)相。相。 四方四方ZrO2多晶体多晶体： 在室温下全部为四方

27、在室温下全部为四方(t)相，四方相，四方(t)相在冷却时或应力作相在冷却时或应力作 用下可转变为单斜用下可转变为单斜(m)相。相。 陶瓷相变增韧：利用了陶瓷相变增韧：利用了中发生的应力诱发马中发生的应力诱发马 氏体相变氏体相变陶瓷的形状记忆效应与合金相比存在的主要差别：陶瓷的形状记忆效应与合金相比存在的主要差别：（1）形状记忆变形的量较小；）形状记忆变形的量较小；（2）每次记忆循环中都有较大的不可恢复变形，随）每次记忆循环中都有较大的不可恢复变形，随 循环次数的增加，累积变形增加，最终导致裂循环次数的增加，累积变形增加，最终导致裂 纹出现；纹出现；（3）没有双程记忆效应）没有双程记忆效应形状记

28、忆材料形状记忆材料q智能材料的概念智能材料的概念 q智能材料的基本结构智能材料的基本结构q智能变色材料智能变色材料q智能材料的应用智能材料的应用智能材料智能材料4.2.1 4.2.1 智能材料的概念智能材料的概念材料的发展和应用历史：材料的发展和应用历史：智能材料智能材料图图17 材料科学的发展演化过程材料科学的发展演化过程智能材料智能材料(Intelligent material，Smart material ) 是一种能从自身的表层或内部获取是一种能从自身的表层或内部获取 关于环境条件及其变化的信息，并关于环境条件及其变化的信息，并 进行判断、处理和作出反应，以改进行判断、处理和作出反应，

29、以改 变自身的结构与功能并使之很好地变自身的结构与功能并使之很好地 与外界相协调的具有自适应性的材与外界相协调的具有自适应性的材 料系统。料系统。智能材料智能材料智能材料是继天然材料、人造材料、精细材料之后智能材料是继天然材料、人造材料、精细材料之后的的第四代功能材料第四代功能材料。 智能材料需具备以下内涵：智能材料需具备以下内涵：（1）具有感知功能，能够检测并且可以识别外）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、界（或者内部）的刺激强度，如电、光、 热、应力、应变、化学、核辐射等；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；）具有驱

30、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；）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；）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）当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始 状态。状态。 智能材料必须具备智能材料必须具备感知、控制感知、控制和和驱动驱动三个基本三个基本要素。要素。 智能材料一般由两种或两种以上的材料复合构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。成一个智能材料系统。 智能材料智能材料智能材料智能材料在材料系统或结构中，可将传感、控制在材料系统或结构中，可将传感、控制 和驱动三种职能集于一身，

31、通过自身对和驱动三种职能集于一身，通过自身对 信息的感知、采集、转换、传输和处信息的感知、采集、转换、传输和处 理，发出指令并执行和完成相应的动理，发出指令并执行和完成相应的动 作，从而赋予材料系统结构健康自诊作，从而赋予材料系统结构健康自诊 断、偏差自校正、损伤自修复与环境自断、偏差自校正、损伤自修复与环境自 适应等智能功能和生物特征，以达到增适应等智能功能和生物特征，以达到增 强结构安全、降低能量消耗和提高整体强结构安全、降低能量消耗和提高整体 性能的目的的一种材料系统和结构。性能的目的的一种材料系统和结构。智能材料智能材料4.2.2 智能材料的基本结构智能材料的基本结构 智能材料不是一种

32、单一的材料，而是一个由多种材料智能材料不是一种单一的材料，而是一个由多种材料组元通过有机紧密复合或严格地科学组装而构成的材组元通过有机紧密复合或严格地科学组装而构成的材料系统，是一种智能机构。料系统，是一种智能机构。 传感器传感器执行器执行器控制器控制器智能机构智能机构材料自身材料自身能够探测能够探测到外部环到外部环境状态的境状态的变化变化能够自动能够自动地执行改地执行改变材料状变材料状态的指令态的指令能够对探测到的外部环境的变化作出判断，能够对探测到的外部环境的变化作出判断，并给出相应的改变材料状态的指令并给出相应的改变材料状态的指令智能材料的构成智能材料的构成 智能材料由基体材料、敏感材料

33、、驱动材料和信息智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。处理器四部分构成。 (1)基体材料基体材料 基体材料担负着承载的作用，一般宜选用轻质基体材料担负着承载的作用，一般宜选用轻质 材料。材料。 首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀。首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀。 其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。 (2)敏感材料敏感材料敏感材料担负着传感的任务，其主要作用是感知敏感材料担负着传感的任务，其主要作用是感知 环境变化（包括压力、应力、温度、电磁场、环境变化（包括压力、应力、温度、电磁场、 PH值等）。值等）。 常用敏

