新型功能材料 (1).

1、王王 念念重庆交通大学重庆交通大学土木建筑学院材料科学与工程系土木建筑学院材料科学与工程系功功 能能 材材 料料功能材料功能材料第第1818章章 新型功能材料新型功能材料功能材料功能材料功能材料功能材料功能材料功能材料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。功能材料功能材料大体来说，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

2、征的材料。 功能材料功能材料具体来说，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、应变、化学、核辐射等；热、应力、应变、化学、核辐射等；功能材料功能材料(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。功能材料功能材料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

3、material and structure、Smart material、Smart material and structure、Adaptive material and structure等。等。 功能材料功能材料来源于仿生学，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。功能材料功能材料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。功能材

4、料功能材料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。 功能材料功能材料智能材料应用的简单事例：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。 功能材料功能材料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，

5、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：功能材料功能材料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。功能材料功能材料可通过可通过，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。功能材料功能材料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

6、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。功能材料功能材料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。功能材料功能材料能通过能通过、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。功能材料功能材料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。功能

7、材料功能材料一般来说一般来说由由、和和四部四部分构成。分构成。功能材料功能材料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。功能材料功能材料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。功能材料功能材料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

8、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。功能材料功能材料包括包括、等。等。功能材料功能材料图所示为智能材料的图所示为智能材料的。功能材料功能材料是继是继、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，功能材料功能材料若按若按来分

9、，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。功能材料功能材料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；功能材料功能材料的范围很广泛，作为的范围很广泛，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。 功能材料功能材料功能材料功能材料受到外力作用后，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。（详见第三讲）。（详见第三讲）功能材料功能材料智能材料大多是

10、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。功能材料功能材料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。功能材料功能材料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

11、一个突破性的新起点。一个突破性的新起点。功能材料功能材料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。功能材料功能材料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。功能材料功能材料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。功能材料功能材料具有具有磁磁、和和特点，在国防、航空航天和高技术领特点，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。功能材料功能材料（1 1）由

12、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。功能材料功能材料（2 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、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。 功能材料功能材料对于

13、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。功能材料功能材料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；功能材料功能材料功能材料功能材料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，晶体时，晶体表面会表面会产生电荷产生电荷，这种现象称，这种现象称。在一定范围内，在一定范围内，。相反，在晶体上相反，在晶体上施加电场施加电场时，晶体会时

14、，晶体会产产生几何变形生几何变形，称，称。功能材料功能材料决定了材料决定了材料能否产能否产生压电性生压电性。显然，压电效应只存在于显然，压电效应只存在于中。中。功能材料功能材料，从而导致，从而导致介质两端表面介质两端表面。 功能材料功能材料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。功能材料功能材料即即是一种是一种，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

15、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。功能材料功能材料是利用是利用产生微小应变产生微小应变，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。 功能材料功能材料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。功能材料功能材料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

16、，是重要中，是重要的材料之一。的材料之一。功能材料功能材料具有具有机电机电、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。功能材料功能材料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：功能材料功能材料 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

17、至最佳速度。功能材料功能材料 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)并进行并进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的使粗糙路面产生的振动减至最低振动减至最低，从而，从而提高乘坐舒适性提高乘坐舒适性。功能材料功能材料 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。功能材料功能材料 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。功

18、能材料功能材料 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能效利用自然界的波浪和风能。 功能材料功能材料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。功能材料功能材料这种新型这种新型，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

19、器人等的致动器。等的致动器。功能材料功能材料它是由若干层它是由若干层( (PZT)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。功能材料功能材料 功能材料功能材料当当落到落到上时，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。功能材料功能材料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

20、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。 功能材料功能材料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。功能材料功能材料含卤化银含卤化银的的光色玻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AgAg和和ClCl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： 功能材料功能材料式中，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

21、退色效应加热退色效应。),(),(0000,2IBrClAgIBrClAh h 1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：功能材料功能材料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恢复为恢复为无色的氯化无色的氯化银银AgClAgCl，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。 功能材料功能材料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。功能材料

22、功能材料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。h 1 20,2CuAgCuAgh功能材料功能材料具有具有随光的波长和强度的随光的波长和强度的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。 功能材料功能材料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

23、射特性，表现为，表现为。功能材料功能材料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性能发电致变色薄膜的光学性能发生变化生变化。功能材料功能材料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。 功能材料功能材料1、功能材料功能材料用于军事，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

24、发展的一个领域。功能材料功能材料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。功能材料功能材料所以，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：功能材料功能材料例如，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

25、。功能材料功能材料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。 功能材料功能材料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，从而能够对结构进行。功能材料功能材料例如，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；功能材料功能材料等大型等大型在轨系统在轨系统采用采用，可，可由于交

