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1、.1智能材料是近年来在世界上兴起并迅速发展的材料技术的一个新领域。智能材料是近年来在世界上兴起并迅速发展的材料技术的一个新领域。7.1 智能材料智能材料.27.1.1 基本概念基本概念 设想：设想：l混凝土能自己发现混凝土大坝里的裂缝；混凝土能自己发现混凝土大坝里的裂缝；l玻璃能根据环境光强的变化而自行改变透光率，使进入玻璃能根据环境光强的变化而自行改变透光率，使进入室内的阳光变暗或变亮；室内的阳光变暗或变亮；l墙纸可以变化颜色以适应不同环境；墙纸可以变化颜色以适应不同环境；l空中飞行的飞机能自行诊断其损伤状态并自行修复。空中飞行的飞机能自行诊断其损伤状态并自行修复。 仿生仿生 “ “活活”的
2、材料的材料.3 美国和日本科学家首先提出的。美国和日本科学家首先提出的。 l1989年日本高木俊宜教授将信息科学融于材料的特性和年日本高木俊宜教授将信息科学融于材料的特性和功能，提出功能，提出智能材料智能材料 (Intelligent materials) 概念，它是概念，它是指指对环境具有可感知可响应等功能对环境具有可感知可响应等功能的新材料。的新材料。l美国的美国的RENewnhain教授提出了教授提出了灵巧灵巧 (Smart) 材料材料的概念，这种材料具有传感和执行功能，他将灵巧材料的概念，这种材料具有传感和执行功能，他将灵巧材料分为被动灵巧材料、主动灵巧材料和很灵巧材料三类。分为被动灵
3、巧材料、主动灵巧材料和很灵巧材料三类。 .4 智能材料是高技术新材料领域中正在形成智能材料是高技术新材料领域中正在形成的一门新的分支学科，是的一门新的分支学科，是2l世纪的先进材料，世纪的先进材料，是当前工程学科发展的国际是当前工程学科发展的国际前沿前沿。 智能材料是一门智能材料是一门交叉学科交叉学科，它的发展不仅，它的发展不仅是材料学科本身的需要，而且可以带动许多相是材料学科本身的需要，而且可以带动许多相关学科的发展，如物理、化学、计算机、土木关学科的发展，如物理、化学、计算机、土木工程和航空航天的发展的。工程和航空航天的发展的。.5智能材料：智能材料： 是指能模仿模仿生物体，同时具有感知和
4、控制感知和控制等功能的材料或结构。它既能感知环境状况又能传输、分析有关信息，同时作出类似有生命物体的智能反应，如自诊断、自适应如自诊断、自适应或自修复等。或自修复等。 这种材料一般具有四种主要功能：这种材料一般具有四种主要功能： 对环境参数的敏感敏感； 对敏感信息的传输传输； 对敏感信息的分析、判断分析、判断； 智能智能反应。.6.7早期的智能材料往往是一种材料集上述四种功能于一身，早期的智能材料往往是一种材料集上述四种功能于一身，因此种类极少，而且适应面很狭窄，功能单一。因此种类极少，而且适应面很狭窄，功能单一。现在对智能材料的四种功能分别进行处理，分别按需要进现在对智能材料的四种功能分别进
5、行处理，分别按需要进行设计，制造多种性能优越的智能材料。行设计，制造多种性能优越的智能材料。因此，智能材料往往不是研制一种材料使之具备多种智能因此，智能材料往往不是研制一种材料使之具备多种智能特性，而是根据需要在所使用的基体材料中融入某种新的特性，而是根据需要在所使用的基体材料中融入某种新的材料和器件，这种融入的材料或器件一般具有某种或多种材料和器件，这种融入的材料或器件一般具有某种或多种智能特性，这样使智能材料的性能和应用得到了很大扩展。智能特性，这样使智能材料的性能和应用得到了很大扩展。 .8（1） 敏感特性敏感特性 融入材料使新的复合材料能融入材料使新的复合材料能感知环境感知环境的各种参
6、数及其变化。的各种参数及其变化。.9 日本东京大学工学系开发出了世界第一个用来检查核电站、高速公路、隧道等是否存在裂纹的光纤传感器，灵敏度是过去检测装置的千倍以上，价格也很便宜。 这种传感器使用简便，灵敏度高。只需将光纤制成的线圈贴在大楼、桥梁等物体的表面，如果这些被检测物体存在裂纹，传感器就会感知到由此产生的微小声音和振动，光纤内传导的光信号波长会发生变化，分析这些变化就能发现裂纹的位置及开裂的程度。 实验证明，不论裂纹位于建筑物表面、墙壁内部还是地下深处，传感器都能准确地探测到。增加线圈的数量还能进一步提高传感器的灵敏度。如果用玻璃纤维制成的光纤绕成线圈，传感器的感知效果在600摄氏度的情
