智能材料自我总结

第一章机敏材料与智能结构

一、智能材料的概念

智能材料结构又称机敏结构（Smart/Intelligent Materials and Structure)泛指将传感器和驱动器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k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、自修理的材料结构

智能材料指的是那些对使用环境敏感而且能对环境变化作出灵活反应的材料.更确切地说，智能材料是一类集传感、控制、驱动(执行)等功能于一体的机敏或智能材料一结构系统，它能适时地感知与响应外界环境的变化，实现自检测、自诊断、自修复、自适应等多种功能。

二、智能材料的分类

1、将传感器集成在材料中构成被动机敏结构。能够监测自身的状态（损伤，变形，振动）

2、在被动机敏结构中集成驱动器就形成主动机敏结构（不仅能够感知，还能够修正自身满足多种要求）

3、主动机敏结构中引入以神经网络为基础的自学习系统，构成智能材料系统（具有广泛的适应性，学习经验等）

三、基础智能材料的研究

.1 形状记忆基础智能材料

.2 压电基础智能材料

.3 电/磁流变液基础智能材料

.4 磁致伸缩基础智能材料

.5 智能凝胶材料

.6 聚合物基“人工肌肉

.7 自组装基础智能材料

.8 光纤基础智能材料

四、国外研究特点：

1.十分重视对基本规律、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。

2..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

3.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行研究。

五、应用前景

o 军事

智能蒙皮

减振降噪

自主飞行

监控

o 工程应用

结构健康监测和寿命预测

自诊断智能结构实时测量

汽车、船舶、土木工程和医学领域

o航空航天领域的应用、航空航天领域的应用

1.形状控制

2.损伤探测与修复

3.振动控制

4.分离机构

o飞行器上的应用

o数据通讯

六、未来研究方向

(1) 高模量、高疲劳寿命、大应变的智能材料的研制.

(2) 传感器和致动器数量优化与位置优化列阵的最优数量选择与位置及其优化设计,如结构材料的最佳配置等.

(3) 强鲁棒性的分层最优化智能控制算法,具有容错能力和局部反馈回路的分布式控制器的在线自适应学习算法.

(4) 智能材料的表面处理工艺和自动埋入方法.

(5) 智能结构中传感器与致动器的性能稳定性及其控制算法,智能结构的静动态的响应及其非线性动态过程与稳定性(慢变与时滞过程)的研究.

(6) 更加完善的智能材料与结构间的机电耦合理论模型的建立.

(7) 边界元等方法在智能结构分析中的应用.

由多种智能材料构成的网络式智能结构的分析和研究.

七、需要解决的问题

①研制低能耗、大应变量、宽频带动作、力学性能好、高稳定和高寿命的致动器材料

②研制高稳定、耐温好、低成本、可单线多路复用且与基体易于融合的光纤传感器；

③研制高性能可植入基体材料中的微型电子器件

④进行深入结构的控制方法研究

⑤继续进行集成方法研究

⑥智能材料与结构的设计、制造、数据库、可靠性等研究

第二章智能材料系统的功能机敏材料

本章小结

?智能材料的构想来源于---仿生。

?仿生---模仿大自然中生物的一些独特功能制造人类使用的工具，如模仿蜻蜓制造飞机等。

?智能材料的目标---研制出一种材料，使它成为具有类似于生物的各种功能的“活”的材料。

?智能材料三个基本要素---感知、驱动和控制。

?仿生机械---模仿生物的形态、结构和控制原理设计制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械称为仿生机械。

?智能结构工作机理。

一、智能结构工作机理

?智能结构由主结构、智能材料及控制系统组成，它是一种仿生结构体系，集传感器、驱动器（执行器）、控制器及主结构于一体。

?传感器可以把结构的应变或位移转化为电信息输出。

?驱动器可以把电信息转化为应变或位移输入结构。

二、智能材料的本构方程

三、传感器的定义：

定义：将一种物理变量转变成另一种更合适的物理变量。本质：能量的转换

非结构应力引起的应变是结构具有驱动/传感功能的基础可以推测智能结构的本构关系，存在结构特性与电、磁、热、光、声等特殊的耦合关系。

四、几种自然效应

1.电阻应变效应

电阻定律

2.压电材料的压电效应

正压电：对某些电解质晶体施加机械应力时，晶体内部正负电荷中心将发生相对位移而产生极化，从而使晶体两端表面出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与外力成正比。

