第六章-智能材料

1、第六章 智能材料,Company Logo,内 容,智能材料-结构和概念,智能材料是1989年由日本高木俊宜教授在日本科学技术厅航空、电子等技术评审会上提出的。它是将信息科学融合于材料物性的一种材料新构思。 智能材料：目前还没有统一的定义，但是现有智能材料的多种定义大同小异。大体来说，智能是指具有感知环境(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。智能材料必需具备感知、信息处理和执行功能。 智能材料来源于功能材料，功能材料是智能材料的基础。,Company Logo,智能材料-结构和概念,感知材料：能够感知来自外界或内部的刺激强度及变化(

2、如应力、应变、热、光、电、磁、化学和辐射等)，制成各种传感器。 驱动材料：可根据温度、电场或磁场的变化改变自身的形状、尺寸、位置、刚性、阻尼、内耗或结构等，对环境具有自适应功能，制成各种执行器； 机敏材料：兼具敏感(传感)材料与驱动材料之特征，即同时具有感知与驱动功能的材料。 智能材料：机敏材料和控制系统相结合的产物，集传感、控制和驱动三种职能于一身，是传感材料、驱动材料和控制材料(系统)的有机合成。,Company Logo,智能材料-结构和概念,智能材料的构成 (1) 基体材料：担负着承载的作用，一般宜选用轻质材料。一般基体材料首选高分子材料，其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。 (

3、2) 敏感材料：担负着传感的任务，其主要作用是感知环境变化。常用敏感材料如形状记忆材料、压电材料、磁致伸缩材料、电致变色材料、电流变体等。 (3) 驱动材料：担负着响应和控制的任务。常用有效驱动材料如形状记忆材料、压电材料、电流变体和磁致伸缩材料等。这些材料既是驱动材料又是敏感材料，身兼两职。 (4) 信息处理器：在敏感材料和驱动材料间传递信息的部件，是联系两者的桥梁。,Company Logo,智能材料-结构和概念,智能材料不但可以判断环境，而且还可顺应环境，即智能材料具有应付环境条件的特性，如自己内部诊断，自己修复，自己分解，自己学习， 应付外部刺激自身积极发生变化。 智能材料的内涵 具有

4、感知功能，能够检测并且可以识别外界或内部的刺激强度，如电、光、热、应力、化学、核辐射等； 具有驱动功能，能够响应外界变化； 能够按照设定的方式选择和控制响应； 反应比较灵敏、及时和恰当； 当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。,Company Logo,智能材料-结构和概念,智能材料应具有或部分具有以下生物功能： 1 传感功能：能感知自身所处的环境与条件，如负载、应变、振动、热、光、电、磁、化学、核辐射等的强度变化。 2 反馈功能：通过传感神经网络，对系统的输入和输出信息进行比较，并将结果提供给控制系统，获得理想的功能。 3 信息积累和识别功能：能积累信息，能识别和区分传感网络得到的各种信

5、息，并进行分析和解释。 (4)学习能力和预见性功能：通过对过去经验的收集，对外部刺激作出适当反应，并预见未来采取适当的行动。,Company Logo,智能材料-结构和概念,(5)响应性功能：根据环境变化适时地动态调节自身并作出反应。 (6)自修复功能：通过自生长或原位复合等再生机制来修补某些局部破损。 (7)自诊断功能：能对现在情况和过去情况作比较，对诸如故障及判断失误等问题进行自诊断和校正。 (8)自动动态平衡及自适应功能：根据动态的外部环境条件不断自动调整自身的内部结构，从而改变自已的行为，以一种优化的方式对环境变化作出响应。,Company Logo,智能材料-结构和概念,智能材料按基

6、材分类 金属系智能材料：主要指形状记忆合金材料(SMA)，是一类重要的执行器材料，用其控制振动和结构变形。强度比较大、耐热性好、耐腐蚀性能好，主要用于航空、航天、原子能。工业上能够检测自身的损伤并将其抑制，具有自修复功能。 无机非金属系智能材料：能够局部吸收外力以防材料整体破坏。主要包括压电陶瓷、电致伸缩陶瓷,电(磁)流变体等。 高分子系智能材料：多重亚稳态、多水平结构层次、较弱的分子间作用力，侧链易引入各种官能团，利于感知和判断环境，实现环境响应。,Company Logo,智能材料-结构和概念,人工合成高分子材料的品种多，范围广，其中智能凝胶、药物控制释放体系、压电聚合物、智能膜等是高分子

7、智能材料的重要体现。 纳米分子自组装技术：在合成智能材料方面具有光明的应用前景。例如利用分子识别机制，控制环境，使结构单元排列成超晶格结构，开发新型光子、电子、磁学及非线性光学器件。 自组装：通过较弱的非共价键，如氢键、范德华力或静电引力等将原子、离子、分子、纳米粒子等结构单元连接在一起，自发的形成一种稳定的结构体系的过程。结构单元通过协同作用自发的排列成有序结构，不需借助外力的作用。,Company Logo,智能材料-结构和概念,智能材料是一种集材料与结构、智然处理、执行系统、控制系统和传感系统于一体的复杂的材料体系。它的设计与合成几乎横跨所有的高技术学科领域。 今后的研究重点包括以下六个

8、方面： 智能材料概念设计的仿生学理论研究； 材料智然内禀特性及智商评价体系的研究； 耗散结构理论应用于智能材料的研究； 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；,Company Logo,智能材料-设计,智能材料的设计：通常以功能材料为基础，以仿生学、人工智能及系统控制为指导，依据材料复合的非线性效应，用先进的材料复合技术，将感知材料、驱动材料和基体材料进行复合。 智能材料和器件的研究目前主要有两条技术路线： 1、将传感器、处理器和致动器埋入结构中，通过高度集成制造智能结构，即所谓智能结构。 2、将智能结构中的传感器、致动器、处理器与结构的宏观结合