26、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，。功能材料功能材料正在研究的正在研究的有：有：自诊断技术；自诊断技术；u可以测量裂纹的可以测量裂纹的自诊断自诊断技术；技术；u可可自诊断技自诊断技术等。术等。 功能材料功能材料用于用于航空、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。功能材料功能材料用于用于，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

27、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。功能材料功能材料制成的制成的，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，。功能材料功能材料如当飞机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。功

28、能材料功能材料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。功能材料功能材料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，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。功能材料功能材料可能是这样的：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

29、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；。功能材料功能材料随着随着的发展，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： 功能材料功能材料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：功能材料功

30、能材料第一层是第一层是，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；功能材料功能材料第二层是第二层是，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。功能材料功能材料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。功能材料功能材料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

31、彩和图案和图案；功能材料功能材料可以可以接收声波、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；可可连接内外通信线路连接内外通信线路。功能材料功能材料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。 功能材料功能材料用用制作的坐椅不仅制作的坐椅不仅将大大将大大，而

32、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。功能材料功能材料如果如果出于美学的考虑出于美学的考虑，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。功能材料功能材料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。功能材料功能材料在卫生间里，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

33、构的卫生间是这样的：功能材料功能材料在洗漱时在洗漱时，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。功能材料功能材料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。功能材料功能材料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

34、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。功能材料功能材料只要和只要和相连接，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 。功能材料功能材料功能材料功能材料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

35、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。 功能材料功能材料，可以，可以、以及各种以及各种，并且有，并且有。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。功能材料功能材料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。 功能材料功能材料、如图所示是一种有效的、如

36、图所示是一种有效的，即，即。功能材料功能材料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。功能材料功能材料、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。功能材料功能材料首先，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

37、使而使癌变区得到萎缩癌变区得到萎缩。 功能材料功能材料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。功能材料功能材料一般说来，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。 功能材料功能材料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。 功能材料功能材料因为，并不是所有的因为，并不是所

38、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。功能材料功能材料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。功能材料功能材料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6060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100100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。

39、 功能材料功能材料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。功能材料功能材料采用采用、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。 功能材

40、料功能材料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。功能材料功能材料可用可用和和。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。功能材料功能材料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

41、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。面考虑。功能材料功能材料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。 功能材料功能材料 18.2 18.2 梯度功能材料梯度功能材料o 梯度功能材料及其特点梯度功能材料及其特点 o 热防护梯度功能材料热防护梯度功能材料 o 梯度折射率材料梯度折射率材料 o 梯度功能材料的应用梯度功能材料的应用 功能材料功能材料18.2.1 梯度功能

42、材料及其特点梯度功能材料及其特点概念的提出概念的提出 许多结构件会遇到各种服役条件，因此，要求材料的许多结构件会遇到各种服役条件，因此，要求材料的性能应随构件中的位置而不同性能应随构件中的位置而不同。 例如：例如：菜刀菜刀刃部坚硬；而其它地方具有高强度和韧性。刃部坚硬；而其它地方具有高强度和韧性。 同样地，一个同样地，一个齿轮齿轮轮体必须有好的韧性，而其表面则必须坚轮体必须有好的韧性，而其表面则必须坚硬和耐磨。硬和耐磨。涡轮叶片涡轮叶片的主体必须高强度、高韧性和抗蠕变，的主体必须高强度、高韧性和抗蠕变，而它的外表面必须耐热和抗氧化。而它的外表面必须耐热和抗氧化。 功能材料功能材料 航空航天事业

43、的快速发展，对材料的机械性能提出航空航天事业的快速发展，对材料的机械性能提出越来越苛刻的要求。越来越苛刻的要求。例如，当例如，当航天飞机航天飞机往返大气层，飞行速度超过往返大气层，飞行速度超过25马赫兹马赫兹时，其时，其表面温度高达表面温度高达2000。而燃烧室的温度更高，燃烧气体温度。而燃烧室的温度更高，燃烧气体温度可超过可超过2000，燃烧室的热流量大于，燃烧室的热流量大于5MWrn2，其空气入，其空气入口的前端热通量达口的前端热通量达50MWm2，对如此巨大热量必须采取，对如此巨大热量必须采取冷却的措施，因此燃烧室壁内外温差大于冷却的措施，因此燃烧室壁内外温差大于1000。功能材料功能材

