智能材料的概念及分类和结构
智能复合材料及其应用
智能复合材料及其应用一、智能复合材料的概念智能复合材料是指将传感器、执行器、控制器等智能元件嵌入到复合材料中，使其具备感知、响应和控制等功能的一种新型材料。
智能复合材料的基本原理是利用传感器获取环境信息，经过控制器处理后，通过执行器实现对环境的响应和调节。
智能复合材料具有自适应性、自修复性、自诊断性等特点，被广泛应用于航空航天、汽车工业、建筑结构等领域。
二、智能复合材料的种类1. 电致变形智能复合材料电致变形智能复合材料是指在外加电场作用下，由于内部极化强度改变而发生形变的一种智能材料。
常见的电致变形智能复合材料有聚偏氟乙烯（PVDF）、聚乙烯醇（PVA）等。
2. 形状记忆合金形状记忆合金是指在外界温度或应力作用下，可以恢复到预先设定形状的一种智能材料。
常见的形状记忆合金有Ni-Ti合金、Cu-Zn-Al合金等。
3. 光致变形智能复合材料光致变形智能复合材料是指在光作用下，由于内部分子结构改变而发生形变的一种智能材料。
常见的光致变形智能复合材料有聚丙烯酸（PAA）、聚乙烯醇（PVA）等。
三、智能复合材料的应用1. 航空航天领域智能复合材料在航空航天领域中被广泛应用。
例如，智能复合材料可以用于制造飞机机身、机翼等部件，可以提高飞机的强度和刚度，并且可以实现自适应控制，提高飞行安全性。
2. 汽车工业智能复合材料在汽车工业中也有广泛应用。
例如，利用电致变形智能复合材料制造汽车挡风玻璃，可以实现自动调节透明度和反射率；利用形状记忆合金制造汽车发动机部件，可以提高发动机效率和寿命。
3. 建筑结构智能复合材料在建筑结构中也有应用。
例如，利用光致变形智能复合材料制造自调节窗户，可以根据室内温度和光照强度自动调节窗户的透明度和反射率；利用电致变形智能复合材料制造自适应隔音墙，可以根据环境噪声自动调节隔音效果。
四、智能复合材料的发展趋势随着科技的不断进步和人们对材料性能要求的不断提高，智能复合材料将会得到更广泛的应用。
基于智能材料的建筑结构创新与应用研究
基于智能材料的建筑结构创新与应用研究近年来，随着科技的飞速发展和人们对于生活质量的不断追求，建筑结构领域也在不断创新与发展。
智能材料作为一种具有自感应、自适应和自修复等特性的新型材料，为建筑结构的创新与应用提供了新的思路和可能性。
一、智能材料的概念和分类智能材料是指具有感知、响应和适应环境的能力，能够根据外界条件变化自主调节其结构和性能的材料。
根据其响应方式和特性，智能材料可以分为形状记忆材料、压电材料、光敏材料、磁敏材料等多种类型。
这些材料在建筑结构中的应用，可以实现建筑物的自主调节、智能控制和能源节约等目标。
二、智能材料在建筑结构中的创新应用1. 形状记忆材料的应用形状记忆材料是一种能够根据温度、湿度等外界条件变化自主改变形状的材料。
在建筑结构中，形状记忆材料可以应用于自动调节窗户的开闭、自动调节天窗的开合等方面。
通过利用形状记忆材料的特性，建筑物可以根据外界温度和湿度变化自动调节通风和采光，提高室内舒适度和能源利用效率。
2. 压电材料的应用压电材料是一种能够在电场作用下发生形变的材料。
在建筑结构中，压电材料可以应用于振动控制和能量收集等方面。
通过将压电材料应用于建筑物的结构中，可以实现建筑物的主动振动控制，提高抗震性能和舒适度；同时，压电材料还可以将建筑物的振动能量转化为电能，实现能量的收集和利用。
3. 光敏材料的应用光敏材料是一种能够根据光照强度变化发生形变的材料。
在建筑结构中，光敏材料可以应用于自动调节遮阳系统、自动调节光线透过率等方面。
通过利用光敏材料的特性，建筑物可以根据外界光照强度自动调节遮阳系统的开合，实现室内光线的合理利用和舒适度的提高。
4. 磁敏材料的应用磁敏材料是一种能够根据磁场变化发生形变的材料。
在建筑结构中，磁敏材料可以应用于自动调节建筑物的结构和形态等方面。
通过利用磁敏材料的特性，建筑物可以根据外界磁场变化自动调节其结构和形态，实现建筑物的自适应和智能控制。
三、智能材料在建筑结构中的挑战与前景智能材料的应用在建筑结构领域中仍面临一些挑战。
智能材料在土木工程中的应用 王磊
智能材料在土木工程中的应用王磊摘要：智能材料在土木工程中有着重要的应用，起着举足轻重的作用，这是材料科学以及计算机科学发展重要阶段的材料革命，因此高科技材料在土木工程领域的研究发展有着重要的意义和非常深远的影响。
本文首先阐述了智能材料的概念和特点，然后分析了智能土木工程的现状和智能材料的应用，希望能够对推动智能材料在土木工程中的发展有所帮助。
关键词：智能材料；土木工程；应用1智能材料的概念、特征及分类1.1智能材料的概念智能材料目前还没有统一的定义。
不过，对其多种定义大同小异。