逆压电：将具有压电效应的电介质晶体置于电场中，则电场的作用将引起电介质内部正负电荷中心产生相对位移，从而导致介电晶体发生形变。

3.光导纤维

——利用全反射原理

4.光纤传感器的工作原理

?用被测的物理量调制传输光光波的某一参数,使之随其变化,然后对已调制的光信号进行检测,从而得到被测量。

?光调制技术是光纤传感器的关键技术。

（1）强度调制光纤传感器

（2）干涉型光纤传感器

5.形状记忆合金

?现状记忆合金是一种具有特别记忆能力的合金，这种金属发生形变时只要将它置于某一特定的温度条件下，就可恢复到原来的形状。

6.电流变液

?在外加电场时，它会在数毫秒（千分之一秒）间由液体变为固体?电流消失，则在瞬间回复液态

?整个过程可反复转换。

电流变液的原理

?在沒有外加电场下, 电流变液呈粘性液体状态。

?施加电场后, 分子随着电场方向两极化。

?分子因电磁力吸引排成柱壮, 形成类似固体的硬物质。

?电场消失后分子重新排列, 回复原状。

7.磁致伸缩现象

当铁磁材料的磁化状态改变时，长度和体积会发生微小变化

形式上分：

线性磁致伸缩：长度变化（1842，Joule）

体积磁致伸缩：体积变化（很小，少用）

机理上分：

自发磁致伸缩

场致磁致伸缩（通常所说的磁致伸缩）

8.磁流变材料

磁流变液是由高磁导率、低磁滞型的微小软磁性颗粒和非导磁型液体混合而成的悬浮液体。

在零磁场条件下悬浮液呈现出低黏度的牛顿流体特性；在强磁场作用

下，则呈现出高黏度、低流动性的Bingham体特性。磁流变液在磁场的作用下的流变是瞬间的、可逆的，流变后的剪切屈服强度与磁场强度具有稳定的对应关系。

9.碳纤维

碳纤维（CF）：是在一定的条件下，将聚合纤维燃烧，可得到具有接近于完整分子结构的碳长练结构的纤维材料。

?CF的接触电阻会随着压力的变化而连续变化，利用该特性可以制成智能材料结构中的压力传感元件、应变传感元件、温度传感元件以及特殊结构形式的最大应变传感器。

?CF能够吸收红外线，适当碳化后可用于检测红外线辐照的情况，已经被开发成响应灵敏的红外传感器。

?CF的接触电阻会随着压力的变化而连续变化，因此作为传感材料,当压力太小时，CF接触点不稳定会导致传感性能的不稳定。

10.电感式传感器

11.电容传感器

12.磁电式传感器

13.金属热电阻的测温

14.光电式传感器

15.霍尔效应（磁场电信号）

16.霍尔效应（1879/霍尔/美国）及工作原理：将通电的金属或半导体置于磁场中会产生电动势或电阻的改变。

17.生物传感器

?生物传感器（Biosensor）是利用某些生物活性物质所具有的高度选择性，来识别待测生物化学物质的一类传感器。

?生物传感器将生物体活性成分（酶、抗原、抗体、激素、DNA、受体等）或生物体本身（组织、细胞、细胞器）作为敏感元件，有很强的特异性和高度的敏感性，被称为具有生物识别能力的化学传感器。

18.生物传感器的分类

?酶传感器

?微生物传感器

?组织传感器组织传感器是以动植物组织薄片材料作为生物敏感膜并利用酶组为反应催化剂的生物传感器，也称组织电极。

?细胞传感器

?免疫传感器免疫传感器是利用抗体对抗原的识别和结合功能，高选择性地测定蛋白质、多糖类等高分子化合物的传感器。

五、材料仿生与智能材料

1. 仿生机械

模仿生物的形态、结构和控制原理设计制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械称为仿生机械。

2.仿生机械学

仿生机械学是以力学或机械学作为基础的，综合生物学、医学及工程学的一门边缘学科。它既把工程技术应用于医学、生物学，又把医学、生物学的知识应用于工程技术。它包含对生物现象进行力学研究，对

