智能化材料自我总结

第一章机敏材料与智能结构一、智能材料的概念智能材料结构又称机敏结构（Smart/IntelligentMaterialsandStructure)泛指将传感器和驱动器以及有关的信号处理和控制电路k不能。能进行自诊断、自适应、自学习、自修理的材料结构智能材料指的是那些对使用环境敏感而且能对环境变化作出灵活反智能材料是一类集传感、控制、驱动(执行)二、智能材料的分类1、将传感器集成在材料中构成被动机敏结构。能够监测自身的状态（损伤，变形，振动）2、在被动机敏结构中集成驱动器就形成主动机敏结构（不仅能够感知，还能够修正自身满足多种要求）3、主动机敏结构中引入以神经网络为基础的自学习系统，构成智能材料系统（具有广泛的适应性，学习经验等）三、基础智能材料的研究形状记忆基础智能材料压电基础智能材料电磁流变液基础智能材料磁致伸缩基础智能材料.智能凝胶材料聚合物基“人工肌肉自组装基础智能材料光纤基础智能材四、国外研究特点 ：1.十分重视对基本规律、特性、机理以及模拟计算方法等的研究，并且认为这是推进智能结构发展的关键。2..基础研究与工程实际应用问题相结合，而且两者平行地进行3叉进行研究。五、应用前景军事智能蒙皮减振降噪自主飞行监控工程应用结构健康监测和寿命预测自诊断智能结构实时测量汽车、船舶、土木工程和医学领域航空航天领域的应用、航空航天领域的应用形状控制损伤探测与修复振动控制分离机构飞行器上的应用数据通讯六、未来研究方向()智能结构中传感器与致动器的性能稳定性及其控制算法,智能结构的静动态的响应及其非线性动态过程与稳定性(慢变与时滞过程)的研究.七、需要解决的问题高寿命的致动器材料融合的光纤传感器；③研制高性能可植入基体材料中的微型电子器件④进行深入结构的控制方法研究⑤继续进行集成方法研究⑥智能材料与结构的设计、制造、数据库、可靠性等研究第二章智能材料系统的功能机敏材料本章小结如模仿蜻蜓制造飞机等。各种功能的“活”的材料。更集中、效率更高并具有生物特征的机械称为仿生机械。智能结构工作机理。一、智能结构工作机理体系，集传感器、驱动器（执行器、控制器及主结构于一体。传感器可以把结构的应变或位移转化为电信息输出。二、智能材料的本构方程三、传感器的定义三、传感器的定义：定义：将一种物理变量转变成另一种更合适的物理变量。本质：能量的转换非结构应力引起的应变是结构具有驱动/传感功能的基础可以推测智能结构的本构关系，存在结构特性与电、磁、热、光、声等特殊的耦合关系。四、几种自然效应电阻应变效应电阻定律压电材料的压电效应束缚电荷，其电荷密度与外力成正比。生形变。光导纤维——利用全反射原理光纤传感器的工作原理光调制技术是光纤传感器的关键技术。强度调制光纤传感器干涉型光纤传感器.形状记忆合金时只要将它置于某一特定的温度条件下，就可恢复到原来的形状。6.电流变液在外加电场时，它会在数毫秒（千分之一秒）间由液体变为固体电流消失，则在瞬间回复液态电流变液的原理在沒有外加电场下,电流变液呈粘性液体状态。施加电场后,分子随着电场方向两极化。电场消失后分子重新排列,回复原状。7.磁致伸缩现象形式上分：线性磁致伸缩：长度变化体积磁致伸缩：体积变化（很小，少用）机理上分：自发磁致伸缩场致磁致伸缩（通常所说的磁致伸缩）8.磁流变材料8.磁流变材料在零磁场条件下悬浮液呈现出低黏度的牛顿流体特性；在强磁场作用下，则呈现出高黏度、低流动性的Bingham体特性。磁流变液在磁强度具有稳定的对应关系。碳纤维碳纤维近于完整分子结构的碳长练结构的纤维材料。CF及特殊结构形式的最大应变传感器。CF已经被开发成响应灵敏的红外传感器。CF电感式传感器电容传感器磁电式传感器金属热电阻的测温光电式传感器1.霍尔效应（磁场电信号）霍尔效应美国）：将通电的金属或半导体置于磁场中会产生电动势或电阻的改变。生物传感器生物传感器（Biosensor）是利用某些生物活性物质所具有的高度选择性，来识别待测生物化学物质的一类传感器。生物传感器将生物体活性成分（DNA、受体等）或生物体本身（组织、细胞、细胞器）18.生物传感器的分类•酶传感器•微生物传感器•组织传感器 组织传感器是以动植物组织薄片材料作为生物敏 膜并利用酶组为反应催化剂的生物传感器，也称组织电极。•细胞传感器•免疫传感器免疫传感器是利用抗体对抗原的识别和结合功能，高选择性地测定蛋白质、多糖类等高分子化合物的传感器。五、材料仿生与智能材料仿生机械高并具有生物特征的机械称为仿生机械。仿生机械学实用化。仿生机械研究主要领域☆仿生机械学的主要研究课题有拟人型机械手、步行机、假肢，以及模仿鸟类、昆虫和鱼类等生物的各种机械。