智能材料设计技术及应用研究进展_刘俊聪
智能材料设计技术及应用研究进展Design Technology and Application Advance of Intelligent Material 中国兵器工业集团第五三研究所 刘俊聪 王丹勇 李树虎 秦贞明 贾华敏
[摘要] 综述了智能材料的智能传感技术、智能驱动技术、智能控制技术3种关键设计技术，形状记忆材料、压电材料、智能高分子3种基础智能材料以及在船舶、电子、航空航天、土木工程等领域的应用进展，并对其未来技术发展进行了展望。
关键词:智能材料设计技术应用进展材料
[ABSTRACT] Three design technologies, for ex-ample, intelligent censoring technology, intelligent driving technology and intelligent controlling technology and three basic intelligent materials, for example, shape memory al-loy (SMA), piezoelectric material and intelligent polymers are summarized. And then its applications in boating, elec-trics, aerospace, civil engineering are introduced. Finally, the future development of intelligent materials’ design technology is prospected.
Keywords: Intelligent material Design technol-ogy Application Advance Materials
20世纪80年代中期，人们提出了智能材料的概念，智能材料要求材料体系集感知、驱动和信息处理于一体，形成类似生物材料那样的具有智能属性的材料[1]。目前的文献中智能材料也被称为机敏材料、机敏结构、自适应结构、智能材料、智能结构，这些概念至今在国内外的文献中没有统一的定论，关于“机敏”和“智能”，不少文献也进行了说明[2-3]。
智能材料是一种能够判断、处理从自身表层或内部获取的关于环境条件及变化的信息并做出反应、以改变自身结构与功能，使其很好地与外界协调的、具有自适应性的材料系统[4]。
智能材料的基础是功能材料，功能材料通常可分为两大类，一类被称为驱动材料，它可以根据温度、电场或磁场的变化来改变自身的形状、尺寸、位置、刚性、阻尼、内耗或结构等，因而对环境具有自适应性功能，可用来制成各种执行器；另一类被称为感知材料，它对来自外界或内部的刺激强度及变化（如应力、应变、热、光、电、磁、化学和辐射等）具有感知，可用来做成各种传感器，
同时具有敏感材料与驱动材料特征的材料，被称为机敏材料。
智能材料在通常情况下不是单一材料，而是由多种材料系统组元通过有机的、紧密或严格的科学组装的一体化系统，是敏感材料、驱动材料和控制材料（系统）的有机结合。智能材料在促进航空航天领域的快速发展方面发挥着愈来愈重要的作用。
1 智能材料设计关键技术
1.1 智能传感技术
智能传感技术是实现智能结构实时、在线和动态检测的基础，其中用于感受周围环境变化以实现传感的一类功能元件叫传感元件，它相当于人的神经系统，通过埋入或粘结于主题材料内部或表面的传感元件能够有效地将所感受的物理量（如力、声、光、电、磁、热等）的变化转换成另一种物理量（如电、光的变化），它是结构实现智能化的基础元件之一。智能结构中的传感元件应满足如下要求：（1）厚度薄，尺寸小，不影响结构外形；（2）与主体材料相容性好，埋入后对原结构强度影响小；（3）性能稳定可靠，传感信号覆盖面宽，电磁兼容性好，抗干扰能力强[5]。
传感元件犹如一种感应器，可以感知外界信息的变化，进而将信息记录并传给材料，同时发出感应。故而，智能传感技术是智能材料发展的一项重要技术。
1.2 智能驱动技术
驱动技术包括驱动元件、激励和控制方式等，是智能结构实现形状或力学性能自适应变化的核心问题，也是困扰结构自适应的一个“瓶颈”。其中，驱动元件是使结构自身适应其环境的一类功能元件，它像人的肌肉，可改变结构的形状、刚度、位置、固有频率、阻尼、摩擦阻力、流体流动速率、温度、电场及磁场等。驱动元件是自适应结构区别于普通结构的根本特征，也是自适应结构从初级形态走向高级形态的关键。对驱动元件的要求如下：（1）与主体材料相容性好，具有较高的结合强度；（2）本身具有较好的机械性能，如弹性模量大、静强度和疲劳强度高、抗冲击等；（3）频率响应宽，响应速度快，激励后的变形量和驱动力大，且易于控制[5]。
驱动元件犹如变色龙，当外界信息发生变化的时候，它可以改变自身的结构等以更好地适应环境的变化。
1.3 智能控制技术
在智能结构中，控制系统也是重要组成部分之一，它的作用相当于人的大脑。智能结构控制系统包括控制元件及控制策略与算法等。智能结构的控制元件集成于结构之中，其控制对象就是结构自身。由于智能结构本身是分布式、强耦合的非线性系统，且所处的环境具有不确定性和时变性，因此，要求控制元件能够自己形成控制规律，并能够快速完成优化过程，需有很强的实时性和在线性。而以频域为基础的经典控制理论和以时域为基础的现代控制理论均难以面对智能结构自身的特征和所处的环境[5]。智能结构的控制打破了传统控制系统的研究模式，将对受控对象的研究转移到对控制器自身的研究上，通过提高控制器的智能水平来减少对受控对象数学模型的依赖，从而增强结构系统的适应能力，使控制元件在受控对象性能发生变化、漂移、环境不确定和时变的情况下，始终获得满意的控制效果。
除了智能传感技术、智能驱动技术以及智能控制技术这3种较为重要的技术外，智能信息处理与运输也至关重要。对多传感器数据与信息融合，以及多传感器的优化配置的研究[6]也是智能结构信息处理研究的重要内容。
2 智能材料的3种基础材料
随着研究工作的逐步深入，可用于构建智能材料系统的基础材料正日趋完善并不断丰富。目前，国内外现已研制成功并实现了商品化的该类材料有两类：一是形状记忆材料、智能高分子材料等，可用作智能材料系统中的驱动器材料；另一类是压电材料、光导纤维等，可用作智能材料系统中的感知材料[7]。
2.1 形状记忆材料
形状记忆是指具有初始形状的制品，经形变固定之后，通过加热等外部条件刺激手段的处理，又可使其恢复初始形状的现象。形状记忆材料包括形状记忆合金（SMA）、形状记忆陶瓷（SMC）、形状记忆高分子（SMP）。SMA是研究最早的智能材料之一，是利用应力和温度诱发相变的机理来实现形状记忆功能的。将其在高温下进行定型，在低温或常温下使其产生塑性变形，当环境温度升至临界温度时，合金变形消失并恢复到定型的原始状态，将这种加热后又恢复的现象称作形状记忆效应（SME），将具有形状记忆效应的合金称作形状记忆合金。形状记忆合金主要用来制作驱动器，其具有许多独特的性能，其中最主要的是形状记忆效应（SME）、伪弹
性效应（PE）、类橡皮性（HDC）[8]。目前SMA 已在航空航天、电子、仪器仪表、自动控制、能源、建筑、医疗以及日常生活中得到了广泛应用。
与形状记忆合金相比，形状记忆高分子材料不仅变形量大、赋形容易、形状响应温度便于调整，还具有保温、绝缘性能好、不易锈蚀等特点。根据形状记忆高分子材料的材料回复原理可将其分为:热致感应型、电致感应型、光致感应型等。如最近KEN等[9]利用纳米级SIC颗粒增强形状记忆高分子基体，把颗粒状SiC掺入一种热固性形状记忆高分子树脂中，通过调节SiC颗粒的含量，可以得到不同回复性的形状记忆高分子材料，在其含量小于40%时，显示出良好的回复性。再比如Annick等[10]研究聚氨醋栓塞的细胞毒性和诱发性，发现利用其形状记忆功能和泡沫结构的弹性既能很好的保持栓塞的形状，又具有良好的生物相容性。
2.2 压电材料
压电材料是通过电偶极子在电场中的自然排列而改变材料的尺寸，响应外加电压而产生应力或应变，电和力学性能之间呈线性关系。压电材料具有以下特点：（1）具有正逆压电效应，使得它在智能结构中既可作传感元件又可作驱动元件；（2）频响范围宽，响应速度快，功耗低；（3）输入输出均为电信号，易于测量与控制；（4）容易加工得很薄，特别适合于柔性结构。压电材料包括压电陶瓷和压电高分子。