9、变为在原子、分子层次上的微观“组装”，从而得到更为均匀的物质材料，即所谓智能材料。 创造人工原子并实现其三维任意排列，是人工材料的极限，也是智能材料的最终目标。,Company Logo,智能材料-设计,智能效应的基本原理是物质和场之间的交互作用过程。 智能材料设计的具体过程,Company Logo,智能材料-设计,1、仿生自愈伤水泥基复合材料： a) 模仿生物组织受伤后自动分泌某种物质形成愈伤组织，愈合伤口。将内含黏结剂的空心玻璃纤维或胶囊掺入水泥基材料中，水泥在外力作用下发生开裂时玻璃纤维或胶囊破裂而释放黏结剂，流向开裂处将其重新黏结起来，起到愈伤作用。 b) 模仿骨骼的结构和形成。在集

10、体磷酸钙水泥中加入多孔的编制纤维网，在水泥水化和硬化过程中，纤维放出聚合物和聚合反应引发剂形成高聚物，聚合反应留下的水分参与水化。纤维网表面形成大量有机、无机物质穿插黏结，形成具有优异强度和延性的复合材料。如果材料受损，多孔纤维释放高聚物愈合损伤。,Company Logo,智能材料-设计,2、仿生陶瓷：主要应用于海洋相关领域，如仿生水声器，用于潜水艇、海上石油平台、地震监测器等。还可用于医用，如人工骨、人工牙齿等。 3、智能皮肤：用光纤材料或高分子材料制成能像人的手那样可以“感觉”和“动作”的传感器与执行器；运用电子技术和计算机技术制造出能够像人的大脑那样可以分析判断、逻辑推理及综合理解的微

11、型数据信息处理系统：将这些传感器、执行器及控制系统埋入到结构材料之中就形成了一种具有类似人皮肤那样功能的复合智能材料结构。可以用来制成飞机的机翼和机身的蒙皮以防止鸟撞飞机等意外事故的发生；还可以用在潜艇上，吸收来自声纳的反射波，使其摆脱敌方声纳系统的监控。,Company Logo,智能材料-设计,Company Logo,智能材料-设计,目前研究的重点其一是设计与研制具有“ 智能”的新型材料，如先进的压电材料、电磁致伸缩材料、形状记忆合金、电致流变体等；其二是通过在传统的材料内增设由光导纤维构成的传感器式调节器，赋予材料自诊断、自适应的综合性能。 智能材料的合成方法 纤维及颗粒形式的复合：将

12、一种机敏材料颗粒(或纤维)复合在异质基体中可实现各组元性能的优势互补。 例如：将压电陶瓷颗粒弥散分布在压电聚合物中可制成大面积的各种形状压电薄膜；将形状记忆合金粒子或纤维复合在金属或高分子中可改善力学性能及阻尼能力。,Company Logo,智能材料-设计,多层膜复合：两种或多种机敏材料以多层微米级的薄膜复合，获得优化的综合性能或多功能特性。 例如：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。 多孔架材料组装：将具有光敏、压敏和热敏等不同功能特性的纳米粒子原位复合在多孔道骨架内，通过调控纳米粒子的尺寸、间距及纳米粒子与骨架

13、之间的相互作用，使材料兼具光控、压控、热控及其他响应性质。 粒子复合组装：将具有不同功能的材料粒子按特定的方式进行操作组装，创造出新的具有多功能特性的材料。,Company Logo,智能材料-记忆合金,形状记忆效应(Shape Memory Effect，简称SME)：在高温下处理成一定形状的金属急冷下来，在低温相状态下经塑性变形为另一种形状，然后加热到高温相成为稳定状态的温度时，通过马氏体逆相变恢复到低温塑性变形前的形状的现象。 形状记忆合金(Shape Memory Alloys，简 称SMA)：具有SME 的金属，通常是由 两种以上的金属元 素构成的合金。,Company Logo,智

14、能材料-记忆合金,马氏体最初是在钢中发现的，将钢加热到一定温度后经迅速冷却，得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。 马氏体：母相在过冷状态或是应变过程中按无扩散的、以惯习面为不变平面共格切变的固态相变的产物。 马氏体具有体心正方结构。以在-Fe中的过饱和间隙固溶体为例，碳原子呈部分有序(80%)排列在原-Fe体心立方点阵的八面体间隙c轴上。碳原 子溶入后必然会引起点阵畸变， 使短轴c轴方向上的铁原子间距 拉长，而在另外两个方向a轴方 向稍有缩短，轴比c/a称为马氏体 的正方度。,Company Logo,智能材料-记忆合金,马氏体的正方度(c/a)取决于其碳含量的高低，故马氏体的正方度可用来表

15、示马氏体中碳的过饱和程度。 碳原子远不足以填满八面体间隙，那么碳原子在马氏体点阵中的分布是不均匀的，并由此引起点阵的局部畸变。 马氏体相变的特征： 1、无扩散相变：马氏体转变属于低温转变，此时碳原子和铁原子都已经失去扩散能力。因此，马氏体转变是以无扩散的方式进行的。 铁原子的晶格改组是通过近程的迁动完成的，原子之间的相对位移不超过一个原子间距，新相承袭了母相的化学成分、原子序态和晶体缺陷。,Company Logo,智能材料-记忆合金,2、切变性：马氏体转变的表面浮凸效应，说明马氏体转变是以切变方式完成的，在此过程中原子集体、协同、有规则地作小于一个原子间距的近程迁移，并保持各原子间原有的相邻

