材料科学与工程-智能材料课件

1、智能材料 Intelligent Materials材料科学与工程前沿之智能材料美国太空探索技术公司SpaceX首次成功回收“猎鹰9号”火箭2015年12月21日晚从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空，发射10分钟后一级火箭成功着陆地面平台首次实现安全回收；2016年4月8日实现海上平台一级火箭回收；2016年5月6日再次实现海上平台一级火箭回收；意义：造价高昂的火箭自此摆脱“一次性”用品角色，从而大幅缩减太空旅行花销，预期发射成本将降低99%。可重复使用的火箭有助于人类实现前往火星的载人任务，搭载登陆火星的宇航员重返地球。智能材料在航空航天飞行器安全监测中的应用DC-XA：美国麦道公司实

2、验型空间飞行器。垂直起降，可重复使用，1993年首飞。智能材料的发展历史 在同一时期，在日本也开展了空间结构震动控制的研究。并提出智能材料（intelligent materials）是21世纪材料发展的方向之一。 1970年代McDonnell-Douglas公司在机翼上埋设光纤及神经网络系统，从而实现了对机翼从生产制造到服役操作整个寿命期间的实时监控。由此，“smart”一词广为应用。 在八十年代初，美国NASA就空间结构用主动控制减振框架的结构进行了研究。天然气管道的事故往往造成重大损失。智能材料在石油及天然气管道的安全监测领域将发挥重要的作用。 以激光武器为代表的未来空天军“杀手锏”武

3、器需要智能材料进行超静度隔振、致稳，高精度定位、瞄准。 安静型潜艇智能减振技术、第五代战斗机的智能蒙皮和微小型飞行器的飞行驱动结构等都依赖于智能材料的关键基础问题的解决。 智能材料是近年来提出的一类新型材料。 它可以具有类似于生物体反应的机能，既有感知,又有驱动的功能,有的本身就可以构成一个智能系统,有的需要加入反馈，才能构成一个完整的智能系统。智能材料是今后新材料发展的热点之一。 摘自 师昌绪主编材料大辞典智能材料的学术研究情况主要学术会议：SPIE- Smart materials and structures（美国）International Conference on Smart ma

4、terials and Nanotechnology in Engineering （源于中国2007）中国材料大会（原中国材料研讨会）智能材料分会主要学术期刊Journal of Intelligent Materials System and Structures (SCI, England, 1990)Smart Materials and Structures (SCI, England, 1992)Smart Structures and Systems (SCI, South Korea, 2005 )International Journal of Smart and Nano

5、materials （England, 2010）Smart materials research (Egypt, 2011)智能材料名称的演变自适应材料与结构（Adaptive materials and structures）机敏材料（Smart materials ）机敏材料与结构（Smart materials and structures）智能材料与结构（Intelligent materials andstructures）智能材料系统（Intelligent materials systems）智能材料材料自适应 (self-adaptive)材料自适应：对环境变化因素自发做出的

6、适应性反应。变色眼镜机理：材料对外场信号的反应具有感知和传递功能的材料一个智能材料系统的工作示意图 功 能材 料现象和机制热力双金属片热胀冷缩形状记忆合金形状记忆效应光力光敏凝胶光致溶涨电力电致伸缩材料电致伸缩效应压电材料逆压电效应电流变体电场极化流体粒子电活性凝胶电场迁移离子磁力磁致伸缩材料磁致伸缩效应磁驱动记忆合金磁致变体重排或相变化学力智能高分子凝胶化学信号刺激收缩或溶涨部分具备输出力功能的材料具有感知和执行功能的智能材料形状记忆材料磁致伸缩材料压电材料电致伸缩陶瓷电（磁）流变体光纤材料智能高分子材料形状记忆材料形状记忆合金：TiNi、Ni2MnGa形状记忆陶瓷：ZrO2 形状记忆高分子

7、：苯乙烯/丁二烯共聚物形状记忆合金用于飞行器控制 形状记忆合金智能机翼磁致伸缩材料磁致伸缩：磁性材料在磁场中磁化时，它沿磁场方向的长度发生伸长和缩短，这一现象称为磁致伸缩。可实现电/磁能和机械能之间的转换。磁致伸缩材料：金属系： (s:307010-6) Ni-Fe铁氧体系： (s:306010-6) Ni-Co铁氧体稀土化合物系： (s:100250010-6) TbDyFe合金（超磁致伸缩材料）超磁致伸缩材料 TbDyFe合金定向凝固TbDyFe合金超磁致伸缩合金作动器超磁致伸缩TbDyFe材料的广泛应用均通过作动器来实现其功能。水下发射型声纳是稀土超磁致伸缩材料最早和最重要的应用，主要用

