智能材料自我总结.doc

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1、-第一章机敏材料与智能构造一、智能材料的概念智能材料构造又称机敏构造Smart/Intelligent Materials and Structure)泛指将传感器和驱动器以及有关的信号处理和控制电路集成在材料构造中，通过机、热、光、化、电、磁等鼓励k控制，不仅具有承受载荷的能力，而且具有识别、分析、处理及控制等多种功能。能进展自诊断、自适应、自学习、自修理的材料构造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响的材料.更确切地说，智能材料是一类集传感、控制、驱动(执行)等功能于一体的机敏或智能材料一构造系统，它能适时地感知与响应外界环境的变化，实现自检测、自诊断、自修复、自适应

2、等多种功能。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构造。能够监测自身的状态损伤，变形，振动2、在被动机敏构造中集成驱动器就形成主动机敏构造不仅能够感知，还能够修正自身满足多种要求3、主动机敏构造中引入以神经网络为根底的自学习系统，构成智能材料系统具有广泛的适应性，学习经历等三、根底智能材料的研究 l .1 形状记忆根底智能材料l .2 压电根底智能材料l .3 电/磁流变液根底智能材料l .4 磁致伸缩根底智能材料l .5 智能凝胶材料l .6 聚合物基“人工肌肉l .7 自组装根底智能材料l .8 光纤根底智能材料四、国外研究特点 ： 1.十分重视对根本规律、特性、机理以及模

3、拟计算方法等的研究，并且认为这是推进 智能构造开展的关键。 2.根底研究与工程实际应用问题相结合，而且两者平行地进展 3.综合构造力学、控制、材料、计算机及试验技术等不同学科穿插进展研究。五、应用前景o 军事 智能蒙皮 减振降噪 自主飞行 监控o 工程应用l 构造安康监测和寿命预测l 自诊断智能构造实时测量l 汽车、船舶、土木工程和医学领域o航空航天领域的应用 、航空航天领域的应用l 1.形状控制l 2.损伤探测与修复l 3.振动控制l 4.别离机构o飞行器上的应用 l对飞行器安康状况进展实时监控l改善飞行器性能l埋置在飞行器蒙皮的光纤可用于机o数据通讯l智能蒙皮相控阵雷达l利用光纤做成光纤化

4、学传感器以探测飞行器隐秘处的腐蚀六、未来研究方向l (1) 高模量、高疲劳寿命、大应变的智能材料的研制.l (2) 传感器和致动器数量优化与位置优化列阵的最优数量选择与位置及其优化设计,如构造材料的最正确配置等.l (3) 强鲁棒性的分层最优化智能控制算法,具有容错能力和局部反响回路的分布式控制器的在线自适应学习算法.l (4) 智能材料的外表处理工艺和自动埋入方法.l (5) 智能构造中传感器与致动器的性能稳定性及其控制算法,智能构造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.l (6) 更加完善的智能材料与构造间的机电耦合理论模型的建立.l (7) 边界元等方法在智能

5、构造分析中的应用.l 由多种智能材料构成的网络式智能构造的分析和研究.七、需要解决的问题研制低能耗、大应变量、宽频带动作、力学性能好、高稳定和高寿命的致动器材料研制高稳定、耐温好、低本钱、可单线多路复用且与基体易于融合的光纤传感器；研制高性能可植入基体材料中的微型电子器件进展深入构造的控制方法研究继续进展集成方法研究智能材料与构造的设计、制造、数据库、可靠性等研究第2章 智能材料系统的功能机敏材料本章小结 智能材料的设想来源于-仿生。 仿生-模仿大自然中生物的一些独特功能制造人类使用的工具，如模仿蜻蜓制造飞机等。 智能材料的目标-研制出一种材料，使它成为具有类似于生物的各种功能的“活的材料。

6、智能材料三个根本要素-感知、驱动和控制。 仿生机械-模仿生物的形态、构造和控制原理设计制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械称为仿生机械。 智能构造工作机理。一、智能构造工作机理智能构造由主构造、智能材料及控制系统组成，它是一种仿生构造体系，集传感器、驱动器执行器、控制器及主构造于一体。 传感器可以把构造的应变或位移转化为电信息输出。 驱动器可以把电信息转化为应变或位移输入构造。二、智能材料的本构方程三、传感器的定义：定义：将一种物理变量转变成另一种更适宜的物理变量。本质：能量的转换非构造应力引起的应变是构造具有驱动/传感功能的根底可以推测智能构造的本构关系，存在构造特性与电、磁、热