16、关系不变，属于协同型转变。 3、共格性：马氏体转变时，新相和母相的点阵间保持共格联系。马氏体的长大便是靠母相中原子作有规则的迁移(即切变)使界面推移而不改变 界面上共格关系的结果。由于这 种界面是以切变维持的共格界面 ，故称为“切变共格”，也称之为 第二类共格界面。,Company Logo,智能材料-记忆合金,4、严格的位向关系和惯习面：固态相变时新相与母相间往往存在一定的取向关系，而且新相往往又是在母相一定的晶面族上形成，这种晶面称为惯习面，通常以母相的晶面指数来表示。 在相变过程中，惯习面不变形也不转动。惯习面的存在意味着新相某一晶面和母相惯习面的原子排列很相近，能较好地匹配，有助于减少

17、两相间的界面能。惯习面的存在也表明新相与母相间存在一定取向关系的必然性。,Company Logo,智能材料-记忆合金,例如，钢中发生马氏体转变时(C%0.5%)，由于马氏体的密排面011与奥氏体的111面的原子排列相近，所以马氏体总是在奥氏体的111晶面上形成，所以111 就是惯习面；同时马氏体中的密排面 011与奥氏体中的密排面111相平行，马氏体的密排方向111与奥氏体的密排方向011相平行。 根据马氏体与母相的晶体学关系，共有六个贯习面，形成24种马氏体变体。每个马氏体中的各个变体的位向不同，有各自不同的应变方向。,Company Logo,智能材料-记忆合金,每个马氏体形成时，在周围

18、基体中造成了一定方向的应力场，使沿这个方向上变体长大越来越困难，如果有另一个马氏体变体在此应力场中形成，它当然取阻力小、能量低的方向，以降低总应变能。由四种变体组成的片群总应变几乎为零，这就是马氏体相变的自适应现象。 每片马氏体形成时都伴有 形状的变化。这种合金在单向 外力作用下，马氏体顺应力方 向发生再取向，即造成马氏体 的择优取向。,Company Logo,智能材料-记忆合金,当大部分或全部的马氏体都采取一个取向时，整个材料在宏观上表现为形变。对于应力诱发马氏体，生成的马氏体沿外力方向择优取向，在相变同时，材料发生明显变形，24个马氏体变体可以变成同一取向的单晶马氏体。 马氏体相变往往具

19、有可逆性，即把马氏体低温相以足够快的速度加热，可以不经分解直接转变为高温相母相。将变形马氏体加热到As点以上，马氏体发生逆转变，转变为母相时只形成几个位向，甚至只有一个位向，即母相原来的位向。逆转变完成后，便完全回复了原来母相的晶体，宏观变形也完全恢复。,Company Logo,智能材料-记忆合金,马氏体的组织形态有板条状马氏体、片状马氏体、蝴蝶状马氏体、薄板状马氏体、薄片状马氏体等五种，其中板条马氏体和片状马氏体最为常见。 板条马氏体呈板条状，板条内存在高密度的位错，又称为位错马氏体。 片状马氏体显微镜下呈针状或竹叶状，故又称为针状马氏体。片状马 氏体的亚结构主要 是孪晶。因此片状 马氏体

20、又称为孪晶 马氏体。,Company Logo,智能材料-记忆合金,根据马氏体相变的定义，在相变过程中，只要形成单变体马氏体并排出其他阻力，材料经过马氏体相变及其逆相变，就会表现出形状记忆效应。 热弹性马氏体：具有马氏体逆转变，且Ms与As相差很小的合金，将其冷却到Ms点以下，马氏体晶核随温度下降逐渐长大，温度回升时马氏体又反过来同步地随温度上升而缩小。 应力诱发马氏体：在Ms以上某一温度对合金施加外力可引起马氏体转变。 应力弹性马氏体：有些应力诱发马氏体也属弹性马氏体，应力增加时马氏体长大，反之马氏体缩小，应力消除后马氏体消失。 具有热弹性马氏体相变的材料并不都具有形状记忆效应。,Compa

21、ny Logo,智能材料-记忆合金,形状记忆效应有三种形式： 1、单向形状记忆效应：将母相冷却或加应力，使之发生马氏体相变，使马氏体发生塑性变形，再重新加热到As以上，发生逆转变，温度升至Af点，马氏体完全消失，材料完全恢复母相形状。 2、双向形状记忆效应：又称可逆形状记忆效应。加热发生马氏体逆转变时，对母相有记忆效应；当从母相再次冷却为马氏体时，还回复原马氏体的形状。 3、全方位形状记忆效应：在冷热循环过程中，形状回复到与母相完全相反的形状，称为全方位形状记忆效应。,Company Logo,智能材料-记忆合金,形状记忆机理：合金中发生了热弹性或应力诱发马氏体相变。热弹性马氏体和应力诱发马氏

22、体统称为弹性马氏体，只有弹性马氏体相变才能产生形状记忆效应。,Company Logo,Ms、As、Mf、Af：表征热弹性马氏体相变的特征温度，是形状记忆过程中变形及形状恢复的特征温度。,智能材料-记忆合金,形状记忆过程： 1、将母相冷却到发生马氏体相变，形成24种马氏体变体，由于相邻变体可协调生成，微观上相变应变相互抵消，无宏观变形； 2、马氏体受外力作用时，变体界面移动，相互吞食，形成马氏体单晶，出现宏观变形； 3、由于变形前后马氏体结构没有变化，当去除外力时，无形状改变； 4、当加热发生逆相变，马氏体通过逆转变恢复到母相形状。 双程和全程记忆效应机理比较复杂，有许多问题尚未搞清。,Com