生物的运动、动作进行工程分析，并把这些成果根据社会的要求付之实用化。

3.仿生机械研究主要领域

☆仿生机械学的主要研究课题有拟人型机械手、步行机、假肢，以及模仿鸟类、昆虫和鱼类等生物的各种机械。

☆为了提高移动机械对环境的适应性，扩大人类在海底、北极、矿区、星球和沼泽等崎岖不平地面的活动空间，需要研究模拟生物的步行机构。动物的运动多是通过多关节足来实现的，因此动物足的形态机能、运动和姿体稳定控制等是研究步行机的关键。

第三章智能结构系统的压电功能材料

Features of Piezoelectrics ：Coupling between mechanical and electric field or simply say electro-mechanical coupling.

Pros

Light weight (High force-to-weight ratio)

Lower power consumption

Easy implementation (integration)

Large bandwidth (a wide range of actuator frequency)

Low costs

Fast response

Actuator and sensor

Much more sensitive than the strain gage

Predominantly linear response

Cons

Low strains (stroke) (maximum strain, 0.1 –0.15%)

Require large electric fields (0.5 –2.0 kV/mm)

Piezoelectric ceramics are brittle –poor load carrying capability

Hysteretic response if V > 2kV/cm

PVDF film –more flexible

Polarization of Piezoelectrics

(1) Before polarization, the electric dipoles exhibit a random orientation in the material

(2) The Piezoelectrics are poled under dc field (2 KV/mm) above Curie temperature

(3) During poling process, the piezo elongates in the V-dir, contracts in the transverse dir.

(4) After poling (when the material is cooled), the piezos retain the alignment of electric diploes

(5) P is defined as the poling direction (polarization vector) where points from the negative charge to the positive charge

1 -D Governing equations for Piezoelectrics (Mechanical Strain)

3 -D

Stacked Piezo Transducers (Continued)

Assumptions:

?The thickness of electrodes is very small and can be neglected

?All strains except z are zero

?All stresses except are zero

?The applied electric field is in the “z”direction, Ez 0

?The only nonzero electric displacement is Dz

第四章智能金属材料及形状记忆智能材料

4.1 智能金属材料概况

智能金属材料：

具有自检知、自判断、自行动功能及能够对变形、振动、损伤等

进行适当地控制的金属材料

三大功能:

1.自检知功能：相当于传感器功能，特定材料对超出某强度值的刺激因素（温度、应力、电磁场等）的敏感性。

2.自判断功能(自诊断):相当于逻辑处理器功能，通过分析比较系统目前的状况与过去的情况，对系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予以校正。

3.自行动功能(自响应)：材料在受到刺激后做出的响应的能力。

4.2 智能金属材料的自预警和自修复

1自预警功能：

属于自行动功能。当材料有损伤时，材料会发出诸如色变、发热、声波、电磁异常等信号。

2自修复功能：

材料通过自身内部结构的调整来适应刺激因素的变化。

3.智能金属材料应用：

变形机翼——飞机将无须操作机翼就能自动拐弯，这样就减少拉力和降低油耗

智能旋翼结构-——减小直升机旋翼的振幅和扭曲

自适应机翼能增大升阻比、延迟气流分离，在操纵性和机动性方面明显优于有舵面飞机。

智能恒温控制技术

4.3 形状记忆合金

1. 定义：形状记忆合金(Shape Memory Alloy, SMA):具有形状记忆效应的合金

目前使用较多的：NiTi ，Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni, Co-Ni-Al 。

