电子智能材料与智能系统及结构
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。
2023年智能材料与结构专业介绍
2023年智能材料与结构专业介绍智能材料与结构是一门涉及材料科学、机械工程、电子工程和控制工程等多个领域的综合性学科，其主要研究方向是通过将传感器、执行器和控制系统集成在一起，使得材料和结构能够呈现出自主控制、自适应、自愈合、自传感、自修复等智能化特性。
该学科已经成为未来智能制造、智慧工程、低碳环保等领域的关键技术之一。
智能材料是指具有自主感知、自主响应及自主适应性能的材料，这类材料常常具有一些特殊的物理、化学或生物特性，如固体、液体、气体以及纳米颗粒等材料，其中包括形状记忆合金、智能陶瓷、聚合物、橡胶、液晶等材料。
这些材料不仅仅具有传统材料的特性，更有着自身独有的智能化特性。
智能结构则是指采用智能材料制造出来的结构，其能够通过感知、响应和控制手段，实现自主控制、自适应、自愈合、自传感、自修复等智能化特性。
智能结构可以广泛应用于飞机、火车、汽车、船舶以及桥梁、高楼大厦等工程结构，以及体育装备、医疗保健等领域。
智能材料与结构专业涉及的技术包括传感器技术、执行器技术、材料和结构分析与设计、智能控制和自适应控制、自适应材料与结构、多物理场交叉作用等方面。
在该专业的学习过程中，学生需要深入学习材料科学、物理学、数学、机械工程、电子工程、自动控制等学科的基础知识，并掌握有关材料和结构的设计、加工、测试、分析和控制等关键技术。
目前，智能材料与结构专业的应用领域广泛，涵盖了智能制造、航空航天、交通运输、民用设施、医疗保健、体育装备等诸多领域。
该专业的毕业生可以在科研机构、企事业单位、政府部门等多个领域就业，从事新材料、智能材料和结构设计、仿真科研、自动控制与机器人等方面的工作。
此外，智能材料与结构专业还具有较高的研究价值，毕业生可以在高校、科研院所、研究中心等机构从事教学和科研工作。
总之，智能材料与结构专业是一门前沿、高新、多学科交叉的综合性学科，其研究领域广阔，应用前景广泛，具有巨大的发展潜力和市场前景。
该专业的毕业生不仅可以成为从事科研和工程设计开发的专业人才，还可以成为各大高校的教育者和创新者。
智能材料和智能结构——形状记忆材料
磁（ 电）致流变流 体和 某些功 能聚合物 。集成和 混合高等 材料是可获 得具有传 感 、控 制和 多值 响应本征 机理
的复合材料 。
Ｉ
ｌ
二 、形 状 记 忆 材 料
形状记忆材料 （ Ｓ ＭＭ）是智 能复合材 料的主要 组成部分之 一 。由于材料 内部的可逆相 变 ，Ｓ ＭＭ 具有 某些特殊 的性质 ，例 如形状记 忆效应 （Ｓ ＭＥ） 、准确性 或较大 的可恢复冲 击应变 、高阻尼 性和 自适应 性。
形状记忆 、超弹性等 ，可 用于各种智 能系统 。形状 记忆材料 中的激励 感应相变 导致了材 料的许多独 特的
性能 ，支配 着材 料性质 的显著变化 。讨论了改进 目前材料 系统和研发 新的形状 记忆材料 所面 临的 技术障
碍和挑 战。
关键词 ：形状记忆材 料 ；合金 ；陶瓷 ；聚 合物 ；激 励感应相 变 ；智 能系统 中图分类 号 ：Ｔ ３ １ 文献标 识码 ：Ａ 文章编号 ： ０ ６ ８ ３ ２ １）９ ０ ０ — ７ Ｂ８ １ ０ — ８ Ｘ（ ０ — ０ ６ ０ ００
特性 、形状记忆特 性和其 它性质影 响很大，在２ 元 合金中 ， ２ 由立方 晶系到单斜 晶系 ［ ９］的一级相变 改变为 由立方 晶 Ｂ１
系 ［ ２ 到斜 方 晶 体 系 ［ ９ 以及 由 Ｂ１ Ｂ］ Ｂ１ ］ ９到 Ｂ１ （ ｕ取 代 Ｎｉ ９ Ｃ
纤维 丝 、颗 粒和 多孔材 料 ，可与其 他材料 一起 形成 复合材
（） ７ 、阻尼 ：Ｓ ＭＭ 的阻尼特 性来源 于其特征 微结构和 相变 ，大 部分 Ｓ ＭＭ 都具 有较高 的固有 阻尼 性 。
ｉ
０跨露 ： ０
≯
