智能材料
7、智能材料概论
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（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。
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3、智能材料的构成
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(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。
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(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。
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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
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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
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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。
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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。
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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。
智能材料概述
智能材料概述材料的智能化代表了材料科学发展的最新方向，智能材料的研究主要是依照仿生学方法，采用各种先进复合技术，实现复杂材料体系的多功能复合，并最终实现材料智能能化和器件集成化，文章在简要介绍有关材料概念的基础上，又重点介绍了记忆合金的特征、功能和应用及其现有的不足。
智能材料概述所谓智能材料，是指能感知外部刺激、能判断并恰当处理、且本身可执行的材料。
智能材料的构想来源于仿生，其最初目标就是研制出一种具有类似于生物功能的“活”的材料。
因此智能材料必须具备感知、驱动和控制这3个基本要素。
1．智能材料的功能和特性智能材料往往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、化学和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)响应功能—能够根据外界环境和内部条件变化，适时动态地做出相应的反应，并采取必要行动。
(5)自诊断能力—能通过分析比较系统目前的状况与过去的情况，对诸如系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予以校正。
(6)自修复能力—能通过自繁殖、自生长、原位复合等再生机制，来修补某些局部损伤或破坏。
(7)自调节能力—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，始终以一种优化方式对外界变化做出恰如其分的响应。
2．智能材料的基本构成和工作原理智能材料一般由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器4部分组成。
（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。
高分子材料重量轻、耐腐蚀,具有粘弹性的非线性特征而成为首选,其次也可选用金属材料,以轻质有色合金为主（2）敏感材料敏感材料担负着传感的任务,其主要作用是感知环境变化(包括压力、应力、温度、电磁场、pH值等) 。
2024年智能材料课件
智能材料课件一、引言智能材料是一种能够对外界刺激做出响应并改变其性能的材料。
这些材料在许多领域都有广泛的应用，包括医疗、建筑、能源和交通运输等。
智能材料的研究和发展是一个跨学科的领域，涉及材料科学、化学、物理学、生物学和工程学等多个学科。
本课件旨在介绍智能材料的基本概念、分类和应用。
二、智能材料的基本概念智能材料是一类具有感知、处理和响应外部刺激能力的材料。
这些外部刺激可以是温度、压力、湿度、光线、电磁场等。
智能材料的响应可以是形状、颜色、硬度、电导率、磁导率等性能的改变。
这种响应是可逆的，即当外部刺激消失时，材料的原始性能可以恢复。
三、智能材料的分类智能材料可以根据其响应机制和性能特点进行分类。
常见的智能材料包括：1.形状记忆材料：这类材料可以在外部刺激的作用下改变形状，并在去除外部刺激后恢复原始形状。
形状记忆合金和形状记忆聚合物是其中的代表。
2.液晶材料：液晶材料具有各向异性的物理性质，可以通过外部刺激（如温度、压力、电磁场等）来改变其光学性质。
液晶显示器就是利用液晶材料的这种性质制成的。
3.酞菁化合物：酞菁化合物是一类具有特殊结构的有机化合物，可以通过外部刺激来改变其颜色和电导率。
酞菁化合物在传感器和显示技术等领域有广泛的应用。
4.磁性材料：磁性材料可以通过外部磁场来改变其磁导率和磁化强度。
这种材料在数据存储和信息处理等领域有重要应用。
四、智能材料的应用1.医疗领域：智能材料可以用于制造可植入的医疗器械和药物输送系统。
例如，智能支架可以通过感知血管内的压力来调节其直径，以保持血管通畅。
2.建筑领域：智能材料可以用于建筑结构的健康监测和修复。
例如，智能混凝土可以通过感知裂缝和损伤来发出警报，并自我修复。
3.能源领域：智能材料可以用于制造高效能源转换和存储设备。
例如，智能窗户可以通过感知外界光线来调节其透光性，以节约能源。
4.交通运输领域：智能材料可以用于制造智能交通工具和交通安全设施。
例如，智能轮胎可以通过感知路面状况来调整其硬度，以提高行驶安全。
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
智能材料智能材料（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。
一般说来，智能材料有七大功能，即传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力。
分类作为一种新型材料，一般认为，智能材料由传感器或敏感元件等与传统材料结合而成。
这种材料可以自我发现故障，自我修复，并根据实际情况作出优化反应，发挥控制功能。
智能材料可分为两大类：（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。
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（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。
（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。
（4）响应功能能够根据外界环境和内部条件变化，适时动态地作出相应的反应，并采取必要行动。
（5）自诊断能力（Self-diagnosis）能通过分析比较系统目前的状况与过去的情况，对诸如系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予以校正。
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智能材料的常见类型
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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。
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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。
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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。
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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
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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。
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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
使得在航天工业中有着不可替代的 地位。 图中的所示为自展天线
电流变液
1947年，有一个叫温塞格的美国学者，讲石 膏、石灰和石磨混合后加在橄榄油中，然后 又加入水搅拌成一种悬浮液，他想试验一下 这种悬浮液能够导电，结果在实验中却发现 了这一奇特现象。这是由来当他对悬浮液加 上电压后，发现液体马上变成了固体，当取 消电压固体又会很快变成液体，后来他又测 出这种物态变化的时间仅有几毫秒，并且固 体的强度会随着所加电压的增大而增加，可 以用电压的有无和大小来控制物态变化和固 态强度，温塞格的发现引起了许多科学家的 兴趣，科学家把能产生这种变化的材料命名 为电流变液，这种现象命名为温塞格现象
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而用电流变液做成的刹车系统，只需要千分之几秒就可达到使车 轮停转的目的。研究者在车轮的传统装置中充入电流变液，平时 由于其粘度较小，对车轮转动无太大影响，当遇到紧急情况时， 驾驶员只要象掀喇叭一样，按下一个相应电路控制开关，给电流 变液加上一定电压，在几毫秒后，电流变液就要变成固体将使车 轮传动装置与车轮固化为一个整体。
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简单来说，就是晶体中两个带相反电荷的晶面在压力下产生滑移， 使电荷不在显电中性，产生了电压，打火机中的打火石是压电材 料的经典应用。
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在未来的力传感器中，压电材料具有的信号
转换特性为传感器的研制提供了途径。
形状记忆合金
形状记忆合金具有形状记忆效应，以记忆 合金制成的弹簧为例，把这种弹簧放在热 水中，弹簧的长度立即伸长，再放到冷水 中，它会立即恢复原状。利用形状记忆合 金弹簧可以控制浴室水管的水温：在热水 温度过高时通过"记忆"功能，调节或关闭 供水管道，避免烫伤。也可以制作成消防 报警装置及电器设备的保险装置。当发生 火灾时,记忆合金制成的弹簧发生形变，启 动消防报警装置，达到报警的目的。还可 以把用记忆合金制成的弹簧放在暖气的阀 门内，用以保持暖房的温度，当温度过低 或过高时，自动开启或关闭暖气的阀门。 形状记忆合金的形状记忆效应还广泛应用 于各类温度传感器触发器中。