智能材料与形状记忆材料概述
智能材料响应外界刺激并改变性能的材料
智能材料响应外界刺激并改变性能的材料智能材料是一类具有自诊断、自感知和自适应等特点的材料，通过对外界刺激的感应和响应，能够改变自身的性能。
智能材料在航空航天、医疗器械、机器人、汽车等领域具有广泛的应用前景。
本文将介绍几种智能材料的响应机制和其在实际应用中的潜力。
一、形状记忆合金形状记忆合金是一种具有记忆性能的智能材料。
在受到热力作用或其他外界刺激时，形状记忆合金能够发生相变，从而改变自身的形状。
这种材料可以实现自动控制和调节，如自动关闭和开启的阀门、自动调节流量的传感器等。
其在航空航天、机器人领域的应用已经取得了显著的成果。
二、光敏材料光敏材料是一种能够对光信号作出响应的智能材料。
通过对光的吸收、散射或透射等过程，光敏材料能够改变自身的结构和性能。
例如，光敏材料可以用于可变光学元件，实现自动调节的光透射和反射，广泛应用于自适应光学和光通信领域。
此外，光敏材料还可以在太阳能电池、光催化和光敏感器等领域中发挥重要作用。
三、压电材料压电材料是一种能够产生电荷极化和变形的智能材料。
当外界施加力或压力时，压电材料能够产生电荷偏移和电压输出。
这种特性使得压电材料在传感器、振动减震、电声换能等方面有着广泛的应用。
此外，压电材料还可以用于电子设备的能量收集和电力转换，具有重要的能源利用潜力。
四、热敏材料热敏材料是一种能够对温度变化作出响应的智能材料。
当温度发生变化时，热敏材料能够改变自身的电导率、电容率和形状等性能。
热敏材料广泛应用于温度传感、温度控制和热力调节等领域。
例如，热敏材料可以用于温度传感器，实现自动调节的恒温系统，在医疗器械和电子设备等方面发挥重要作用。
五、湿敏材料湿敏材料是一种能够感知和响应湿度变化的智能材料。
当湿度发生变化时，湿敏材料能够改变自身的形状、体积和色彩等性能。
这种材料可以应用于湿度传感器、湿度调节和湿度控制等方面。
湿敏材料的应用领域包括农业、环境监测和生命科学等。
综上所述，智能材料是一类通过感应和响应外界刺激来改变自身性能的材料。
形状记忆智能材料
形状记忆智能材料智能材料结构又称机敏结构(Smart/Intelligent Materials and Structures)，泛指将传感元件、驱动元件以及有关的信号处理和控制电路集成在材料结构中，通过机、热、光、化、电、磁等激励和控制，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，能进行自诊断、自适应、自学习、自修复的材料结构。
智能材料结构是一门交叉的前沿学科，所涉及的专业领域非常广泛。
智能材料可以分为形状改变材料（SCM）和形状记忆材料（SMM）两类。
SCM本身就是一个开关，在外部刺激的作用下，它陪伴着临时转换机制，即当移除外部触发器（刺激）时，转换后的实体便回到其原始形状。
相反，SMM会适应触发的形状或临时形状，除非另一个触发器将变化推回其原始形式，并且材料能够追踪在刺激作用下自身经历的转换路径。
具有形状记忆特性的材料分为形状记忆水凝胶（SMH）、形状记忆陶瓷（SMC）、形状记忆合金（SMA）、形状记忆复合材料（SMC）和聚合物（SMP），其中SMP是研究最多的类别。
1、形状记忆聚合物（SMP）SMP是一组可以在有外部刺激（例如热或光）的情况下保持临时形状并恢复其初始形状的聚合物。
由于其相对高的模量和刺激响应速度，形状记忆聚合物是最广泛使用的活性材料。
对于SMP实现形状转移行为，它需要一个编程步骤和一个恢复步骤。
在编程步骤中，SMP首先在高于转变温度（Tt）的温度下变形（对于半结晶聚合物，其熔化温度为Tm，对于无定形聚合物的玻璃化转变温度为Tg），然后冷却至Tt 以下，SMP以变形形状编程（或固定）。
通过恢复步骤实现形状转变，在恢复步骤中，SMP被加热到高于Tt的温度，并且由于熵弹性，SMP恢复到其原始形状。
为了更好地协助SMP在4D打印领域的应用，应该通过适当的理论模型很好地描述上述形状记忆（SM）行为。
