智能材料
7、智能材料概论
17
（7）自调节能力（Self-adjusting）
对不断变化的外部环境和条件，能及时 地自动调整自身结构和功能，并相应地改变 自己的状态和行为，从而使材料系统始终以 一种优化方式对外界变化作出恰如其分的响 应。
18
3、智能材料的构成
12
(1)传感功能（Sensor）
能够感知外界或自身所处的环境条 件，如负载、应力、应变、振动、热、 光、电、磁、化学、核辐射等的强度 及其变化。
13
(2)反馈功能（Feedback）
可通过传感网络，对系统输入与输出信 息进行对比，并将其结果提供给控制系统。
(3)信息识别与积累功能
能够识别传感网络得到的各类信息 并将其积累起来。
31
所以，智能材料在军事应用中具有很 大潜力，它的研究、开发和利用，对未来 武器装备的发展将产生重大影响。
目前，在各种军事领域中，智能材料 的应用主要涉及到以下几个方面：
第七章 智 能 材 料
1
第一节 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、智能材料的构成 4、智能材料的分类
2
1、什么是智能材料？
智能材料是二十世纪90年代迅速发展 起来的一类新型复合材料。
智能材料目前还没有统一的定义，不 过，现有的智能材料的多种定义仍然是大 同小异。
3
大体来说，智能材料就是指具有感知 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。
6
智能材料又可以称为敏感材料，常用 的有以下几种：
Intelligent material、 Intelligent material and structure、 Smart material、 Smart material and structure、 Adaptive material and structure等。
智能材料的应用与发展
智能材料的应用与发展当今社会科技日新月异，智能材料作为一种材料新兴领域备受瞩目，因其在不同领域中的高应用价值和发展前景广阔而备受人们的关注。
本文将探究智能材料的概念、应用、发展和前景。
一、智能材料的概念智能材料，又称作“智能化材料”或者“功能材料”，是指那些在受到注入外部条件后，能够识别作出响应的特殊材料。
其特征在于强调了材料与信息的融合，即使是普通的材料，只要加以适当的处理后就能表现出智能的性质。
智能材料具有自适应性、自诊断性、自修复性等特点，智能材料能够适应外界环境的变化，及时进行反应。
举例子来说，智能玻璃是一种应用较为广泛的智能材料，其具有透明和不透明两种状态，可以随时自动调节透光度来达到节能的目的。
在建筑、汽车、航空等领域有着广泛应用。
二、智能材料的应用智能材料在生活中的应用十分广泛，可以应用于智能家居、智能交通、医疗、航空航天、工业自动化等各个领域。
1. 智能家居随着物联网的不断发展，智能家居成为智能材料的重要应用领域之一。
智能家居通过感知、识别、控制家庭环境的方式，实现了家庭设备、照明、音乐等设备的自动管理，大大提高了生活质量和智慧生活体验。
目前，智能家居中最广泛应用的智能材料是智能玻璃和智能墙纸。
2. 智能交通智能交通是指交通系统中通过信息化、感知式设备和流程管理等方式，提高交通安全性和效率的交通系统。
智能材料在智能交通中有着广泛的应用。
例如，智能交通中的车载电子系统需要使用机电系统、固态电子芯片等材料，而智能交通指挥中心中的调度系统则需要很多传感器和控制部件。
3. 医疗智能材料应用于医疗领域，可用于医疗器械、医疗设备、体内病灶检测等多个方面。
例如，在光学成像领域，光电材料和光学材料是非常重要的智能材料，与医学成像技术紧密关联；在医用制品中，纳米材料得到了广泛应用，并改善了制品的性能。
4. 航空航天智能材料在航空航天领域的应用，是为了提高飞机飞行、任务完成时间和功能能力。
智能材料的光电传感器和高产能合成材料，极大地促进了干扰、识别等方面的技术应用。
智能材料
1).智能材料构成：基体材料，敏感材料，驱动材料和信息处理器。
2）.智能材料特征：1）.传感功能2）.反馈功能3).信息积累和识别功能4）.学习能力和预见性功能5).响应性功能6)自修复功能7).自诊断功能8).自动动态平衡及自适应功能功能。
3).形状记忆效应：某些具有热弹性马氏体相变的合金，处于马氏体状态下进行一定限度的变形或变形诱发马氏体后，在随后的加热过程中，当超过马氏体相消失的温度时，材料就能完全恢复变形前的形状和体积，这种现象称为形状记忆效应。
4).形状记忆效应分类：①单程记忆效应：将母相在高温下制成某种形状，再将母相冷却，使之发生马氏体相变，在马氏体状态下受力变形，加热时恢复高温相形状，冷却时不恢复低温相形状。
②双程记忆效应:加热时恢复高温形状，冷却时恢复低温形状③全程记忆效应：加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的高温相形状。
5).形状记忆合金的分类：Ti-Ni系、铜系、铁系合金三大类。
6).形状记忆合金的机理：形状记忆合金就是利用一些材料的晶体结构的相互转变来使其具有形状记忆功能的。
7).形状记忆合金的制备：1).通常是先制备合金锭，之后进行热轧、模锻、挤压，然后进行冷加工2).为把形状记忆合金用做元件，有必要使它记住给定形状3).形状记忆处理(一定的热处理)是实现合金形状记忆功能方面不可或缺，至关重要的一环。
8）.压电复合材料：是将压电陶瓷相和聚合物相按一定连通方式，一定的体积/重量，及一定的空间分布制作而成，它可以成倍地提高材料的压电性能,不但可以克服上述两种压电材料的缺点，而且还兼具两者的优点。
9).综合性能比较好的压电复合材料主要有:0-3型、1-3型、3-3型复合材料。
0-3型:是由不连续的陶瓷颗粒（0维）分散于三维连通的聚合物基体中形成的。
1-3型:是指由一维连通的压电相平行地排列于三维连通的聚合物中而构成的两相压电复合材料。
3-3型:聚合物相和压电相在三维方向相互交织相互包络而形成的空间网络结构。
智能材料.