34、感材料：形状记忆材料、压电材料、光纤常用敏感材料：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、磁致伸缩材料、电致变色 材料、电流变体、磁流变体和液材料、电流变体、磁流变体和液 晶材料等。晶材料等。 (3)驱动材料驱动材料因为在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和因为在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和 应力，所以它担负着响应和控制的任务。应力，所以它担负着响应和控制的任务。 常用有效驱动材料：形状记忆材料、压电材料、常用有效驱动材料：形状记忆材料、压电材料、 电流变体和磁致伸缩材料等。电流变体和磁致伸缩材料等。 (4)其它功能材料其它功能材料 包括导电材料、磁性材料、光纤

35、和半导体材料等。包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。 如：将光导纤维、形状记忆合金和镓砷化合物半导体如：将光导纤维、形状记忆合金和镓砷化合物半导体 控制电路埋入复合材料中。控制电路埋入复合材料中。光导纤维光导纤维传感元件传感元件(检测结构中的检测结构中的 应变和温度应变和温度)形状记忆合金形状记忆合金执行元件执行元件 (使结构动作使结构动作 改变性状改变性状)半导体控制电路半导体控制电路控制系统控制系统(根据传感元件的信根据传感元件的信 息驱动元件动作息驱动元件动作)智能材料智能材料图图14 智能结构的动作流程图智能结构的动作流程图识别识别分析分析判断判断行动行动驱动元件驱动元件自适应

36、地改变结构形状、刚度、自适应地改变结构形状、刚度、位置、应力状态、固有频率等位置、应力状态、固有频率等智能材料智能材料4.2.3 智能变色材料智能变色材料由于光、电、热等外界条件的作用，使料内部结由于光、电、热等外界条件的作用，使料内部结构发生变化从而改变材料对光波吸收的特性，使构发生变化从而改变材料对光波吸收的特性，使材料呈现出不同的颜色。材料呈现出不同的颜色。l光色玻璃光色玻璃l电致变色薄膜电致变色薄膜智能材料智能材料1、光色玻璃、光色玻璃(变色玻璃变色玻璃) 能够随照射光强的变化而改变颜色。能够随照射光强的变化而改变颜色。原因：原因：含有在光照下能含有在光照下能发生可逆变化的亚稳态色心发

37、生可逆变化的亚稳态色心：在光波的照射下，色心的光吸收特性发生改变，从在光波的照射下，色心的光吸收特性发生改变，从而使光色玻璃表现出随光照而改变颜色的特性。而使光色玻璃表现出随光照而改变颜色的特性。l同相型光色玻璃同相型光色玻璃l异相型光色玻璃异相型光色玻璃智能材料智能材料同相型光色玻璃同相型光色玻璃亚稳态色心与玻璃基质具有相同亚稳态色心与玻璃基质具有相同 的相。的相。如：光学玻璃的组分中加入氧化铈（选择吸收）如：光学玻璃的组分中加入氧化铈（选择吸收） 色心：能变价的铈离子色心：能变价的铈离子紫蓝光波紫蓝光波4f5d铈离子内电子跃迁铈离子内电子跃迁铈离子恢复电子状态铈离子恢复电子状态4f5d光减

38、弱光减弱玻璃逐渐由高透明玻璃逐渐由高透明态转向深黄褐色态转向深黄褐色玻璃逐渐恢复高玻璃逐渐恢复高透明态透明态异相型光色玻璃异相型光色玻璃亚稳态色心是与玻璃基质不同的亚稳态色心是与玻璃基质不同的 光敏晶相物质。光敏晶相物质。如：如：卤化银光色玻璃卤化银光色玻璃 色心：色心：卤化银晶体卤化银晶体玻璃组分中玻璃组分中加入卤化银加入卤化银光照光照(紫外到蓝紫波段紫外到蓝紫波段)析出游离态银离子析出游离态银离子对光散射强对光散射强(着色状态着色状态)光化学反应光化学反应高温熔融冷却高温熔融冷却析出亚微米尺析出亚微米尺度的卤化银度的卤化银对光散射很小对光散射很小(高透明状态高透明状态)无光照无光照银离子化

39、合成卤化银银离子化合成卤化银去除光照去除光照室温热激活室温热激活光色玻璃的应用：光色玻璃的应用：图图18 变色太阳镜变色太阳镜汽车、飞机、船舶的前向玻璃或观察窗玻汽车、飞机、船舶的前向玻璃或观察窗玻璃，起防眩作用等。璃，起防眩作用等。智能材料智能材料2、电致变色薄膜、电致变色薄膜电致变色现象电致变色现象(Electrochromism)材料在电场作材料在电场作用下所引起的颜色变化，这种变化是可逆的、连续用下所引起的颜色变化，这种变化是可逆的、连续可调的可调的(透过率、吸收率、反射率三者比例关系可透过率、吸收率、反射率三者比例关系可调调）。）。应用：应用：智能窗智能窗(调节玻璃透光特性调节玻璃透

