智能材料系统结构与应用
智能材料的设计和应用
智能材料的设计和应用智能材料是一种具有通过内部组织结构和化学成分调控其性能应答外界刺激的能力的材料。
具体而言，智能材料能根据环境条件的变化，改变其物理、化学或电磁性质。
这种特点使得智能材料在众多领域有着广泛的应用前景，如电子、能源、医疗和智能制造等。
在智能材料的设计和制备过程中，有两个主要因素需要考虑：一是材料的响应机制，即材料是如何感应和响应外界刺激的；二是材料结构和组成的选择，即要根据所需的性质和应用来选择适合的材料。
目前，常见的智能材料包括形状记忆合金、聚合物、液晶材料和纳米材料等。
智能材料在不同领域的应用可以大致分为以下几个方面：1.电子领域：智能材料可以应用于电子设备中，如智能手机、平板电脑和电子显示屏等。
具有光电特性的材料，如液晶材料和有机发光二极管（OLED）等，可以用于显示技术和光电子器件制造中，提供高质量的显示效果和低功耗的光源。
2.能源领域：智能材料可应用于能源存储和转换中。
例如，智能材料的光伏效应可用于太阳能电池的制造，以转化阳光能为电能；智能材料还可以应用于燃料电池、储能电池和热电材料等领域，以提高能源存储和转化的效率。
3.医疗领域：智能材料可以应用于医学器械和医药领域。
例如，聚合物材料可以制造人工关节和血管支架等医疗器械，具有良好的生物相容性和机械性能；智能材料还可以用于药物传递系统，通过对外界刺激的响应来控制释放速率和位置，提高药物治疗的效果。
4.智能制造领域：智能材料可以用于智能制造中的传感和控制技术。
例如，通过集成智能材料的传感器，可以实现对物体形变、温度和湿度等参数的实时监测，为智能制造提供精确的控制和反馈。
尽管智能材料在各个领域有着广泛的应用前景，但目前仍存在一些挑战和需要进一步研究的问题。
例如，智能材料的设计和制备过程需要多学科的协同研究，如材料科学、化学、物理学和工程学等。
此外，智能材料的可持续性和环境友好性也需要更多的考虑。
总之，智能材料的设计和应用具有巨大的潜力和前景。
智能材料的结构及应用
智能材料的结构及应用智能材料是一种能够对外界环境做出反应、产生特定功能的物质，其内部结构和组分具有一定的特殊性质。
智能材料主要包括聚合物、金属合金、陶瓷材料和复合材料等，这些材料具有响应外部刺激的能力，可以实现形变、形状记忆、传感、自修复等功能，具有广泛的应用前景。
智能材料的结构可以根据其不同的功能进行分类，主要可分为以下几种：1. 形变材料：形变材料主要包括压电材料、电致伸缩材料和磁致伸缩材料等，其结构可呈现不同形态，根据外部电场、磁场或应力的刺激而产生形变。
这类材料在航空航天、汽车制造、医疗设备等领域有着广泛的应用，如用于制造智能变形机构、智能阀门等。
2. 形状记忆材料：形状记忆材料能够在外界条件变化时回复其预设的形状，具有记忆性和形变性能，主要包括铁-钛合金、镍钛合金等。
这类材料在医疗器械、纺织品、航空航天等领域有着广泛的应用，如用于制造支架、导管、折叠式太阳帆等。
3. 智能传感材料：智能传感材料能够对外界环境的变化产生敏感反应，并将这种信号转化为相应的物理、化学信号。
常见的智能传感材料包括压阻传感器、光纤传感器和水凝胶等。
这类材料在环境监测、健康管理、机器人技术等领域有着广泛的应用，如用于制造智能健康监测设备、智能控制系统等。
4. 自修复材料：自修复材料具有自愈合能力，能够在受到破坏后自动进行修复，主要包括聚合物、陶瓷和金属材料等。
这类材料在建筑材料、航空航天、电子设备等领域有着广泛的应用，如用于制造自修复混凝土、自修复涂料等。
智能材料在各个领域都有着广泛的应用，具有巨大的市场潜力。
以医疗器械行业为例，智能材料可以用于制造智能假肢、智能矫形器件、智能药物释放系统等，帮助提高患者的生活质量；在航空航天领域，智能材料可以用于制造智能结构件、智能控制系统、智能航空器件等，提高航空器的性能和安全性。
此外，智能材料还可以用于环境监测、能源领域、信息技术等诸多领域，为人类社会带来更多的便利和创新。