7、况下仍然能够保持不变，适合在核电站和高温化工厂使用。 日本发明光纤传感器日本发明光纤传感器新华网 （ 2003-02-11 16:48:57 ）.10机械手柔性三维运动l 形状记忆合金形状记忆合金.11 通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。l压电传感器压电传感器.12（2） 传输特性传输特性 智能材料不仅需要敏感环境的各种参数，而且需要在材料与结构中传递各种信息，其信息传递类似人的神经网络，不仅体积微小，而且传递信息量特大。目前用于智能材料中信息传递的方法很多，最常用的是用光导纤维来传递信息。.13（3
8、） 智能特性智能特性 智能特性是智能材料的智能特性是智能材料的核心核心，也是智能材料与普通功能，也是智能材料与普通功能材料的主要区别。要求能材料的主要区别。要求能分析、判断分析、判断其参数的性质与变化，其参数的性质与变化，具有自学习、自适应等功能。具有自学习、自适应等功能。 由于计算机技术的高度发展，智能材料与结构的智能特由于计算机技术的高度发展，智能材料与结构的智能特性已经或正在逐步实现，问题的性已经或正在逐步实现，问题的关键关键是如何将材料敏感的各是如何将材料敏感的各种信息通过神经网络传输到计算机系统。种信息通过神经网络传输到计算机系统。 两种方法两种方法：一种是在大型智能结构系统中，将智
9、能材料敏感：一种是在大型智能结构系统中，将智能材料敏感到的各种参数传感到结构体系的到的各种参数传感到结构体系的普通计算机内普通计算机内；另一种是在；另一种是在智能材料中埋入智能材料中埋入超小型电脑芯片超小型电脑芯片。.14（4）自适应特性）自适应特性 是由智能材料中的各种是由智能材料中的各种微型驱动系统微型驱动系统来实现。该系统是来实现。该系统是由超小型芯片控制并可作出各种动作，使智能材料自动适应由超小型芯片控制并可作出各种动作，使智能材料自动适应环境中应力、振动、温度等变化或自行修复各种构件的损伤。环境中应力、振动、温度等变化或自行修复各种构件的损伤。 目前常用的微型驱动系统有形状记忆合金，
10、磁致伸缩材目前常用的微型驱动系统有形状记忆合金，磁致伸缩材料，电流变体等，尤其是料，电流变体等，尤其是电流变体材料电流变体材料在自适应材料中的应在自适应材料中的应用特别引人注目。用特别引人注目。 .15l通常情况下，我们看到的液体变成固体或固体变成液体，只通常情况下，我们看到的液体变成固体或固体变成液体，只与温度和压力有关。然而，你能想像出电流也有这样的作用与温度和压力有关。然而，你能想像出电流也有这样的作用吗？吗？ l1947年，一个叫温斯洛的美国人发现了一个奇怪的现象。他年，一个叫温斯洛的美国人发现了一个奇怪的现象。他把石膏、石灰和炭粉加在橄榄油中，然后加水搅成一种悬浮把石膏、石灰和炭粉加
11、在橄榄油中，然后加水搅成一种悬浮液，想看看这种悬浮液能不能导电。在试验中，他意外地发液，想看看这种悬浮液能不能导电。在试验中，他意外地发现，这种悬浮液没有加上电场时，可以像水或油一样自由地现，这种悬浮液没有加上电场时，可以像水或油一样自由地流动；可是一加上电场，就能立即由自由流动的液体变成固流动；可是一加上电场，就能立即由自由流动的液体变成固体，而且随着电场强度的增加，固体的强度也在增加。当撤体，而且随着电场强度的增加，固体的强度也在增加。当撤消电场时，它又能立即由固体变回液体。由于这种悬浮液可消电场时，它又能立即由固体变回液体。由于这种悬浮液可以用电场来控制，因此科学家们就把它叫做以用电场来
