1、功能材料和智能材料概述2 目 錄第一章 緒論 第二章 智能材料第三章 儲(chǔ)氫材料第四章 磁性材料第五章 功能陶瓷材料第六章 納米材料第七章 超導(dǎo)材料第八章 醫(yī)用生物材料 3第一節(jié)智能材料基本原理1、什么是智能材料2、智能材料的特征3、智能材料的構(gòu)成4、智能材料的分類4智能材料是二十世紀(jì)90年代迅速發(fā)展起來的一類新型復(fù)合材料，將在21世紀(jì)得到廣泛研究和應(yīng)用的材料。 智能材料：是指具有感知環(huán)境（包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境）刺激，對(duì)之進(jìn)行分析、處理、判斷，并采取一定的措施進(jìn)行適度響應(yīng)的具有智能特征材料。 1、什么是智能材料？5 目前，已經(jīng)實(shí)用化的智能材料包括：形狀記憶合金材料，如鎳鈦材料，可用來制作汽車易損件

2、、人造衛(wèi)星的天線等； 電致、磁致變性材料等的應(yīng)用具體來說，智能材料需具備以下內(nèi)涵：(1)具有感知功能，能夠檢測(cè)并且可以識(shí)別外界(或者內(nèi)部)的刺激強(qiáng)度，如電、光、熱、應(yīng)力、應(yīng)變、化學(xué)、核輻射等；6智能材料的構(gòu)想來源于仿生學(xué)，它的目標(biāo)就是想研制出一種材料，使它成為具有類似于生物的各種功能的“活”的材料。因此智能材料必須具備感知、驅(qū)動(dòng)和控制這三個(gè)基本要素。7但是現(xiàn)有的材料一般比較單一，難以滿足智能材料的要求，所以智能材料一般由兩種或兩種以上的材料復(fù)合構(gòu)成一個(gè)智能材料系統(tǒng)。 智能材料的設(shè)計(jì)、制造、加工和性能結(jié)構(gòu)特征均涉及到了材料學(xué)的最前沿領(lǐng)域，使智能材料代表了材料科學(xué)的最活躍方面和最先進(jìn)的發(fā)展方向。

3、8智能材料應(yīng)用的簡(jiǎn)單事例：某些太陽鏡的鏡片當(dāng)中含有智能材料，這種智能材料能感知周圍的光，并能夠?qū)獾膹?qiáng)弱進(jìn)行判斷，當(dāng)光強(qiáng)時(shí)，它就變暗，當(dāng)光弱時(shí)，它就會(huì)變的透明。 92、智能材料的特征因?yàn)樵O(shè)計(jì)智能材料的兩個(gè)指導(dǎo)思想：是材料的多功能復(fù)合和材料的仿生設(shè)計(jì)。 智能材料系統(tǒng)具有或部分具有如下的智能功能和生命特征：10傳感功能（Sensor）能夠感知外界或自身所處的環(huán)境條件，如負(fù)載、應(yīng)力、應(yīng)變、振動(dòng)、熱、光、電、磁、化學(xué)、核輻射等的強(qiáng)度及其變化。11(2)反饋功能（Feedback）可通過傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)系統(tǒng)輸入與輸出信息進(jìn)行對(duì)比，并將其結(jié)果提供給控制系統(tǒng)。(3)信息識(shí)別與積累功能能夠識(shí)別傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各類信

4、息并將其積累起來。12(4) 響應(yīng)功能能夠根據(jù)外界環(huán)境和內(nèi)部條件變化，適時(shí)動(dòng)態(tài)地作出相應(yīng)的反應(yīng)，并采取必要行動(dòng)。13(5) 自診斷能力（Self-diagnosis）能通過分析比較系統(tǒng)目前的狀況與過去的情況，對(duì)諸如系統(tǒng)故障與判斷失誤等問題進(jìn)行自診斷并予以校正。14（6）自修復(fù)能力（Self-recovery）能通過自繁殖、自生長(zhǎng)、原位復(fù)合等再生機(jī)制，來修補(bǔ)某些局部損傷或破壞。15（7）自調(diào)節(jié)能力（Self-adjusting）對(duì)不斷變化的外部環(huán)境和條件，能及時(shí)地自動(dòng)調(diào)整自身結(jié)構(gòu)和功能，并相應(yīng)地改變自己的狀態(tài)和行為，從而使材料系統(tǒng)始終以一種優(yōu)化方式對(duì)外界變化作出恰如其分的響應(yīng)。163、智能材料的