大多数压电器件通常由压电陶瓷构成。使用最广的压电陶瓷是醋钦酸铅（PZT），其在许多广为人知的器件和商品化器件内做致（起）动元件和敏感元件，例如所有的呼机都是以压电陶瓷声频换能器为核心构成的。超声净化器、定时器与声纳系统、流体测量装置、气压计以及扩音器都离不开压电陶瓷。由于PZT压电态至非压电态的转变温度低，其工作温度范围比较狭窄，因而目前正开发其在较高温度条件下的应用，如Zahi等[11]合成了一种三元压电陶瓷，考察了其介电和电性能，发现当居里温度（Tc）在250~305℃范围内时，这种材料具有较高的机电撬合系数（kp）。再比如Amen[12]等研制的PZT压电纤维可用于震动控制。
2.3 智能高分子材料
现在人们已经认识到生物体中有许多组织具有类似水凝胶的结构，如人体器官内壁粘液层、眼的玻璃体和角膜、细胞外基质等均为凝胶状组织。这为从仿生构思研制智能生物材料指明了方向。当生物组织受到温度、化学物质等刺激时，形状和物性发生变化，进而呈现相应的功能。将生物的某些功能引入材料，使材料智能化，是21世纪开拓并应用生物材料所面临的挑战之一。智能高分子材料是通过分子设计和有机合成
的方法使有机材料本身具有生物所赋予的高级功能：如自修复与自增殖能力、认识与鉴别能力、刺激响应与环境应变能力等[13]。这些特殊性能使它可应用于一些特殊领域，如北海道大学长田义仪教授利用凝胶的压电效应，制成人工肌肉，实现类似人的肌肉那样的人工触觉系统[14]。根据高分子凝胶所受刺激信号的不同，可以将其分为以下几种：温敏性、光敏性、磁场响应、电场响应、PH 响应、化学物质响应等，如利用高分子凝胶的热可逆沉淀—溶解现象，可以将分子阀引入高分子链，即把具有识别功能的生物分子或某种受体的配体（如细胞抗体）结合到高分子链上应用于沉淀诱导的亲和分离，制备生物反应器[15]。此外，美国科学家利用智能染料分子的荧光效应已研究出一种超微纤维—光纤传感器，它的直径仅为人类毛发的1‰~1%。当光纤将激光传输至固定在其端部的荧光指示器，并与被分析物分子在尖端处相互作用时，发射光的波长与强度的改变就可转化为被分析物的浓度。
3 智能材料的应用
3.1 智能材料在航空领域的应用
航空领域最早开展了智能材料结构研究。随着航空科学技术的飞速发展，对飞行器的结构提出了更高要求，如轻质、高可靠性、高维护性、高生存能力，为了适应这些要求，必须增加材料的智能性，使用智能材料结构。智能材料结构在航空飞行器上的应用主要有智能蒙皮、自适应机翼、振动噪声控制和结构健康监测等。
3.1.1 智能蒙皮
智能蒙皮是在飞行器蒙皮中植入传感元件、驱动元件和微处理控制系统，它的功能包括：流体边界层控制、结构健康检测、振动与噪声控制、多功能保型天线等。可以实时监测或监控蒙皮损伤，并可使蒙皮产生需要的变形，使结构不仅具有承载功能，还能感知和处理内外部环境信息，并通过改变结构的物理性质使结构发生形变，对环境做出响应，实现自诊断、自适应、自修复等多种功能。其中利用智能蒙皮进行边界层控制是通过把边界层维持层流状态，或者对湍流进行控制，大大减小了飞行器飞行中的阻力，延迟在机翼中的空气流动分离，从而提高飞行器性能，减少燃料的消耗。由于飞行器的蒙皮一般都很薄，要求埋入的传感器体积小，对基体结构的损伤较小，符合条件的传感器有光纤、含金属芯压电陶瓷纤维、PVDF等。
3.1.2 自适应机翼
为了满足高性能飞行器研制需求，自适应机翼技术作为一项关键技术，将发挥其在改善飞机飞行性能方面的重要作用。自适应机翼具有翼型自适应能力，根据不同的飞行条件改变机翼形状参数，如机翼的弦高、翼展方向的弯曲和机翼厚度，采用最优方式，使机翼能得到空气动力学方面的帮助，如可以有效改善翼面流场、延缓气流分离、增加升力和减少阻力，从而提高飞行器的机动性和载荷能力，抑制气动噪声与振动，并能改善雷达探测的散射截面从而有利于飞行器的隐身。常规的刚性机翼表面导致空气较早分离，使阻力增加、升力减小。
机翼形状的变化范围有3种尺度，分别是小尺度变形、中等尺度变形以及大尺度变形（即改变机翼面积、后掠角等）。在MAS计划实施之前的研究主要针对中等尺度变形（如改变机翼弯度和扭转角）和小尺度变形（如产生局部鼓包和振荡表面延迟气流分离），MAS计划则主要研究大尺度变形（如改变机翼面积、平面形状）。
无论机翼变形尺度的大小是多少，机翼的自适应变形无一例外都是通过2种技术途径来实现的。第一种途径是通过智能材料的诱导应变来驱动结构产生所需要的形变。其中，压电材料形状记忆合金以及磁致伸缩材料最具作为自适应机翼变形作动器的潜力。另一种途径是采用目前的常规材料结构，结合成熟的控制和驱动技术，融入自适应机翼的概念，采用特殊的一体化结构／机构形式来实现机翼结构可控的自适应变形。
3.1.3 振动噪声控制
飞行器的振动会使结构产生疲劳裂纹，使结构破坏，甚至酿成重大事故，其产生的噪声更会对机组人员和乘客的身心健康造成伤害。随着飞行器日益向轻质化、高速化发展，人们对其舒适性和安全性等方面也提出了越来越高的要求，这就要求我们必须对飞行器进行振动和噪声控制。传统的飞行器减振降噪方法主要是被动控制技术，例如附加约束阻尼层、安装动力吸声器等方法，虽然在飞机结构的振动噪声控制中得到了较好应用，但是这些被动方法的主要缺点在于：一是有效适用的频带较窄，二是往往带来基体结构重量的过度增加而影响飞机的机动性能。
将智能结构技术应用于飞机的振动噪声控制研究，是现代飞机设计中减振降噪技术应用与发展的一个趋势。尤其是压电材料，由于其具有良好的宽频可控特性及机电耦合特性，使其在飞机智能结构减振降噪研究中成为首选的智能材料。
3.1.4 结构健康监测
采用智能结构的健康监测技术可以在线实时地对结构状态进行监测，进而保证飞机的安全性和可靠性、降低维护费用、延长使用寿命。对飞行器机体结构进
行健康监测的主要方法是：把传感元件和传感网络粘贴在机体结构表面或埋入机体结构中，实时监测飞行器的应力、应变、温度、损伤等结构健康状态。常用的传感器主要有光纤和压电传感器。也可以把传感器和传感网络植入飞行器蒙皮中，实时监测飞行器表面的应力、应变、温度、损伤等结构健康状态，并能感受到冲击载荷。
3.2 智能材料在混凝土结构中的应用
智能材料应用在土木工程的混凝土结构中也发挥着至关重要的作用，比如具有自我诊断和自我适应、感觉和自我调节的功能等。智能材料的这些功能和作用的发挥都为混凝土结构的改进和完善打下了良好基础。
3.2.1 具有自诊断和自适应功能的机敏混凝土结构
将机敏材料融合到混凝土中，可使混凝土构件具有自诊断、自增强、自我调节和自愈合的功能。按机敏材料与结构混凝土结合的状况，机敏材料可分为本征和非本征两大类[16]。当机敏材料与结构混凝土具有相同的物理特征时，即为本征机敏材料（如碳纤维混凝土），反之则为非本征机敏材料（如光纤、记忆合金、愈合管道等）。根据机敏混凝土结构自诊断、自适应功能目标的不同，大致可分为：具有裂缝自诊断和主动控制功能的机敏混凝土结构、具有裂缝自愈合功能的机敏混凝土结构；具有应力状态自诊断功能的压敏混凝土结构、具有温度分布自诊断和自调节功能的温敏混凝土结构、具有结构变形自监测和自适应功能的机敏混凝土结构、具有钢索应力自监测功能的机敏钢索混凝土结构[17]。
3.2.2 有感觉和自我调节功能的混凝土智能减振结构
这类结构由可调参数智能结构构件和普通结构构件组合而成。它是以普通动力感知器作为结构振动状态的“感觉神经”，由智能材料调节器根据感觉神经测得的结构振动状态，自我调节智能结构构件的参数，来实现减小整个混凝土结构振动[18]的目标。因此，从根本上说，它与普通的半主动控制结构是一样的，只是在调节参数的手段上采用了智能材料。由于智能材料调节器是通过改变外加电场或磁场的强度调整材料状态从而调整结构参数的，因此它的变化速率要大大快于常规半主动控制中使用的电磁阀装置。这就使得智能减振结构几乎没有时滞，控制的品质大大优于常规的半主动控制结构，这也就是智能减振结构具有旺盛生命力的原因[19]。
智能材料除了应用在航空领域以及混凝土的结构中，还应用在电子、机械、自动化等领域，其应用原理基本上都是相同的，就是利用相关技术赋予相关的一种或者几种材料于智能的思维，使得材料变得具有生物体的特征即智能化。
3.3 智能材料在船舶领域的应用