在SMP现有模型中，基于热粘弹性模型和基于相位演变的模型已被广泛采用。
智能材料-形状记忆材料
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3、在医疗方面的应用
记忆型NiTi牙弓丝
形状记忆合金制成的血液过滤器
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Examples
形状记忆合金套管连接的铝合金假肢
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4、形状记忆式热发动机形状记来自用于热发动机的原理34
偏心曲柄型热机
涡轮型热机
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5、在结构振动控制方面的应用
●被动控制:利用形状记忆合金的超弹性效应和高阻尼 特性——耗能阻尼器。 变形能力(弹性应变) 比阻尼 (材料振幅衰减比的平方) 形状记忆合金 7％ 40％ 普通金属材料 0.2％ 6％
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1932年， 瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到“记忆”效 应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温 度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状。 1938年，格雷宁格等已在铜锌合金中观察到形状记忆效应。 1961年美国海军军械实验室首先研究了Ni-Ti合金的形状记忆 效应 1963年美国比勒等发展出称为Nitinol的镍钛形状记忆合金， 并用于航天器。 中国于1978年开始研制，1980年得到应用。 最有实用价值的是TiNi基和Cu基形状记忆合金。
主要对象：一维构件如梁和杆等。 对埋入SMA 丝的悬臂梁：振动振幅下降 超过50％。 适用振动频率范围：低频。
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6、在形状自适应结构中的应用
智能蒙皮： 飞机机翼：产生弯曲和扭转，改变形状和迎角， 以增加或减少空气动力，达到自动调 节机翼空气动力特性的目的。 直升机智能转子系统：对旋翼叶片的弯曲、扭转、 翼型进行主动控制，改进整个旋翼的 空气动力性能和结构动力性能； 水下的潜艇、鱼雷：自动选取最佳的表面形状， 大大减少前进中的阻力，提高航速；
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举两个例子来说明智能蒙皮的重要作用： (1) 飞机飞行过程中，不可避免由于外来物(如小鸟、冰 雹等)的撞击或疲劳造成损伤。如果“超飞一号”使用的是普 通蒙皮，严重撞击和疲劳裂纹扩展可能威胁飞行安全。当 “超飞一号”采用了智能蒙皮后，情况就大不一样了：当碰撞 发生时，智能蒙皮中的“皮肤”、“神经系统”和“大脑”针对情 况立即做出反应，迅速启动急救程序，首先使破损处的形状 记忆合金在极短时间内恢复原状，迅速缩小“伤口”，其次 “大脑”命令破损处附近的电流变液体迅速流动到“伤口”处， 在一定的电场作用下，电流变液体由流动的液体立即转变为 具有很高机械强度的固体，协助形状记忆合金促使“伤口”尽 快愈合。这样“超飞一号”就化险为夷了。
第六章 智能材料05形状记忆材料
高分子系智能材料的范围很广泛，作为 智能材料的刺激响应性高分子凝胶的研究和 开发非常活跃，
其次还有智能高分子膜材、智能高分子 粘合剂、智能型药物释放体系和智能高分子 基复合材料等。
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第二节 智能材料的使用领域