7、、光、声等特殊的耦合关系。4、 几种自然效应1.电阻应变效应 电阻定律2. 压电材料的压电效应 正压电：对*些电解质晶体施加机械应力时，晶体部正负电荷中心将发生相对位移而产生极化，从而使晶体两端外表出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与外力成正比。 逆压电：将具有压电效应的电介质晶体置于电场中，则电场的作用将引起电介质部正负电荷中心产生相对位移，从而导致介电晶体发生形变。3.光导纤维利用全反射原理4.光纤传感器的工作原理 用被测的物理量调制传输光光波的*一参数,使之随其变化,然后对已调制的光信号进展检测,从而得到被测量。 光调制技术是光纤传感器的关键技术。1强度调制光纤传感器2干预型光纤传感器5

8、.形状记忆合金 现状记忆合金是一种具有特别记忆能力的合金，这种金属发生形变时只要将它置于*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 整个过程可反复转换。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。 分子因电磁力吸引排成柱壮, 形成类似固体的硬物质。 电场消失后分子重新排列, 回复原状。7.磁致伸缩现象当铁磁材料的磁化状态改变时，长度和体积会发生微小变化形式上分：线性磁致伸缩：长度变化1842，Joule体积磁致伸缩：体积变化很小，少用机理上分：

9、自发磁致伸缩场致磁致伸缩通常所说的磁致伸缩8.磁流变材料磁流变液是由高磁导率、低磁滞型的微小软磁性颗粒和非导磁型液体混合而成的悬浮液体。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。磁流变液在磁场的作用下的流变是瞬间的、可逆的，流变后的剪切屈服强度与磁场强度具有稳定的对应关系。9. 碳纤维 碳纤维CF：是在一定的条件下，将聚合纤维燃烧，可得到具有接近于完整分子构造的碳长练构造的纤维材料。 CF的接触电阻会随着压力的变化而连续变化，利用该特性可以制成智能材料构造中的压力传感元件、应变传感元件、温度传感元件以及特殊构造形式的最大应变

10、传感器。 CF能够吸收红外线，适当碳化后可用于检测红外线辐照的情况，已经被开发成响应灵敏的红外传感器。 CF的接触电阻会随着压力的变化而连续变化，因此作为传感材料,当压力太小时，CF接触点不稳定会导致传感性能的不稳定。10. 电感式传感器11. 电容传感器12. 磁电式传感器13. 金属热电阻的测温14. 光电式传感器15. 霍尔效应磁场 电信号16. 霍尔效应1879/霍尔/美国及工作原理：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。17. 生物传感器 生物传感器Biosensor是利用*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

11、活性成分酶、抗原、抗体、激素、DNA、受体等或生物体本身组织、细胞、细胞器作为敏感元件，有很强的特异性和高度的敏感性，被称为具有生物识别能力的化学传感器。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 感膜并利用酶组为反响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。5、 材料仿生与智能材料1. 仿生机械模仿生物的形态、构造和控制原理设计制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械称为仿生机械。2.仿生机械学仿生机械学是以力学或机械学

12、作为根底的，综合生物学、医学及工程学的一门边缘学科。它既把工程技术应用于医学、生物学，又把医学、生物学的知识应用于工程技术。它包含对生物现象进展力学研究，对生物的运动、动作进展工程分析，并把这些成果根据社会的要求付之实用化。3.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、矿区、星球和沼泽等崎岖不平地面的活动空间，需要研究模拟生物的步行机构。动物的运动多是通过多关节足来实现的，因此动物足的形态机能、运动和姿体稳定控制等是研究步行机的关键。第三章 智能构造系统的压电功能

13、材料Features of Piezoelectrics ：Coupling between mechanical and electric field or simply sayelectro-mechanical coupling.Pros Light weight (High force-to-weight ratio)Lower power consumptionEasy implementation (integration)Large bandwidth (a wide range of actuator frequency)Low costsFast responseActuat

14、or and sensorMuch more sensitive than the strain gagePredominantly linear responseCons Low strains (stroke) (ma*imum strain, 0.1 0.15%)vRequire large electric fields (0.5 2.0 kV/mm)vPiezoelectric ceramics are brittle poor load carrying capabilityvHysteretic response if V 2kV/cmvPVDF film more fle*ib

15、lePolarization of Piezoelectrics(1) Before polarization, the electric dipoles e*hibit a random orientation in the material(2) The Piezoelectrics are poled under dc field (2 KV/mm) above Curie temperature(3) During poling process, the piezo elongates in the V-dir, contracts in the transverse dir.(4)

16、After poling (when the material is cooled), the piezos retain the alignment of electric diploes(5) P is defined as the poling direction (polarization vector) where points from the negative charge to the positive charge1 -D Governing equations for Piezoelectrics (Mechanical Strain) 3 -DStacked Piezo