目前，船舶工业已将形状记忆合金的原理和基本方法应用在声发射检测。大量研究结果表明[20-25]：通过检测形状记忆合金的AE信号、分析AE信号的特征参数，可研究和评价船舶结构材料温度和马氏体相变，了解其马氏体相变过程及其特点，进而对作为AE源的形状记忆合金本身的性能和状态进行评估。作为一种动态无损检测技术，声发射对研究形状记忆合金智能材料和结构起着重要作用。
智能材料作为一种先进复合材料，在航空航天、建筑、船舶等领域的应用日趋广泛，凭借其轻量化、智能化等优势，愈来愈受到研究人员的广泛关注。
4 智能材料的发展前景
智能材料在现有材料和相关关键技术的基础上发挥着越来越重要的作用，智能材料在材料领域，包括船舶材料中的地位也日趋提高，其应用的广泛性也备受人们的关注。今后智能材料领域的研究主要集中在以下几个方面[26-27]:
（1）智能结构集成的数学基础，包括结构集成传感器、执行器和控制器后的特殊数学、力学问题，特别是非线性问题；
（2）主动传感器，适合于智能结构的应变、振动、损伤腐蚀及温度等传感器的原理方法与技术，特别是分布式传感器及多传感器复合；
（3）主动执行器，由形状记忆材料、压电材料、智能高分子材料、光导纤维、电（磁）流变体等制成的执行器；
（4）信息处理、通讯和控制，适用于智能材料系统与结构、仿生的智能控制、模糊控制及神经网络控制的自适应控制的理论及方法；
（5） 智能材料自身特性及智商评价体系的研究。
21世纪，智能材料将会引导材料科学不断向前发展，其应用和发展将会带领人类物质文明迈入更高的阶段。相信国内外知名的科学家将会研究出新的技术，应用在更新的材料中，运用在包括航空航天、船舶等众多领域，进而为国防作出贡献，研制并生产出越来越多的、具有超高使用价值的商品，令人们的生活和工作更加快捷和方便，从而也会进一步促进复合材料在战略性新兴产业等重大领域的广泛应用。
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针对可能存在的原因，对该机床进行检查分析，首
先，该机床Y 坐标行程只有1000mm 左右，
且设定好原点后马上复查就出现偏差，基本排除是温度差造成测量装置热胀冷缩所引起。于是检查光栅尺安装是否牢靠，经过检查发现固定光栅尺读头的螺钉出现轻微松动，重新紧固螺钉后再次检查，其图形如图6所示。从分析数据的结果看，该机床重复定位为0.0037mm,定位精度为
0.012 mm ，再次设定原点后复查，和之前设定值完全不差，故障排除。
5 结束语
综上分析可以看出，利用激光干涉仪的线性测长功能，不仅能够测量出数控机床的定位精度、重复定位精度和反向间隙等数据并对精度进行补偿。还能帮助我们利用检测图形和数据，来分析数控机床出现故障的原因及解决办法，从而迅速恢复机床，缩短维修时间，提高维修的效率。
参 考 文 献
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（责编 小城）
图5 坐标漂移误差曲线
Fig.5 Axis drift error curve
图6 坐标漂移调整后误差曲线
Fig.6 Axis drift error curve after adjustment
（上接第133页）
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（责编 亿霖
）
纳米复合材料最新研究进展与发展趋势
智能复合材料最新研究进展与发展趋势 1.绪论 智能复合材料是一类能感知环境变化，通过自我判断得出结论，并自主执行相应指令的材料，仅能感知和判断但不能自主执行的材料也归入此范畴，通常称为机敏复合材料。智能复合材料由于具备了生命智能的三要素：感知功能(监测应力、应变、压力、温度、损伤) 、判断决策功能(自我处理信息、判别原因、得出结论) 和执行功能(损伤的自愈合和自我改变应力应变分布、结构阻尼、固有频率等结构特性) ，集合了传感、控制和驱动功能，能适时感知和响应外界环境变化，作出判断，发出指令，并执行和完成动作，使材料具有类似生命的自检测、自诊断、自监控、自愈合及自适应能力，是复合材料技术的重要发展。它兼具结构材料和功能材料的双重特性。 在一般工程结构领域，智能复合材料主要通过改变自身的力学特性和形状来实现结构性态的控制。具体说就是通过改变结构的刚度、频率、外形等方面的特性，来抑制振动、避免共振、改善局部性能、提高强度和韧性、优化外形、减少阻力等。在生物医学领域，智能复合材料可以用于制造生物替代材料和生物传感器。在航空航天领域，智能复合材料已实际应用于飞机制造业并取得了很好的效果，航天飞行器上也已经使用了具有自适应性能的智能复合材料。智能复合材料在土木工程领域中发展也十分迅速。如将纤维增强聚合物（FRP）与光纤光栅（OFBG）复合形成的FRP—OFBG 复合筋大大提高了光纤光栅的耐久性。将这种复合筋埋入混凝土中，可以有效地检测混凝土的裂纹和强度，而且它可以根据需要加工成任意尺寸，十分适于工业化生产。本文阐述了近年来发展起来的形状记忆、压电等几种智能复合材料与结构的研究和应用现状，同时展望了其应用前景。 2.形状记忆聚合物（Shape-Memory Polymer）智能复合材料的研究 形状记忆聚合物（SMP）是通过对聚合物进行分子组合和改性，使它们在一定条件下，被赋予一定的形状（起始态），当外部条件发生变化时，它可相应地改变形状并将其固定变形态。如果外部环境以特定的方式和规律再次发生变化，它们能可逆地恢复至起始态。至此，完成“记忆起始态→固定变形态→恢复起始态”的循环，聚合物的这种特性称为材料的记忆效应。形状记忆聚合物的形变量最大可为200％，是可变形飞行器
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智能材料及其发展 1.材料的发展 材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或者其他产品的物质，是人类生活、生产的基础，是人类认识自然和改造自然的工具，与信息、能源并列为人类赖以生存、现代文明赖以发展的三大支柱。材料也是人类进化的标志之一，一种新材料的出现必将促进人类文明的发展和科技的进步，从人类出现，经历旧石器时代、新石器时代、青铜时代……，一直到21世纪，材料及材料科学的发展一直伴随着人类的文明的进步。在人类文明的进程中，材料大致经历了一下五个发展阶段。 1）利用纯天然材料的初级阶段：在远古时代人类只能利用纯天然材料（如石头、草木、野兽毛皮、甲骨、泥土等），也就是通常所说的旧石器时代。这一阶段人类只能对纯天然材料进行简单加工。 2）单纯利用火制造材料阶段：这一阶段跨越了新石器时代、青铜时代和铁器时代，它们风别已三大人造材料为象征，即陶、铜、铁。这一时期人类利用火来进行烧结、冶炼和加工，如利用天然陶土烧制陶、瓷、砖、瓦以及后来的玻璃、水泥等，从天然矿石中提炼铜、铁等金属。 3）利用物理和化学原理合成材料阶段：20世纪初，随着科学的发展和各种检测手段及仪器的出现，人类开始研究材料的化学组成、化学键、结构及合成方法，并以凝聚态物理、晶体物理、固体物理为基础研究材料组成、结构和性能之间的关系，并出现了材料科学。这一时期，人类利用一系列物理、化学原理、现象来创造新材料，这一时期出现的合成高分子材料与已有的金属材料、陶瓷材料（无机非金属材料）构成了现代材料的三大支柱。除此之外，人类还合成了一系列的合金材料和无机非金属材料，如超导材料、光纤材料、半导体材料等。 4）材料的复合化阶段：这一阶段以20世纪50年代金属陶瓷的出现为开端，人类开始使用新的物理、化学技术，根据需要制备出性能独特的材料。玻璃钢、铝塑薄膜、梯度功能材料以及抗菌材料都是这一阶段的杰出代表，它们都是为了适应高科技的发展和提高人类文明进步而产生的。 5）材料的智能化阶段：自然界的材料都具有自适应、自诊断、自修复的功能。如所有的动物和植物都能在没有受到毁灭性打击的情况下进行自诊断和修复。受大自然的启发，近三四十年的研发，一些人工材料已经具备了其中的部分功能，即我们所说的智能材料，如形状记忆合金、光致变色玻璃等。但是从严格意义上将，目前研制成功的智能材料离理想的智能材料还有一定的距离。 材料科学的发展主要集中在以下几个方面：超纯化（从天然材料到复合材料）、量子化
智能材料的研究现状与未来发展趋势
龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/5718864315.html, 智能材料的研究现状与未来发展趋势 作者：邓焕 来源：《科学与财富》2017年第36期 摘要：智能材料这一概念在上世纪80年代首次被提出，近年来，关于智能材料在航空航天领域的研究与应用被频繁提及。由于智能材料具备着结构整体性强、可塑性高、功能多样化等优点，因此在航空航天领域得到了广泛的研究与使用，首先根据功能性的不同对智能材料进行了系统的分类与概述，然后对当前智能材料在航空航天领域的主要应用进行了系统性的分析与总结，最后对智能材料在未来的航空航天的应用前景中进行了进一步地展望。 关键词：智能材料；复合材料；航空航天；功能多样化 1 引言 进入二十一世纪以来，全球各大航空航天强国在航天航空领域投入了大量的研发资金，而作为航空航天领域重要环节的航天材料，近年来也不断有着新的突破，而其中被提及最多的就是智能材料在航空航天领域的应用。在智能材料的范畴中，智能复合材料最具有代表性，智能复合材料主要具备着：外界环境感知功能；判断决策功能；自我反馈功能；执行功能等。此外，由于当前智能复合材料都向着轻量化、低成本化的方向发展，因此在航天领域复合材料的设计结构以及使用用途上都有着不同的侧重发展方向。而近年来国内外各国也均加快了各自在该领域的研发使用发展进度，主要的研究大方向还是集中在了智能检测、结构稳定性、低成本化等方向上，本文着重对相关部分进行系统性的概述与总结。 2 航空航天领域智能复合材料的功能介绍 在航空航天领域中，国内外普遍利用智能复合材料以实现在降低航空航天飞行器的自身重量的前提下保证系统结构的稳定性，其次根据复合智能材料具备智能检测自身系统内部工作状态和自愈合等功能实现航空航天材料在微电子与智能应用方向的交叉发展。 2.1 智能复合材料在航天结构检测方向的应用 智能复合材料在航空航天器中的应用，主要是通过将传感器以嵌入的方式与原始预浸料铺层以及湿片铺层等智能复合材料紧密键合，最终集成在控制芯片控制器上实现对整个系统的实时监控诊测、自我修复等供能，值得注意的是，在这一过程中，智能化不仅仅是符合材料的必要功能，复合材料在很大程度上可以有效承受比传统应用材料更大外界机械压力[1]。 除此之外，由于智能复合材料作为传感器的铺放衬底，因此智能复合材料还可以实现对整个材料内部结构的状况进行收集并且将出现的诸如温度异常、结构异常、表面裂痕等隐患及时反馈至中央处理器，这在一定程度上可以有效实现整个系统内部的检测与寿命预测，在这方面的技术上，美国的Acellent公司研发的缠绕型复合材料以压力感应的形式，按照矩形布线形式
中国在超疏水材料研究方面的进展
中国在超疏水材料研究方面的进展 分子一班 张雷 3013207391 Abstract ： 摘要：具有超疏水性、超双疏性等的微纳复合材料在人们的日常生活和国民生产各个部门都有着广泛的应用前景，因而也引起科学界的广泛关注。由于固体表面的浸润性决定于其表面的化学组成和表面形貌，因此通过改变固体的表面自由能和表面形貌可以实现对固体材料表面浸润性控制。近些年来，这方面的研究吸引了许多科学家和课题组的注意。可以说，超疏水、超双疏材料的制备正成为一个研究的热点问题。本文在查阅有关文献的基础上，分析中国在超疏水、超双疏材料制备方面的进展。 关键词：超疏水、超双疏、表面改性、润湿性
1、背景： 表面润湿性是指液体(通常为水)在固体材料表面的铺展能力。它是固体表面的重要性质之一, 许多物理化学过程，如吸附、润滑、黏合、分散和摩擦等均与表面的润湿性密切相关1。研究表明, 固体表面的润湿性是由其化学组成和微观几何结构共同决的, 定外场如光、电、磁、热等对固体表面的润湿性也有很大的影响2。固体表面的润湿性通常用水滴在其表面上形成的接触角来衡量, 接触角小于9 0°的表面称为亲水表面,大于9 0°的表面称为疏水表面, 而超疏水固体表面是指与水的接触角为1 5 0°以上的表面。 自然界中存在很多超疏水表面, 最典型的如以荷叶为代表的多种植物叶子表面(荷叶效应Lotus-effect)、蝴蝶等鳞翅目昆虫的翅膀以及水鸟的羽毛等3。受这些自然界中现象的启发，许多课题组都开展了超疏水材料制备方面的研究。 2、超疏水材料制备方法分类： 2.1 模板法： 江雷课题组组报道了一种以多孔氧化铝为模板制备超疏水材料的方法2。具体是将一定孔径的氧化铝模板覆盖在聚碳酸酯（PC）膜上，然后加热PC膜将其溶化并将其压入模板的孔内，最后除去模板即可得到纳米棒状的阵列结构。将模板制备成圆筒状重复上述过程可以得到大面积的阵列PC纳米棒。
手性超材料研究进展
手性超材料研究进展 钟柯松 2111409023 物理 1. 引言 超材料是有特殊电磁性质的人造结构性材料，其中一个典型的性质就是负折射率。第一种负折射率材料1两个部分组成：一个是连续的金属线，它来实现负介电常数2，另一个是开环谐振器，来实现负的磁导率3。在同时实现复介电常数和负磁导率的时候，负折射率就是实现了。后来，人们大多数以这个原则4-5来设计负折射率材料。虽然负磁导率在微波段很容易实现，但是在光频区域却极其困难7,8。与此同时，Pendry9，Tretyakov10,11和Monzon12等人从理论上提出了另一种利用手性实现负折射率的途径。而手性材料层作为完美透镜也从理论上实现了9-13。在这些报告中，Pendry提出了一种3D螺旋线结构来实现负折射率的手性超材料9。Tretyakov等人则在理论上研究了在手性和偶极粒子手性复合材料中得到负折射率的可能性11。理论表明，负折射率是可以在以3D螺旋对称为晶格的金属球超材料中可以得到14。同时也表明，周期上的手性散射是3D和各向同性负折射率的原因15。实际上，Bose曾经在1898年利用螺旋结构研究了平面偏振电磁波的旋转16。Lindman也是研究微波段人造手性介质的先驱17。最近，Zhang等人在实验上实现了一个3D手性超材料在THz波段的负折射率18。Wang等人则在微波段同时实现了3D手性超材料的负折射率和巨大的光学活性和圆二色性19,20。但是，这些提到的3D手性超材料都很难构建。同时，平面手型超材料显示了光学活性也被报道了21-24。这里需要指出的是，平面手性结构是正真的3D手性结构是不同的。Arnaut和Davis第一次把平面手性结构引入到了电磁波的研究中25,26。一个结构如果被定义为手性结构，那么它应该是在任何平面是没有镜面对称的，然而，一个平面结构被认为是手性的，则它是不能和它在该平面上的镜像重叠的，除非它不在这个平面上。实际上，一个平面手性结构还是和镜像镜面对称的。在垂直入射的情况下，在光传播方向上镜面对称的结构是没有光学活性的27。除非在这个结构上增加衬底来打破传播方向上的镜面对称，这样光学活性就能得到了22-24。然而，手性在这些结构是非常微弱的。后来，Rogacheva等人进一步地提出了双层的手性结构，展现出了很强的光学活性28。这个两层的花环状的平面金属层相互平面扭和在两个平面中，它们也不像3D手性原胞一样连接在一起18-20，二是通过电磁场来相互耦合。它的光学活性强到了整个结构都显示出了负折射率。在这个开创性的工作下，一些不同的双层手性结构，从微波段到近红外波段被相继的提出。如双层花环结构29,30，双层十字线结构31,32，金属切线对33，卍字结构34，四个‘U’型结构35-37，互补性手性结构38等等。另外，多层的平面手性结构也被提了出来29,39。它表明，在构建体手性超材料时，邻近原胞之间的耦合效应也应该考虑在内。由于存在这个耦合效应，体手性超材料和单原胞手性超材料的性质存在差异39。当手性超材料在负折射率带中工作是，品质因素（FOM）来评估它的损耗级别40。FOM被定义为折射率实部和虚部比值的绝对值。在一个波长对应的介质中波振幅衰竭为exp（-2π/FOM)。为了得到高的FOM，一种复合的手性超材料在最近提了出来41。另外，可调节的手性超材料也有报道42。 基于传输和反射参数的有效折射率的提取是一种在表征设计的超材料是的方便有用的手段43-47。随着手性超材料研究的进展，负折射率用其他提取方法中也得到了18,29,48,49。Zhao 等人总结了这些提取方法，简练出了几个简单的公式，这在手性超材料的研究中是非常有用的50。非互易式传输在信息处理中起到了至关重要的作用，点偶极子就是一个典型的例子，它在电
磁电复合材料研究进展.