44、料 传统的传统的金属材料金属材料难以满足这种苛刻的使用环境，而金属难以满足这种苛刻的使用环境，而金属表面陶瓷涂层材料或金属与陶瓷表面陶瓷涂层材料或金属与陶瓷复合材料复合材料在此高温环境中使在此高温环境中使用时，由于二者的用时，由于二者的热膨胀系数热膨胀系数相差较大，往往在金属和陶瓷相差较大，往往在金属和陶瓷的界面处产生较大的热应力，导致出现的界面处产生较大的热应力，导致出现剥落或龟裂剥落或龟裂现象而使现象而使材料失效。材料失效。 构件中材料成分和性能的突然变化常常会导致明显的构件中材料成分和性能的突然变化常常会导致明显的局部局部应力集中应力集中。 如果材料逐步过渡，应力集中就会大大降如果材料逐

45、步过渡，应力集中就会大大降低。低。功能材料功能材料 为了有效解决此类耐热材料，日本学者新野正之、平为了有效解决此类耐热材料，日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三等人于井敏雄和渡边龙三等人于1987年首次提出了金属和超耐年首次提出了金属和超耐热陶瓷梯度化结合这一新奇想法，即梯度功能材料热陶瓷梯度化结合这一新奇想法，即梯度功能材料(FGM)的新概念。的新概念。梯度功能材料梯度功能材料(functionally gradient materials，缩写，缩写FGM) 是两种或多种材料复合成组分和结构呈是两种或多种材料复合成组分和结构呈连续梯度变化连续梯度变化的的一种新型复合材料；它的设计要求功能、

46、性能随机件内部一种新型复合材料；它的设计要求功能、性能随机件内部位置的变化而变化，通过优化构件的整体性能而得以满足。位置的变化而变化，通过优化构件的整体性能而得以满足。功能材料功能材料18.218.2.2 .2 梯度功能材料的特点与分类梯度功能材料的特点与分类 （一）（一） 主要特征：主要特征： () 材料的组分和结构呈连续梯度变化。材料的组分和结构呈连续梯度变化。 () 材料内部没有明显的界面。材料内部没有明显的界面。 () 材料的性质也相应呈连续梯度变化。材料的性质也相应呈连续梯度变化。功能材料功能材料表表18-1 梯度功能材料与混杂材料和复合材料的比较梯度功能材料与混杂材料和复合材料的比

47、较 梯度功能材料是一种集各种梯度功能材料是一种集各种组分组分(如金属、陶瓷、纤维、如金属、陶瓷、纤维、聚合物等聚合物等)、结构、物性参数和物理、结构、物性参数和物理、化学、生物化学、生物等单一或综等单一或综合性能都呈连续变化，以适应不同环境，实现某一特殊功能的合性能都呈连续变化，以适应不同环境，实现某一特殊功能的一类新型材料。一类新型材料。 功能材料功能材料梯度功能材料能够以几种方式来改善一个构件的梯度功能材料能够以几种方式来改善一个构件的热机械特征热机械特征： () 热应力热应力值可减至最小，而且适宜地控制热应力达到峰值可减至最小，而且适宜地控制热应力达到峰值的临界位置；值的临界位置； ()

48、 对于一给定的热机械载荷作用推迟对于一给定的热机械载荷作用推迟塑性屈服和失效塑性屈服和失效的发生；的发生； () 抑制自由边界与界面交接处的严重的应力集中和奇异抑制自由边界与界面交接处的严重的应力集中和奇异性；性； () 与突变的界面相比，可以通过在成分中引入连续的或与突变的界面相比，可以通过在成分中引入连续的或逐级的梯度来提高不同固体逐级的梯度来提高不同固体(如金属和陶瓷如金属和陶瓷)之间的之间的界面结合界面结合强度；强度； 功能材料功能材料 () 可以通过对界面的力学性能梯度进行调整来降低可以通过对界面的力学性能梯度进行调整来降低裂纹裂纹沿着或穿过一个界面扩展的驱动力；沿着或穿过一个界面扩

49、展的驱动力； () 通过逐级的或连续的梯度可以方便地在通过逐级的或连续的梯度可以方便地在延性基底延性基底上沉上沉积厚的积厚的脆性涂层脆性涂层(厚度一般大于厚度一般大于1mm)； () 通过调整表面层成分中的梯度，可消除表面锐利压通过调整表面层成分中的梯度，可消除表面锐利压痕根部的奇异场，或改变压痕周围的痕根部的奇异场，或改变压痕周围的塑性变形特征塑性变形特征。功能材料功能材料（二）梯度功能材料分类（二）梯度功能材料分类 1.组合方式上：组合方式上： 金属陶瓷、金属非金属、陶瓷陶瓷、陶瓷非金金属陶瓷、金属非金属、陶瓷陶瓷、陶瓷非金属以及非金属塑料等多种结合方式；属以及非金属塑料等多种结合方式；

