智能材料与结构

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• 该材料具有模仿生物体的自增值性、自 修复性、自诊断性、自学习性和环境适 应性。将具有仿生命功能的材料融合于 基体材料中，使制成的构件具有人们期 望的智能功能，这种结构称为智能材料 结构。它是一个类似于人体的神经、肌 肉、大脑和骨骼组成的系统，而基体材 料就相当于人体的骨骼。
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• 而智能材料是能够感知环境变化，通过 自我判断和结论，实现和执行指令的新 型材料。智能材料的研究就是将信息与 控制融入材料本身的物性和功能之中， 其研究成果波及了信息、电子、生命科 学、宇宙、海洋科学技术等领域。它的 研究开发孕育着新一代的技术革命。智 能化将成为21世纪高分子材料的重要发 展方向之一。
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• （1 ）提高驱动元件本身的性能，满足上 述六条要求； • （2） 改善驱动元件的激励方法； • （3） 研究多种激励元件组合使用的方法， 达到取长补短的目的； • （4） 研究新型的复合驱动元件； • （5 ）研究驱动元件在材料中的布置方案。
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• 传感器、致动器和控制器是智能结构的 重要部分。传感器要求有高度感受结构 力学状态的能力，在振动系统中即能把 位移、速度或加速度等信号转换成电信 号输出，它直接反应实时的振动状态， 所以它必须有足够的可靠性、敏感性和 较高的反应速度，以便能迅速、准确地 得到振动信息；另外，还要求其具有体 积小，易于集成的特点。
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• 无机非金属系智能材料的初步智能性是 考虑局部可吸收外力以防止材料整体变 坏。目前此类智能材料在电流变流体、 压电陶瓷光质变色和电质变色材料等方 面发展较快。 • 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。 • 根据结构来分，智能材料结构可以分成 10 两种类型，分述如下：
1.2 智能材料分类
• 智能材料的分类方法很多。根据材料的 来源，智能材料包括金属智能材料无机 非金属系、智能材料及高分子系智能材 料。
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• 金属系智能材料由于其强度比较大耐热 性好且耐腐蚀性能好，常用在航空航天 和原子能工业中作为结构材料。金属材 料在使用过程中会产生疲劳龟裂及蠕变 变形而损伤，所以期盼金属系智能材料 不但可以检测自身的损伤，而且可将其 抑制，具有自修复功能，从而确保使用 过程中的稳定性。目前研究开发的金属 系智能材料主要有形状记忆合金和形状 记忆复合材料两大类。
1.1智能材料的概念及其特点
• 智能材料系统和结构的有关名称定义目 前尚不统一，但一般智能材料系统都应 该具有敏感、处理、执行三个主要部分。 一般来说，智能材料是能够感知环境变 化(传感或发现的功能)，通过自我判断 和自我结构(思考和处理的功能)，实现 自我指令和自我执行(执行功能)的新型 材料。
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• （ 4 ）激励后的变形量要大，并能伴随 着产生激励力，而且能够控制； • （ 5 ）驱动元件在反复激励下，保持性 能稳定； • （ 6 ）驱动元件的频率响应要宽，响应 速度快，并能控制。
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• 正在研究和使用的驱动元件有形状记忆 合金、压电元件、电流变材料、磁致伸 缩材料、磁变流材料、胶体材料等。当 前的驱动元件还不能全部满足上述要求， 只能在几个方面具有特点，也就是每种 驱动元件都有他们的特色，但也存在问 题。
第一节 智能材料的概念及分类
• 智能材料结构的诞生有着一定的背景。80年代末 期，复合材料普遍使用，为解决它的强度和刚度 变化等问题，使得驱动元件和传感件较为容易地 融合进入材料，组成整体，从而具有多种用途， 同时驱动元件和传感件材料的发展以及材料集成 技术上的突破，也促进了智能材料结构的出现。 材料科学的发展，使得人们对机械、电子、动作 等材料的多方面性能耦合进行研究，微电子技术、 总线技术及计算机技术的飞速发展，解决了信息 处理和快速控制等方面的难题，这些都为智能材 料结构的出现提供了有利条件。 3
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• 自1998年美国弗吉尼亚大学召开了关于 “智能材料结构和数学问题”专题学术 讨论会以来，智能材料系统的研究成为 材料科学与工程的热点之一，有人甚至 称21世纪是智能材料的世纪，目前美国 已有几十家公司经营智能材料结构的产 品。人们之所以如此关注智能材料系统 是因为它在建筑、桥梁、水坝、电站、 飞行器、空间结构、潜艇等振动、噪声、 形状自适应控制、损 例如光导纤维、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， 光导纤维是传感元件，能检测出结构中 的应变和温度，形状记忆合金能使结构 动作，改变性状，控制电路根据传感元 件得到的信息驱动元件动作。因此融合 于材料中的传感元件相当于人体的神经 系统，具有感官功能，驱动元件相当于 人体的肌肉，控制系统相当于人的大脑。 智能材料与普通功能材料的区别如图11 －1所示。 7
智能材料与结构
• 智能材料结构(Smart/Intelligent Materials and Structures)是一门新兴起的多学科交 叉的综合科学。80年代后期，随着材料 技术和大规模集成电路的进展，美国军 方提出了智能材料与结构的设想和概念， 并开展了大规模的研究。智能材料与智 能结构系统是近年来飞速发展的一个领 域，这一领域的研究也越来越受到人们 的重视。
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第二节 智能材料结构的信息处理方法 • 图11-2是智能结构的动作流程图。首先 识别外界参数，通过分析、判断，然后 行动。其中行动是依靠埋入材料中的驱 动元件来实现，它能够自适应的改变结 构形状、刚度、位置、应力状态、固有 频率、阻尼摩擦阻力等。
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• 对驱动元件的要求是： • （ 1 ）驱动元件应能和结构基体材料很 好结合，具有高的结合强度； • （ 2 ）驱动元件本身的静强度和疲劳强 度要高； • （3）激励驱动元件动作的方法要简单 和安全，对结构基体材料无影响，激励 的能量要小；
（1）嵌入式智能材料
• 在基本材料中嵌入具有传感、动作和控 制处理功能的三种原始材料，传感元件 采集和检测外界给予的信息，控制处理 器指挥驱动元件执行相应的动作。
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（2）材料本身具有一定的智能功能
• 某些材料微结构本身具有智能功能，能 够随着环境和时间改变自己的性能，例 如自滤波玻璃和受辐射时能自衰减的InP 半导体等。