《复合材料学》课程论文 题目：磁电复合材料的研究进展 学生姓名：李名敏 学号： 051002109 学院：化学工程学院 专业班级：材料化学101 电子邮箱： 904721996@https://www.360docs.net/doc/5718864315.html, 2013年 6 月
磁电复合材料的研究进展 摘要：本文介绍磁电复合材料的研究现状和合成工艺，讨论了磁电复合材料性能的影响因素，最后提出了其目前存在的问题及对今后的展望。 关键词：磁电复合材料铁电相铁磁相纳米材料合成工艺性能 1 引言 材料在外加磁场作用下产生自发极化或者在外加电场作用下感生磁化强度的效应称为磁电效应，具有磁电效应的材料称为磁电材料[1]。而磁电复合材料，它由两种单相材料—铁电相与铁磁相经一定方法复合而成。磁电复合材料的磁电转换功能是通过铁电相与铁磁相的乘积效应实现的, 这种乘积效应即磁电效应。磁电复合材料不仅具有前者的压电效应和后者的磁致伸缩效应，而且还能产生出新的磁电转换效应。这种材料能够直接将磁场转换成电场，也可以把电场直接转换为磁场。这种不同能量场之间的转换一步而成，不需要额外的设备，因此转换效率高、易操作。磁电复合材料不但具有较高的尼尔和居里温度，磁电转换系数大等诸多优点，而且还可被用于微波、高压输电、宽波段磁探测，磁场感应器等领域，尤其是在微波泄露、高压输电系统中的电流测量方面有着很突出的优势。此外，磁电复合材料在智能滤波器、磁电传感器、电磁传感器等领域也潜在着巨大的的应用前景[2]。目前, 磁电复合材料作为一种非常重要的功能材料，已成为当今铁电、铁磁功能材料领域的一个新的研究热点。 2 磁电复合材料的研究现状 2.1 磁电复合材料的历史 1894年法国物理学家居里首先提出并证明了一个不对称的分子体在外加磁场的影响下有可能直接被极化，磁电材料概念就此被提出。随后，一些科学家又指出了从对称性角度来考虑，在磁有序晶体中可能存在与磁场强度成正比的电极化以及与电场强度成正比的磁极化即线性磁电效应。直到20世纪80年代，已经发现50多种具有磁电效应的化合物，以及几十种具有此性能的固溶体。虽然发现了一系列具有磁电效应的单相材料，而这类材料虽然既具有铁电性(或反铁电性)，又具有铁磁性(或反铁磁性)，然而这些材料的居里温度大都远远低于室温，并且只有在居里温度以下这些材料才会表现出微弱的磁电效应。当环境温度上升到居里温度以上时，磁电系数就迅速下降为零，磁电效应也就随之消失。因此，难以利用单相磁电材料开发出具有实际应用价值的器件。这些局限性使得材料科学工作者们又将目光转移到复合材料上，Van Suchtelen首先提出通过复合材料的乘积效应来获得磁电效应，为制备高性能磁电材料开辟了一条新途径。1978
超疏水材料研究进展
超疏水材料的研究进展 2015年5月3日
超疏水材料的研究进展 摘要：超疏水性材料因为它独特的性质，而在很多方面得到了广泛的应用。近年来，许多具有特殊润湿性的动植物表面同样受到关注。通过研究这些表面微观结构，人们成功地仿生制备出各种功能化超疏水表面，从而更好地满足工业中实际应用的需要。该综述简单地介绍了表面润湿的基本原理和一些自然界中的超疏水表面现象，重点介绍近几年超疏水表面应用的最新研究进展。最后，对超疏水表面研究的未来发展进行了展望。 关键词：超疏水、仿生、润湿、功能化表面 自然界中，经亿万年的自然选择，许多生物的表面都表现出优良的超疏水性能，比如荷叶、花生叶、莲叶等植物表面和水黾、鲨鱼表皮、沙漠甲虫、蝴蝶翅膀等动物体表。一直以来，这类自然现象都启发着各领域的科学工作者们，尤其是近几十年，仿生超疏水表面以其优越的防腐蚀、自清洁、防覆冰、抗菌等性能，在防腐、自清洁、建筑防水、流体减阻、防污等领域都有广泛的应用[1]。因此，对超疏水材料进行总结和展望，对这种材料的发展有重要的意义。 1超疏水原理 超疏水表面的定义可以从字面意思上进行理解，即指难以湿润的表面，固体表面的湿润性作为固体表面重要的特性之一，不仅受到固体表面粗糙度的影响，还受固体表面化学成分的影响，我们可以用液体与固体的接触角θ来作为是否湿润的判断依据。接触角越大，表面的疏水效果越好，反之亦然[2]。当θ=0°时，所表现为完全湿润；当θ<90°时，表面为可湿润，也叫做亲液表面；当θ>90°时，表面则为不湿润的疏离表面；当θ=180°时，则为完全不湿润。一般θ>150°被称为超疏水表面[3]。 接触角是衡量表面疏水性涂层湿润性的主要指标，但并不是唯一指标，在实际应用中还可以根据前进角、后退角的大小来考虑其动态过程。前进角与后退角是液滴前进或后退时与固体表面所成的临界角度。但是如果不断增加或减小固体
复合材料的最新研究进展
复合材料的最新研究进展 季益萍1, 杨云辉2 1天津工业大学先进纺织复合材料天津市重点实验室 2天津工业大学计算机技术与自动化学院, （300160） thymeping@https://www.360docs.net/doc/5718864315.html, 摘要：本文主要介绍了当前复合材料的最新发展情况，主要集中在复合材料的增强纤维、加工技术、智能材料和非破坏性检测技术等方面。希望能抛砖引玉，激发研究人员更有价值的创意。 关键词：复合材料，最新进展 1. 引言 人类社会正面临着诸多的问题和需求，如矿物能源、资源的枯竭、环境问题、信息技术以及生活质量等，这推动了复合材料的发展，也促进了各种高新技术的发展。但目前人们已不仅仅局限于新材料的创造、发现和应用上，科学研究已进入一个各种材料综合使用的新阶段，即向着按预定的性能或功能设计新材料的方向发展。并且，在复合材料性能取得飞速发展的同时，其应用领域不断拓宽，性能持续优化，加工工艺不断改善，成本不断降低。 复合材料的独特之处在于其可提供单一材料难以拥有的性能，其最大的优势是赋予材料可剪切性，从而优化设计每个特定技术要求的产品，最大限度地保证产品的可靠性、减轻重量和降低成本。近年以来，复合材料在加工领域中取得了一系列重要的进展，由于计算机辅助设计工具的介入和先进加工技术的开发，使复合材料的市场竞争力有了很大的提高，应用领域不断扩大，除用于结构复合材料外，还大量的进入了功能材料市场。我们观察到，复合材料的发展趋势是[1]： （1）进一步提高结构型先进复合材料的性能； （2）深入了解和控制复合材料的界面问题； （3）建立健全复合材料的复合材料力学； （4）复合材料结构设计的智能化； （5）加强功能复合材料的研究。 近年来，复合材料在增强纤维、加工技术、智能材料和非破坏性检测技术等方面研究较多，并且不断有新的市场应用，能够代表复合材料的最新发展方向。 2. 增强纤维环保化[2] 目前，增强纤维的发展趋势主要是强度、模量和断裂伸长的提高。但随着全球环保意识的风行，复合材料产品也逐渐受到环保方面要求的压力，尤其欧洲地区已有相关规定，热固性复材产品由于无法回收再利用而不易销往欧洲。在树脂之外，复材产品中的增强纤维迄今绝大部分都是无法回收再利用的，包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶等，全都是如此。 最近有一种新型增强纤维－玄武岩纤维(Basalt Filament)，是由火山岩石所提炼而成的，堪称100% 天然且环保，预期在不久的未来，将会取代相当比例的各种纤维，而加入复合 - 1 -
智能材料
智能材料及其在医学领域的应用 目录 1、智能材料的概述 1.1智能材料的定义和基本特征........................................................ 1.2智能材料的构成............................................................................ 1.3智能材料的分类............................................................................ 1.4智能材料的制备............................................................................ 2、智能材料的应用领域 2.1智能材料的研究方向................................................................... 2.2智能材料在医学上的应用............................................................ 2.3智能材料在医疗方法中的应用....................................................