总的来说，智能材料具有奇特的结构和功能，具有广泛的应用前景。
(智能材料与结构系统)第2章智能材料
智能材料与结构系统第2章：智能材料智能材料是指具有感知、响应和控制功能的材料。
这种材料可以根据外部环境的变化自主地进行响应和调节，以实现特定的功能和效果。
智能材料的开发和应用在多个领域都具有重要的意义，包括机械工程、电子工程、生物医学等。
2.1智能材料的分类2.1.1智能材料的动作响应方式智能材料的动作响应方式可以分为主动式和被动式两种。
•主动式响应：这种材料具有自发性地响应外界刺激的能力，可以主动地产生形变或力学反应。
常见的主动式智能材料包括压电材料、形状记忆合金等。
•被动式响应：这种材料需要外部刺激才能发生变化,比如温度变化、光线变化等。
常见的被动式智能材料包括热敏材料和光敏材料等。
2.12智能材料的功能分类智能材料根据其功能可以分为感应与控制、调节与适应、传感与信号处理等。
•感应与控制：这类智能材料能够感知外界刺激，并通过自身的响应产生相应的动作。
例如，压电材料可以通过施加电压产生形变，而形状记忆合金则能根据温度变化自行恢复到其原始形状。
•调节与适应：这类智能材料能够通过自身的调节来适应外界环境的变化，从而保持一定的性能和功能。
例如，热敏材料可以根据温度变化自行调整其导电性能。
•传感与信号处理：这类智能材料能够感知外界的信息，并将其转化为输出信号进行处理。
例如，光敏材料可以感知光线的强度和波长，并将其转化为电信号进行处理。
2.2智能材料的应用领域智能材料的应用领域非常广泛，下面列举了一些常见的应用。
2.2.1机械工程领域在机械工程领域，智能材料常用于制造机械传动系统、控制系统^运动控制装置等。
例如，压电材料可以用于制造振动传感器和声波发生器，从而实现智能控制。
2.2.2电子工程领域在电子工程领域，智能材料常用于制造传感器、开关和执行器等。
例如，光敏材料可以用于制造光电开关和光电传感器,从而实现自动控制。
2.2.3生物医学领域在生物医学领域，智能材料有很多应用。
例如，形状记忆合金可以用于制造支架和植入物，从而实现自主调节和修复功能。
智能材料-结构系统在建筑工程中的应用
［ ］冷培仪 ，翁兴中，蔡 良 ２ ‘ 机场道 面设计 ［ 北 京：人民交通 出版 Ｍ］
社 ，１ ９ ． ９ ５
［ ］许金余 ，杨俊 ，黄小明．神经网络在单 机掩蔽库 程质量评定中的应用 ８ ［］ Ｊ ．空军工程大学学报 （ 自然科学版 ） ２ ０ ，７（ ） ３一 ６ ， ０６ ５ ：ｌ ｌ ．
“ 能 ” 特 性 。 智 ２ 裂 缝 自愈 合 机 敏 混 凝 土 ２ １ 研 究 进 展 ．
混凝土材料脆性 大的固有缺 陷 ，严重 影响其抗裂 性 。实际工程经常 出现基体 的微开 裂等微观损 伤 ，而 这种微裂缝通常是不 可视 的 ，更 淡不上 修复。 同时在
恶 劣 环 境 下 工 作 的钢 筋 混 凝 土 结 构 一 旦 出 现 裂 缝 ，钢
位不 能及时修 复 ，不但影 响混凝 土 的强度 和耐 久性 ， 进 而影响结构的正常使用和缩短使用寿命 ，并 且能 由 此引 发宏 观裂缝并 出现脆 性断裂 ，产生 严重 的灾难性 事故 。传统 混凝 土材料 的修复形 式主要 是定期 维护与 事后维修 ，这种 消极 的 、被动 的维修方 式不仅 费用庞 大 ，且效果不佳 ，更无法满足现代多功 能和智 能建 筑 对混凝 土材料提 出的要求 。研究 和开发 仿生 自修 复混 凝土 ，使其能 自动地对损 伤部位进 行修复 、恢 复并 提 高混 凝 土材料 的性 能 已成 为混凝 土技术 的发展趋 势。 仿生 自修复混凝土是模仿生物组织对受 创部位 自动分 泌某种物质 ，而使创伤部位得到愈合 的机能 ，在混凝 土传统组分 中复合特殊组分 （ 如含粘结剂 的液 芯纤 维 或胶囊 ） ，在混凝土 内部形成 智能 型仿 生 自愈 合神 经 网络系统 ，当混凝土材料 出现裂缝时 ，部 分液芯纤 维 或胶囊破裂 ，胶 粘剂流出深入裂缝 ，胶粘 剂可使 混凝 土裂缝重新愈合 。 ２ ２ 工作机理 ． 在生命系统 中，骨折后 ，断裂处血 液流 出 ，通 过 营养物质和能量 的补给 ，刺激生长活性 因子完成 骨头 自动愈合 ，即 “ 破裂一流 血一凝 结一 愈合 ” 的过 程 。 据此可设计一个方案 ：让掺人混凝土 中的修 复剂本身 并 不具有粘接基材 的功能 ，但 当与另外可 以当作是生 长活性因子的物质相遇时可反应生成 具有粘接 功能 的 物质 ，实现损伤部位的 自动愈合 。Ｗｈｔ，ｅ ｌ ｉ ｅ ｔ 在实验 ａ 中 ，采用磷 酸钙 水泥含有单 聚物为基体材料 ，在其 中 加 入多孑 编织纤维 网 ，在水 泥水化和硬 化过程 中 ，多 Ｌ 孔 纤维 释放出引发剂当作是生长活性 因子 ，引发剂与 单 聚物发 生聚合反应生 成高聚物 。这样 ，在多 孔纤维
智能材料生活中的有趣运用
智能材料生活中的有趣运用智能材料的定义和特点智能材料是指具有某种功能或特性，能够对外界环境做出响应和改变的材料。
智能材料具有以下几个特点： 1. 自感应性：智能材料能够感知外界环境的变化，并作出相应的反应。
2. 自适应性：智能材料能够根据外界环境的变化自动调整自身的性能和功能。
3. 自修复性：智能材料能够在受损或破坏后自动修复或恢复原状。
4. 自组装性：智能材料能够通过自身分子或结构的重组，形成新的结构或功能。
智能材料在日常生活中的应用1. 智能家居智能材料在家居领域的应用越来越广泛。
智能家居可以通过感知环境的智能材料，自动调节室内温度、湿度、光线等参数，提供舒适的居住环境。
此外，智能材料还可以用于制作智能家具，例如智能床垫可以通过感应人体的体温和体重，调节床垫的硬度和温度，提供更好的睡眠体验。
2. 智能穿戴设备智能材料在穿戴设备领域的应用也非常广泛。
智能材料可以制作出柔性、可伸缩的电子产品，例如智能手表、智能眼镜等。
这些智能穿戴设备可以通过智能材料感知人体的运动、心率等参数，提供健康监测和运动指导等功能。
3. 智能交通智能材料在交通领域的应用主要体现在智能汽车上。
智能材料可以用于制作汽车外壳，使汽车更轻、更坚固，并具备自修复能力。
此外，智能材料还可以制作出可变形的车身和自动感应的车窗，提高汽车的安全性和驾驶体验。
4. 智能医疗智能材料在医疗领域的应用可以帮助提高医疗设备的性能和功能。
智能材料可以制作出可植入人体的传感器，用于监测人体的生理参数。
此外，智能材料还可以用于制作人工器官和可治疗的药物释放系统，提高医疗治疗的效果。
智能材料的未来发展趋势1.多功能性：未来的智能材料将具备更多的功能，例如光学、声学、磁学等功能，能够应用于更多领域。
2.可持续性：未来的智能材料将更加注重环境友好性和可持续发展。
研究人员将努力开发可降解的智能材料，减少对环境的影响。
3.自主性：未来的智能材料将更加自主，能够自动感知和响应外界环境的变化，无需外部控制。
(智能材料与结构系统)第2章智能材料
(智能材料与结构系统)第2章智能材料1. 引言智能材料是一种能够响应外部刺激并改变其物理性质的材料。
它具有智能感知、自适应调节和灵活响应等特点，在许多领域都有着广泛的应用。
本章将介绍智能材料的概念、分类和应用等内容。
2. 智能材料的概念智能材料是指能够基于外部刺激作出一定响应的材料。
这种响应可以是物理性质的改变，如形状、颜色、光学特性等，也可以是化学性质的改变，如溶解度、反应速率等。
智能材料可以感知环境变化或接收控制信号，并作出相应的动作。
智能材料可以分为两类：一类是被动响应型智能材料，另一类是主动响应型智能材料。
被动响应型智能材料是指在外界刺激下发生物理性质的变化，如热敏材料、压敏材料等。
主动响应型智能材料是指能够根据外界刺激主动改变其物理性质的材料，如形状记忆合金、光敏材料等。
3. 智能材料的分类智能材料可以根据其响应机制进行分类。
常见的智能材料分类包括形状记忆材料、光敏材料、热敏材料、电致变色材料等。
