智能材料形状记忆材料
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。
智能材料响应外界刺激并改变性能的材料
智能材料响应外界刺激并改变性能的材料智能材料是一类具有自诊断、自感知和自适应等特点的材料，通过对外界刺激的感应和响应，能够改变自身的性能。
智能材料在航空航天、医疗器械、机器人、汽车等领域具有广泛的应用前景。
本文将介绍几种智能材料的响应机制和其在实际应用中的潜力。
一、形状记忆合金形状记忆合金是一种具有记忆性能的智能材料。
在受到热力作用或其他外界刺激时，形状记忆合金能够发生相变，从而改变自身的形状。
这种材料可以实现自动控制和调节，如自动关闭和开启的阀门、自动调节流量的传感器等。
其在航空航天、机器人领域的应用已经取得了显著的成果。
二、光敏材料光敏材料是一种能够对光信号作出响应的智能材料。
通过对光的吸收、散射或透射等过程，光敏材料能够改变自身的结构和性能。
例如，光敏材料可以用于可变光学元件，实现自动调节的光透射和反射，广泛应用于自适应光学和光通信领域。
此外，光敏材料还可以在太阳能电池、光催化和光敏感器等领域中发挥重要作用。
三、压电材料压电材料是一种能够产生电荷极化和变形的智能材料。
当外界施加力或压力时，压电材料能够产生电荷偏移和电压输出。
这种特性使得压电材料在传感器、振动减震、电声换能等方面有着广泛的应用。
此外，压电材料还可以用于电子设备的能量收集和电力转换，具有重要的能源利用潜力。
四、热敏材料热敏材料是一种能够对温度变化作出响应的智能材料。
当温度发生变化时，热敏材料能够改变自身的电导率、电容率和形状等性能。
热敏材料广泛应用于温度传感、温度控制和热力调节等领域。
例如，热敏材料可以用于温度传感器，实现自动调节的恒温系统，在医疗器械和电子设备等方面发挥重要作用。
五、湿敏材料湿敏材料是一种能够感知和响应湿度变化的智能材料。
当湿度发生变化时，湿敏材料能够改变自身的形状、体积和色彩等性能。
这种材料可以应用于湿度传感器、湿度调节和湿度控制等方面。
湿敏材料的应用领域包括农业、环境监测和生命科学等。
综上所述，智能材料是一类通过感应和响应外界刺激来改变自身性能的材料。
形状记忆材料的研究与应用
形状记忆材料的研究与应用形状记忆材料是一种新型的智能材料，它可以通过外力或温度变化来改变形状，并保持这种新形状，直到再次受到刺激恢复原状。
这种材料被广泛应用于医学、机械工程、电子学、航空航天等领域，为人类的发展带来了巨大的贡献。
形状记忆材料的来源形状记忆材料最初是由NASA的科学家发现的，他们发现镍钛合金的变形过程中有独特的记忆效果。
在进行一系列测试之后，他们发现这是由这种合金的微结构所决定的。
这项发现启发了科学家进一步探究这种材料的性质，并在后来的研究中发展了许多新的形状记忆材料。
形状记忆材料的原理形状记忆材料的主要原理是“相变记忆效应”，即在材料在变形过程中不断产生内部应力能，当材料被重新变回原来的形状时，这部分能量将被释放出来。
形状记忆材料的另一个重要特性是“变形记忆效应”，即当材料被变形时，它可以“记住”这种新形状，并在受到刺激时恢复原状。
形状记忆材料的应用医学领域形状记忆材料在医学领域中有着广泛的应用，例如使用于血管支架、心脏助辑器等医疗器械中。
这些医疗器械可以通过体内温度的变化自动进行形状变化，以适应人体的不同情况，从而实现更有效的治疗效果。
机械工程领域形状记忆材料在机械工程领域中也有着广泛的应用，例如使用于自适应尺寸组件、能量吸收器等机械部件中。
这些机械部件可以通过外力的作用来变形，从而适应不同的工作环境。
例如在汽车碰撞时，形状记忆材料可以吸收能量，保护乘客的生命安全。
电子学领域形状记忆材料在电子学领域中的应用比较新颖，例如在电池、传感器、微机器人中应用。