4，磁致伸缩的应用实例： （1）磁致伸缩液位仪 ：
随着科学技术的迅猛发展， 高新技术在各行业中得到了广泛 的应用，高科技含量的磁致伸缩 液位传感器，
应用于各类储罐的液位测量。该种液位仪具有精 度高、环境适应性强、安装方便等特点。因此，广 泛应用于石油、化工等液位测量领域，并逐渐取代 了其它传统的传感器，成为液位测量中的精品。
例如光纤作为智能传感元件用于飞机机翼的智能蒙皮中，或者在武器平台的蒙皮 中植入传感元件、驱动元件和微处理控制系统制成的智能蒙皮，可用于预警、隐身 和通信。
（2）结构监测和寿命预测 智能结构可用于实时测量结构内部的应变、温度、裂纹， 探测疲劳和受损伤情况，从而能够对结构进行监测和寿命预 测。
（3）减振降噪 智能结构用于航空、航天系 统可以消除系统的有害振动， 减轻对电子系统的干扰，提高 系统的可靠性。
2、智能材料的特征
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：能够感知外界或自身所处的环境 条件，如负载、应力、应变、振动、热、光、电、 磁、化学、核辐射等的强度及其变化。 （2）反馈功能：可通过传感网络，对系统输入与 输出信息进行对比，并将其结果提供给控制系统。 （3）信息识别与积累功能：能够识别传感网络得 到的各类信息并将其积累起来。
（4）环境自适应结构
智能结构制成的自适应机 翼，能够实时感知外界环境的 变化，并可以驱动机翼弯曲、 扭转，从而改变翼型和攻角， 以获得最佳气动特性，降低机 翼阻力系数，延长机翼的疲劳 寿命。
2、与现代医学相联系的智能材料
（1）人造肌肉
因为生物弹性材料能模拟活 体生物，而且其力量和反应速度 均接近于人体的肌肉。所以这种 材料可以应用于人体组织的修复， 而且它们还具有与生物体的相容 性，随着伤口的愈合，这种聚合 物就会在体内逐渐降解，最后将 会消失。
智能材料
•
智能材料的常见类型
•
压电材料
压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。
•
形状记忆合金
形状记忆合金是通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有形状记忆效应的 由两种以上金属元素所构成的材料。 电流变液 一种由介电微粒与绝缘液体混合而成的复杂流体。在没有外电场时，它的 外观很像机器用的润滑油，一般由基础液、固体粒子和添加剂组成。
压电材料
具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。 反之，压电材料在电场中发生极化时， 会因电荷中心的位移导致材料变形。 利用压电材料的这些特性可实现机械 振动和交流电的互相转换。
•
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。 现有材料功能单一，无法面对复杂环境的冲击，相信在不久的将 来智能材料会为高科技的发展和提高人类文明进步而提供动力。
•
智能材料
智能材料的定义
智能材料的常见 类型及发展趋势
智能材料的定义
•
智能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，实现结构功应
《智能材料》PPT课件
智能材料在能源转换中作用机制
光热转换智能材料
吸收太阳光并转换为热 能，应用于太阳能热水 器、光热发电等领域。
光电转换智能材料
吸收太阳光并直接转换 为电能，如染料敏化太 阳能电池、有机太阳能 电池等。
压电转换智能材料
将机械能转换为电能， 应用于振动能收集、压 力传感器等领域。
智能材料在能源存储中作用机制
特定应用需求。
关键设备与技术应用
关键设备
智能材料制备过程中涉及的关键设备包括混料机、成型机、固化设备等。这些设备 需要具备高精度、高稳定性和高效率的特点，以确保智能材料的制备质量。
技术应用
在智能材料制备过程中，需要应用先进的制备技术，如纳米技术、3D打印技术等。 这些技术可以提高智能材料的性能，降低制造成本，并为其在各个领域的应用提供 有力支持。
仿生智能材料
柔性智能材料
借鉴自然界生物体的结构和功能，发展具有 生物活性的仿生智能材料，实现更高程度的 智能化。
随着可穿戴设备和柔性电子技术的快速发展， 柔性智能材料将在医疗、运动、娱乐等领域 得到广泛应用。
智能复合材料