3.1 形状记忆材料形状记忆材料是一类能够在外界刺激下恢复其原始形状的材料。
形状记忆效应是指材料在经历过塑性变形后能够回复到其原始形状的能力。
常见的形状记忆材料包括形状记忆合金和形状记忆聚合物等。
3.2 光敏材料光敏材料是能够对光信号做出响应的材料。
光敏材料可以根据光信号的不同强度、波长和频率做出不同的响应。
光敏材料广泛应用于光电子器件、光学器件和光学传感器等领域。
3.3 热敏材料热敏材料是能够对温度变化做出响应的材料。
热敏材料可以根据温度的不同改变其物理性质，如导电性、热导性等。
热敏材料在温度控制、温度传感器等领域有着广泛的应用。
3.4 电致变色材料电致变色材料是能够在受到电场刺激时改变其颜色的材料。
电致变色材料广泛应用于智能窗户、显示器件和光学涂层等领域。
4. 智能材料的应用智能材料在许多领域都有着广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：•智能结构：智能材料可以用于构建智能结构，如形状记忆合金用于航空航天领域中的控制杆；光敏材料用于自动调节建筑窗户的透光度。
智能材料与智能结构讲
政策支持
各国政府对智能材料和智能结构 的研发和应用给予政策支持，鼓 励企业加大投入，推动产业发展。
THANKS
感谢观看
02
自适应结构的特性包括自适应性、自修复性和自优 化性等。
03
自适应结构的应用领域包括航空航天、汽车、建筑 和机器人等。
智能复合材料结构
智能复合材料结构是指由两种或两种以上材料组成，并具有感知、响应和 自适应等智能特性的结构。
智能复合材料结构的特性包括传感性、驱动性、信息处理和自适应性等。
智能复合材料结构的应用领域包括航空航天、汽车、船舶和土木工程等。
药物控制释放
智能药物载体能够在特定环境下按需 释放药物，提高治疗效果并降低副作
用。
个性化医疗
利用智能材料制成的生物传感器可实 时监测患者的生理参数，为个性化治 疗提供依据。
生物医学诊断
智能材料能够用于生物标志物的检测 和识别，为疾病诊断提供快速、准确 的方法。
在建筑领域的应用
总结词
智能材料与智能结构在建筑 领域的应用主要涉及结构健 康监测、节能减排和灾害防 控等方面。
仿生结构
01
仿生结构是指模仿生物体的形态、结构和功能等特性而设计的 结构。
02
仿生结构的特性包括生物相容性、生物可降解性和仿生功能性
等。
仿生结构的应用领域包括医疗器械、生物工程和机器人等。
03
柔性可展开结构
01 柔性可展开结构是指能够在弯曲的表面上展开并 形成所需形状和尺寸的结构。
02 柔性可展开结构的特性包括轻质、高强、可折叠 和自适应性等。
压电材料
总结词
压电材料是指在外加压力的作用下，能够产生电压的智能材 料。
详细描述
《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。
- 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)。
智能材料系统结构与应用期末设计设计项目：压力触发式电灯开关
学院：电子信息与电器工程学院
专业：自动化
班级：F1503005
学号：515030910127
学生姓名：闻昊
2015年12月28日
压力触发式电灯开关
作者：闻昊
内容摘要：针对如何提高用户进入家庭时，电灯如何快捷方便的打开，从而采
用一种全新的连通电路的方式，采用压电材料，对外力的机械信号进行转换放大从而控制家用电路的连通。
关键词：传感、压电材料、放大电路、控制元件、转换
一、研究背景：
在生活在中经常出现这样的情况，有时当你进入了家门或者宿舍之后，会发现两只手都拿着东西，很不方便去打开电灯的开关，或者电灯的开关并不在门口触手可及的地方，得抹黑向前走一小段路才能打开电灯。
难免会有一些不方便之处。
如果我们可以转换一种打开灯的方式，这个问题就可以解决。
所以急待需要一种新的电灯开关，来改变传统声控和手触的方式。
那么可采用压力触发式，将开关隐藏于门口的脚垫之中，当我们一进门踩到脚垫上的时候，房间的灯就会亮起来，岂不是方便很多。