8、于水下通讯、探测、侦察、伪装和制导等军事用途，还可用于捕渔、海底测绘、油井井深探测、输油管道堵塞探测等其它用途。超磁致伸缩材料应用压电材料正压电效应：在某些特定方向上对压电晶体加力时，在与力方向垂直的平面内出现正负束缚电荷的现象。压电材料如果把电场加到压电晶体上，则晶体在电场作用下产生应变，称为逆压电效应。压电陶瓷：钙钛矿型铁电体BaTiO3电致伸缩效应： 电介质在电场作用下产生的应变与电场强度的平方成反比。Pd(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PZN-PT)电致伸缩陶瓷PZT等陶瓷的电致伸缩曲线压电陶瓷材料和产品压电陶瓷马达利用压电传感器对1/2缩比F/A 18模型的复合材料脱层及

9、螺钉缺失的监测电流变体电流变液（ER流体）：由高介电常数、低电导率的电介质颗粒分散在低介电常数的绝缘液体中形成的悬浮体系，可以对电场做出反应。在电场作用下颗粒自发极化，产生静电引力使颗粒排成链状或柱状结构，流体由液态转为固态，电场减弱或消失，则恢复到初始状态。电流变体驱动器 FORD公司电流变阻尼器应用于汽车悬挂系统主动控振、刹车系统 我国采用Lord公司开发的磁流变体阻尼器，成功解决了岳阳洞庭湖大桥桥索的风雨振问题。磁流变体阻尼器在重大工程中的应用光纤材料光纤材料的智能化应用应变和温度测量；复合材料固化监测；损伤评估；建筑结构安全监测。损伤评估传感技术应用于重要建筑的长期健康监测。光纤材料光

10、纤材料地面光纤警戒系统： 对压力信号敏感全天候隐蔽性好可靠性高智能高分子智能高分子：对物理和化学刺激产生响应，如形状或物理性质发生改变的高分子材料。智能凝胶智能高分子智能调光材料透光性受到温度的控制部分相容共混物的溶解度随温度变化：温度升高时发生相分离从而使光散射出现白浊化智能材料的研究方向智能材料系统概念设计的仿生学理论研究耗散结构理论应用于智能材料系统的研究机敏材料的复合集成原理及设计理论智能结构集成的非线性理论仿人智能控制理论（智能结构）仿 生 学 基 础耗 散 理 论机 敏 材 料智能材料系统非线性性能智能材料的研究框架系统概念设计的仿生学理论研究仿生学：模仿生物的特殊本领的一门科学。

11、仿生学籍了解生物的结构和功能原理，来研制新的机械和新技术，或解决机械技术的难题。观察、研究和模拟自然界生物的结构、原理、行为、各种器官功能、体内的物理和化学过程、能量的供给、记忆与传递等，为科学技术中利用这些原理，提供新的设计思想、工作原理和系统架构的技术科学潜水艇沉浮鱼鳔红外制导导弹响尾蛇手 掌避免皮肤受损劳动中与工具摩擦生成老茧 铝保护基体避免进一步损伤遇腐蚀或损伤表面形成钝化膜环 境系 统材 料生物体自适应系统概念设计的仿生学理论生物体与智能系统的对比环境感知器执行器输入中枢神经系统 处 理处理器 存 储信 息输出 生物体 智能系统系统概念设计的仿生学理论从骨愈合到具有自修复功能的水泥机

12、敏材料的仿生启示 系统概念设计的仿生学理论材料智能内禀特性及智商评价体系的研究生物体是通过感知器官、神经系统和各种执行、输出器官实现其智能过程。将材料内禀功能特性与生物体功能的机理相对比，研究后者的过程，以便实现前者功能的设计和改性。基于以上对材科智能内禀特性的研究，借鉴对人类智商的评价方法，以材料对环境变化的频率、强度、寿命、准确程度等为指标，建立一套评价材料智商的科学方法，对各类相关机敏材料的智商进行评价，为智能材料系统的建立提供材料学的基本数据。不同结构的智商智能内禀特性及智商评价体系不同材料的机敏度智能内禀特性及智商评价体系耗散结构（dissipative structure）理论（P