2.4智能材料在医学器械方面的应用................................................. 3、结束语.................................................................... 4、参考文献................................................................ 摘要本文综合评述了智能材料的研究、应用和进展。对智能材料与结构的概念进行了描述，全面总结了智能材料智能材料生物医药方面的应用, 探讨了智能材料光明的应用前景和发展趋势。 关键词智能材料；医学应用；发展 1智能材料的概述 1.1定义：智能材料（Intelligent material），是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。科学家预言，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。 基本特征：因为设计智能材料的两个指导思想是材料的多功能复合和材料的仿生设计，所以智能材料系统具有或部分具有如下的智能功能和生命特征： （1）传感功能（Sensor）
复合材料的研究与进展
复合材料的研究与进展 摘要：所谓复合材料，指的是由两种或两种以上的材料经过复合而制备的多相材料，是一种混合物。复合材料可以由金属材料、陶瓷材料或高分子材料等复合而成，各种材料的性能之间相互补充或增强，取长补短，产生协同效应，从而使复合材料的整体性能优于原组成材料。复合材料具有许多优点，如：质量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀性好等。被广泛应用于航空航天，汽车工业，化工纺织和医疗等领域。 关键词：复合材料碳纤维复合材料 一.复合材料的发展历史 早在五千年年以前，在中东地区就有用芦苇混合沥青来造船的技术了，在古埃及，修建金字塔时用石灰、火山灰等作粘合剂，混和砂石等作砌料，这是最早最原始的颗粒增强复合材料。而在古代中国，复合材料的应用则更为瑰丽广泛，如：从西安东郊半坡村仰韶文化遗址，发现早在公元前2000年以前，古代人已经用草茎增强土坯作住房墙体材料；中国沿用至今的漆器是用漆作基体，麻绒或丝绢织物作增强体的复合材料；1957年江苏吴江梅堰遗址出土有油漆彩绘陶器，1978年浙江余姚河姆渡遗址出土的朱漆木碗，就是两件最早的漆器实物；汉墓出土的漆器鼎壶、盆具和茶几等，用漆作胶粘剂，丝麻作增强体。在湖北随县出土的2000多年前曾侯乙墓葬中，发现有用于车战的长达3米多的戈戟，用木芯外包纵向竹丝，以漆作胶粘剂，丝线环向缠绕，其设计思想与近代复合材料相仿；1000多年以前，中国已用木料和牛角制弓，可在战车上放射；至元代，蒙古弓用木材芯子，受拉面贴单向纤维，受压面粘牛角片，丝线缠绕，漆作胶粘，弓轻巧有力，是古代复合材料中制造水平高超的夹层结构；在金属基复合材料方面，如越王剑，是金属包层复合材料制品，不仅光亮锋利，而且韧性和耐蚀性优异，埋藏在潮湿环境中几千年，出土后依然寒光夺目，锋利无比。【1】 到了近现代，随着高技术发展的需要，在复合材料的基础上又发展出性能高的先进复合材料。例如在第一次世界大战前，用胶粘剂将云母片热压制成人造云母板，在20世纪初市场上有虫胶漆片与纸复合制成的层压板出售，但真正的纤维增强塑料工业，是在用合成树脂代替天然树脂、用人造纤维代替天然纤维以后才发展起来的。第一次世界大战期间，德国人拖动脚踏车轮拉拔玻璃纤维丝。20世纪30年代，美国发明用铂柑涡生产连续玻璃纤维的技术，从此在世界范围内领域开始取代金属材料。【2】 到了现代，随着航空航天工业汽车工业对于具有质量轻，强度高，耐腐蚀等优越性能的材料的需求，发展了比强度、比模量、韧性、耐热、抗环境能力和加工性能都好的先进复合材料。二．复合材料对于国民经济发展、工业技术变革的作用 复合材料的主要应用领域有：航空航天领域、汽车工业、化工纺织领域还有医学领域。 1.航空航天领域 运用于航天航空领域的复合材料具有热稳定性好，比强度、比刚度高的特性，可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的verton 复合材料壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。【3】由于复合材料的出现，可以有效降低航天航空业的研究发展成本，而由于先进复合材料本身的优越性能，也使得航天飞机飞行器等的性能有了极大改善。例如高性能碳(石墨)纤维复合材料在导弹、运载火箭和卫星飞行器上就发挥着不可替代的作用，它的应用水平和规模已关系到武器装备的跨越式提升和型号研制的成败。 碳纤维是一种力学性能优异的新材料，以树脂为基体，碳纤维为增强体的复合材料碳纤维具有碳材料的固有本征特性，又有纺织纤维的柔软可加工性，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为
超疏水材料制备及其在油水分离中的应用研究进展
超疏水材料制备及其在油水分离中的应用研究进展 摘要随着世界机械化以及工业化的发展，全球的水资源污染逐渐严重，人民群众对于水资源的供应以及淡水资源的处理越发关注，且为水资源处理技术的发展做出了较大贡献。作为水资源净化技术的重要组成部分，油水分离净化技术水平不仅关系着淡水资源的提供质量，而且对于人民群众的身体健康也具有重要影响。基于此，本文将超疏水材料制备及其在油水分离中的应用作为主要研究内容，通过对超疏水材料进行简单阐述，进而对超疏水材料的应用以及其在油水分离中的应用进行详细的研究与分析。本文旨在为超疏水材料在油水分离中的应用研究提供几点参考性建议，并为水资源的净化处理技术发展提供积极的推动作用。 关键词超疏水材料制备；油水分离；应用研究 前言 由于工业化的发展导致海洋中的水资源污染情况越加恶劣，有大量的油产品以及机溶剂污染流入海洋中，对海洋中的水资源产生了严重破坏，进而为水资源净化技术提出了更高的要求，对人类生存与发展也产生了威胁。基于此种宏观环境，本文对超疏水材料在油水分离中的应用进行详细的研究与分析。 1 超疏水材料概述 超疏水材料主要是利用其中较为独特的化学结构以及其本身的润湿性能来作为水资源净化技术中的一种使用材料。由于该种材料在材质表面上具有润湿性的特殊原理，并能够作为超疏水材料而应用至油水分离的水资源净化中，其还具有两方面的特征。第一方面，表面为微纳米结构。第二方面，表面具有低表面能的特色。同时，在该种材料的制备过程中还具有成本较低以及制备材料环保的优势。因此，在油水分离的水资源净化中被广泛使用。但在超疏水材料的具体制备中还有耗时周期长的缺点，而该种缺点与实际制备中的优势相比并不对超疏水材料的实际应用构成威胁[1]。 2 超疏水材料的应用 由于超疏水材料在近几年的广泛使用中其本身的特殊性能受到各领域研究人员的关注，进而推动着超疏水材料在多个研究领域以及生活领域被应用。本文将超疏水材料的应用特性总结为以下五个方面。第一方面，自清洁的特性应用。由于超疏水材料本身具有良好的润湿性，在其进行使用的过程中能够对自身的灰尘与脏污进行自行清理。在具体的应用中，将超疏水材料的特性应用在城市高楼的建设中，利用超疏水材料的自清洁特性减少建筑玻璃清洁的次數，降低楼房玻璃清洁的成本，并在一定程度上节约水资源[2]。第二方面，抗冰雪的特性应用。由于在冰天雪地的寒冷地区，电线、航行等方面均会有风雪粘粘，进而导致电力能源的传输问题，并对正常的航行产生困扰。而应用超疏水材料的抗冰雪特性将
超疏水材料研究报告进展
