智能材料与结构论文

智能材料与结构

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。具体来说，智

能材料需具备以下内涵：

(1)具有感知功能，能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激强度，如

电，光，热，应力，应变，化学，核辐射等；

(2)具有驱动功能，能够响应外界变化；

(3)能够按照设定的方式选择和控制响应；

(4)反应比较灵敏,及时和恰当；

(5)当外部刺激消除后,能够迅速恢复到原始状态。

智能材料与结构是当今世界上正在发展的新兴边缘学科，属前沿性研究领域。该学科研究的特点是将具有特殊性能的智能材料复合于本体材料、或制成智能构件与原有构件相结合，以形成一种具有感知和作动功能的新型智能材料结构，使结构自身具有自诊断、自控制、自适应的功能，达到提高结构安全性、可靠性的目的。

由于智能材料与结构可以解决许多现有技术和方法不易解决、或不能解决的技术问题，因而已引起世界各发达国家的极大关注，并拨巨额专款用于此方面的研究。近年来，我国也开始对智能材料结构进行研究，因起步较晚，在基础理论研究和开发应用方面，均与国外存在较大差距。

主要研究内容：

1、自适应智能材料结构研究

针对大型机械关键受力结构连接部位，由于加工误差、载荷不均和温度不均等导致的连接部位受力不均问题，利用功能材料的一些特殊性能进行自适应结构的研究。

2、用于结构控制和损伤监测智能材料理论研究

针对高速机车壳体、飞机、卫星壳体和大型关键机械结构设备受力构件进行基础理论、结构设计与控制研究及应用。

3、智能材料在大型结构健康诊断与控制上的研究及其应用

利用智能材料的特殊性能作为传感元件和控制元件，对结构的健康状态进行长期的实时监测和控制，并通过获取的特征信息对结构的健康状态进行评价。

4、功能材料的研究

主要研究(1)形状记忆合金的冶炼工艺、热处理工艺及成型工艺，并对其力学行为、功能特性以及本构关系进行研究;(2)光纤传感器的制作工艺,性能参数,监测技术与进行研究。

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（Sensor）

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（Feedback）

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。

（3）信息识别与积累功能

能够识别传感网络得到的各类信息并将其积累起来。

（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。

（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。

构成

一般来说智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。

（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。

（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。可以看出，这些材料既是驱动材料又是敏感材料，显然起到了身兼二职的作用，这也是智能材料设计时可采用的一种思路。

（4）其它功能材料

包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。

功能（用途）

现举一个简单的应用了智能材料的例子：某些太阳镜的镜片当中含有智能材料，这种智能材料能感知周围的光，并能够对光的强弱进行判断，当光强时，

它就变暗，当光弱时，它就会变的透明。

科学家正在研制一种能自行调温调光的新型建筑材料，这种材料叫“云胶”，其成分是水与一种聚合物的混合物，呈透明状，可以透过90％的光线。当被加热时，云胶可从清澈透明变成白色，以阻挡90％的光线，这一转变是可逆的，且能在两三度温差范围内完成。建筑物如果拥有了这样的“皮肤”就可以适应周围的环境：当天气寒冷时它就变成透明的，让阳光照射进来：当天气暖和需要把阳光挡住时，它就变得半透明。一个装有云胶的天窗，当太阳光从天窗的一端移向另一端时，可提供比较恒定的进光量。

德国著名的康采思巴斯夫公司在工程师舒勒的带领下已研制出一种名为“施马蒂斯”的智能塑料，它可以按照人们的需要时而变硬时而变软，因而人们可通过各种外因来变换它的物理状态。这种塑料能自行消除外来的撞击，特别适合于车辆的缓冲器。用这种塑料制成的油箱即使被坦克压过也不会破裂。将其用于建房则抗震性能特强。如果在桥梁钢架上套一层用这种塑料制成的微型管道网，其内部储存着防锈剂，一旦钢架生锈，管道会自行熔解，释放出防锈剂。

再如，形状记忆合金(Shape Memory Alloys，简称SMA)是一种能够记忆原有形状的智能材料。当合金在低于相变态温度下，受到一有限度的塑性变形后，可由加热的方式使其恢复到变形前的原始形状，这种特殊的现象称为形状记忆效应（Shape Memory Effect，简称SME）。而当合金在高于相变态温度下，施以一应力使其受到有限度的塑性变形（非线性弹性变形）后，可利用直接释放应力的方式使其恢复到变形前的原始形状，此种特殊的现象又称为拟弹性（Pseudo Elasticity，简称PE）或超弹性（Super Elasticity）。这两种形状记忆合金所拥有的独特性质在普通金属或合金材料上是无法发现的。

记忆合金同我们的日常生活也同样休戚相关。仅以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。也

可以制作成消防报警装置及电器设备的保安装置。当发生火灾时,记忆合金制成的弹簧发生形变，启动消防报警装置，达到报警的目的。还可以把用记忆合金制成的弹簧放在暖气的阀门内，用以保持暖房的温度，当温度过低或过高时，自动开启或关闭暖气的阀门。

再如以下的设计图：

预计不远的将来，这些各种各样实用的有“感觉”和“知觉”的高分子智能材料将会走进寻常百姓家......