到 目前 为 止 已发 现 各 种 合 金 （ Ｓ ＭＡ） 陶 瓷 （Ｓ ） 、 ＭＣ 、 聚合物 （ 状记忆 Ｓ ） 凝胶 （Ｓ 形 ＭＰ 和 ＭＧ） 胶 呈 现 出 Ｓ 凝 ＭＥ， 其 中 有 些 材 料 已 商 品 化 ，特 别 是 某 些 Ｓ Ｍ 易于 制 成 薄 膜 、 Ｍ
(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。
现代建筑中的智能材料与结构设计
现代建筑中的智能材料与结构设计在当今科技飞速发展的时代，建筑领域也迎来了一场深刻的变革。
智能材料与结构设计的出现，正逐渐改变着我们对建筑的认知和体验。
智能材料，顾名思义，是指那些能够感知环境变化，并能根据预设的条件做出相应反应的材料。
它们具有独特的性能，能够在建筑中发挥重要作用。
例如，形状记忆合金能够在温度变化时改变形状，这一特性使得其在建筑结构的变形控制方面具有潜在应用价值。
当温度升高或降低时，形状记忆合金可以自动调整构件的形状，从而增强结构的稳定性和耐久性。
另一种常见的智能材料是压电材料。
当受到压力或机械变形时，压电材料会产生电荷。
利用这一特性，可以将其应用于建筑的能量收集系统中。
例如，在人员活动频繁的区域铺设压电材料地板，通过人们的行走产生的压力来发电，为建筑的部分设备提供能源。
同时，压电材料还可以用于结构的健康监测，当结构受到损伤时，其产生的电荷信号会发生变化，从而及时发现问题。
智能结构设计则是将这些智能材料与传统的建筑结构相结合，以实现更高效、更灵活、更可持续的建筑性能。
在抗震设计方面，智能结构能够通过传感器实时监测地震波的传播，并迅速调整结构的刚度和阻尼，从而减小地震对建筑的破坏。
智能通风系统也是现代建筑智能结构设计的一个重要体现。
通过温度、湿度和空气质量传感器的监测，智能通风系统可以自动调节窗户的开合程度和通风设备的运行状态，以保持室内舒适的环境。
在炎热的夏季，当室内温度过高时，窗户会自动打开，引入自然风降温；而在寒冷的冬季，窗户则会关闭，保持室内温暖。
此外，智能遮阳系统也是智能结构设计的一部分。
根据太阳的位置和光照强度，遮阳板可以自动调整角度，既能有效阻挡阳光直射，降低室内温度，又能保证充足的自然采光，减少人工照明的需求，从而实现节能的目的。
智能材料与结构设计在绿色建筑中也发挥着关键作用。
例如，自修复材料能够自动修复混凝土结构中的微小裂缝，延长建筑的使用寿命，减少维修成本。
同时，具有光催化性能的材料可以分解空气中的污染物，改善建筑周围的空气质量。
智能材料与结构专业就业方向
智能材料与结构专业就业方向
智能材料与结构专业毕业生可以在以下方向就业：
1. 研发工程师：毕业生可以在科研机构、大学或企业从事智能材料与结构的研发工作，开展新材料的设计、合成、制备、性能测试和优化等工作。
2. 控制系统工程师：智能材料与结构专业毕业生可以在自动化、电子、机械等行业从事控制系统的设计与开发工作，利用智能材料和结构来实现自动化控制。
3. 制造工程师：毕业生可以在制造行业从事智能材料与结构的生产工艺设计与优化工作，提高产品的性能和质量。
4. 嵌入式系统工程师：智能材料与结构专业毕业生可以从事嵌入式系统开发工作，利用智能材料和结构来实现各种功能的嵌入式系统。
5. 建筑工程师：毕业生可以在建筑行业从事智能建筑材料与结构的设计与施工工作，优化建筑的能源利用和环境适应性。
6. 智能设备工程师：毕业生可以在智能设备制造、智能家居等行业从事智能材料与结构相关设备的设计、制造和维护工作。
7. 市场营销专员：毕业生可以在智能材料与结构相关企业从事市场调研、产品推广和销售工作，提升企业在市场上的竞争力。
综上所述，智能材料与结构专业毕业生可以在科研机构、制造业、建筑业、设备制造业等多个领域就业，具有较广阔的就业前景。
智能材料与结构专业就业方向及前景分析
智能材料与结构专业就业方向及前景分析导言随着科技的不断发展，智能材料与结构专业逐渐成为热门的就业方向之一。
智能材料与结构专业涉及材料与结构科学、机械工程、电子工程等多个学科，通过引入智能材料和先进技术，设计出能够响应外界环境的智能结构，具有广阔的应用前景。