1、在军事领域中的应用 2、智能材料与住宅智能化 3、与现代医学相联系的智能材料 4、主动结构声控 5、主动震动声控
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（4）卫生间
在卫生间里，常见设施是洗脸盆、 抽水马桶和淋浴器。
采用了智能结构的卫生间是这样的：
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在洗漱时，人们只要接触洗脸盆支架 表面的任何区域，就能调节控制水温、水 速和水流的状态（集中喷射的水流或宽阔 的水帘状等）供人们选择。
洗脸盆上方的镜子能照出人的正常反 转象，还能照出真实的非反转象。
几种未来的智能产品如下：
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（1）多功能砖
多功能砖用来构建整个房屋的结构单元， 这种结构单元具有变通性和智能性。
这种多功能砖主要由以下三个分层构成：
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第一层是功能层，能感受来自周围 的声能、热能、光能，并能控制这些能 量的输出，如果是内墙壁砖，还能控制 和改变墙的功能；
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第二层是通讯层，能为居住者提供 内外通信联系的通道；
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目前美国在智能蒙皮方面的研究包括： 美国弹道导弹防御局为导弹预警卫星研制 含有多种传感器的智能蒙皮；
美国海军则重点研究舰艇用智能蒙皮， 以提高舰艇的隐身性能。
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（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。
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智能材料的构想来源于仿生学，它的 目标就是想研制出一种材料，使它成为具 有类似于生物的各种功能的“活”的材料。
形状记忆材料
形状记忆材料形状记忆材料（Shape Memory Materials，SMMs）是一类具有形状记忆效应的智能材料，其在外界作用下可以实现形状的可逆变化。
形状记忆材料广泛应用于医疗器械、航空航天、汽车、电子、纺织等领域，具有巨大的应用前景。
形状记忆材料的工作原理是基于其特殊的微观结构和相变特性。
在低温状态下，形状记忆材料处于一种固定的形状，一旦受到外界温度、应力或磁场等作用，就会发生相变，从而恢复到其原始形状。
这种形状记忆效应使得形状记忆材料具有自修复、自组装、自适应等智能特性。
形状记忆材料的应用领域非常广泛。
在医疗器械领域，形状记忆材料可以用于制作支架、缝合线、植入物等，具有良好的生物相容性和可调节的形状，可以更好地适应人体器官的形状和运动。
在航空航天领域，形状记忆材料可以用于制作飞机零部件、卫星结构等，具有轻质、高强度、耐高温等优点，可以大大减轻航空器的重量，提高飞行性能。
在汽车领域，形状记忆材料可以用于制作车身零部件、发动机零部件等，具有抗冲击、耐磨损、自修复等特性，可以提高汽车的安全性和可靠性。
在电子和纺织领域，形状记忆材料可以用于制作智能传感器、智能纺织品等，具有快速响应、多功能性、耐用性等特点，可以实现智能化、可穿戴化。
形状记忆材料的研究和应用仍面临一些挑战。
首先，形状记忆材料的制备工艺和性能优化仍需进一步提升，以满足不同领域的需求。
其次，形状记忆材料的成本较高，需要降低生产成本，提高市场竞争力。
最后，形状记忆材料的环境适应性和可持续性也需要加强，以减少对环境的影响。
总的来说，形状记忆材料作为一种新型智能材料，具有巨大的应用潜力和发展前景。