超疏水材料研究进展 摘要:本文介绍了超疏水材料的性质、应用、转变、制备以及存在的问题等。详细介绍了超疏水材料在流体减阻中、抗腐蚀中、建筑防污耐水等领域内、微流体控制方面的应用和常用的几种制备方法。 关键词:超疏水材料；超疏水应用；制备 1 引言 近年来，超疏水材料引起了人们的普遍关注。所谓超疏水材料，就是指水在材料平面上的接触角大于150°的材料。超疏水材料的特性最初是在荷叶上发现的，荷叶表面的超疏水特性赋予了它们非常好的自清洁效应，污染物很容易被水滴带走[1]。有关超疏水的基础理论研究始于上世纪50年代，因其优异的自洁性有望在国防、众多工业领域和日常生活等方面有广阔的应用前景，研究工作备受各国重视。固体表面的润湿性是由其化学组成和表面微观结构共同决定的。目前，通过对荷叶表面自洁性的仿生研究表明，因其层级微、纳米结合的双微观结构和覆盖在上面的低表面能物质的协同效应而表现出完美的疏水性[2]。 人们通常用液体在材料表面的接触角来表征材料表面的润湿性。按照水滴在材料表面接触角大小的不同，我们可以将材料进行如下分类当接触角小于90o时，我们认为这种材料是亲水材料；如果水滴在材料表面的接触角小于5o，那么这种材料是超亲水材料，例如经浓硫酸和双氧水（体积比为7：3）处理过的硅片，水滴在它的上面会立刻铺展开，展示出超亲水的性质；当材料表面接触角大于90o时，我们认为这种材料是疏水材料；如果材料的表面接触角大于150o那么我们认为这种材料是超疏水材料，例如我们前面所提到的荷叶，水滴在其表面的接触角大于150o，不能稳定停留，极易滑落，因而造就了它“出淤泥而不染”的性质。如图1所示，（a）为亲水，（b）为疏水。 (a) (b)
颠覆未来作战的前沿技术——超材料
超材料是通过在材料关键物理尺寸上的结构有序设计，突破某些表观自然规律的限制，获得超出自然界原有普通物理特性的超常材料的技术。超材料是一个具有重要军事应用价值和广泛应用前景的前沿技术领域，将对未来武器装备发展和作战产生革命性影响。 新型材料颠覆传统理论 尽管超材料的概念出现在2000年前后，但其源头可以追溯到更早。
1967年，苏联科学家维克托·韦谢拉戈提出，如果有一种材料同时具有负的介电常数和负的磁导率，电场矢量、磁场矢量以及波矢之间的关系将不再遵循作为经典电磁学基础的“右手定则”，而呈现出与之相反的“负折射率关系”。 这种物质将颠覆光学世界，使光波看起来如同倒流一般，并且在许多方面表现出有违常理的行为，例如光的负折射、“逆行光波”、反常多普勒效应等。这种设想在当时一经提出，就被科学界认为是“天方夜谭”。 随着传统材料设计思想的局限性日渐暴露，显著提高材料综合性能的难度越来越大，材料高性能化对稀缺资源的依赖程度越来越高，
发展超越常规材料性能极限的材料设计新思路，成为新材料研发的重要任务。 ● 2000年，首个关于负折射率材料的报告问世； ● 2001年，美国加州大学圣迭戈分校的科研人员首次制备出在微波波段同时具有负介电常数和负磁导率的超材料； ● 2002年，美国麻省理工学院研究人员从理论上证实了负折射率材料存在的合理性； ●2003年，由于超材料的研究在世界范围内取得了多项研究成果，被美国《科学》杂志评为当年全球十项重大科技进展之一。 此后，超材料研究在世界范围内取得了多项成果，维克托·韦谢拉戈的众多预测都得到了实验验证。 现有的超材料主要包括：负折射率材料、光子晶体、超磁材料、频率选择表面等。与常规材料相比，超材料主要有3个特征： 一是具有新奇人工结构； 二是具有超常规的物理性质； 三是采用逆向设计思路，能“按需定制”。 负折射率材料具有介电常数与磁导率同时为负值的电磁特性，电磁波在该介质中传播时，电场强度、磁场强度与传播矢量三者遵循负
智能材料最新进展及展望
智能材料最新进展及展望 李洁能动管（硕）42班2140803011 摘要：本文综述了智能材料的概念、分类，重点介绍了智能材料的基础材料——压电材料、形状记忆材料的设计思路、特异性能和影响因素。智能材料的研究内容非常丰富，涉及了许多前沿学科和高新技术，应用领域十分广阔。智能材料结构系统的研究必将把人类社会文明推向一个新的高度。 关键词：智能材料；压电材料；形状记忆材料；前景 1.智能材料的基本概念及分类 1.1智能材料的基本概念 20世纪80年代中期，人们提出智能材料的概念。智能材料要求材料体系集感知、驱动和信息处理一体，形成类似生物材料那样的具有智能属性的材料，具有自感知、自诊断、自适应、自修复等功能。 对于智能的定义至今尚无统一的定论，我国科学家认为智能材料是模仿生命系统，能感知环境变化，并能实时地改变自身的一种或多种性能参数，做出所期望的、能与变化后的环境相适应的复合材料或材料的复合。 1.2智能材料的分类 智能材料按产生方式可分为天然智能材料和人工智能材料。前者主要指有机自然活体，比如肌肉、骨骼等，而后者是人为制造的具有智能功能的材料，因其中大部分受前者的启发而产生，故又称生物拟态材料。 智能材料按驱动方式可分为嵌入式智能材料（主动式智能材料）和本身具有一定智能的被动式智能材料。前者可以通过改变反馈系统，使其优化反应，能够随不同的条件做出不同的反应，还能够随时间发生变化，因而更加灵活机动，并为今后进一步发展成具有学习和预见能力的材料，促进智能材料向更高级阶段发展奠定了基础。【1】后者是某些材料结构本身具有随环境、时间改变的性能，例如变色太阳镜等。 2.智能材料的最新进展 2.1压电材料 压电材料是能够实现机械能与电能之间相互转换且具备压电效应的一类电
聚合物基纳米复合材料研究进展
聚合物基纳米复合材料研究进展 摘要: 针对聚合物基纳米复合材料的某些热点和重点问题进行了总结和评述，并讨论了碳纳米管、石墨烯及纳米增强界面等以增强为主的纳米复合材料的研究状况和存在的问题；系统地评述了纳米纸复合材料、光电纳米功能复合材料以及纳米智能复合材料等以改善功能的纳米功能复合材料的研究动态。 关键词 : 复合材料；纳米材料；聚合物；功能材料 引言 复合材料作为材料大家族中的重要一员，已经深入到人类社会的各个领域，为社会经济与现代科技的发展作出了重要贡献。复合材料科学与技术的发展经历了从天然复合材料到人工复合材料的历程，而人工复合材料的诞生更是材料科学与技术发展中具有里程碑意义的成就。20 世纪 50 年代以玻璃纤维增强树脂的复合材料(玻璃钢)和 20 世纪 70 年代以碳纤维增强树脂的复合材料(先进复合材料) 是两代具有代表性的复合材料。这两代材料首先在航空航天和国防领域得到青睐和应用，后来逐渐扩大到体育休闲、土木建筑、基础设施、现代交通、海洋工程和能源等诸多领域，使得复合材料的需求越来越强烈，作用越来越显著，应用领域越来越广泛，用量也越来越多，而相应的复合材料科学与技术也在不断地丰富和发展。随着纳米技术的出现和不断发展，纳米复合材料已经凸显了很多优异的性能，从一定意义上有力地推进了新一代高性能复合材料的发展。纳米化与复合化已经成为新材料研发和推动新材料进步的重要手段和发展方向。 纳米复合材料是指以树脂、橡胶、陶瓷和金属等基体为连续相，以纳米尺寸的颗粒、纤维、纳米管等为分散相，通过合适和特殊的制备工艺将纳米相均匀地分散在基体材料中，具有特殊性能的新型复合材料。本研究的重点是讨论聚合物基纳米复合材料的研究概况，系统介绍利用碳纳米管、石墨烯、碳纳米纸、纳米界面改性等提升和改善复合材料力学性能及物理性能的机理与作用。 1 纳米增强复合材料 纳米复合材料的性能依据其基体材料和纳米增强相种类的不同而差异巨大，因此提高力学性能是纳米复合材料研究领域中最具代表性的研究工作之一。纳米相对聚合物基体的力学性能改性主要包括强度、模量、形变能力、疲劳、松弛、蠕变、动态热机械性能等。 1.1 碳纳米管纳米复合材料 碳纳米管是由碳原子形成的石墨片层卷成的无缝、中空管体，可依据石墨片层的数量分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。由于纳米中空管及螺旋度共同作用，碳纳米管具有极高的强度和理想的弹性，其弹性模量甚至可达1.3 TPa，与金刚石
超疏水材料的应用及进展