17、Transducers (Continued)Assumptions: The thickness of electrodes is very small and can be neglected All strains e*cept z are zero All stresses e*cept are zero The applied electric field is in the “z direction, Ez 0 The only nonzero electric displacement is Dz第4章 智能金属材料及形状记忆智能材料4.1 智能金属材料概况智能金属材料： 具有自

18、检知、自判断、自行动功能及能够对变形、振动、损伤等进展适当地控制的金属材料三大功能: 1.自检知功能：相当于传感器功能，特定材料对超出*强度值的刺激因素温度、应力、电磁场等的敏感性。 2.自判断功能(自诊断):相当于逻辑处理器功能，通过分析比拟系统目前的状况与过去的情况，对系统故障与判断失误等问题进展自诊断并予以校正。 3.自行动功能(自响应)：材料在受到刺激后做出的响应的能力。 4.2 智能金属材料的自预警和自修复1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。2自修复功能： 材料通过自身部构造的调整来适应刺激因素的变化。3. 智能金属材料应用

19、： 变形机翼飞机将无须操作机翼就能自动拐弯，这样就减少拉力和降低油耗 智能旋翼构造-减小直升机旋翼的振幅和扭曲 自适应机翼能增大升阻比、延迟气流别离，在操纵性和机动性方面明显优于有舵面飞机。 智能恒温控制技术 4.3 形状记忆合金1. 定义：形状记忆合金(Shape Memory Alloy, 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。2. 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

20、相变。马氏体逆相变中表现的形状记忆效应，不仅晶体构造完全回复到母相状态，晶格位向也完全回复到母相状态。这种相变晶体学可逆性只发生在有热弹性马氏体相变的合金中。3.温度诱发马氏体相变 Ms、Mf、As、Af分别表示马氏体相变开场的温度、完毕的温度、马氏体逆相变开场的温度、完毕的温度。通常有：MfMsAsAf 在自由状态下，假设初始处于奥氏体状态，随着温度下降至Ms，马氏体相开场形成，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，奥氏体相开场形成，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4.应力诱发马氏体相变(1)马氏体重定向 TAf时，使变形恢

21、复。 (2)形状记忆效应(shape-memory effect MfTAf时，进展等温加载，发生马氏体相变，有明显的非弹性应变。卸载后，发生马氏体逆相变。最终应变完全消失，恢复到初始状态。 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。5.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构造为体心立方的B2构造降低温度转变为低对称性的马氏体相晶体构造为B19单斜构造时，在母相会生成许多惯习面指数不同，但在晶体学

22、上等价的马氏体，称为马氏体变体，马氏体变体一般是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构造为体心立方的B2构造降低温度转变为低对称性的马氏体相晶体构造为B19单斜构造时，在母相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，马氏体变体一般是24个。发生切变变形 。 在各个马氏体变体生成时都伴随有形状变化，在合金的局部产生凹凸。 但是，作为整体，在相变前后其形状并不发生改变，这是因为假设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：假设初始为母相冷却到Mf以下，生成

23、了一组晶体构造一样而取向不同的马氏体变体(这里只表示了两种取相的变体) 施加外部应力，能量有利的一个变体将通过晶界移动吞食其它的变体而长大，发生宏观变形。 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。6. 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能。利用可产生较大的恢复应变和恢复力设计具有智能特性的复合材料和智能复合材料作动器。亦可利用材料能够吸收大量能量和材料弹性刚度的可调节性设计智能阻尼复合材料。记忆合金制成的弹簧为例，把这种弹簧放在热水中，弹簧的长度立即伸长，再放到冷水中，它会立即

24、恢复原状。利用形状记忆合金弹簧可以控制浴室水管的水温，在热水温度过高时通过“记忆功能，调节或关闭供水管道，防止烫伤。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： 1 单晶理论本构模型 2 数学本构模型 3 唯象理论本构模型:避开自由能测量上困难；定义适合工程计算的参数；适合工程应用。 4 细观力学本构模型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，还可以通过磁场进展控制。应用 与温控型形状记忆合金相比，铁磁形状记忆合金具

25、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瓷(PZT)的50100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、机器人和智能构造等领域有重要应用，成为未来的新一代驱动器和传感器材料。铁磁性(1)物质的磁性来源于原子的磁性。原子的磁矩来源于原子中的电子和原子核。由于原子核的质量远大于电子，因此原子核的磁矩远小于电子的磁矩，故原子核的磁矩忽略不计。(2)自旋是电子的一个