随着科技的不断进步和创新，形状记忆材料必将在各个领域发挥重要作用，为人类社会的进步和发展做出更大的贡献。
形状记忆材料
第四章 形状记忆与智能材料 ——形状记忆效应与马氏体相变
马氏体相变的特征温度 （形状记忆效应的特征 温度） Ms:马氏体相变开始点 Mf:马氏体相变结束点 As :逆马氏体相变开始点 Af :逆马氏体相变结束点
Au-47.5wt%Cd和Fe-30wt%Ni 合金的马氏体相变热滞
华南理工大学 朱敏
华南理工大学 朱敏
设：环境温度为约330 K
第四章 形状记忆与智能材料 ——形状记忆效应与马氏体相变
应力诱发马氏体相变发生的限度 但是，若合金的Ms远远低于环境温度，需要施 加很大的应力Ms才能升高到环境温度。由于应 力太大，材料在马氏体形成之前已发生严重的 塑性变形，甚至使材料被破坏，导致马氏体相 变不能发生。习惯上应力诱发马氏体相变能够 发生的最高温度用Md表示。
不 变 平 面 应 变
（1）点阵对应 （2）畸变 （3）转动
华南理工大学 朱敏
第四章 形状记忆与智能材料 ——形状记忆效应与马氏体相变
马氏体相变的基本特征 •无扩散切变型相变 •点阵不变平面应变 •固定取向关系 •马氏体片内具有亚结构
•相变具有可逆性
华南理工大学 朱敏
第四章 形状记忆与智能材料 ——形状记忆效应与马氏体相变
华南理工大学 朱敏
第四章 形状记忆与智能材料 ——形状记忆效应与马氏体相变
（五）双程形状记忆效应 (Two way shape memory effect) 大多数记忆合金经过适当的工艺处理（又称为双程记 忆训练），会呈现双程形状记忆效应双程记忆效应是 指记忆合金样品由高温冷却由母相转变为马氏体时， 样品自动发生形状变化，达到预先赋予的形状，加热 使马氏体逆转变回母相时，它又自动回复到原先母相 状态的形状。与单程记忆效应相比，双程记忆效应中 样品完全转变回母相后，它的形状不能完全回复到母 相未经变形前的形状。即有一定的残余变形。这个残 余变形是在双程记忆训练过程中引入的，双程记忆效 应的产生与之有密切的关系。
智能材料有哪些
智能材料有哪些智能材料是一种具有响应外部刺激和改变自身特性的材料，它可以根据环境变化或外部信号实现自主感知、自主调控和自我适应的功能。
智能材料的研究和应用领域涉及材料科学、化学工程、生物医学工程、机械工程等多个学科领域。
本文将介绍智能材料的种类、特性及应用领域。
智能材料主要分为以下几类：形状记忆材料、压电材料、磁致伸缩材料、光致变色材料、化学敏感材料等。
形状记忆材料是一种可以在外部作用下恢复原始形状的材料，常见的形状记忆合金有铜锌铝合金和镍钛合金。
压电材料是一种可以在外加电场下产生机械变形的材料，常用于传感器、致动器等领域。
磁致伸缩材料是一种可以在外加磁场下产生机械变形的材料，常用于声音换能器、振动控制等领域。
光致变色材料是一种可以在光照下改变颜色的材料，常用于光学器件、显示器件等领域。
化学敏感材料是一种可以在化学环境变化下产生物理变化的材料，常用于化学传感器、智能包装等领域。
智能材料具有许多优良的特性，如高灵敏度、快速响应、自主调控、多功能集成等。
这些特性使得智能材料在许多领域具有广泛的应用前景。
在生物医学工程领域，智能材料可以用于制备人工肌肉、智能药物释放系统、仿生传感器等医疗器械，为医学诊断和治疗提供新的解决方案。
在机械工程领域，智能材料可以用于制备智能结构材料、智能传感器、智能控制系统等，提高机械设备的性能和智能化程度。
在材料科学领域，智能材料可以用于制备智能纳米材料、智能复合材料、智能表面涂层等，为材料设计和制备提供新的思路和方法。
总之，智能材料是一种具有巨大应用潜力的新型材料，它将在未来的科技发展中发挥重要作用，推动人类社会的进步和发展。
随着科学技术的不断进步，智能材料的研究和应用将会迎来更加广阔的发展空间，为人类社会带来更多的创新和变革。
智能材料 形状记忆材料
形状记忆效应微观模型
形状记忆合金晶体结构变化模型