智能化制造技术
通过复合不同性质的材料，实现智能材料的 多功能化和高性能化，满足不同领域的需求。
智能材料特性
01
具有感知、驱动和响应外部环境刺激的能力。
在传感器中作用
02
作为敏感元件，将外部环境刺激转换为电信号输出。
典型智能材料
03
压电材料、形状记忆合金、光纤光栅等。
典型案例分析
压电传感器
利用压电材料的压电效应，将机械能转换为电能，广泛应用于力、 压力、加速度等测量领域。
形状记忆合金传感器
利用形状记忆合金的形状记忆效应和超弹性特性，实现温度、力等 参量的测量。
智能材料
包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。
智能材料 如：将光导纤维、形状记忆合金和镓砷化合物半导体 控制电路埋入复合材料中。
光导纤维 半导体控制电路 形状记忆合金
传感元件 (检测结构中的 应变和温度)
控制系统 (根据传感元件的信 息驱动元件动作)
执行元件 (使结构动作 改变性状)
智能材料
识别
分析
常用敏感材料：形状记忆材料、压电材料、光纤 材料、磁致伸缩材料、电致变色 材料、电流变体、磁流变体和液 晶材料等。
(3)驱动材料 因为在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和 应力，所以它担负着响应和控制的任务。 常用有效驱动材料：形状记忆材料、压电材料、 电流变体和磁致伸缩材料等。 (4)其它功能材料
（3）座椅
用毫微塑料制作的坐椅不仅功能将大大增加，而且也将增 加舒适程度。
使用毫微塑料能改变椅座面的柔韧性和弹性，也可以形成 各种型式的椅座面。 毫微塑料可以形成所需的任何图案或结构，还能改变座椅 本身的结构。
由于不同年龄段的人对温度舒适性的要求有很大区别，座 椅还可以随心所欲地升温和降温，甚至对人们喜爱的舒适 温度具有记忆功能。
玻璃组分中 加入卤化银 高温熔融冷却
对光散射很小(高透明状态)
析出亚微米尺 度的卤化银 无光照
银离子化合成卤化银
光化学反应
光照(紫外到蓝紫波段)
室温热激活 去除光照 析出游离态银离子 对光散射强(着色状态)
智能材料 光色玻璃的应用：
图18 变色太阳镜 汽车、飞机、船舶的前向玻璃或观察窗玻 璃，起防眩作用等。
智能材料 智能窗的应用：
图20 法拉利首款自动硬顶敞篷车
玻璃车顶采用了利用电场变化来改变颜色的电致变色 技术，可对透过率进行5级调整。
智能材料是什么呢
智能材料是什么呢科学家们一直致力于把高技术传感器或敏感元件与传统的结构材料和功能材料结合在一起，赋予材料崭新的性能，使它们能随着环境的变化而改变自己的性能或形状，就像具有“智能”一样。
那么什么是智能材料呢?智能材料1.形状记忆合金。
它是一种能够记住自己原来形状的特殊金属材料。
用这种合金制成某种形状的器具后，如受到外力的冲击、弯折等作用而变形，只要对它加热就能立刻恢复原状，好像通过加热使它“记忆”起原来的形状一样。
记忆合金有多种用途，如可以制成人造卫星和宇宙飞船自动展开的天线、航空用的记忆铆钉，飞机和航天器的管接头、机器人的手指、人工心脏、汽车保险杠、眼镜架以及能源转换装置等。
2.感温磁钢。
它是一种磁性随温度的高低而变化的磁性材料。
在室温时，感温磁钢具有磁性;当温度升到某一界限时，就失去磁性。
这种性质可用于“热自动控制”，如电饭堡中“饭熟断电限温器”内就装有一块感温磁钢，当饭熟后堡内无水，温度上升到1030C时，感温磁钢就失去磁性，从而导致通电触点分子自动断电，以保证米饭不会因继续升温而烧糊。
3.智能凝胶。
这是一种由分子组成的松散而又有一定凝固力的混合物，只要碰一下，它就会膨胀或收缩，随人所愿地变成各种形状或形态。
高智能的凝胶甚至能膨胀到自身体积的1000倍以上，然后恢复原状。
用这种凝胶制作高尔夫球鞋，通过足部体温的变化导致鞋底改变形状，可以使穿鞋的人感到舒适合脚。
4.自我修复的混凝土。
美国的一位建筑学家正在研制一种自行愈合的混凝土。
他设想把大量的空心纤维埋人混凝土中，当混凝土开裂时，事先装有“裂纹修补剂”的空心纤维也会裂开，并释放出粘结修补剂把裂纹牢牢地焊在一起，防止混凝土断裂。
分类(1)嵌入式智能材料，又称智能材料结构或智能材料系统。
在基体材料中，嵌入具有传感、动作和处理功能的三种原始材料。
传感元件采集和检测外界环境给予的信息，控制处理器指挥和激励驱动元件，执行相应的动作。