26、本质属性。电子自旋导致一个偶极子磁矩和形成一个磁场。(3)在大多数物质中所有电子的总偶极磁矩为零。只有电子层不满的原子电子不成对可能在没有外部磁场的情况下表现一个净磁矩。铁磁性物质有许多这样的电子。(4)铁磁性：是指物质中相邻原子或离子的磁矩的相互作用而在*些区域致按同一方向排列，当所施加的磁场强度增大时，这些区域的合磁矩定向排列程度会随之增加到*一极限值的现象。 (5)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，不同区域的原子磁矩趋于同向平行排列，称为自发磁化；铁磁体自发磁化分成假设干个小区域(称为磁畴)，通常把相邻磁畴之间的过渡层称为畴壁。由于磁畴

27、的磁化方向各不一样，其磁性彼此相互抵消，所以材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： 铁磁形状记忆合在外加磁场的作用下，由于畴壁的运动或磁畴磁矩方向的改变，铁磁体宏观上显示出很强的磁性，这种现象叫做磁化。 当施加外场时，磁化强度随磁场的变化因方向而有所差异，*些方向到达饱和磁化所需磁场较小，即容易磁化，该方向称易轴。*些方向到达饱和磁化所需磁场较大，即不容易磁化，该方向称难轴。此现象称为磁晶各向异性。4.5 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。 目前，与人体骨组织相比，传统的致密态金

28、属如钛合金、不锈钢、致密态TiNi合金等弹性模量比人体密质骨和松质骨高得多。植入物承当了大多数的外力，植入人体后会造成不均匀的应力分布和应力屏蔽，导致骨质疏松，甚至脱落等问题，所以传统的材料的生物力学相容性较差。 多孔NiTi，通过调整孔隙比可以显著降低材料的弹性模量和力学性能，使之与人体硬组织匹配；其可压缩性与多孔构造有利于与周围骨组织结合结实；其形状记忆效应和独特的体积记忆效应，使植入物的植入过程变得简单。因此，多孔NiTi作为骨、关节和牙齿等硬组织修复和替换的外科用植入材料，是其他医用生物材料所不能替代的。4.6 形状记忆聚合物1.定义又称：形状记忆聚合物shape memory pol

29、ymer, SMP，是一种智能高分子材料，它能够根据外部刺激，从临时形状恢复到原始形状。材料科学的最新开展说明，全球纺织、医疗和汽车制造业对使用形状记忆材料有强烈兴趣。形状记忆聚合物能被外部条件，如温度、PH值、化学品或光等所刺激，并敏感地发生预定响应。从化学构造来看，SMP是线性嵌段共聚物，含有硬段和软段。其硬段作为凝固相，软段作为可逆转相，软段负责形状记忆功能。聚合物材料具有多种弹性，如从硬玻璃到软橡胶态，其弹性模量随转换温度而呈现可逆转的变化。2.特点具有形变量大，赋形容易。保温、绝缘性好。形状恢复温度便于调整、加工方便。在常温下具有塑料的性质。种类丰富、质轻价廉。 降冰片烯、苯乙烯丁二

30、烯共聚物、聚氨 酯、含氟高聚物、聚酯、聚酰胺等。一定温度下，具可变形性和形状恢复性。3.形状记忆原理材料部存在不完全相容的两相：保持成品形状的凝固相和随温度变化会发生软化-硬化可逆变化的可逆相。过程成型时，将材料加热到高温，此时固定相和可逆相均处于不同的软化状态，塑形后将其冷却到T玻璃化转变温度以下，固定相和可逆相先后硬化，材料成型。再次加热到适当温度，使可逆相软化，固定相在回复应力的作用下使此制品恢复初始形状。4.用途 形状记忆聚合物可以制成乳液、膜材、板材、泡沫、管材等多种形式的材料。 目前在医疗和日常用品方面等方面有广泛应用。如：用作携带用容器、腹带、绷带、骨科矫正器等。4.7 展望多铁材料定义：多铁性材料Multiferroics 是指材料的同一个相中包含两种及两种以上铁的根本性能。特性多铁性材料不但具备各种单一的铁性如铁电性、铁磁性，而且通过铁性的耦合复合协同作用，可以通过磁场控制电极化或者通过电场控制磁极化。它同时还具有一些新的效应，是一个跨学科、非常热门的前沿研究领域。应用磁电效应电场引起的磁极化，或磁场引起的电极化能够产生全新的器件例电场控制的磁数据存储。应用多铁性磁电材料作为存储介质，可利用电场实现信息写入过程，利用磁头实现读出过程，两者结合将使得目前的存储器件速度再提高一个数量级以上。. z.