马氏体最先由德国冶金学家 Adolf Martens (1850-1914)于19世纪90年代在一种硬矿物中发 现。马氏体的晶体结构为体心四方结构（BCT）。
应用
月面天线
宇宙飞船登月之后，为了将月球上收集到的各种信息发回地球，必须在月球 上架设直径为好几米的半月面天线。要把这个庞然大物直接放入宇宙飞船的 船舱中几乎是不可能。但利用形状记忆合金则能使其成为可能。 先用镍钛合金在高温下制成半球形的月面天线，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，所以很容易把天线折 叠成小球似的一团，放进宇宙飞船的船舱里。到达月球后，宇航员把变软的 天线放在月面上，借助于阳光照射或其他热源的加热使环境温度超过奥氏体 相变温度，这时天线犹如一把折叠伞那样自动张开，成为原先定形的抛物状 天线，迅速投入正常的工作。
除上述几个方面外，智能材料的再一个重 要进展标志就是形状记忆合金。 一些国家用记忆合金制成了卫星用自展天 线。在稍高的温度下焊接成一定形状后， 在室温下将其折叠，装在卫星上发射。卫 星上天后，由于受到强的日光照射，温度 会升高，天线自动展开。
形状记忆材料
(a) 放入热水前
(b) 放入热水后
(c) 得到一定回复后的形状
智能材料的构成
一般来说智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材 料三部分构成。 （1）基体材料 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，因为其重量轻、耐腐蚀，尤其具有粘 弹性的非线性特征。其次也可选用金属材料， 以轻质有色合金为主。
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（2） 传输特性
智能材料不仅需要敏感环境的各种参数，而且需要在材 料与结构中传递各种信息，其信息传递类似人的神经网络， 不仅体积微小，而且传递信息量特大。目前用于智能材料中 信息传递的方法很多，最常用的是用光导纤维来传递信息。
（3） 智能特性
智能特性是智能材料的核心，也是智能材料与普通功能 材料的主要区别。要求能分析、判断其参数的性质与变化， 具有自学习、自适应等功能。
实验证明，不论裂纹位于建筑物表面、墙壁内部还是地下 深处，传感器都能准确地探测到。增加线圈的数量还能进一步 提高传感器的灵敏度。如果用玻璃纤维制成的光纤绕成线圈， 传感器的感知效果在600摄氏度的情况下仍然能够保持不变， 适合在核电站和高温化工厂使用。
形状记忆合金
机械手柔性三维运动
压电传感器
通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而 成的，这样的传感器也称为压电传感器。压电传感器主 要应用在加速度、压力和力等的测量中。
目前常用的微型驱动系统有形状记Fra bibliotek合金，磁致伸缩材 料，电流变体等，尤其是电流变体材料在自适应材料中的应 用特别引人注目。
电流变体
通常情况下，我们看到的液体变成固体或固体变成液体，只 与温度和压力有关。然而，你能想像出电流也有这样的作用 吗？
1947年，一个叫温斯洛的美国人发现了一个奇怪的现象。他 把石膏、石灰和炭粉加在橄榄油中，然后加水搅成一种悬浮 液，想看看这种悬浮液能不能导电。在试验中，他意外地发 现，这种悬浮液没有加上电场时，可以像水或油一样自由地 流动；可是一加上电场，就能立即由自由流动的液体变成固 体，而且随着电场强度的增加，固体的强度也在增加。当撤 消电场时，它又能立即由固体变回液体。由于这种悬浮液可 以用电场来控制，因此科学家们就把它叫做“电流变体”， 并把这种现象称为“温斯洛现象”。温斯洛还为此申请了专 利。
这种材料一般具有四种主要功能： ① 对环境参数的敏感； ② 对敏感信息的传输； ③ 对敏感信息的分析、判断； ④ 智能反应。
早期的智能材料往往是一种材料集上述四种功能于一身， 因此种类极少，而且适应面很狭窄，功能单一。