☆为了提高移动机械对环境的适应性，扩大人类在海底、北极、矿机能、运动和姿体稳定控制等是研究步行机的关键。第三章智能结构系统的压电功能材料Featuresof Piezoelectrics：Couplingbetweenmechanicalandelectricfieldorsimplysayelectro-mechanicalcoupling.ProsLightweight(Highforce-to-weight LowerpowerconsumptionEasyimplementation(integration)Largebandwidth(awiderangeofactuatorfrequency)LowcostsFastresponseActuatorandsensorMuchmoresensitivethanthestraingagePredominantlylinearresponseConsLowstrains(stroke)(maximumstrain,0.1–0.1%)Requirelargeelectricfields(0.–2.0kV/mm)Piezoelectricceramicsarebrittle–poorloadcarryingcapabilityHystereticresponseifV>2kV/cmPVDFfilm–moreflexiblePolarizationofPiezoelectricsBeforepolarization,theelectricdipolesexhibitarandomorientationinthematerialThePiezoelectricsarepoledunderdcfield(2KV/mm)aboveCurietemperatureDuring poling process, the piezo elongates in the contractsinthetransversedir.Afterpoling(whenthematerialiscooled),thepiezosretainthealignmentofelectricdiploes()Pisdefinedasthepolingdirection(polarizationvector)wherepointsfromthenegativechargetothepositivecharge1-DGoverningequationsforPiezoelectrics(MechanicalStrain)3-DStackedPiezoTransducers(Continued)Assumptions:ThethicknessofelectrodesisverysmallandcanbeneglectedAllstrainsexcept zarezeroAllstressesexcept arezeroTheappliedelectricfieldisinthe“z”direction,Ez0TheonlynonzeroelectricdisplacementisDz第四章智能金属材料及形状记忆智能材料智能金属材料：具有自检知、自判断、自行动功能及能够对变形、振动、损伤等进行适当地控制的金属材料三大功能:激因素（温度、应力、电磁场等）的敏感性。并予以校正。智能金属材料的自预警和自修复自预警功能：属于自行动功能。当材料有损伤时，材料会发出诸如色变、发热、声波、电磁异常等信号。自修复功能：材料通过自身内部结构的调整来适应刺激因素的变化。3.智能金属材料应用：和降低油耗智能旋翼结构-——减小直升机旋翼的振幅和扭曲明显优于有舵面飞机。智能恒温控制技术形状记忆合金(ShapeMemoryAlloy,SMA):具有形状记忆效应的合金目前使用较多的：NiTi，Cu-Zn-Al,Cu-Al-Ni,Co-Ni-Al。形状记忆本质：热弹性马氏体相变马氏体相变中的高温相称为奥氏体相(A)或母相；低温相称为马氏体相(M)；从奥氏体相到马氏体相的相变叫马氏体相变；从马氏体相到奥氏体相的相变叫马氏体逆相变。只发生在有热弹性马氏体相变的合金中。温度诱发马氏体相变MsMfAsAf在自由状态下，若初始处于奥氏体状态，随着温度下降至Ms，马氏体相开始形成，直到Mf温度时，马氏体相变才终止，称为马氏体相变。同样，温度上升到As温度时，奥氏体相开始形成，直至Af温度，逆转变才完成，全部为奥氏体相，叫做马氏体逆相变(1)马氏体重定向