这些电子器件可以通过形状记忆材料的形状改变，来实现更灵活、更智能的功能，例如微机器人可以通过变形来穿过微型管道，进而实现内窥镜检查等操作。
航空航天领域形状记忆材料在航空航天领域中的应用主要体现在飞行器的结构与外形设计上。
例如在航空器的外壳材料中，形状记忆材料可以实现自主调节，适应不同的飞行速度、飞行高度等环境条件，从而实现更好的飞行效果。
形状记忆智能材料
形状记忆智能材料智能材料结构又称机敏结构(Smart/Intelligent Materials and Structures)，泛指将传感元件、驱动元件以及有关的信号处理和控制电路集成在材料结构中，通过机、热、光、化、电、磁等激励和控制，不仅具有承受载荷的能力，而且具有识别、分析、处理及控制等多种功能，能进行自诊断、自适应、自学习、自修复的材料结构。
智能材料结构是一门交叉的前沿学科，所涉及的专业领域非常广泛。
智能材料可以分为形状改变材料（SCM）和形状记忆材料（SMM）两类。
SCM本身就是一个开关，在外部刺激的作用下，它陪伴着临时转换机制，即当移除外部触发器（刺激）时，转换后的实体便回到其原始形状。
相反，SMM会适应触发的形状或临时形状，除非另一个触发器将变化推回其原始形式，并且材料能够追踪在刺激作用下自身经历的转换路径。
具有形状记忆特性的材料分为形状记忆水凝胶（SMH）、形状记忆陶瓷（SMC）、形状记忆合金（SMA）、形状记忆复合材料（SMC）和聚合物（SMP），其中SMP是研究最多的类别。
1、形状记忆聚合物（SMP）SMP是一组可以在有外部刺激（例如热或光）的情况下保持临时形状并恢复其初始形状的聚合物。
由于其相对高的模量和刺激响应速度，形状记忆聚合物是最广泛使用的活性材料。
对于SMP实现形状转移行为，它需要一个编程步骤和一个恢复步骤。
在编程步骤中，SMP首先在高于转变温度（Tt）的温度下变形（对于半结晶聚合物，其熔化温度为Tm，对于无定形聚合物的玻璃化转变温度为Tg），然后冷却至Tt 以下，SMP以变形形状编程（或固定）。
通过恢复步骤实现形状转变，在恢复步骤中，SMP被加热到高于Tt的温度，并且由于熵弹性，SMP恢复到其原始形状。
为了更好地协助SMP在4D打印领域的应用，应该通过适当的理论模型很好地描述上述形状记忆（SM）行为。
在SMP现有模型中，基于热粘弹性模型和基于相位演变的模型已被广泛采用。
形状记忆材料
形状记忆材料形状记忆材料（Shape Memory Materials，SMMs）是一类具有形状记忆效应的智能材料，其在外界作用下可以实现形状的可逆变化。
形状记忆材料广泛应用于医疗器械、航空航天、汽车、电子、纺织等领域，具有巨大的应用前景。
形状记忆材料的工作原理是基于其特殊的微观结构和相变特性。
在低温状态下，形状记忆材料处于一种固定的形状，一旦受到外界温度、应力或磁场等作用，就会发生相变，从而恢复到其原始形状。
这种形状记忆效应使得形状记忆材料具有自修复、自组装、自适应等智能特性。
形状记忆材料的应用领域非常广泛。
在医疗器械领域，形状记忆材料可以用于制作支架、缝合线、植入物等，具有良好的生物相容性和可调节的形状，可以更好地适应人体器官的形状和运动。
在航空航天领域，形状记忆材料可以用于制作飞机零部件、卫星结构等，具有轻质、高强度、耐高温等优点，可以大大减轻航空器的重量，提高飞行性能。
在汽车领域，形状记忆材料可以用于制作车身零部件、发动机零部件等，具有抗冲击、耐磨损、自修复等特性，可以提高汽车的安全性和可靠性。
在电子和纺织领域，形状记忆材料可以用于制作智能传感器、智能纺织品等，具有快速响应、多功能性、耐用性等特点，可以实现智能化、可穿戴化。
形状记忆材料的研究和应用仍面临一些挑战。
首先，形状记忆材料的制备工艺和性能优化仍需进一步提升，以满足不同领域的需求。