二、研究压力触发式开关的可行性与实现方案：
首先考虑压力触发的可行性，通过所学知识，压电材料可以将外力转换为电信号。
压电传感器种类繁多，但传感器用压电材料主要有压电晶体、压电陶瓷和高分子材料三种。
压电晶体性能稳定，居里点和机械强度高，绝缘性好，动态响应快，线性范围宽，迟滞小等，在精密测量系统和高温测量系统中常被选用；缺点是压电系数小，灵敏度低，价格昂贵。
压电陶瓷是人造多晶体压电材料，其压电系数高，制造成本低，但性能不够稳定，在一般测量系统中广泛采用，高分子压电材料具有很高的压电敏感度，可以制成大面积的压电薄膜或阵列原件。
那么采用高分子压电材料就可解决接收信号的问题，加上基本每家都会使用脚垫，所以可以将高分子压电材料制成压电薄膜置于脚垫之中。
接着分析如何将压电薄膜产生的信号放大从而可以控制家用电路使得灯泡亮起来。
尽管压电传感器输出的电压很高，但是电流很小（最简单的一个例子就是打火机中的压电陶瓷能产生上万伏的电压，但是电流极小）。
通过施加一个机械压力，压电材料产生的电荷就很少。
此时的电流不足以触发一个原件。
但是可以进过适当的放大，使其足够触发一个原件。
接下来最后的问题就是，需要设计出一个足够小的原件，因此不会对整体屋子装修的美观程度有影响，且在受到一定的（不是很大的）电流后，便可以触发，控制家庭电灯电路的连通，电灯可以亮起来，且这个原件也能被手动关闭，从而将电灯关上。
三、研究流程图
四、研究过程与结果：
为了尽可能的节省材料，对常人脚踩脚垫的最有可能位置分析，以及对于脚垫易损坏的部位的分析，最后得出了以下的布置压电薄膜材料的方式。
接下来是对于如何将压电薄膜产生的微弱电流放大的分析。
这里因为我才疏学浅，也找不到相关的论文支持，于是去百度寻找了答案，找到了下图所示的电流放大电路。
最后是关于可以控制家庭电路的原件设计。
这个部分由我自己设计，所以有很多不足有待改进。
下面是对下图的说明和原件功能的介绍。
1、圆盘形自锁结构2、带有接通家用电路的旋转杆3、弹簧4、电磁线圈5、导体片6、小铁块。
下边左图是原件，右图是结构1的侧面解析图。
首先在4、电磁线圈没有电流时，2、旋转杆左边弹簧的拉力和右侧小铁块以及在1、圆盘自锁结构上的摩擦力是平衡的。
如果脚垫受到了压力，产生电流并经过放大装置放大后通过导线传入4、电磁线圈，此时电磁线圈中有电流，产生磁性，对上方的小铁块产生了吸引力，于是2、旋转杆开始顺时针移动，此时旋转杆底部固定的小柱子，沿着右图中结构1圆盘形自锁结构的齿的斜面移动，此时右图中弹簧会受力压缩，于是2、旋转杆可以顺时针移动，在电流消失后，2、旋转杆受到3、弹簧的拉力，但是在结构1中，底部的小柱子，力是作用在垂直面上的，并不能使弹簧压缩，也就是说2、旋转杆是不可以移动的。
由此完成了一个自锁的过程。
接下来是如何实现断开电路。
在右图中，盒子的外面留着一个按钮，当按压
按钮时，中间的柱子会带着圆形底盘一起向下运动，此时2、旋转杆的底部的小柱子不再受束缚，在3、弹簧的拉力下2、旋转杆可逆时针转动，从而使得5、处的导体片和触点相离，断开电路，电灯熄灭。
五、研究结果：
通过研究，发现对于压力触发式的开关的实现，在理论上是可行的，而且其作用也是很突出的。
最终可以实现在用户脚踩到垫子之后家里的灯就会亮起来。
而且装置的寿命应该较长，且价格不会很昂贵。
应该可以将放大电路和最后的控制元件组装在一起，从而使得这个装置体积也不会过大。
六、存在的问题
此项研究有待实验验证，从而调节放大电路的放大程度，有可能会使用其他的方式对放大电路进行替换。
压电材料的灵敏程度和形变量以及寿命有待于进一步的测试。
同时对于吸引磁铁的螺线管中部的材料，线圈的匝数，应该是使得螺线管的引力越大越好，能轻松拨动旋转杆为最佳。
七、致谢
感谢杨斌堂老师的教学。
八、参考资料
《基于材料压电特性的传感器应用技术》作者：熊刚、冯新沪、蓝集维
电流的放大电路图百度用户ID AS6787。