现在对智能材料的四种功能分别进行处理，分别按需要进 行设计，制造多种性能优越的智能材料。
因此，智能材料往往不是研制一种材料使之具备多种智能 特性，而是根据需要在所使用的基体材料中融入某种新的 材料和器件，这种融入的材料或器件一般具有某种或多种 智能特性，这样使智能材料的性能和应用得到了很大扩展。
（1） 敏感特性
融入材料使新的复合材料能感知环境的各种参数及其变化。
日本发明光纤传感器
新华网 （ 2003-02-11 16:48:57 ）
日本东京大学工学系开发出了世界第一个用来检查核电 站、高速公路、隧道等是否存在裂纹的光纤传感器，灵敏度是 过去检测装置的千倍以上，价格也很便宜。
这种传感器使用简便，灵敏度高。只需将光纤制成的线圈 贴在大楼、桥梁等物体的表面，如果这些被检测物体存在裂纹 ，传感器就会感知到由此产生的微小声音和振动，光纤内传导 的光信号波长会发生变化，分析这些变化就能发现裂纹的位置 及开裂的程度。
电流变体（续2）
近几年，科学界正在研究有“感觉”和有“知觉”的仿生智 能材料，它能随外界环境的变化而自动调节其功能，而电流 变体正好在此可以发挥作用。由于电流变体能随电压的不同 而改变自身的强度，所以能充当智能材料的“肌肉”。因为 一使劲（加上电压）肌肉就会变硬，肌肉一放松（撤掉电压） 身子就变软了。
电流变体（续1）
那么，电流变体究竟有什么用处呢？
人们最先想到的是用它来制造汽车的离合器和刹车装置。汽 车司机都知道，改变行车速度要换挡，而换挡至少也需要几 秒钟的时间。遇到紧急情况刹车时，司机猛踩刹车让刹车片 紧紧“抱住”旋转的轮子，也要用1秒钟左右的时间。可在这 1秒钟之内，就有可能造成车毁人亡的惨剧。如果用电流变体 做成离合器或刹车装置，那么只需千分之几秒的时间，就可 以达到换挡或刹车的目的。因为不加电场时，电流变体为液 体，黏度很小，等于汽车挂不上挡；加上电场后，电流变体 的黏度随电场强度的增加而增大。当电流变体变成固体时， 主动轴就和滑动轮结合成一个整体，就相当于换上了挡，而 这个过程只需要千分之几秒的时间。用电流变体刹车的秘密 就在于此。
第7章 智能材料与形状记忆材料
7.1 智能材料
智能材料是近年来在世界上兴起并迅速发展的材料技术的一个新领域。
7.1.1 基本概念
设想：
混凝土能自己发现混凝土大坝里的裂缝； 玻璃能根据环境光强的变化而自行改变透光率，使进入
室内的阳光变暗或变亮； 墙纸可以变化颜色以适应不同环境； 空中飞行的飞机能自行诊断其损伤状态并自行修复。
由于计算机技术的高度发展，智能材料与结构的智能特 性已经或正在逐步实现，问题的关键是如何将材料敏感的各 种信息通过神经网络传输到计算机系统。
两种方法：一种是在大型智能结构系统中，将智能材料敏感 到的各种参数传感到结构体系的普通计算机内；另一种是在
智能材料中埋入超小型电脑芯片。
（4）自适应特性
是由智能材料中的各种微型驱动系统来实现。该系统是 由超小型芯片控制并可作出各种动作，使智能材料自动适应 环境中应力、振动、温度等变化或自行修复各种构件的损伤。
仿生 “活”的材料
美国和日本科学家首先提出的。 1989年日本高木俊宜教授将信息科学融于材料的特性和
功能，提出智能材料 (Intelligent materials) 概念，它是 指对环境具有可感知可响应等功能的新材料。
美国的R．E．Newnhain教授提出了灵巧 (Smart) 材料 的概念，这种材料具有传感和执行功能，他将灵巧材料 分为被动灵巧材料、主动灵巧材料和很灵巧材料三类。
智能材料是高技术新材料领域中正在形成 的一门新的分支学科，是2l世纪的先进材料， 是当前工程学科发展的国际前沿。
智能材料是一门交叉学科，它的发展不仅 是材料学科本身的需要，而且可以带动许多相 关学科的发展，如物理、化学、计算机、土木 工程和航空航天的发展的。
智能材料：
是指能模仿生物体，同时具有感知和控制等功能的材 料或结构。它既能感知环境状况又能传输、分析有关信息， 同时作出类似有生命物体的智能反应，如自诊断、自适应 或自修复等。