23、pany Logo,智能材料-记忆合金,超弹性变形： 对母相状态的样品在Af温度以上施加外力，随外力增加，样品首先发生遵循虎克定律的弹性变形。应力超过弹性极限后，随应力的缓慢增加，样品的应变显著增加，在一定的应变范围内卸载，应变会完全消失，如同弹性变形，但 其应变量远远超出通常意 义上的弹性变形，称之为 超弹性变形。其实质与弹 性变形不同，故又称它为 伪弹性(pseudoelasticity， PE)变形。,Company Logo,智能材料-记忆合金,超弹性变形是由应力诱发马氏体相变导致的。随外加应力的增加，在应力作用下母相与马氏体间处于平衡的温度T0()增加，Ms和Af也相应增加。当Ms超

24、过环境温度时，母相开始相变为马氏体。随应力的增加，Ms高于环境温度的幅度更大，马氏体转变的量随之增加，即马氏体由应力诱发而形成，发生了应力诱发马氏体相变。 卸除外力，合金的相变点降低，回复到应力为零时的相变点。由于此时合金的Af点低于环境温度，马氏体逆转变回母相，样品的变形随之消失，显示出超弹性。 PE是材料在母相状态出现的，SME则是马氏体状态形变后产生的，但是它们本质上都是由马氏体相变引起的。,Company Logo,智能材料-记忆合金,奥氏体和马氏体均具有较高的阻尼性能，在振动载荷作用下能吸收大量的振动能，对振动起衰减作用。制成阻尼器用在桥梁、建筑上能够起到减振作用，实现对工程结构的振

25、动控制。 电阻是温度的函数，在相变过程中会发生突变，能够制成温度传感元件，检测工程结构的健康状况。 弹性模量随温度的增加而提高，在较高温度下能保持较高的弹性模量，与金属材料相反。利用这一特性能够改变结构构件的刚度和材料的屈服极限，调整结构的运动和振动响应，改变结构承载时的变形，实现对结构振动的主动控制。,Company Logo,智能材料-记忆合金,形状记忆合金是目前形状记忆材料中记忆性能最好的材料，已发现10系列50多种。 按照合金组成和相变特征，具有较完全形状记忆效应的合金可分为3大系列：钛-镍系，铜基系和铁基系。 1、Ti-Ni系形状记忆合金 具有丰富的相变现象、优异的形状记忆和超弹性性

26、能、良好的力学性能、耐腐蚀性和生物相容性以及高阻尼特性，是当前研究得最全面、记忆性好、实用性强、应用最为广泛的形状记忆材料。 Ti-Ni SMA耐腐蚀、疲劳、磨损，生物相容性好，是目前唯一作为生物医学材料的形状记忆合金。,Company Logo,智能材料-记忆合金,Ti-Ni合金有3种金属化合物：TiNi2，Ti2Ni和TiNi。高温相(母相)与马氏体之间的转变温度(Ms)点随合金成分及其热处理状态而改变。Ni成分变化0.1at，Ms变化10K。 为了得到良好的记忆效应，通常在1000左右固溶后，在400时效，再淬火得到马氏体。 形状记忆合金在许多应用中，都是在热和应变循环过程中工作的。合金

27、在加热-冷却循环中，伴随着相变温度的变动；反复形变过程中，相变温度和形变动作的变化也影响材料的疲劳寿命。,Company Logo,智能材料-记忆合金,相变温度的变动和形变动作的变化可使元件动作温度失常，形变动作的变化可以使调节器的作用力不稳定，而材料的疲劳寿命则决定着元件的使用限度。 NiTi合金从高温母相冷却到通常的马氏体相变之前，发生R相变(TiNi点阵受到沿方向的菱形畸变的结果)，电阻率陡峭增高。马氏体相变发生后，电阻率又急剧降低，形成一个独特的电阻峰，在反复进行马氏体相变的热循环之后，合金相变温度将可能发生变化。 如果对材料进行应变量大于20的深度加工，产生高密度位错，可消除上述影响

28、。采取时效处理也可以阻止滑移形变的进行，达到稳定相变温区的目的。,Company Logo,智能材料-记忆合金,通过时效处理、反复进行相变和逆转变及加入其它元素，当母相转变为R相时，相变应变小于1，逆转变的温度滞后小于1.5K。 在Ti-Ni合金中添加少量的第三元素，会引起合金中马氏体内部的显微组织发生显著变化，同时可能导致马氏体的晶体结构发生改变，宏观上表现为相变温度点的升高或降低。 升高相变温度的元素有：Au、Pt、Pd和Zr； 降低相变温度的元素有：Fe、Al、Cr、Co、Mn、V、Nb和Ce等。 例如：Ni47Ti44Nb9滞后宽度由34增到144，且As高于室温(54)。这种Ti-N

29、i-Nb宽滞后记忆合金在室温下既能存储又能工作，工程使用极为方便。,Company Logo,智能材料-记忆合金,2、铜基系形状记忆合金 在已发现的形状记忆材料中铜基合金占的比例最多，它们的母相均为体心立方结构，特称之为相合金。 铜基系形状记忆合金主要包括Cu-Zn-Al及Cu-Zn-Al-X(X=Mn、Ni)，Cu-Al-Ni及Cu-A1-Ni-X(X=Ti、Mn)和Cu-Zn-X(X=Si、Sn、Au)等系列。铜基系合金只有热弹性马氏体相变，比较单纯，在铜基系形状记忆合金中，以Cu-Zn-Al和Cu-Al-Ni合金的性能较好，近年来又发展了Cu-Al-Mn系列。,Company Logo,