5、構(gòu)成一般來說智能材料由基體材料、敏感材料、驅(qū)動(dòng)材料和信息處理器四部分構(gòu)成。17（1）基體材料基體材料擔(dān)負(fù)著承載的作用，一般宜選用輕質(zhì)材料。一般基體材料首選高分子材料，因?yàn)槠渲亓枯p、耐腐蝕，尤其具有粘彈性的非線性特征。其次也可選用金屬材料，以輕質(zhì)有色合金為主。18（2）敏感材料敏感材料擔(dān)負(fù)著傳感的任務(wù)，其主要作用是感知環(huán)境變化（包括壓力、應(yīng)力、溫度、電磁場(chǎng)、pH值等）。常用敏感材料:如形狀記憶材料、壓電材料、光纖材料、磁致伸縮材料、電致變色材料、電流變體、磁流變體和液晶材料等。19（3）驅(qū)動(dòng)材料因?yàn)樵谝欢l件下，驅(qū)動(dòng)材料可產(chǎn)生較大的應(yīng)變和應(yīng)力，所以它擔(dān)負(fù)著響應(yīng)和控制的任務(wù)。常用有效驅(qū)動(dòng)材料如形狀

6、記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料等?？梢钥闯觯@些材料既是驅(qū)動(dòng)材料又是敏感材料，顯然起到了身兼二職的作用，這也是智能材料設(shè)計(jì)時(shí)可采用的一種思路。20（4）其它功能材料包括導(dǎo)電材料、磁性材料、光纖和半導(dǎo)體材料等。214、智能材料的分類 智能材料是繼天然材料、人造材料、精細(xì)材料之后的第四代功能材料。因?yàn)楝F(xiàn)在可用于智能材料的材料種類不斷擴(kuò)大，所以智能材料的分類也只能是粗淺的，分類方法有多種。22若按智能材料的功能來分，可以分為光導(dǎo)纖維、形狀記憶合金、壓電、電流變體和電（磁）致伸縮材料等。若按智能材料的化學(xué)成分來分，可以分為金屬系智能材料、無機(jī)非金屬系智能材料和高分子系智能材料。23目前研究

7、開發(fā)的金屬系智能材料主要有形狀記憶合金和形狀記憶復(fù)合材料兩大類；無機(jī)非金屬系智能材料：在電流變體、壓電陶瓷、光致變色和電致變色材料等方面發(fā)展較快；24常用的智能材料1、形狀記憶合金一般金屬材料受到外力作用后，首先發(fā)生彈性變形，達(dá)到屈服點(diǎn)，就產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力消除后留下永久變形。25但有些材料，在發(fā)生了塑性變形后，經(jīng)過合適的熱過程，能夠回復(fù)到變形前的形狀，這種現(xiàn)象叫做形狀記憶效應(yīng)（SME）。26形狀記憶材料兼有傳感和驅(qū)動(dòng)的雙重功能，可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的微型化和智能化，如機(jī)器人、毫米級(jí)超微型機(jī)械手等。2721世紀(jì)將成為材料電子學(xué)的時(shí)代。形狀記憶合金的機(jī)器人的動(dòng)作，除了溫度外，不受任何環(huán)境條件的影響，