50、功能材料功能材料 2.组成变化上：组成变化上： 梯度功能整体型梯度功能整体型(组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料料)，梯度功能，梯度功能涂履型涂履型(在基体材料上形成组成渐变的涂层在基体材料上形成组成渐变的涂层)和梯度和梯度功能功能连接型连接型(粘接两个基体间的接缝组成呈梯度变化粘接两个基体间的接缝组成呈梯度变化)； 3.功能上：功能上： 热防护梯度功能材料和梯度折射率材料等。热防护梯度功能材料和梯度折射率材料等。 功能材料功能材料18.2.3 梯度功能材料的制备方法梯度功能材料的制备方法 图图18-1 制作制作方法的分类方法的分类 功能材料功能材料1.

51、气相沉积法气相沉积法 分为：物理气相沉积分为：物理气相沉积(PVD)(PVD)法、化学气相沉积法、化学气相沉积(CVD)(CVD)法和物理法和物理- -化学气相沉积化学气相沉积(PVD-CVD)(PVD-CVD)法，法， 优点：不用烧结，沉积层致密牢固，组成可连续优点：不用烧结，沉积层致密牢固，组成可连续变化。变化。功能材料功能材料a.a.物理气相沉积法物理气相沉积法(PVD) 通过加热等通过加热等物理方法物理方法使源物质使源物质(如金属等如金属等)蒸发，蒸发，进而使蒸气沉积在基体上成膜。进而使蒸气沉积在基体上成膜。特点：特点：可以制得多层不同物质的膜，但用该法制得的膜较可以制得多层不同物质的

52、膜，但用该法制得的膜较薄，且每层膜只能是某种物质。薄，且每层膜只能是某种物质。功能材料功能材料b.b.化学气相沉积法化学气相沉积法(CVD) 通过两种气相物质在反应器中均匀混合，在一定通过两种气相物质在反应器中均匀混合，在一定的条件下发生的条件下发生化学反应化学反应，使生成的固相物质在基板上沉，使生成的固相物质在基板上沉积。积。特点：特点：可以通过选择合成温度，调节原料气的流量和压力等来可以通过选择合成温度，调节原料气的流量和压力等来控制控制FGM各成分的组分比和结构，而且可镀复杂形状的表面材各成分的组分比和结构，而且可镀复杂形状的表面材料，沉积面光滑致密，沉积率高，因而成为制备复杂结构的料，

53、沉积面光滑致密，沉积率高，因而成为制备复杂结构的FGM的表观涂层关键技术之一。的表观涂层关键技术之一。功能材料功能材料c.c.物理物理-化学气相沉积化学气相沉积 (PVD-CVD) 综合了综合了PVD法和法和CVD法的优点。法的优点。CVD法的沉积法的沉积温度一般高于温度一般高于 PVD法的沉积温度，故在基体的法的沉积温度，故在基体的低温低温侧采用侧采用PVD法，高温侧采用法，高温侧采用CVD法法。 例如：例如：TiTiC、TiTiN、TiTiAlN和和SiCCTiC等等 功能材料功能材料2.等离子喷涂法等离子喷涂法基本原理：基本原理： 使用使用粉末状物质粉末状物质作为喷涂材料，以氮气、氩气等

54、作为喷涂材料，以氮气、氩气等气体气体为为载体，吹入等离子射流中，粉末在被加热熔融后进一步加速，载体，吹入等离子射流中，粉末在被加热熔融后进一步加速，以极高速度以极高速度冲撞冲撞在基材表面形成涂层。在基材表面形成涂层。关键：精确控制组分比、喷涂关键：精确控制组分比、喷涂压力压力、喷涂、喷涂速度速度和喷涂颗粒的和喷涂颗粒的粒度粒度等参数，以调整等参数，以调整FGMFGM的组织结构和成分。的组织结构和成分。要求：材料不能分解要求：材料不能分解功能材料功能材料 等离子体放电烧结（等离子体放电烧结（SPSSPS） 是日本最近几年开发的一种是日本最近几年开发的一种新型陶瓷烧结工艺技术。新型陶瓷烧结工艺技术

55、。 SPSSPS法具有内部加热和快速升温特点，可用于需要抑制晶粒法具有内部加热和快速升温特点，可用于需要抑制晶粒生长的烧结，也可以通过模具设计生长的烧结，也可以通过模具设计 来实现温度梯度，从而来实现温度梯度，从而满足梯度功能材料烧结工艺的需要。满足梯度功能材料烧结工艺的需要。 利用利用SPSSPS法来烧结法来烧结SiSi3 3N N4 4、 SiCSiC、AlAl2 2O O3 3、ZrOZrO2 2陶瓷和陶瓷和Ti-Al Ti-Al 系系金属间化合物等。金属间化合物等。 东北大学已利用东北大学已利用SPSSPS烧烧 结成功地制备了结成功地制备了金属金属陶瓷系和高分子陶瓷系和高分子陶瓷系梯度