本文将分析智能材料与结构专业的就业方向及前景，并对相关的行业领域进行探讨。
就业方向智能材料与结构专业毕业生具备较高的综合素质和专业技能，可以在以下方向找到就业机会：1. 智能材料设计与开发智能材料设计与开发是智能材料与结构专业较为常见的就业方向之一。
就业者可以参与各类智能材料的研究、设计、开发和制造，如形状记忆合金、电致变色材料等。
这一方向在汽车、航空航天、建筑等行业有广泛的应用。
2. 智能结构设计与优化智能结构设计与优化是另一个重要的就业方向。
毕业生可以参与智能结构的设计、优化和分析，如智能拱桥、智能悬挂系统等。
这一方向主要应用于建筑、桥梁、航空航天等领域。
3. 智能材料与结构测试与检测智能材料与结构测试与检测是保证智能材料与结构性能的重要环节。
毕业生可以在实验室、科研机构、检测机构等从事相关的测试、检测和分析工作，如力学性能测试、腐蚀性能检测等。
4. 智能材料与结构应用工程师智能材料与结构应用工程师负责将智能材料与结构技术应用于实际工程项目中。
毕业生可以负责项目的规划、设计、施工等工作，参与各类工程项目的研发与应用，如智能建筑、智能交通系统等。
就业前景智能材料与结构专业具有广阔的就业前景，以下几个方面为该专业的就业前景提供了保障：1. 市场需求增长随着社会对智能化产品的需求不断增加，智能材料与结构专业的市场需求也在逐渐增长。
智能材料与结构的应用领域广泛，如智能家居、智能交通、医疗器械等，这些领域的不断发展为智能材料与结构专业毕业生提供了丰富的就业机会。
2. 技术革新推动发展智能材料与结构专业以其创新性和前瞻性受到了越来越多的关注。
随着科技的不断进步，新型智能材料的研发和应用不断涌现，推动了该专业的发展。
(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。
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基本组成：生物功能膜＋离子敏场效应管(ISFET)
E. 光生物传感器 基本组成：催化发光反应的酶＋光电二极 管或晶体管等半导体器件
二．智能结构中的光纤传感系统
1. 智能材料与智能系统中传感系统的选择： A. 满足强度相容要求 埋入后不使原材料强度下降或下降很小 测量动态范围应与基体材料的工作强度和外加 载荷相匹配 B. 满足界面相容要求 C. 满足工艺相容要求 埋入不给基体材料的生产带来困难; 传感介质能经受基体材料制作中压力等的考验 D. 满足场分布相容要求 埋入后不影响基体材料内各种物理场(例如应 力场、电磁场、振动模式)的分布
例如CdS光敏电阻 利用光电效应工作的光传感器：
例如硅光电二极管 利用其他原理工作的光传感器：
例如利用光电发射效应的光电倍增管， 利用热释电效应的红外检测光传感器等．
６．力学量传感器 压力电阻式：加速度传感器
荷重传感器 压力电阻传感器(力敏电阻) 压电式：加速度传感器 荷重传感器 扭矩传感器 压力传感器 光电、磁电式传感器：位移传感器 其他：集成压力传感器 电容式压力传感器 Si热线式流量传感器等
E. 满足尺寸相容要求 应有足够小的体积，不影响基体材料组
分和物理性能的连续性 2. 光纤传感器的特点：
A. 电绝缘 B. 抗电磁干扰 C. 非侵入性(无论对电磁场还是速度场) D. 高灵敏度 E. 容易实现对被测信号的远距离监控
3. 光纤传感器类型 A. 干涉型光纤传感器：
相位调制光纤传感器： 光学现象：磁致伸缩 磁致伸缩 萨格纳克效应 光弹效应等 测量参数：电流、磁场，电场、电压， 角速度 振动、压力、加速度、位移 温度
II ．在混凝土中放入电流变体，当传感器监 测到振动时，可将振动信号输送给计算机， 计算机根据振动情况对梁施加电压，使液 体固化，使梁强韧性增加，当振动减弱后， 电压消除，电流变体恢复液态，梁又变得 很有柔性．
３．机器人
利用形状记忆合金独特的感知温度并出 现位移、将热能转变为机械能的特性，将 其安装在机器人的手足和筋骨动作部分， 可使机器人依据环境温度执行各种动作任 务。