大体来说，智能材料就是指具有感知环境刺激，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。
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。
1.2智能材料的种类和特点随着科学技术的发展，目前我国土木工程中使用的智能材料有多种形式，不利用这些智能材料可以有效提升土木工程的建设质量。
正是因为目前发展智能材料的种类众多，所以特点也是不能同日而语。
可以根据智能材料的不同应用功能而分成不同的类型，如果具有感知功能的材料，就可以将那些可以感受内外部的刺激的不同强度的材料就叫做感知材料，主要是感知内外部的光、声、热、电等各种物理刺激，具有这方面的功能的智能材料主要有压电陶瓷和高分子材料、具有形状记忆的合金等，其中，光导纤维算得上是最为重要的感知材料。
正是因为这些智能材料具有高科技智能感受功能，因此还被称作智能感知材料。
还有一种材料能够对内外部出现的不同状态，甚至根据环境的变化而做出相应反应的智能材料，通常把这样的材料叫做智能驱动材料，如果内外部的温度发生变化，这种材料可以自动改变自身的特点来适应变化后的温度，一般来说，这些材料可以改变的是机械特性，其中主要包括形状、硬度、震动频率等，利用智能驱动材料，可以很好地保证元件在驱动中的作用效果。
在实际应用中，主要根据不同功能和应用部位，选择最合适的智能材料，只有这样，才能物尽其用。
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。
机敏材料与智能结构
我国从上个世纪90年代末期开始研究，并首先在陶宝 褀院士带领下在南航成立智能材料研究室，清华，北 大，北航，天津大学，重庆大学，武汉理工等都进行 研究，目前还处于理论阶段。
❖ 意 大 利 则对 飞 机 发 动 机 进 行 主 动 振 动 控 制 和 降 低 噪 声 制 定 了 专 门研 究 计 划
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其它国家
日 本 自 1984年 即 着 手 空 间 应 用 的 智 能 结 构 研 究 ， 日本 航 空 宇 宙 研 究 所 、 东 京 工 业 大 学 以 及 一 些 大 公 司 都 参与 了 这 项 工 作
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国外研究特点：
▪ 十分重视对基本规律、特性、机理以及模拟计算方法等的研究，并 且认为这是推进 智能结构发展的关键。
▪ 基础研究与工程实际应用问题相结合，而且两者平行地进行 ▪ 综合结构力学、控制、材料、计算机及试验技术等不同学科交叉进
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美国研究
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欧洲研究
❖欧 洲 智 能 结 构 的 研 究 以 德 、 英 、 法 、 意 为主
❖ 90年 代 初 英 国 成 立 了 欧洲 首 家 研 究 机 构 “ 斯 特 拉 斯 立 德 大 学 智能 材 料 与 结 构 研 究 所 ”
❖ 德 国 宇 航 研 究 院 是 欧 洲 从 事 这一 研 究 的 主 要 机 构 ， 目 前 德 国 正 在 研 究 将 植 入 光 纤 的 自诊 断智能结构用于可重复使用运载器的损伤探 测 和 评 估， 以 及 用 于 “ 未 来 欧 洲 航 天 运 输 系 统计划”
(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。
智能材料与结构专业认识
智能材料与结构专业认识引言智能材料与结构是一门前沿的学科，结合了材料科学和工程学的知识，致力于研究可以感知、响应和适应外界环境变化的材料和结构。
本文将介绍智能材料与结构的基本概念、应用领域以及相关的研究方向。
智能材料的概念和分类智能材料是指具有感知、响应和适应能力的材料，能够根据外界刺激做出相应的变化。
根据材料的响应特性，智能材料可以分为以下几类：1.响应型材料：能够对外界刺激做出机械、热、电、光等方面的响应。
常见的响应型材料包括形状记忆合金、压电材料和磁致伸缩材料等。
2.控制型材料：能够通过外界刺激改变其物理、化学性质从而实现对材料行为的控制。
例如，电致变色材料可以通过电场变色，从透明到不透明。
3.感知型材料：能够感知环境的变化，并将信号转化为可观测的物理量。
典型的感知型材料包括压力敏感材料和湿度敏感材料等。
智能结构的概念和应用领域智能结构是由智能材料构成的具有感知、控制和适应能力的结构。
智能结构可以在受到外界刺激时做出相应的变化，实现结构的自适应和优化。