30、智能材料-记忆合金,铜基系合金的形状记忆效应明显低于Ti-Ni合金，形状记忆稳定性差，表现出记忆性能衰退现象。这种衰退可能是由于马氏体转变过程中产生范性协调和局部马氏体变体产生“稳定化”所致。逆相变加热温度越高、载荷越大，衰退速率越快。 改善铜基系合金的循环特性，提高记忆性能，可采取两种方式： a. 加入适量稀土和Ti、Mn、V、B等元素，细化晶粒，提高滑移形变抗力； b. 微晶铜基系形状记忆合金(采用粉末冶金和快速凝固法等)。,Company Logo,智能材料-记忆合金,Cu-Zn-Al：制造加工容易，价格便宜，并有良好的记忆性能，相变点可在一定温度范围内调节。 Cu-Zn-Al合金中，位

31、错成为马氏体的形核点。由于生成残留马氏体，在约103次热循环后，能看到形状记忆效应衰退。 Cu-Al-Ni合金由于调整应变不协调，滑移形变难以进行，多晶的疲劳寿命比单晶低。可以通过晶粒细化和加工时效处理来改善疲劳特性。Cu-Zn-Al合金通过粉末压制的方法，可以使疲劳寿命大幅度改善。 铜系形状记忆合金由于热稳定性差，晶界易断裂，及多晶合金疲劳特性差等弱点，大大限制了其实用化。,Company Logo,智能材料-记忆合金,3、铁系形状记忆合金 铁基SMA分为三类： A、由面心立方体心正方(四角)(薄片状马氏体)驱动，成分和时效处理制度不同时，热滞会有很大变化，即可表现出热弹性也可表现为非热弹性

32、。如Fe-Ni-C，Fe-Ni-Ti-Co和Fe-25atPt(母相有序)； B、由面心立方密排六方马氏体，借应力诱发，如Fe-Cr-Ni和Fe-Mn-Si基合金； C、由面心立方面心正方(四角)马氏体(薄片状)，发生了热弹性马氏体相变，如Fe-Pd和Fe-Pt。,Company Logo,智能材料-记忆合金,铁基形状记忆合金成本较Ti-Ni系和铜系合金低得多，易于加工，在应用方面具有明显的竞争优势。 Fe-Mn-Si： Si的作用主要表现在3个方面： Si的加入降低了的反铁磁态的转变温度，如Si含量达到6%时，TMs，这时合金呈现良好的形状记忆效应。 Si可强化相使合金形变时不易产生永久性滑

33、移，从而可提高合金的形状记忆效应。 Si降低了相的层错能，马氏体可由母相中的层错形成，层错能降低，有利于相变。,Company Logo,智能材料-记忆合金,Fe-Mn-Si三元合金具有较高的形状记忆效应，但其耐蚀性差，变形抗力比普通钢的高1/3，属于难热变形金属，为成型和加工带来困难，必须改善它的加工性和耐蚀性。 加入Cr能提高该合金的耐蚀性。但是Cr的加入降低了合金的Ms点，加Cr后要适当降低Mn的含量，以便把Ms点维持在室温附近。 除此之外，当w(Cr)超过7%时，容易生成脆性相，使合金的塑性下降。为了抑制相的生成，需向合金中同时加入Ni进行合理搭配。 Co的加入能改善合金的形状记忆效应

34、和耐蚀性，但Co价格昂贵，一般情况下不宜采用。,Company Logo,智能材料-记忆合金,形状记忆合金的应用 1、工程应用：最早的应用就是作各种结构件，加紧固件、连接件、密封垫等。另外，也可以用于一些控制元件，如一些与温度有关的传感及自动控制。 SMA连接件结构简单、重量轻、 所占空间小，并且安全性高、拆卸 方便、性能稳定可靠。其中管接头 是SMA最成功的应用之一。 例如TiNi合金管接头，经过单向记忆 处理后，在低温下(Mf) 扩孔为，插 入被接管，去掉保温材料，室温时， 内径恢复，实现管路紧固连接。,Company Logo,智能材料-记忆合金,普通的管接头由于热涨冷缩，容易引起泄漏，

35、造成事故。形状记忆合金套管能够形成紧密的压合。美国已在喷气式战斗机的液压系统中使用了10多万个这类接头，至今未有漏油或破损、脱落等事故。 工程中常用铆钉和螺栓进行紧固，但有时候操作困难，例如在密闭真空中很难进行操作，可以用SMA紧固铆钉方便的实现紧固。,Company Logo,智能材料-记忆合金,形状记忆合金作紧固件、连接件：(1)夹紧力大，接触密封可靠，避免了由于焊接而产生的冶金缺陷；(2)适于不易焊接的接头；(3)金属与塑料等不同材料可以通过这种连接件连成一体；(4)安装时不需要熟练的技术。 形状记忆合金制成的弹簧与普通弹簧安装在一起，可以制成自控元件。形状记忆合金弹簧由于发生相变，母相

36、与马氏体强度不同，使元件向左、右不同方向运动。 这种构件可以作为暖气阀门， 温室门窗自动开启的控制，温度 的检测。形状记忆合金对温度比 双金属片敏感得多，可代替双金 属片用于控制和报警装置中。,Company Logo,智能材料-记忆合金,2、医学应用：医学上使用的形状记忆合金主要是Ti-Ni合金，这种材料对生物体有较好的相容性，可以埋入人体作为移植材料。 在生物体内部作固定折断骨架的销、进行内固定接骨的接骨板，由于体内温度使Ti-Ni合金发生相变。形状改变，不但能将两段骨固定住，而且能在相变过程中产生压力，迫使断骨很快愈合。另外，假肢的连接、矫正脊柱弯曲的矫正板，都是利用形状记忆合金治疗的实