2. 形状记忆本质：热弹性马氏体相变

马氏体相变中的高温相称为奥氏体相(A)或母相；低温相称为马氏体相(M)；从奥氏体相到马氏体相的相变叫马氏体相变；从马氏体相到奥氏体相的相变叫马氏体逆相变。

马氏体逆相变中表现的形状记忆效应，不仅晶体结构完全回复到母相状态，晶格位向也完全回复到母相状态。这种相变晶体学可逆性只发生在有热弹性马氏体相变的合金中。

3.温度诱发马氏体相变

Ms 、Mf 、As 、Af 分别表示马氏体相变开始的温度、结束的温度、马氏体逆相变开始的温度、结束的温度。通常有：Mf

在自由状态下，若初始处于奥氏体状态，随着温

度下降至Ms ，马氏体相开始形成，直到Mf 温度

时，马氏体相变才终止，称为马氏体相变。同样，

温度上升到As 温度时，奥氏体相开始形成，直至

Af 温度，逆转变才完成，全部为奥氏体相，叫做

马氏体逆相变

4.应力诱发马氏体相变

(1)马氏体重定向

T

-0.200.20.4

0.60.81.01.2M f A f

M s A s M a r t e n s i t e F r a c t i o n 加热

冷却

进行等温加载，从而引起马氏体变体边界相互 迁移是马氏体重定向，从而引起非弹性应变，

当加热到T>Af 时，使变形恢复。

(2)形状记忆效应(shape-memory effect ） Mf

当加热时，变形能恢复。

(3 )伪弹性（Pseudoelasticity ）

当温度T>Af 时，进行等温加载，发生马氏体

相变，有明显的非弹性应变。卸载后，发生马氏体

逆相变。最终应变完全消失，恢复到初始状态。

伪弹性和形状记忆效应本质上是同一现象，区

别是，伪弹性是在应力解除后产生马氏体逆相变使

形状回复到母相状态，而形状记忆效应是通过加热

产生逆相变回复到母相

形状记忆合金的应力应变关系表现出明显的非

线性，与相变密切相关。

5.形状记忆效应原理：

马氏体相变过程中，当具有较高对称性的奥氏体

相（晶体结构为体心立方的B2结构）降低温度转变

为低对称性的马氏体相（晶体结构为B19单斜结构）

时，在母相内会生成许多惯习面指数不同，但在晶体

加热Strain

S t r e s s 加热

S t r e s s Strain Strain

S t r e s s

学上等价的马氏体，称为马氏体变体，马氏体变体一

般是24个。发生切变变形。

马氏体相变过程中，当具有较高对称性的奥氏体相（晶体结构为体心立方的B2结构）降低温度转变为低对称性的马氏体相（晶体结构为B19单斜结构）时，在母相内会生成许多惯习面指数不同，但在晶体学上等价的马氏体，称为马氏体变体，马氏体变体一般是24个。发生切变变形。

在各个马氏体变体生成时都伴随有形状变化，在合金的局部产生凹凸。

但是，作为整体，在相变前后其形状并不发生改变，这是因为若干个马氏体变体组成菱形状片群，或组成三角锥状片群，他们互相抵消了生成时的形状变化，这样的马氏体生成方式叫做自协作。

原理：

若初始为母相→冷却到Mf以下，生成了一组晶体结构相同而取向不同的马氏体变体(这里只表示了两种取相的变体) →施加外部应力，能量有利的一个变体将通过晶界移动吞食其它的变体而长大，发生宏观变形。

经过这样形变的合金被加热到Af以上将发生逆相变，并返回到原来母相的形状。

6. 应用

形状记忆合金的伪弹性效应以及应力诱发马氏体相变过程中会消耗大量的能量，因此可以应用形状记忆合金改善复合材料的冲击性

能。利用可产生较大的恢复应变和恢复力设计具有智能特性的复合材料和智能复合材料作动器。亦可利用材料能够吸收大量能量和材料弹性刚度的可调节性设计智能阻尼复合材料。

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。

温控元件

现代临床医疗领域: 骨折、骨裂所要固的固定钉和接骨板

SMA本构关系研究成果：

1 单晶理论本构模型

2 数学本构模型

3 唯象理论本构模型:避开自由能测量上困难；定义适合工程计算的参数；适合工程应用。

4 细观力学本构模型

基于热力学的本构关系

带有弹塑性理论的本构关系

单向应力状态的弹塑性应变理论

4.4 铁磁形状记忆合金

铁磁形状记忆合金具有形状记忆效应和铁磁性，其形状记忆效应除了可由温度、应力控制外，还可以通过磁场进行控制。

应用

与温控型形状记忆合金相比，铁磁形状记忆合金具有较高的动态响应速度，是温控型形状记忆合金频率响应的80倍，可以满足一般自动控制系统对执行器动态响应速度的要求；

铁磁形状记忆合金的变形量是压电陶瓷(PZT)的50~100倍，是超磁致伸缩材料(GMM) 的60倍。

铁磁形状记忆合金在磁场控制下表现出的大输出应变和应力，以及响应频率快，使其可能在声纳、线性马达、振动和噪声控制、微位移器、微波器件、机器人和智能结构等领域有重要应用，成为未来的新一代驱动器和传感器材料。