它是材料科学、人工智能、信息科学、机械 科学、生物科学、化学和物理等学科高度 发展、相互交叉的产物。
三．智能材料系统与结构的组成 母体材料 传感器 中央处理器 驱动器 通信网络
四．智能材料系统与结构的基本组元材料
感知材料
信息材料
执行材料
+ ++
+五．智能材料的应用
１．航天航空飞行器
电子智能材料与智 能系统及结构
§4.1 绪 论
一．功能材料的分类
I．感知材料： 对外界(或内部)的刺激强度(如应力、应
变、热、光、电、磁、化学和辐射等)具有 感知功能的材料．
II．驱动材料： 对外界环境条件(或内部状态)所发生的
变化能作出响应或驱动的材料(机敏材料或 智能材料)．
二．智能材料的定义
7. 磁敏传感器 霍尔元件：
利用半导体在磁场作用下的霍尔效应工作 磁敏元件：
利用半导体中的磁阻效应工作 磁敏晶体管：
利用磁场作用下结区导电性能的变化工作 磁敏集成电路：
把霍尔元件或磁阻元件与单元电路集成于 一块芯片上，制成集成电路的磁敏传感器。
8. 湿度传感器 湿敏电阻器 湿敏电容器 湿敏晶体管
以最佳条件响应外界环境的变化，且按 这种变化显示自己功能的材料．它们可以 感到外界环境的变化，并针对这种变化作 出瞬时主动响应，具有自诊断、自适应、 自修复和寿命预报以及靠自身驱动完成特 定功能(如振动控制)的能力，智能材料和结 构密切相关，互为一体，因此确切说法应 为智能材料和结构(简称智能材料)．
4．气体传感器
所利用的特性 实例
被检测的气体
电 表面电阻
阻 体电阻 型
体电阻
SnO2 γ-Fe2O3 TiO2
可燃气体 乙醇，可燃气体 O2
非 固体电解质 ZrO2
O2,SO2
电 二极管整流特性 Pd/TiO2 H2,CO,乙醇
阻 型
晶体管特性
Pd-
H2,H2S
MOSFET
５．光传感器 利用光电导效应工作的光传感器：
基本组成: 固化后的酶膜+气体电极=酶电极 葡萄糖传感器通过测定酶作用后氧含量实现定糖. 反应式:
C6H12O6+O2C6H10O6+H2O2 生物催化剂为葡萄糖生物酶
B. 微生物传感器 基本组成: 固化的微生物膜+电化学装置 分为: 好气性微生物和厌气性微生物
C. 免疫传感器 利用抗体对抗原的识别功能和与抗原结合 的功能工作的．
2．传感器的分类 温度传感器 力学量传感器 气体传感器 光传感器 磁传感器 湿度传感器 电压传感器 生物传感器 离子传感器
3．温度传感器 电阻式：陶瓷热敏电阻器(PTC,NTC,CTR)
金属电阻器(正的电阻温度系数) PN结式：温度敏晶体管
集成温度传感器 热电式：热电偶 辐射式：光学测温计
光电测温计
不同材料的连接处存在很大的应力集中， 采用智能系统可加以调节并将其分散转移 到别处；
座舱壁采用智能系统能减弱振动和噪音， 使飞机飞行更平稳；
在关键部件上安装智能部件，起“神经 系统”、“肌肉”、“大脑”作用，能感 觉即将出现的故障，并作自我修复。
２．建筑与工程结构
可自行愈合的混凝土：
I．在混凝土中埋入内装入裂纹修补剂的空心 纤维，当混凝土开裂时，空心纤维断裂， 释放出粘结修补剂，从而把裂纹牢牢焊接 在一起，防止裂纹扩展；
9. 电压敏传感器 按结构分： 体型压敏传感器 结型压敏传感器 单颗粒层型压敏电阻器 薄膜型压敏电阻器
10. 生物传感器 利用酶、抗体、微生物等作为敏感元件的探测
器，将探测器上所产生的物理量、化学量的变化 转变为电信号的一种传感器。
• 必须具有识别功能的生物敏感膜—感受器和换能 器两部分。
• 类型： A. 酶传感器:
4．日常生活
既保温又散热的衣服：活动量小时起保温 作用，活动量大时起散热作用；
人造胰腺细胞：根据血糖水平释放胰岛素
§4.２ 智能结构中的传感系统
一．传感器概述 １．何谓传感器及敏感元件？
一种将各种物理和化学信息按一定的规 律转换成电信号的功能器件，具有信息感 知、信息变换和信息传输的功能．
＊传感器技术是获取信息的手段，是构成现 代信息技术的主要技术，它与信息处理的 计算机技术、信息传输的通讯技术是现代 信息技术的三大支柱。