37、例。 “记忆金属”食道架能在喉部膨胀成新的食道。必要时只要向食道里加上冰块，“食道”又会遇冷收缩，从而可轻易取出，使失去进食功能的食道癌患者提高了生活质量。,Company Logo,智能材料-记忆合金,在内科方面，可将细的Ti-Ni丝插入血管，由于体温使其恢复到母相的网状，阻止95的凝血块不流向心脏。用记忆合金制成的肌纤维与弹性体薄膜心室相配合，可以模仿心室收缩运动，制造人工心脏。,Company Logo,智能材料-记忆合金,3、智能应用：形状记忆合金是一种集感知和驱动双重功能为一体的材料，可广泛应用于各种自调节和控制装置，如各种智能、仿生机械。 飞行器天线：用硬度和刚性非常好的镍钛合金在

38、40以上制成半球面的月面天线，再让天线冷却到28以下。这时合金内部发生了结晶构造转变，变得非常柔软，很容易把天线折叠成小球似的一团，放进宇宙飞船的船舱里。到达月球以后，宇航员把变软的天线放在月面上，借助于太阳光照射或其它热源的烘烤使环境温度超过40，这时天线像一把折叠伞自动张开，迅速投入正常的工作。,Company Logo,智能材料-记忆合金,在医疗方面最典型的应用是牙齿矫正线，依靠固定在牙齿托架上金属线(Ti-Ni合金线)的弹力来矫正排列不整齐的牙齿。 眼镜片固定丝也是伪弹性应用的一个例子，当固定丝装入眼镜片凹糟内时并不紧，利用其伪弹性逐渐绷紧，可使镜片冬季不易脱落。 “记忆金属”造出汽车

39、，万一被撞瘪，只要浇上一桶热水就可恢复到原来的形状。 “记忆金属”制成的钉子，把它安在汽车外胎上，当气温降低、公路结冰时，钉子会“自动”从外胎里伸出来，防止车轮打滑。,Company Logo,智能材料-记忆合金,形状记忆合金制造的城市 照明灯，有两瓣随着灯的亮灭 而逐渐张开或合上的金属叶片。 白天，路灯熄灭，叶片合上； 傍晚，路灯亮起灯泡发热，叶 片受热而逐渐张开，使灯泡显 露出来。 记忆合金丝混合羊毛织成的毛毯后，如毛毯温度过热，它就会自动掀开一部分，适当降低温度，使人睡得更安稳。,Company Logo,作业,形状记忆效应的工作原理是什么？ 什么是马氏体相变？,Company Logo

40、,智能材料-压电及电致伸缩材料,压电、铁电材料是智能材料系统中的主导材料之一，其驱动、传感特性把电能输入到材料中，可由材料直接转变为位移或者其他机械能。 压电和铁电材料具有作用力大、响应快、频率范围宽等优点，广泛应用于精确定位系统。 1880年，法国物理学家居里兄弟发现把重物放在石英晶体，晶体 某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例，这一现象被称为压电效应。 随即，他们又发现了逆压 电效应，即在外电场作用 下压电体会产生形变。,Company Logo,智能材料-压电及电致伸缩材料,正压电效应：晶体受到某固定方向外力的作用时，内部产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去

41、后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。 逆压电效应：当在电介质的极化方向施加电场，某些电介质在一定方向上将产生机械变形或机械应力，当外电场撤去后，变形或应力也随之消失 电致伸缩效应：电介质在电场的作用下会由于极化的变化而引起形变，形变与电场方向无关。,Company Logo,智能材料-压电及电致伸缩材料,晶体的压电性是由晶体的结构对称性决定的。 含有对称中心的结构，加应力不产生极化，不具有压电性。不含对称中心结构，在外力的作用下，产生极化，可能具有压电性。 压电效应产生的条件：晶体结构没有对称中心；压电体是电介质；

42、其结构必须有带正负电荷的质点。即压电体是离子晶体或由离子团组成的分子晶体。 。,Company Logo,智能材料-压电及电致伸缩材料,压电效应的机理：有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。,Company Logo,智能材料-压电及电致伸缩材料,压电效应的表征 1、压电常数：压电体把机械能转变为电能或把电能转变为机械能的转换系数。衡量材料压电效应强弱，直接关系到压电输出灵敏度。相关参数有弹性系数(应变S和应力

43、T)、电位移D和电场强度E。,Company Logo,智能材料-压电及电致伸缩材料,2、机电耦合系数k：综合反映压电材料性能的参数，是衡量压电材料机-电能量转换效率的一个重要参数。 3、机械品质因数Qm：压电振子在谐振时贮存的机械能与在一个振动周期内损耗的机械能之比，是一个无因次的物理量，反映压电体振动时因内阻尼而消耗的能量的多少。,Company Logo,智能材料-压电及电致伸缩材料,Company Logo,智能材料-压电及电致伸缩材料,Company Logo,智能材料-压电及电致伸缩材料,1、压电单晶：Q值较大，有良好的温度特性，但是制作困难。 石英：化学式为SiO2，是单晶体结构

44、。压电常数小，压电系数和介电系数的温度稳定性好，在20-200压电系数变化率仅为-0.016%；机械强度和品质因素高；无热释电性，绝缘性、重复性均好。,Company Logo,智能材料-压电及电致伸缩材料,石英晶体各个方向的特性是不同的。 纵向轴z称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴，与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。 通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”， 而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。 而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。,Company Logo,智能材料-压电及电致伸缩材料,钛酸钡：结构相变到四方相