铁磁性

(1)物质的磁性来源于原子的磁性。原子的磁矩来源于原子中的电子和原子核。由于原子核的质量远大于电子，因此原子核的磁矩远小于电子的磁矩，故原子核的磁矩忽略不计。

(2)自旋是电子的一个本质属性。电子自旋导致一个偶极子磁矩和形成一个磁场。

(3)在大多数物质中所有电子的总偶极磁矩为零。只有电子层不满的原子（电子不成对）可能在没有外部磁场的情况下表现一个净磁矩。铁磁性物质有许多这样的电子。

(4)铁磁性：是指物质中相邻原子或离子的磁矩的相互作用而在某些区域中大致按同一方向排列，当所施加的磁场强度增大时，这些区域的合磁矩定向排列程度会随之增加到某一极限值的现象。

(5)产生铁磁性条件：铁磁体的自发磁化

为了使体系的能量减少，铁磁体一般被分为许多小的区域，不同区域的原子磁矩趋于同向平行排列，称为自发磁化；铁磁体自发磁化分成若干个小区域(称为磁畴)，通常把相邻磁畴之间的过渡层称为畴壁。由于磁畴的磁化方向各不相同，其磁性彼此相互抵消，所以材料整体对外不显示磁性。磁畴磁矩起因于电子的自旋磁矩。

(6)磁晶各向异性：

铁磁形状记忆合在外加磁场的作用下，由于畴壁的运动或磁畴内磁矩方向的改变，铁磁体宏观上显示出很强的磁性，这种现象叫做磁化。

当施加外场时，磁化强度随磁场的变化因方向而有所差异，某些方向达到饱和磁化所需磁场较小，即容易磁化，该方向称易轴。某些方向达到饱和磁化所需磁场较大，即不容易磁化，该方向称难轴。此现象称为磁晶各向异性。

4.5 多孔形状记忆合金

到了20世纪80年代，多孔形状记忆合金的开发和理论研究成为新的研究热点，尤其在医用生物材料方面。

目前，与人体骨组织相比，传统的致密态金属如钛合金、不锈钢、致密态TiNi合金等弹性模量比人体密质骨和松质骨高得多。植入物承担了大多数的外力，植入人体后会造成不均匀的应力分布和应力屏蔽，导致骨质疏松，甚至脱落等问题，所以传统的材料的生物力学相

容性较差。

多孔NiTi，通过调整孔隙比可以显著降低材料的弹性模量和力学性能，使之与人体硬组织匹配；其可压缩性与多孔结构有利于与周围骨组织结合牢固；其形状记忆效应和独特的体积记忆效应，使植入物的植入过程变得简单。因此，多孔NiTi作为骨、关节和牙齿等硬组织修复和替换的外科用植入材料，是其他医用生物材料所不能替代的。

4.6 形状记忆聚合物

1.定义

又称：形状记忆聚合物（shape memory polymer, SMP），是一种智能高分子材料，它能够根据外部刺激，从临时形状恢复到原始形状。材料科学的最新发展表明，全球纺织、医疗和汽车制造业对使用形状记忆材料有强烈兴趣。

形状记忆聚合物能被外部条件，如温度、PH值、化学品或光等所刺激，并敏感地发生预定响应。

从化学结构来看，SMP是线性嵌段共聚物，含有硬段和软段。其硬段作为凝固相，软段作为可逆转相，软段负责形状记忆功能。聚合物材料具有多种弹性，如从硬玻璃到软橡胶态，其弹性模量随转换温度而呈现可逆转的变化。

2.特点

具有形变量大，赋形容易。