40、光特性)机理：机理：一些氧化物薄膜在电场的作用下能够发生一些氧化物薄膜在电场的作用下能够发生电子的交电子的交换换，导致颜色的改变。，导致颜色的改变。 智能材料智能材料图图19 智能窗结构示意图智能窗结构示意图着色和退色的电化学反应如下：着色和退色的电化学反应如下： Ni1-xO(初始态初始态) + yM+ + ye- MyNi1-xO (着色态着色态) MyNil-xO (着色态着色态) My-2N1-xO(退色态退色态) + 2M+ + 2e-氧化还原的电化学反应氧化还原的电化学反应玻璃基片玻璃基片透明电极透明电极(氧化铟锡膜氧化铟锡膜)离子注入膜离子注入膜快离子导体隔膜快离子导体隔膜电致变

41、色膜电致变色膜(-WO3、NiO薄膜薄膜) 蓝色、灰色蓝色、灰色图图20 法拉利首款自动硬顶敞篷车法拉利首款自动硬顶敞篷车玻璃车顶采用了利用电场变化来改变颜色的电致变色玻璃车顶采用了利用电场变化来改变颜色的电致变色技术，可技术，可对透过率进行对透过率进行5级调整级调整。 智能窗的应用：智能窗的应用：智能材料智能材料图图21 汽车防眩目后视镜汽车防眩目后视镜汽车夜间行驶时根据后面行驶车辆前大灯射出的光线照射到汽车夜间行驶时根据后面行驶车辆前大灯射出的光线照射到后视镜上产生的眩目光程度，后视镜上产生的眩目光程度，自动控制后视镜的透光度，以自动控制后视镜的透光度，以减少后视镜镜面的反射光强度减少后视

42、镜镜面的反射光强度，使驾驶员既能舒服的通过后，使驾驶员既能舒服的通过后视镜了解后面行驶车辆及行人的情况，又能安全驾驶汽车。视镜了解后面行驶车辆及行人的情况，又能安全驾驶汽车。 汽车防眩目后视汽车防眩目后视镜是当前玻璃制镜是当前玻璃制造业前沿产品造业前沿产品-电电致变色玻璃致变色玻璃在汽在汽车上的应用。车上的应用。智能材料智能材料4.2.4 智能材料的应用智能材料的应用在军事领域中的应用在军事领域中的应用智能材料与住宅智能化智能材料与住宅智能化 与现代医学相联系的智能材料与现代医学相联系的智能材料 主动控振结构主动控振结构 智能材料智能材料（1）智能蒙皮）智能蒙皮 光纤作为智能传感元件用于飞机机

43、翼的智能蒙皮中，光纤作为智能传感元件用于飞机机翼的智能蒙皮中，或者在武器平台的蒙皮中植入传感元件、驱动元件或者在武器平台的蒙皮中植入传感元件、驱动元件和微处理控制系统制成的智能蒙皮，可用于预警、和微处理控制系统制成的智能蒙皮，可用于预警、隐身和通信。隐身和通信。 （2）结构监测和寿命预测）结构监测和寿命预测 u采用光纤传感器和聚偏氟乙烯传感器的智能采用光纤传感器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、损伤评估和寿载器进行全寿命期实时监测、损伤评估和寿 命预测；命预测；u空间站等大型在轨系统采用光纤智能结构

44、，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，实其他原因引起的损伤，对损伤进行评估，实 施自诊断。施自诊断。 （3）环境自适应结构）环境自适应结构 智能结构制成的自适应机翼，能够实时智能结构制成的自适应机翼，能够实时感知外感知外界环境的变化界环境的变化，并可以，并可以驱动机翼弯曲、扭转驱动机翼弯曲、扭转，从而从而改变翼型和攻角改变翼型和攻角，以获得最佳气动特性，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。降低机翼阻力系数，延长机翼的疲劳寿命。 在机翼结构中使用在机翼结构中

45、使用磁致伸缩致动器磁致伸缩致动器，可使机翼，可使机翼阻力降低阻力降低85%。（1）多功能砖）多功能砖 具有变通性和智能性。具有变通性和智能性。主要由四个分层构成：主要由四个分层构成：第一层是功能层，能感受来自周围的声能、热能、光能，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；并能控制这些能量的输出；第二层是通讯层，能为居住者提供内外通信联系的通道；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；第三层是输送通道，可以用来输送水和其它材料；第四层面膜是砖材的最上层，也具有多功能性。如壁膜可第四层面膜是砖材的最上层，也具有多功能性。如壁膜可以使墙壁产生不同的色彩和图案；传感膜可以接收声波、以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。和图案；界面膜可连接内外通信线路。 （2）食物器皿）食物器皿 在毫微塑料的桌面上旋转的碗不仅能