45、以后晶格的参数改变，Ti4+离子沿着c轴方向发生位移，正负电荷中心偏移。 常见的还有含H键系列的晶体，如KTP(磷酸钛氧钾)系列、LHP (磷酸二氢钾)系列，锂盐类，如LiNbO3、LiTaO3、LiGeO3、 LiGaO3、Bi2GeO20等。,Company Logo,智能材料-压电及电致伸缩材料,2、压电陶瓷： 优点：压电常数大，灵敏度高；制造工艺成熟，可通过合理配方和掺杂等人工控制来达到所要求的性能；成形工艺性好，成本低廉。 缺点：极化处理后的压电陶瓷剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化， 使其压电特性减弱；具有热释电性，会给压电传感器造成热干扰，降低稳定性。 在陶瓷上施

46、加外电场，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列。外电场愈强， 更多的电畴转向外电场方向。当所有电畴极化方向都与外电场方向一致时，去掉外电场，电畴的极化方向基本不变化，即剩余极化强度很大。,Company Logo,智能材料-压电及电致伸缩材料,极化后陶瓷内部存在有很强的剩余极化，当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，电畴发生偏转， 引起剩余极化强度的变化。在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。 这种因受力而产生的将机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。,Company Logo,智能材料-压电及电致伸缩材料,一元系压电陶瓷 BaTiO3：压电系数约为石英

47、的50倍，制备容易，且可制成任意形状和极化方向的产品。居里点温度只有120，温度稳定性和机械强度都不如石英。 PbTiO3：具有极高的压电系数和较高的工作温度， 而且能承受较高的压力。 二元系压电陶瓷 BaTiO3-CaTiO3系：降低第二相变温度，但不能提高居里点。 BaTiO3-PbTiO3系：提高居里点，同时降低第二相变点。 锆钛酸铅： PbZrO3和PbTiO3以任何比例形成的连续固溶体，化学式为Pb(ZrxTi1-xO)3，简称PZT。,Company Logo,智能材料-压电及电致伸缩材料,与钛酸钡相比，PZT压电系数更大，居里温度在300以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性

48、好。 改性方法：改变Zr/Ti比；离子置换或掺加杂质、氧化物，如Ba2+、Sr2+、Sn4+、La3+、Bi3+等。 目前压电陶瓷的发展趋势是无铅压电陶瓷：BaTiO3，钛酸铋钠(Na1/2Bi1/2) TiO3 (BNT) 系统，含铋层状结构，铌酸盐。,Company Logo,智能材料-压电及电致伸缩材料,压电聚合物：通常为非导电性高分子材料。压电应力常数比压电陶瓷要小，压电电压常数比压电陶瓷高很多。材料轻质、高韧性，适于大面积加工和可剪裁成为复杂形状；高的强度和耐冲击性、显著的低介电常数、低的声阻抗和机械阻抗、较高的介电击穿电压、能够承受更高的极化电场和工作电场。 目前能够商业化生产的压

49、电聚合物是晶态聚合物。包括滚延聚偏氟乙烯(PVDF)和三氟乙烯(TrFE)的共聚物P(VDF-TrFE)、和四氟乙烯(TFE)的共聚物P(VDF-TFE)、奇数的尼龙等。非晶态聚合物尚不具有商业应用价值的压电性能。,Company Logo,智能材料-压电及电致伸缩材料,压电复合材料：克服了压电陶瓷材料的脆性和压电聚合物材料的温度限制。是智能材料系统与结构中最有前途的压电材料。 压电陶瓷/聚合物复合材料：将压电陶瓷和压电聚合物按一定的连通方式、一定的体积或质量比例和一定的空间几何分布复合而成。性能影响因素有组成成分和两相材料的连通方式。,Company Logo,智能材料-压电及电致伸缩材料,

50、自发极化：晶体中，如果晶胞中正负电荷中心不重合，即每一个晶胞具有一定的固有偶极矩，由于晶体结构的周期性和重复性，晶胞的固有偶极矩便会沿同一方向排列整齐，使晶体处于高度极化状态。这种在无外电场作用下存在的极化现象称为自发极化。 极化是一种极性矢量，自发极化的出现在晶体中造成了一个特殊方向。在32个晶体点群中，只有10个具有特殊极性方向，这10个点群成为极性点群。 自发极化的微观机制：极化轴引起、热运动引起和有序无序极化。,Company Logo,智能材料-压电及电致伸缩材料,(a) 极性轴导致的自发极化,Company Logo,智能材料-压电及电致伸缩材料,(b) 由热运动导致的自发极化 较

51、高温度时，Ti4+热振动能较大，难在偏离中心的某一个位置上固定下来，接近六个O2-的几率相等，晶体保持高的对称性，自发极化为零。较低温度时， Ti4+热振动能降低，其能量不足以克服O2-电场，有可能偏离平衡位置向某一个O2-靠近，偶极矩间的相互作用使偏离平衡位置的离子在新平衡位置上固定下来，发生自发极化。 由极性轴引起自发极化的晶体，内部电场很强，外电场的作用不能改变晶体的极化强度和方向，所有质点的偶极矩都平行，大部分是一个电畴。 由热运动引起自发极化的晶体，产生多畴，有居里点和电滞回线等特性，这类晶体具有热释电性和铁电性。,Company Logo,智能材料-压电及电致伸缩材料,热释电效应：

52、由于温度变化时的热膨胀作用使电极化强度变化，引起自由电荷的充放电现象。 具有热释电效应的晶体一定是具有自发极化(固有极化)的晶体。 具有压电性的晶体不一定就具有热释电性。例如石英晶体，3个轴向方向上， 正负电荷中心的位移程度是 相同的。虽然每个轴向都有 电矩变化，但正负电荷中心 未位移，所以总电矩未变化 ，不显示热释电性。,Company Logo,智能材料-压电及电致伸缩材料,铁电性：在热释电晶体中，有若干种点群的晶体自发极化有两个或多个可能的取向，在不超过晶体击穿电场强度的电场作用下，其取向可以随电场改变，这种特性称为铁电性。具有这种性质的晶体成为铁电体。 铁电体的共同特征：具有电滞回线；