超疏水材料的应用及进展 在仿生研究领域，许多奇特的微/纳生物表面现象给予人们大量的启示。比如荷叶效应、水黾在水面上奔跑以及蝴蝶翅膀的自洁，引发了人们对超疏水材料的研究兴趣。本文综述了仿生超疏水表面的润湿性原理、主要制备方法和应用。 关键词：仿生超疏水；润湿性；制备方法；应用 在时间的长河中，大自然不断地孕育生命，每一个生命体都具有其独特的艺术性、科学性。人类在不断适应自然、认识自然的同时，逐渐开始研究自然。仿生研究是人们学习自然，提高现有技术的有效手段。在仿生研究领域，许多奇特的微纳生物表面现象给予了人们大量的启示与想象空间[1]。比如荷叶效应[2] 、水黾在水面上奔跑以及蝴蝶翅膀的自洁[3]，引发了人们对仿生超疏水材料的研究兴趣。 1 润湿性原理 固体表面的润湿性[4]对揭示表面亲、疏水性，强化表面疏水性能和制备疏水表面具有重要意义。描述润湿性的指标为与水的接触角，接触角小于9O°，为亲水表面，接触角大于90°，为疏水表面，接触角大于150°，则称为超疏水表面。 Wenzel[5]假设液体始终填满固体表面上的凹槽结构，粗糙
表面的表观接触角θ?与光滑平坦表面本征接触角θ存在以下关系：r （γs-g-γl-s）/γl-g=cosθ?=rI cosθ，式中r是材料表面的粗糙度因子，为固液界面实际接触面积与表观接触面积之比。而Cassie[6]认为疏水表面上的液滴不能填满粗糙表面上的凹槽，凹槽中液滴下存留空气，从而表观上的固液接触实际上是固液、固气接触共同组成，提出cosθ?=fs（1+c cosθ）-1，式中：fs是复合接触面中凸起固体面积与表观接触面积之比，其值小于1。而Cassie和Baxter[7]从热力学角度得到适合任何复合表面接触的Cassie-Baxter方程cosθ?=f1cosθ1+: f2cosθ2，式中θ?是复合表面的表观接触角，f1、f2分别是两种介质在固体表面上所占面积的比例，θ1、θ2分别是2种介质界面间（固液、气液）的本征接触角。研究发现[8]，固体表面随着微孔深度的增加，液体的浸润性增大，润湿性减小；随着孔间距的增大，液体的润湿深度先减小后增大。超 2 制备方法 由材料表面润湿性原理可知，材料表面能和表面微纳米结构是影响材料表面疏水、亲水性能的主要因素。制备仿生超疏水表面主要从两方面入手，一方面是使用具有低表面能材料，另一方面是改变材料表面粗糙度和微纳米结构。。 2.1、自然界物质中表面能最低的两种材料是硅氧烷、含氟
超材料.doc
超材料——过去十年中人类最重大的十项科技突破之一 狭义上超材料即指电磁超材料,电磁超材料具有超越自然界材料电磁响应极限的特性,能够实现对电磁波传播的人为设计、任意控制。目前该材料被应用在定向辐射高性能天线、电磁隐身、空间通信、探测技术和新型太赫兹波段功能器件等方面。 看好电磁超材料在军工、通信和智能结构等方面的应用前景 电磁超材料在军工领域的应用比较广泛,目前已应用的超材料产品包括超材料智能蒙皮、超材料雷达天线、吸波材料、电子对抗雷达、超材料通讯天线、无人机雷达、声学隐身技术等。 通信领域电磁超材料最具应用前景的就是无线Wi-fi网络,目前光启已进入该领域。 电磁超材料在智能结构中的应用主要有两类:地面行进装备用智能结构和可穿戴式超材料智能结构。智能结构用电磁超材料的市场前景非常广阔 A股超材料主题相关上市公司主要包括:国民技术(300077)、龙生股份(002625)、鹏博士(600804)和鹏欣资源(600490)等,建议重点关注国民技术、鹏博士和鹏欣资源。 超材料 “Metamaterial”是21世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇，近年来经常出现在各类科学文献。拉丁语“meta-”，可以表达“超出…、亚…、另类”等含义。对于 metamaterial一词，目前尚未有一个严格的、权威的定义，各种不同的文献上给出的定义也各不相同。但一般文献中都认为metamaterial是“具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料”。 迄今发展出的“超材料”包括：“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”等。“左手材料”是一类在一定的频段下同时具有负的磁导率和负的介电常数的材料系统(对电磁波的传播形成负的折射率)。近一两年来“左手材料”引起了学术界的广泛关注，曾被美国《科学》杂志评为2003年的"年度十大科学突破"之一。 1原理 超材料的应用与原有的材料制备有很大的区别，以往是自然界有什么材料，就能制造出什么物品，而超材料完全是逆向设计，根据针对电磁波的具体应用需求，制造出具有相应功能的材料。 2特征 metamaterial重要的三个重要特征： （1）metamaterial通常是具有新奇人工结构的复合材料； （2）metamaterial具有超常的物理性质（往往是自然界的材料中所不具备的）； （3）metamaterial性质往往不主要决定与构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。 3隐形功能 具有讽刺意味的是，超材料曾被认为是不可能存在的，因为它违反了光学定律。然而，2006年，北卡罗来纳州的杜克大学（Duke University）和伦敦帝国理工学院（Imperial College）的研究者成功挑战传统概念，使用超材料让一个物体在微波射线下隐形。尽管仍有许多难关需要克服，但我们有史以来头一次拥有了能使普通物体隐形的方案（五角大楼的国防高级研究计划署[The Pentagon’s Defense Advanced Research Project Agency，DARPA]资助了这一研究）。
复合材料加工研究进展
复合材料加工技术的最新研究进展 摘要：本主要综述了陶瓷基、树脂基这两种主要的非金属基复合材料的加工技术。通过对传统加工和新型加工技术的比较，认为今后研究非金属基复合材料加工工艺参数的优化，工艺过程中关键步骤的改进，新技术的研究，生产设备自动化、智能化程度的提高，生产线的规模化、专业化、可控制化，是其加工技术发展的关键。 关键词：陶瓷基、树脂基、复合材料加工 复合材料是由两种或两种以上不同化学性能或不同组织结构的材料，通过不同的工艺方法组成的多相材料，主要包括两相：基体相和增强相。20世纪40年代，因航空工业需要而发展了玻璃纤维增强塑料，是最早出现的复合材料，从此以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，构成了格局特色的复合材料。复合材料由于其具有各方面独特的性质，广泛应用与军事工业，汽车工业、医疗卫生、航空、航海以及日常生活的各个方面。对于复合材料的加工技术的研究，将是扩大其适用范围的关键之一[1]。 1 陶瓷基复合材料的加工 由于陶瓷材料同时具有高硬度、高脆性和低断裂韧性等特点，使得其加工、特别是成形加工，至今仍非常困难。在陶瓷材料加工中，使用金刚石工具的磨削加工仍然是目前最常用的加工方法，占所有加工工艺的80％。而陶瓷材料磨削加工不仅效率低，而且在加工中很容易产生变形层、表面/亚表面微裂纹、材料粉末化、模糊表面、相变区域、残余应力等缺陷，这对于航空、航天、电子等高可靠性、高质量要求的产品是决不允许的。陶瓷精密元件的加工费用一般占总成本的30％～60％，有的甚至高达90％。因此，通过新的陶瓷加工制造技术的探索，能够很好的提高产品制造精度和降低生产成本[2]。 1.1新型加工技术 1.1.1 放电加工 放电加工(EDM)是一种无接触式精细热加工技术，当单相或陶瓷／陶瓷、陶瓷／金属复合材料的电阻小于100Ω.m时，陶瓷材料可以进行放电加工。首先将形模(刻丝)和加工元件分别作为电路的阴、阳极，液态绝缘电介质将两极分开，通过悬浮于电介质中的高能等离子体的刻蚀作用，表层材料发生熔化、蒸发或热剥离而达到加工