13、rigogine教授于1970年提出，获得了诺贝尔奖）：一个开放体系与外界环境存在着物质和能量的交换，从而维持在一种非平衡的有序状态。生命体系是一个开放体系，与外界环境存在着能量、物质和信息的交换，它遵循着与孤立的非生命体系不同的规律。长期以来，人们一直将材料当作孤立的个体来看待，认为它与外界没有物质和能量的交换。因此它没有类似于生物体那样的新陈代谢功能。从耗散结构的观点来审视材料，就会发现耗散结构理论为我们展示一条材料仿生新途径。耗散结构理论应用于智能材料系统耗散结构理论应用于智能材料系统的研究生物的生长与生存过程中，不断地同环境交换物质和能量而使自身有序态得到不断更新，以实现诸如自诊断、自

14、愈合、自适应、自繁殖等功能，生物体依赖于这种非平衡态下的物质能量交换实现正常的新陈代谢，这种非平衡状态下物质和能量的交换的过程构成了耗散结构。从仿生学原理和耗散结构理论出发，考虑材料系统的新陈代谢功能，在材料系统的使用过程中进行能量和物质的交换，使其具有自适应和自修复能力，这就是将材料系统作为一个“活”的耗散结构系统，使材料学家自觉地运用相关的理论，启发思路，提高材料的环境适应性并延长其使用寿命。入射波反射波入射波入射波透射波透射波0入射深度微波强度材料类型穿透深度加热特性良导体基本全反射不能加热绝缘体基本全透射不易加热损耗介质部分全部吸收容易加热微波强度随入射深度的变化微波强度随入射深度的变

15、化微波强度随入射深度的变化微波的选择性吸收情况耗散结构理论应用于智能材料系统裂纹的相对长度与微波热处理温度之间的关系微波加热处理对有预制裂纹的碳化硅复合氧化铝陶瓷的强度的修复作用耗散结构理论应用于智能材料系统机敏材料的复合集成原理及设计理论异质材料复合的原理及设计：对异质材料复合的界面结构、能量传递及物质传输的动力学进行理论和实验研究，并在宏观、介观及微观等层次对异质结构材料进行优化设计，给出异质材料复合及设计的一般性准则。外场物理量对传感过程的影响机理：研究分布式及准分布式应变与温度同时传感的机理及多传感器复用技术。研究与建立由机敏材料集成的执行器的力学性能与相关物理量 (热、电、磁、光)之

16、间的本构关系：在外载及环境作用下执行器的性能劣化、损伤、失稳、疲劳、寿命及失效，为在智能材料系统与结构中的安全使用提供可靠数据。机敏材料的设计可以借鉴复合材料的复合准则复合度参与复合各组元的体积或质量分数联接方式复合系统中各个组元在三维空间中互相联接的形式对称性功能复合材料组分在空间几何布局上的特征 尺度活性功能组分的空间线度大小周期性复合材料组元几何分布的周期特征机敏材料的复合集成原理及设计理论纤维在基体中的几种分布方式机敏材料的复合集成原理及设计理论机敏材料的复合集成原理及设计理论压电陶瓷/聚合物复合材料的联接方式复合效应：线性与非线性效应 如乘积效应，乘积效应是在复合材料两组分之间产生可

17、用乘积关系表达的协同作用。机敏材料的复合集成原理及设计理论压力/电场电场/发光压力/发光复合材料可以用作压力过载指示器。机敏材料的复合集成原理及设计理论本构关系是智能材料系统设计和应用的基础智能结构集成的非线性理论与生物体类似，具有非线性性质是智能材料系统的根本特征，因此，在传感器、执行器和控制器集成为智能材料系统过程中，必将产生许多新的非线性科学问题，特别是耦合场下的非线性科学问题。重点研究：在电、磁、热、弹性等场耦合作用下的各类动、静态变分原理，为建立非线性的运动方程，研究运动、变形等响应与集成元件性能、尺寸、涂层、配置、方向和界面之间关系，为传感器、执行器阵列的优化设计提供理论依据。智能材料的非线性特性形状记忆合金的超弹性、形状记忆效应和回复力特性磁致伸缩材料磁致应变与磁场和应力的关系仿人智能控制理论模拟人脑的宏观结构功能和人控制器的行为功能相结合，从分层递阶智能控制的最低层次着手，直接对人的控制经验、技巧和各种直觉推理逻辑进行测辨、概括和总结，编制各种能实时在线运行的控制算法。研究分层信息处理及决策机构(高阶产生式系统结构)；在线特征辨识