53、具有结构相变温度；具有临界特性。 1、电滞回线 电滞回线表明，铁电体的极化强度 与外加电场呈非线性关系，且极化强度 随外电场反向而反向。极化强度的反向 源于铁电体内部存在的电畴反转。,Company Logo,智能材料-压电及电致伸缩材料,铁电体在受机械约束时，伴随着自发极化的应变还将使应变能增加，整个均匀极化的状态不稳定，晶体趋向于分成多个小区域。每个区域内部偶极子沿同一方向，但不同小区域的方向不同，这每个小区域称为电畴。畴之间边界区域称之为畴壁。 2、居里温度 当温度高于某一数值时，由于热扰动，自发极化变为零，晶体将不再具备铁电性，这一临界温度就称为居里温度Tc。在居里点以下，由于存在自发

54、极化，晶体呈现铁电性，为铁电相。居里点以上，材料为顺电相。,Company Logo,智能材料-压电及电致伸缩材料,3、临界特性 晶体在发生顺电-铁电相变或其它极化状态发生变化的结构相变时，晶体的一系列物理性质发生反常变化。例如晶体的介电性质、弹性、压电性、光学性质、热学性质等大都出现明显的变化。晶体在相变点附近发生的各种性能反常变化通称为临界现象。,Company Logo,智能材料-压电及电致伸缩材料,铁电晶体的分类 1、根据化学成分和结构特征：含有氢键的铁电体，如磷酸二氢钾、三甘氨酸硫酸盐、罗息盐等，和双氧化物铁电体，如BaTiO3、KNbO3、LiNbO3等。 2、按极化轴多少分类：单

55、轴铁电体和多轴铁电体。 3、按相转变的微观机构：位移型转变的铁电体(铁电晶体的转变是与一类离子的亚点阵相对于另一亚点阵的整体位移相联系)，和有序-无序型转变的铁电体(其转变是同离子个体的有序化相联系的)。,Company Logo,智能材料-压电及电致伸缩材料,电致伸缩效应：介电体在电场作用下，由诱导极化而引起的形变。 诱导极化所引起的应变与极化强度的平方成正比，是一种平方效应。电致伸缩效应的形变与外电场的方向无关。 外电场所引起的压电体 的总应变为逆压电效应与电 致伸缩效应之和。对于非压 电体，外电场只引起电致伸 缩应变。,Company Logo,智能材料-压电及电致伸缩材料,Compan

56、y Logo,智能材料-压电及电致伸缩材料,压电材料的应用 1、压电传感器：频带宽、灵敏度高、结构简单、工作可靠、重量轻。 例如玻璃打碎报警装置，将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。 2、超声波传感器：将数百伏的电脉冲加到压电晶片上，使晶片发射出持续时间很短的超声 振动波超声波，经被测物反射回到 压电晶片时，将机械振动波转换成 同频率的交变电荷和电压。,Company Logo,智能材料-压电及电致伸缩材料,3、压电驱动器：把电能输入到压电驱动器时，可由材料直接转变为位移或其它机械能形式。压电陶瓷微位移器应用范围很广，如激光腔调谐

57、，光纤光学定位，生物工程细胞穿制，精密微定位，摄像器材快门控制等。位移控制精度高，分辨率可达纳米级。,Company Logo,智能材料-电流变体,20 世纪 40 年代，美国学者 Winslow 第一次使用分散相与分散介质形成悬浮液的研究成果被公开并获首项专利，标志着电流变学的诞生；第一届国际电流变学学术会议的召开(1987.8)及第一本回忆论文集的出版(1989.8)标志着电流变学成为国内外学者所公认的一门独立学科。 Winslow最先把具有介电性质的固体颗粒分散于绝缘油中，形成悬浮液，当给这种液体施加电压时，可以观察到两电极之间形成了纤维状结构，这种结构使悬浮液的粘度增加了几个数量级。这

58、种由电场产生的相变过程称为 Winslow 效应，也称为电流变效应。在电场作用下能够呈现强烈电流变效应的一类特殊液体称之为电流变液。,Company Logo,智能材料-电流变体,电流变液：由高介电常数、低电导率的电介质颗粒分散于低介电常数的绝缘液体中形成的悬浮体系，是可快速和可逆地对电场作出反应，迅速实现液体-固体性质转变的一类智能材料。 电流变效应：在电场作用下电流变液颗粒自身发生极化，由于极化颗粒间产生静电引力而使颗粒排成链或柱状结构，电流变液粘度增大；当外场高于某一值时，流体状态由液态转变为固态，流体类型也由Newton流体转变为Bingham流体；当电场减弱或消失时，它又可以快速地恢复到原始状态。,Company Logo,智能材料-电流变体,Company Logo,智能材料-电流变体,电流变效应的特征： a. 流体粘度随场强连续地无级变化直至固化，可实现在液态和固态间快速和可控的转换； b. 液态和固态的转换是完全可逆的； c. 控制信号简单：场强或电压信号，可人控或自控； d. 响应灵敏，响应时间在10-3秒左右； e. 控制能耗很低。 电流变液的特点： 能感知环境的变化，并根据环境的变化自动调节材料本身的性质，使其粘度、阻尼性能和剪切应力都发生相应的变化；液态和固态间的转换快速、可逆；粘度连续、无级变化，能耗极小。,Company L