8、可望在反應(yīng)堆、加速器、太空實(shí)驗(yàn)室等高技術(shù)領(lǐng)域大顯身手。282、電流變體和磁流變體電致、磁致變體智能材料大多是由合成材料或陶瓷材料制成的，具有在電場(chǎng)或磁場(chǎng)的作用下發(fā)生變性的能力，其變化的大小與電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度有關(guān)。29科學(xué)家研制成功一種電致變性材料，這種材料在接通電流時(shí)，可以從液體變?yōu)榻咏腆w。30電流變體：1947年，一個(gè)叫溫斯洛的美國(guó)人發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象。他把石膏、石灰和炭粉加在橄欖油中，然后加水?dāng)嚦梢环N懸浮液，想看看這種懸浮液能不能導(dǎo)電。結(jié)果：這種懸浮液沒有加上電場(chǎng)時(shí)，可以像水或油一樣自由地流動(dòng)；可是一加上電場(chǎng)，自由流動(dòng)的液體變成固體，而且隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，固體的強(qiáng)度也在增加。當(dāng)撤消電

9、場(chǎng)時(shí)，它又能立即由固體變回液體。31 由于這種懸浮液可以用電場(chǎng)來控制，因此科學(xué)家們就把它叫做“電流變體”，并把這種現(xiàn)象稱為“溫斯洛現(xiàn)象”。 軟體遙控器 ：采用了軟體的設(shè)計(jì)，看上去就像是癱死在那里一樣。不過一旦遙控器啟動(dòng)，它就會(huì)變得堅(jiān)硬起來，就像是復(fù)活了一樣。不僅如此，啟動(dòng)后，遙控器內(nèi)還會(huì)發(fā)出光亮，非常漂亮。32 如果向空心復(fù)合梁中充入電流變性液體材料，在外電場(chǎng)的作用下，這種液體材料就會(huì)變硬，從而使梁變成僵硬狀。 電致變性材料還可以用作在地震時(shí)能自動(dòng)加固建筑物的基礎(chǔ)。333、磁致伸縮材料目前磁致伸縮智能材料的主流是稀土磁致伸縮材料，稀土超磁致伸縮材料是近期才發(fā)展起來的一種新型功能材料。343、磁

10、致伸縮材料目前磁致伸縮智能材料的主流是稀土磁致伸縮材料，稀土超磁致伸縮材料是近期才發(fā)展起來的一種新型功能材料。35 物質(zhì)有熱脹冷縮的現(xiàn)象。除了加熱外，磁場(chǎng)和電場(chǎng)也會(huì)導(dǎo)致物體尺寸的伸長(zhǎng)或縮短 發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的磁致伸縮效應(yīng)后，人們就一直想利用這一物理效應(yīng)來制造有用的功能器件與設(shè)備。 研究和發(fā)展了一系列磁致伸縮材料，主要有三大類：即：磁致伸縮的金屬與合金，如鎳基合金（Ni， NiCo合金， NiCoCr合金）和鐵基合金（如 F eNi合金， FeAl合金， Fe CoV合金等）和鐵氧體磁致伸縮材料。 稀土超磁致伸縮材料 36磁致伸縮：指的是對(duì)軟磁體進(jìn)行磁化后，其形狀、大小會(huì)發(fā)生變化的物理現(xiàn)象。磁致伸縮現(xiàn)象

11、具有各向異性。當(dāng)長(zhǎng)度為l的磁性材料在磁化方向上的長(zhǎng)度變化為L(zhǎng)時(shí)，磁致伸縮率可表示為：=L/l。由于磁致伸縮率一般在10-5以下，所以對(duì)磁致伸縮效應(yīng)的應(yīng)用遠(yuǎn)不如對(duì)壓電效應(yīng)的應(yīng)用廣泛。到20世紀(jì)60、70年代后，發(fā)現(xiàn)了伸縮率在10-3的超磁致伸縮材料。磁致伸縮效應(yīng)才重新受到重視。 37磁致伸縮材料在電磁場(chǎng)的作用下可以產(chǎn)生微變形或聲能，也可以將微變形或聲能轉(zhuǎn)化為電磁能。38 聲波儀：發(fā)射機(jī)是一種聲源訊號(hào)的發(fā)射器，由它向電致材料（或磁制）制成的換能器輸送電脈沖，激勵(lì)換能器的晶片，使之振動(dòng)而產(chǎn)生聲波，向巖體發(fā)射。 聲波在巖體中以彈性波形式傳播，然后由接收換能器加以接收，該換能器將聲能轉(zhuǎn)換成電子訊號(hào)送到接