其次，形状记忆材料的成本较高，需要降低生产成本，提高市场竞争力。
最后，形状记忆材料的环境适应性和可持续性也需要加强，以减少对环境的影响。
总的来说，形状记忆材料作为一种新型智能材料，具有巨大的应用潜力和发展前景。
随着科技的不断进步和创新，形状记忆材料必将在各个领域发挥重要作用，为人类社会的进步和发展做出更大的贡献。
形状记忆材料
形状记忆材料形状记忆材料是一种具有形状记忆效应的智能材料，它可以在外界刺激作用下发生可逆性相变，并恢复到原始形状。
这种材料在医疗、航空航天、汽车、电子、纺织等领域都有着广泛的应用前景。
首先，形状记忆材料在医疗领域有着重要的应用。
比如在心脏手术中，可以利用形状记忆材料制成的支架，通过体内导丝的方式将支架送达到病变血管处，然后支架会在体温的作用下恢复到原始形状，起到支撑和固定血管的作用。
此外，形状记忆材料还可以用于制作人工关节和矫形器等医疗器械，为患者提供更好的治疗和康复条件。
其次，形状记忆材料在航空航天领域也有着重要的应用。
航天器在进入大气层再次返回地面的过程中，需要经受高温和高压的影响，这就需要航天器表面的材料能够承受这些极端环境的影响。
形状记忆材料可以在外界温度和压力的作用下发生形状变化，因此可以用于制作航天器的外层材料，提高航天器的耐高温和耐高压能力。
另外，形状记忆材料还可以应用于汽车制造领域。
比如利用形状记忆合金制成的车身零部件，可以在碰撞时发生形状变化，吸收碰撞能量，提高汽车的安全性能。
此外，形状记忆材料还可以用于汽车发动机的阀门和传感器等部件，提高汽车的性能和稳定性。
此外，形状记忆材料还可以应用于电子和纺织领域。
在电子领域，形状记忆材料可以制成电子元件的外壳，提高电子元件的耐高温和耐腐蚀能力。
在纺织领域，形状记忆材料可以制成具有自修复功能的纺织品，延长纺织品的使用寿命。
总的来说，形状记忆材料作为一种智能材料，具有广泛的应用前景。
它在医疗、航空航天、汽车、电子、纺织等领域都有着重要的应用，为各行各业的发展和进步提供了有力的支持。
随着科学技术的不断进步，相信形状记忆材料会在未来发展出更多更广泛的应用。
机敏材料和智能材料
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机敏材料和智能材料
二、形状记忆合金 （三）形状记忆合金的应用 （1）机械工业
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机敏材料和智能材料
（5）形状记忆合金薄膜 形状记忆合金薄膜，表面积大、散热能力高和电阻率 高，增加了灵敏度和响应速度，作为敏感兼驱动元件，显 示出潜力。 除以上所述外，正在研究的还有低温拟弹性形状记忆 合金、高屈服限形状记忆合金和低应力滞后形状记忆合金 等。
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机敏材料和智能材料
也有人对形状记忆合金具有形状记忆效应的必备条件 进行了研究，认为热弹性马氏体相变并不是合金具有形状 记忆效应的必备条件，例如 FeMnSi 和 FeNiC 系都通过 非热弹性马氏体相变而显示形状记忆效应。
机敏材料和智能材料
机敏材料和智能材料
一、形状记忆材料的概念
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机敏材料和智能材料
一、形状记忆材料的概念 形状记忆材料 （shape memory materials，简称 SMM） 是指具有一定初始形状的材料经形变并固定成另一种形状 后，通过热、光、电等物理剌激或化学剌激的处理又可恢 复成初始形状的材料。 包括: 形状记忆合金 高聚物 陶瓷
择优取向的有序 马氏体.