1.21.0t 0.8aF0.6 冷却T<Mf，形状记忆合金处于100%马氏体状is态，M

0.4 加热0.2进行等温加载，从而引起马氏体变体边界相互0-0.2M M A Af s s fTemperature加热迁移是马氏体重定向，从而引起非弹性应变，加热sr当加热到T>Af时，使变形恢复。 (2)形状记忆效应(shape-memoryeffect）StrainMf<T<Af，进行等温加载，发生马氏体相变，引起非弹性应变，卸载后非弹性应变保持不变，sr当加热时，变形能恢复。 (3)伪弹性（Pseudoelasticity）当温度T>Af时，进行等温加载，发生马氏体

加热Strain相变，有明显的非弹性应变。卸载后，发生马氏体s。伪弹性和形状记忆效应本质上是同一现象，区别是，伪弹性是在应力解除后产生马氏体逆相变使形状回复到母相状态，而形状记忆效应是通过加热产生逆相变回复到母相形状记忆合金的应力应变关系表现出明显的非线性，与相变密切相关。.形状记忆效应原理：马氏体相变过程中，当具有较高对称性的奥氏体相（晶体结构为体心立方的B2结构）降低温度转变为低对称性的马氏体相（晶体结构为B19单斜结构）时，在母相内会生成许多惯习面指数不同，但在晶体学上等价的马氏体，称为马氏体变体，马氏体变体一

Strain般是24个。发生切变变形。马氏体相变过程中，当具有较高对称性的奥氏体相（晶体结构为体心立方的B2结构）降低温度转变为低对称性的马氏体相（结构为B19单斜结构24个。发生切变变形。凹凸。但是，作为整体，在相变前后其形状并不发生改变，这是因为若干个马氏体变体组成菱形状片群，或组成三角锥状片群，他们互相抵消了生成时的形状变化，这样的马氏体生成方式叫做自协作。原理：若初始为母相→冷却到Mf同的马氏体变体(这里只表示了两种取相的变体)→施加外部应力，经过这样形变的合金被加热到Af以上将发生逆相变，并返回到原来母相的形状。应用形状记忆合金的伪弹性效应以及应力诱发马氏体相变过程中会消耗大量的能量，因此可以应用形状记忆合金改善复合材料的冲击性性刚度的可调节性设计智能阻尼复合材料。或关闭供水管道，避免烫伤。温控元件现代临床医疗领域:骨折、骨裂所要固的固定钉和接骨板SMA本构关系研究成果：单晶理论本构模型数学本构模型算的参数；适合工程应用。基于热力学的本构关系带有弹塑性理论的本构关系单向应力状态的弹塑性应变理论4.4铁磁形状记忆合金铁磁形状记忆合金具有形状记忆效应和铁磁性，其形状记忆效应除了可由温度、应力控制外，还可以通过磁场进行控制。应用与温控型形状记忆合金相比，铁磁形状记忆合金具有较高的动态响应速度，是温控型形状记忆合金频率响应的80倍，可以满足一般自动控制系统对执行器动态响应速度的要求；铁磁形状记忆合金的变形量是压电陶瓷(PZT)的0~100倍，是超磁致伸缩材料(GMM)的60倍。铁磁形状记忆合金在磁场控制下表现出的大输出应变和应力，以及响应频率快，使其可能在声纳、线性马达、振动和噪声控制、微位移器、微波器件、机器人和智能结构等领域有重要应用，成为未来的新一代驱动器和传感器材料。铁磁性一个磁场。磁性物质有许多这样的电子。()产生铁磁性条件：铁磁体的自发磁化为了使体系的能量减少，铁磁体一般被分为许多小的区域，不料整体对外不显示磁性。磁畴磁矩起因于电子的自旋磁矩。(6)磁晶各向异性：化。称为磁晶各向异性。多孔形状记忆合金到了20世纪80年代，多孔形状记忆合金的开发和理论研究成为新的研究热点，尤其在医用生物材料方面。致密态TiNi合金等弹性模量比人体密质骨和松质骨高得多。植入物多孔NiTi作为骨、