12、收機(jī)，經(jīng)放大后在接收機(jī)的示波管屏幕上顯示波形。若將接收機(jī)與微機(jī)連接，則可對(duì)聲波訊號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理。39磁致伸縮智能材料具有磁致伸縮值大、機(jī)械響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，在國(guó)防、航空航天和高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。40磁致伸縮智能材料的主要用途（1）由于稀土超大磁致伸縮材料比傳統(tǒng)材料在性能上有了驚人的提高，所以在電器、家電、通訊器材、電腦等生產(chǎn)領(lǐng)域，稀土磁致伸縮材料逐漸取代了傳統(tǒng)的磁致伸縮材料和電致伸縮材料，使產(chǎn)品升級(jí)和更新?lián)Q代更加容易。41對(duì)于磁致伸縮智能材料的應(yīng)用，目前，美國(guó)位居各國(guó)之首，其成功標(biāo)志在于開發(fā)出了一系列用于軍事目的的尖端產(chǎn)品，如艦艇水下聲納探測(cè)系統(tǒng)以及導(dǎo)彈發(fā)射控制裝置等。42我國(guó)對(duì)磁致伸縮智

13、能材料新產(chǎn)品的開發(fā)也呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢(shì)頭。如開發(fā)出的大功率巖體聲波探測(cè)器，應(yīng)用于三峽工程和地球物理勘探；開發(fā)出的井下物理法采油裝置；43我國(guó)對(duì)磁致伸縮智能材料新產(chǎn)品的開發(fā)也呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢(shì)頭。如開發(fā)出的大功率巖體聲波探測(cè)器，應(yīng)用于三峽工程和地球物理勘探；開發(fā)出的井下物理法采油裝置；44 壓電效應(yīng)在某些晶體材料上施加機(jī)械力時(shí)，晶體表面會(huì)產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱正壓電效應(yīng)。在一定范圍內(nèi)，電荷密度與作用力成正比。相反，在晶體上施加電場(chǎng)時(shí)，晶體會(huì)產(chǎn)生幾何變形，稱逆壓電效應(yīng)。45晶體的對(duì)稱性決定了材料能否產(chǎn)生壓電性。顯然，壓電效應(yīng)只存在于沒有對(duì)稱中心的晶體中。46 凡是具有對(duì)稱中心的晶體不會(huì)呈現(xiàn)壓電效應(yīng)。

14、 因?yàn)檫@些晶體受到應(yīng)力后，內(nèi)部發(fā)生均勻變形，仍保持質(zhì)點(diǎn)間對(duì)稱排列，并無不對(duì)稱的相對(duì)位移，也就不會(huì)產(chǎn)生極化，電矩還是為零，因此晶體表面不顯示電性，也就不會(huì)呈現(xiàn)壓電效應(yīng)。 而在無對(duì)稱中心的晶體中，在應(yīng)力作用下，質(zhì)點(diǎn)間產(chǎn)生不對(duì)稱的位移，結(jié)果產(chǎn)生了新的電矩，晶體表面顯示電性，呈現(xiàn)壓電效應(yīng)。47壓電效應(yīng)的本質(zhì)機(jī)械作用(應(yīng)力與應(yīng)變)引起了晶體的極化，從而導(dǎo)致介質(zhì)兩端表面出現(xiàn)相反的束縛電荷。 48 光致變色玻璃光致變色玻璃是一種能在光的激發(fā)下發(fā)生變色反應(yīng)的玻璃。49含鹵化銀的堿鋁硼硅酸鹽光色玻璃受到紫外光和可見光照射時(shí)，氯化銀晶體分解為Ag和Cl原子，析出的銀原子團(tuán)簇使玻璃顏色變深，從而阻止陽光的透過。發(fā)生