机敏材料和智能材料
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体心立方堆垛：密排面为（110） ABABXIT
机敏材料和智能材料
二、形状记忆合金 （一）形状记忆合金的基本原理 3、形状记忆合金的分类
第一个SMA商品名为Nitinol,镍钛诺 Ni Ti Naval Ordnance Laboratory Ni Ti Naval Ordnance Laboratory W. J. Bueler 毕尤勒 Ni:55%, Ti:45%,专利 按形状恢复情况分为三类： 单程记忆效应（不可逆记忆效应） 双程记忆效应 全程记忆效应
形状记忆聚合物环氧树脂
形状记忆聚合物环氧树脂形状记忆聚合物环氧树脂是一种特殊类型的高分子材料，其具有独特的"记忆"功能，可以记住其初始状态并在受到外界刺激时恢复至原状，其促进了材料在诸如微机电系统和智能材料等领域的广泛应用。
本文将详细介绍形状记忆聚合物环氧树脂的结构、性质、应用及研究进展。
形状记忆聚合物环氧树脂是由环氧树脂与形状记忆聚合物复合而成的，其化学结构形式为：[A - B - A]n，其中A是反相相邻的硬性段，B是软性段。
1、形状记忆性能：材料可以记住和恢复其原始形状。
2、高强度：形状记忆聚合物环氧树脂的硬性段赋予了其高强度。
3、高韧性：软性段赋予了其高韧性和弹性。
4、化学稳定性：形状记忆聚合物环氧树脂具有出色的耐化学品性能，适用于许多高性能应用中。
5、调谐性：材料的形状记忆特性可以通过调节化学构造或加工参数进行调节。
1、智能材料领域：用于模型设计，例如微型化机械结构。
2、医疗领域：用于制作自适应植入物或医疗器械，例如智能支架，用于心脏外科手术。
3、航空航天领域：用于制作降落伞或空气动力学设备。
4、服装设计领域：用于制作具有自动调整功能的服装。
例如，可以根据温度变化自动调整衣服的大小。
5、建筑领域：用于制作具有自适应形状的建筑材料，例如可自适应变形的建筑表皮。
随着形状记忆聚合物环氧树脂的应用范围的不断扩大，其相关研究也在不断深入：1、材料结构和复合材料的研究：材料的形状记忆特性可以通过改变硬性段和软性段之间的比例来调节。
2、新型模型设计的研究：新型模型设计可以提高实验能力和模拟形状记忆聚合物环氧树脂的性能，为应用提供更好的理论指导。
3、材料在复合材料中的应用研究：复合材料通常具有高强度和轻量化特性，形状记忆聚合物环氧树脂可以使其拥有更多应用。
在这方面，研究已经初见成效。
综上所述，形状记忆聚合物环氧树脂已成为高分子材料中备受瞩目的研究领域之一。
未来，随着其成熟度的提高和应用领域的扩大，这种材料将会有更广泛的应用。
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（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 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。
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 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 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。
（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）非嵌入式智能材料。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
（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，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。
智能材料的构成
一般来说智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材 料三部分构成。
（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。一般基体材料首选高分 子材料，因为其重量轻、耐腐蚀，尤其具有粘 弹性的非线性特征。其次也可选用金属材料， 以轻质有色合金为主。
实际成果