(2)有些材料微观结构本身就具有智能功能，能够随着环境和时间的变化改变自己的性能，如自滤玻璃、受辐射时性能自衰减的Inp半导体等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1.简述智能材料的定义，内涵特征及分类？
具有感知环境刺激，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。
智能材料需具备以下内涵：
(1)具有感知功能，能够检测并且可以识别外界的刺激强度(2)具有驱动功能，能够响应外界变化；(3)能够按照设定的方式选择和控制响应；(4)反应比较灵敏,及时和恰当；(5)当外部刺激消除后,能够迅速恢复到原始状态。
分类：金属系智能材料：形状记忆合金、磁致伸缩材料等。
无机非金属系智能材料：电(磁)流变液、压电陶瓷、变色材料、光纤高分子系智能材料：高分子凝胶；智能高分子膜材；智能药物释放体系；智能纤维与织物等
复合和杂化型智能材料
2、智能材料与智能系统的基本构成单元及作用？
智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。
作用：基体材料担负着承载的；敏感材料担负着传感的任务，其主要作用是感知环境变化；驱动材料担负着响应和控制的任务；
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。
3、智能材料的设计与工作思路？
智能材料的设计思路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。
4、形状记忆效应与形状记忆材料的定义分类及其特点？
形状记忆效应：将材料在一定条件下进行一定限度以内的变形后，再对材料施加适当的外界条件，材料会恢复到变形前的形状的现象。
单程形状记忆效应；双程形状记忆效应；全程记忆效应
形状记忆材料
具有一定初始形状的材料经形变并固定成另一种形状后，通过物理刺激或化学刺激的处理又可恢复成初始形状的材料。
形状记忆合金；形状记忆陶瓷；形状记忆聚合物
5、形状记忆合金的类型及应用？
Ti-Ni系形状记忆合金；铜基系形状记忆合金；铁基系形状记忆合金航空航天：人造卫星和宇宙飞船的天线
机械设备中的应用：弹簧、眼镜框等弹性部件
医学上的应用；人工心脏、形状记忆合金人工食管
装饰用品：感温的自动开放的装饰性花朵
7、简述变色玻璃的类型及其变色机理？
光致变色玻璃：当紫外线辐照时，离子Ag+还原成原子Ag。
此时银原子团簇影响光的入射，产生深色效应;在没有紫外线照射时，Ag原子转变为离子Ag+，原子团簇解体，镜片褪色。
电致变色玻璃：电致变色材料在外加电场作用下发生电化学氧化还原反应，得失电子，使材料的颜色发生变化
热致变色玻璃存在一个相变温度，在相变温度之上或之下，材料表现出不同的光学性质。
8.智能高分子材料的定义设计思路及分类？
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，它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。
智能材料的设计构思：
人工智能材料的水平反映生物计算机的未来模式；软件功能引入材料；能量传递；要求材料有寿命预告，自修复、自分解、甚至自学习、自增殖、自净化和可应对外部刺激积极自变的动态功能
智能髙分子材料的分类
刺激响应性高分子凝胶；智能高分子膜材；智能药物释放体系；智能纤维与织物
9、电流变效应与电流变液的定义及其组成？
电流变效应：在外电场的作用下，流体的表观粘度将大幅度增加，强场下呈近似于粘弹性固体的性质。
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。
组成：由介电微粒与绝缘液体混合而成的复杂流体。
一般由基础液、固体粒子和添加剂组成
10、磁流变效应与磁流变液的定义及其组成？
磁流变液：用不导电(或导电)的基础液和均匀散布其中的磁性固体颗粒制成的悬浮液，在外加磁场作用下流变特性会发生急剧变化。
组成：磁性粒子＋基础液＋添加剂
磁流变效应：在强磁场作用下能在瞬间(毫秒级)从流动性良好的、具有一定粘滞度的牛顿流体，转变为具有相当屈服剪切力的粘塑性体直至固体，呈现可控的屈服强度，而且这种变化是可逆的，当磁场移去之后，又立即恢复液态。