智能结构在以下领域具有广泛的应用：1.航空航天领域：智能材料与结构可以应用于航空航天器的结构件、舵面控制和振动控制等方面，提高飞行器的性能和安全性。
2.建筑领域：智能材料与结构可以应用于建筑的隔热、噪音控制和自适应结构等方面，提高建筑的舒适性和环境适应性。
3.医疗领域：智能材料与结构可以应用于医疗器械、人工关节和生物传感器等方面，实现医学诊疗的精确度和安全性的提升。
智能材料与结构的研究方向智能材料与结构的研究方向包括但不限于以下几个方面：1.智能材料的设计与合成：研究新型智能材料的合成方法和结构设计，实现材料性能的优化和功能的多样化。
2.智能材料与结构的传感机理研究：探索智能材料与结构的感知机理，深入理解响应机制，为实际应用提供理论基础。
3.智能结构的设计与优化：研究智能结构的优化设计方法和控制策略，提高结构的自适应性和性能。
4.智能材料与结构在特定领域的应用研究：将智能材料与结构应用于具体领域，如航空航天、医疗和建筑等，探索其在实际应用中的效果和潜力。
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。
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智能材料与普通功能材料的区别如图11
－1所示。
7
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。
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• 致动器是执行信息处理单元发出的控制 指令，并按照规定的方式对外界或内部 状态和特性变化作合理的反应，直接将 控制器输出的电信号转变为结构的应变 或位移，具有改变智能结构形状、位置 及其它机械特性的能力。控制器位于结 构之中，由具有控制功能的硬件电路或 电脑芯片与软件组成，是智能结构的神 经中枢。
6
• 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，的大脑。
4
• 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。
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
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。
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；
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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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• 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。
飞行器、空间结构、潜艇等振动、噪声、
形状自适应控制、损伤自愈合等方面具
有良好的应用前景。
2
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
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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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
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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。
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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，
• 根据结构来分，智能材料结构可以分成
两种类型，分述如下：
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（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。
智能材料的概念及分类 和结构
1
• 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、