12、控制，因此科学家们就把它叫做“电流变体电流变体”，并把这种现象称为并把这种现象称为“温斯洛现象温斯洛现象”。温斯洛还为此申请了专。温斯洛还为此申请了专利。利。.16l那么，电流变体究竟有什么用处呢？那么，电流变体究竟有什么用处呢？l人们最先想到的是用它来制造汽车的离合器和刹车装置。人们最先想到的是用它来制造汽车的离合器和刹车装置。汽汽车司机都知道，改变行车速度要换挡，而换挡至少也需要几车司机都知道，改变行车速度要换挡，而换挡至少也需要几秒钟的时间。遇到紧急情况刹车时，司机猛踩刹车让刹车片秒钟的时间。遇到紧急情况刹车时，司机猛踩刹车让刹车片紧紧紧紧“抱住抱住”旋转的轮子，也要用旋转的轮子，也要用
13、1秒钟左右的时间。可在这秒钟左右的时间。可在这1秒钟之内，就有可能造成车毁人亡的惨剧。如果用电流变体秒钟之内，就有可能造成车毁人亡的惨剧。如果用电流变体做成离合器或刹车装置，那么只需千分之几秒的时间，就可做成离合器或刹车装置，那么只需千分之几秒的时间，就可以达到换挡或刹车的目的。因为不加电场时，电流变体为液以达到换挡或刹车的目的。因为不加电场时，电流变体为液体，黏度很小，等于汽车挂不上挡；加上电场后，电流变体体，黏度很小，等于汽车挂不上挡；加上电场后，电流变体的黏度随电场强度的增加而增大。当电流变体变成固体时，的黏度随电场强度的增加而增大。当电流变体变成固体时，主动轴就和滑动轮结合成一个整体，
14、就相当于换上了挡，而主动轴就和滑动轮结合成一个整体，就相当于换上了挡，而这个过程只需要千分之几秒的时间。用电流变体刹车的秘密这个过程只需要千分之几秒的时间。用电流变体刹车的秘密就在于此。就在于此。.17l近几年，科学界正在研究有近几年，科学界正在研究有“感觉感觉”和有和有“知觉知觉”的仿生智的仿生智能材料，它能随外界环境的变化而自动调节其功能，而电流能材料，它能随外界环境的变化而自动调节其功能，而电流变体正好在此可以发挥作用。由于电流变体能随电压的不同变体正好在此可以发挥作用。由于电流变体能随电压的不同而改变自身的强度，所以能充当智能材料的而改变自身的强度，所以能充当智能材料的“肌肉肌肉”。因
15、为。因为一使劲（加上电压）肌肉就会变硬，肌肉一放松（撤掉电压）一使劲（加上电压）肌肉就会变硬，肌肉一放松（撤掉电压）身子就变软了。身子就变软了。l在美国，有的科学家还用电流变体，研制出一种能自动加固在美国，有的科学家还用电流变体，研制出一种能自动加固的直升机水平旋翼叶片。在飞行中，当叶片突然遇到疾风而的直升机水平旋翼叶片。在飞行中，当叶片突然遇到疾风而猛烈振动有可能断裂时，叶片中事先加入的电流变体就会使猛烈振动有可能断裂时，叶片中事先加入的电流变体就会使直升机叶片变成固体，从而实现自动加固的目的。直升机叶片变成固体，从而实现自动加固的目的。l总之，电流变体的应用非常广泛，它有可能开辟出一个新材
16、总之，电流变体的应用非常广泛，它有可能开辟出一个新材料世界。料世界。.18（5）相容性）相容性埋置的材料性质与原构件的材料基质的性质越相近越好。埋置的材料性质与原构件的材料基质的性质越相近越好。（）强度相容强度相容：埋置材料不能影响原材料的强度或者说影：埋置材料不能影响原材料的强度或者说影响很小。响很小。（）界面相容界面相容：埋入材料的表面和原材料有相容性。：埋入材料的表面和原材料有相容性。（）尺寸相容尺寸相容：埋入材料或器件和原材料构件相比，体积：埋入材料或器件和原材料构件相比，体积应很小，不影响原构件特性。应很小，不影响原构件特性。（）场分布相容场分布相容：埋：埋入入材料与器件不影响原材料
17、构件各种材料与器件不影响原材料构件各种场分布特性，如应力场、振动模态等。场分布特性，如应力场、振动模态等。 .197.1.2 智能材料的研究内容智能材料的研究内容 智能材料是一门综合性的边缘科学，它包括材料科智能材料是一门综合性的边缘科学，它包括材料科学、物理、化学、计算机仿生学、机电工程等多学科领学、物理、化学、计算机仿生学、机电工程等多学科领域，涉及内容很多，主要有下面几方面内容：域，涉及内容很多，主要有下面几方面内容： （1） 基础智能材料研究基础智能材料研究 （2） 自诊断智能材料的研究自诊断智能材料的研究 （3） 自适应智能材料研究自适应智能材料研究 下面就分别展开叙述。下面就分别展