56、功能材料。陶瓷系梯度功能材料。 功能材料功能材料3.自蔓延高温合成法自蔓延高温合成法基本原理：基本原理： 将金属粉末和陶瓷粉末按梯度化填充，将金属粉末和陶瓷粉末按梯度化填充，加压加压压实，从成压实，从成形体的一端点火燃烧，反应自行向另一端传播，利用粉末状混形体的一端点火燃烧，反应自行向另一端传播，利用粉末状混合物间化学反应产生的热量和反应的自传播性，使材料合物间化学反应产生的热量和反应的自传播性，使材料烧结烧结和和合成。合成。功能材料功能材料特点：利用高放热反应的能量使化学反应自动持续下去，最特点：利用高放热反应的能量使化学反应自动持续下去，最适合于生成热大的化合物的合成，如适合于生成热大的化

57、合物的合成，如AlN、TiC、TiB2等等 优点：优点：操作过程简单，反应迅速，能耗低，纯度高操作过程简单，反应迅速，能耗低，纯度高缺点：材料致密度低缺点：材料致密度低功能材料功能材料改进：改进：( (提高密度提高密度) ) 电磁加压电磁加压自蔓延技术合成自蔓延技术合成TiB2Cu系梯度功能材料；系梯度功能材料； 自蔓延和自蔓延和热等静压热等静压相结合，研制了成分为相结合，研制了成分为TiCTiC+10Ni/ TiC +20NiTiC+30Ni 的的大型梯度功能大型梯度功能TiCNi材料；材料； 爆炸爆炸压实生坯和自蔓延高温合成技术制备了压实生坯和自蔓延高温合成技术制备了A1A12 2O O3

58、 3TiTi系梯系梯度功能材料（理论密度从度功能材料（理论密度从82829494 ） 功能材料功能材料4.颗粒梯度排列法颗粒梯度排列法优点：比较适合制备大体积的梯度材料，优点：比较适合制备大体积的梯度材料，缺点：工艺比较复杂，制品有一定的孔隙率，尺寸缺点：工艺比较复杂，制品有一定的孔隙率，尺寸受模具限制。受模具限制。功能材料功能材料a.a.颗粒直接填充法：颗粒直接填充法： 将金属、陶瓷或晶须等的粒子将金属、陶瓷或晶须等的粒子(粒度约为粒度约为0.1微米至几微米至几十微米十微米)，按一定的梯度分布直接填充到模具中经过加压、，按一定的梯度分布直接填充到模具中经过加压、烧结而成；烧结而成；b.b.薄

59、膜叠层法：薄膜叠层法： 将金属和陶瓷粉末掺入微量胶粘剂、分散剂等，用振将金属和陶瓷粉末掺入微量胶粘剂、分散剂等，用振动磨制成泥浆，并脱除气泡压成薄膜，然后将这些不同成动磨制成泥浆，并脱除气泡压成薄膜，然后将这些不同成分和结构的薄膜进行叠层、烧结。分和结构的薄膜进行叠层、烧结。 功能材料功能材料18.2.4 梯度功能材料的应用梯度功能材料的应用 高强度耐热材料高强度耐热材料 梯度折射光学材料梯度折射光学材料 生物医学材料生物医学材料 电子材料电子材料 功能材料功能材料功能材料功能材料功能材料功能材料功能材料功能材料18.3 功功 能能 复复 合合 材材 料料功能材料功能材料2022-6-16功能

60、复合材料157功能材料功能材料功能材料功能材料是指除是指除以外以外而提而提供供的复合材料，如的复合材料，如、等功能复合材料。等功能复合材料。功能材料功能材料主要由主要由一种或多种一种或多种和和组成。组成。18.3.2 功能复合材料的设计功能复合材料的设计18.3.2.1 功能复合材料的设计原则功能复合材料的设计原则柔韧性磁体：柔韧性磁体：u磁粉磁粉 功能体功能体u橡胶和塑料橡胶和塑料 基体基体 黏结和赋形作用，黏结和赋形作用，并同时改善材料的物理机械性能并同时改善材料的物理机械性能功能材料功能材料在在中，其中，其功能功能性质性质虽然由虽然由功能体功能体提供，但提供，但基体基体不仅起到不仅起到，