15、的光化學(xué)反應(yīng)如下： 50式中，h1為短波激活光能；h2為長(zhǎng)波光源光能；為加熱退色效應(yīng)。h1玻璃變色過程中，發(fā)生的光化學(xué)反應(yīng)如下：51在沒有紫外線照射時(shí)，原來分解產(chǎn)生的銀和鹵素原子又重新結(jié)合恢復(fù)為無色的氯化銀AgCl，原于團(tuán)簇解體，玻璃(鏡片)褪色。因此，變色眼鏡在陽光下變深，在室內(nèi)則恢復(fù)透明。 若配料中加入少量敏化劑，就能顯著地提高敏感性，并增大光致變色的變暗能力。如加入Cu2O時(shí)，Cu+ 是一種增感劑52Cu+在氯化銀晶體中作為空穴的捕獲中心，它 的存在增加了光解銀原子Ag0的濃度，使玻璃的變暗靈敏度大大提高。h153光致變色玻璃具有隨光的波長(zhǎng)和強(qiáng)度的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)光的透過率的自適應(yīng)特性，因

16、而被稱為光敏型智能玻璃，除用作變色眼鏡外，還用作汽車防護(hù)玻璃、航天器窗口、激光防護(hù)、以及裝飾等。 54 高分子智能材料：成分是水和一種聚合物的混合物,低溫下是透明的膠狀半流體,當(dāng)天氣變曖時(shí),它就變成白色,這一變化過程是可逆的. 聚合物的一部分是油質(zhì)成分,在低溫時(shí)油質(zhì)成分把水分子以一種冰凍的方式聚集在這種聚合物纖維的周圍,就像一件冰茄克衫,這種像繩子似的聚合物是成串排列起來的,呈透明狀,可以透過90%的光線. 55 當(dāng)它被加熱時(shí),這種聚合物分子就像面條在沸水里那樣翻滾,并拋棄它們的像冰似的冰茄克衫,使聚合物纖維得以聚在一起,此時(shí),云膠又從清澈透明變成為白色,可阻擋90%的光.這種變化可在兩三度溫

17、差范圍內(nèi)完成. 56 建筑物如果具有像這樣的皮膚,就可以適應(yīng)周圍的環(huán)境.當(dāng)天氣寒冷時(shí),它就變成透明的,讓陽光照射進(jìn)來;當(dāng)天氣暖和且必須把陽光擋住時(shí),它就變得半透明. 充滿云膠的多層玻璃,不僅可用作天花板,而且可用作墻壁. 57第四節(jié)熱點(diǎn)應(yīng)用1、仿生學(xué)和航空航天用智能材料2、智能傳感器3、象鳥一樣飛的空中轎車4、太陽能智能服裝58第四節(jié)熱點(diǎn)應(yīng)用1、仿生學(xué)和航空航天用智能材料2、智能傳感器3、象鳥一樣飛的空中轎車4、太陽能智能服裝59 仿生學(xué)和航空航天用智能材料“個(gè)人航空器” 、“空中汽車” 的核心技術(shù)是“智能”材料。這種物質(zhì)具有神奇的特性，它可以根據(jù)指令彎曲、可以“感受”壓力、當(dāng)放入磁場(chǎng)中，還可以從液態(tài)變成固態(tài)。60現(xiàn)在有些飛機(jī)已經(jīng)具有可調(diào)機(jī)翼，如挪威的F-14雄貓飛機(jī)和B-1超音速轟炸機(jī)。這些飛機(jī)將剛性的機(jī)翼通過巨大、沉重的曲軸安裝在機(jī)身上。作為對(duì)比，形態(tài)工程的科學(xué)家們所設(shè)想的機(jī)翼可以根據(jù)指令而展開。這種機(jī)翼是使用“形態(tài)記憶”合金或其他新穎的材料制成，可以彎曲產(chǎn)生新的形狀?！靶螒B(tài)記憶”合金具有獨(dú)特的性能，當(dāng)提供足夠的熱量后，它可以很快的恢復(fù)原有形狀，任何形狀都可以最終恢復(fù)成它原有的狀態(tài)。61 將形狀記憶材料或電流變材料埋入建筑材料，其中的傳感器得到某部分出現(xiàn)裂紋的信號(hào)后，計(jì)算機(jī)就會(huì)發(fā)出指令，使事先埋入建筑物中的微小液滴變成固體，自動(dòng)加固或通過加熱形狀記憶合金