在建筑方面，英国科学家已开发出了两种“自愈 合”纤维。这两种纤维能分别感知混凝土中的裂 纹和钢筋的腐蚀，并能自动粘合混凝土的裂纹或 阻止钢筋的腐蚀。 在医疗方面，智能材料和结构可用来制造无需马 达控制并有触觉响应的假肢。这些假肢可模仿人 体肌肉的平滑运动，利用其可控的形状回复作用 力，灵巧地抓起易碎物体，如盛满水的纸杯等。 在军事方面，在航空航天器蒙皮中植入能探测激 光、核辐射等多种传感器的智能蒙皮，可用于对 敌方威胁进行监视和预警。美国军方发明出一种 可涂在潜艇上的智能材料，它可使潜艇噪声降低 60分贝，并使潜艇探测目标的时间缩短100倍。
形状记忆效应微观模型
形状记忆合金晶体结构变化模型
具有较
低的对 称性的 正交或 单斜晶 系
具有较 高的对 称性的 立方点 阵
热弹性马氏体相变时伴随有形状的变化。
形状记忆效应的实质： 是在温度的作用下，材料内部热弹性马氏体形成、 变化、消失的相变过程的宏观表现。
度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这 种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为 单程记忆效应。 （2）双程记忆效应 某些合金加热时恢复高温 相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为 双程记忆效应。 （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低温相形 状，称为全程记忆效应
(d) 进一步回复后的形状
(e) 冷至室温后
定义
指具有一定形状的固体材料,在某种条件下经过一定的 塑性变形后,加热到一定温度时,材料又完全恢复到变 形前原来形状的现象。即它能记忆母相的形状。
比较常见的形状记忆材料有 形状记忆合金，形状记忆塑料，形状记忆陶瓷
形状记忆效应 （1）单程记忆效应 形状记忆合金在较低的温
定义
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
智能材料与普通材料在构造上的区别
扰动
控制结构 结构反应执行器传感器扰动 智能结构 反应
结构 执行器 传感器
控制器
控制器
分类
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，可分为两大类：
（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）。常用敏感材料如形状记忆材料、 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。常用有效驱动材料如形状记忆材料、压电材料、 电流变体和磁致伸缩材料等
原理
从微观来看，形状记忆效应是晶体结构的固有变化规律。 通常金属合金在固态时，原子按照一定规律排列起来；而 形状记忆合金的原子排列规律则是随着环境条件的改变而 改变。比如，当温度下降到某个临界温度以下时，原子按 某一种规律进行排列，此时的结构称为马氏体相；而当温 度升高到某个临界温度以上，原子的排列规律就会发生改 变，原子又按另一种规律进行排列，此时又称之为奥氏体 相或母相。形状恢复的推动力是由在加热温度下母相和马 氏体相的自由能之差产生的。 从宏观来看，材料在高温下被处理成一定形状，再急冷下 来，在低温相状态下经塑性变形为另一种形状，然后加热 到高温相成为稳定状态的温度时，通过马氏体逆相变恢复 到低温塑性变形前的形状。具有这种效应的金属，通常是 由两种以上的金属元素构成的合金，故称为形状记忆合金。
除上述几个方面外，智能材料的再一个重 要进展标志就是形状记忆合金。
一些国家用记忆合金制成了卫星用自展天 线。在稍高的温度下焊接成一定形状后， 在室温下将其折叠，装在卫星上发射。卫 星上天后，由于受到强的日光照射，温度 会升高，天线自动展开。
形状记忆材料
(a) 放入热水前
(b) 放入热水后 (c) 得到一定回复后的形状
研究方向
智能材料的出现将使人类文明进入一个新的高度，但 目前距离实用阶段还有一定的距离。今后的研究重点 包括以下六个方面：
（1） 智能材料概念设计的仿生学理论研究 （2） 材料智然内禀特性及智商评价体系的研究 （3） 耗散结构理论应用于智能材料的研究 （4） 机敏材料的复合-集成原理及设计理论 （5） 智能结构集成的非线性理论 （6） 仿人智能控制理论