18、开叙述。.20（1） 基础智能材料研究基础智能材料研究 基础智能材料是智能器件的基础，许多材料本身就具基础智能材料是智能器件的基础，许多材料本身就具有某些有某些“智能智能”特性。例如：特性。例如：l材料的性能材料的性能（颜色、形状、尺寸、机械特性等）（颜色、形状、尺寸、机械特性等）随环境或随环境或使用条件的变化而改变，具有学习、诊断和预见的能力，使用条件的变化而改变，具有学习、诊断和预见的能力，以及对信号的识别和区分能力。以及对信号的识别和区分能力。l材料的材料的结构或成分结构或成分可随工作条件变化，从而具有一种对环可随工作条件变化，从而具有一种对环境自适应、自调节的功能。境自适应、自调节的功
19、能。l一些材料的一些材料的电、光以及其它物理或化学性能电、光以及其它物理或化学性能随外部条件的随外部条件的不同而变化，因而除了具有识别和区分信号、诊断、学习不同而变化，因而除了具有识别和区分信号、诊断、学习和刺激能力外，还可发展成具有动态自动平衡及自维修的和刺激能力外，还可发展成具有动态自动平衡及自维修的功能。功能。.21l形状记忆智能材料形状记忆智能材料l压电智能材料压电智能材料l磁致伸缩智能材料磁致伸缩智能材料l自组装智能材料自组装智能材料l光纤智能材料光纤智能材料l电磁流变液智能材料电磁流变液智能材料.22（） 形状记忆基础智能材料形状记忆基础智能材料l 是一类具有形状记忆功能的材料。l
20、 由于形状记忆合金材料集自感知、自诊断和自适应功能于一体，故具有传感器、处理器和驱动器的功能，是一类具有特殊功能的智能材料。l 人们不但可以利用形状记忆合金来制备各种智能器件，而且还可以用形状记忆合金来进行智能材料设计，并对智能材料与结构进行主动控制。这就进一步拓宽了形状记忆合金智能材料的应用领域。 .23.24（） 压电基础智能材料压电基础智能材料l 压电智能材料是一类具有压电效应的材料。压电智能材料是一类具有压电效应的材料。l 可实现可实现传感元件与动作元件的统一传感元件与动作元件的统一，从而可以有效地用于，从而可以有效地用于材料损伤自诊断自适应，减振与噪声控制等方面。材料损伤自诊断自适应
21、，减振与噪声控制等方面。l 常用的压电材料主要是常用的压电材料主要是压电陶瓷压电陶瓷，而最近发展的压电复合，而最近发展的压电复合材料是将压电陶瓷、聚合物按一定的比例、连通方式和空间材料是将压电陶瓷、聚合物按一定的比例、连通方式和空间几何分布复合而成，具有比常用压电陶瓷更优异的性能。几何分布复合而成，具有比常用压电陶瓷更优异的性能。 .25压电陶瓷主动控制驱动器系统，在控制坦克炮压电陶瓷主动控制驱动器系统，在控制坦克炮塔振动方面的应用，减轻了颤振。塔振动方面的应用，减轻了颤振。.26（） 磁致伸缩基础智能材料磁致伸缩基础智能材料l 磁致伸缩效应是指磁性物质在磁化过程中因外磁场条件的改变而发生几何
22、尺寸可逆变化的效应。也就是说，它是一类具有电磁能机械能相互转换功能的材料。l磁致伸缩材料通常分为金属磁致伸缩材料和稀土-铁(RFe2)超磁致伸缩材料两大类。由于稀土-铁(RFe2)超磁致伸缩材料具有磁致伸缩值大、机械响应快、功率密度大、耦合系数高的优点，目前这类材料已广泛用于声纳系统，大功率超声器件、精密定位控制、机械制动器，各种阀门和驱动器件等方面。 .27（） 自组装基础智能材料自组装基础智能材料l自组装智能材料是在特定的自组装智能材料是在特定的基片基片上，通过化学键、氢键上，通过化学键、氢键或静电引力将聚合物分子或聚合物与无机纳米粒子的或静电引力将聚合物分子或聚合物与无机纳米粒子的复复合
23、物逐层组装合物逐层组装上去，以形成单层、双层或多层自组装上去，以形成单层、双层或多层自组装薄薄膜材料膜材料。l近几年来，静电自组装薄膜材料发展很快。这种材料具近几年来，静电自组装薄膜材料发展很快。这种材料具有薄膜厚度可精确控制到分子水平，薄膜与基体以及薄有薄膜厚度可精确控制到分子水平，薄膜与基体以及薄膜与薄膜之间膜与薄膜之间结合力强、薄膜厚度与成分均匀结合力强、薄膜厚度与成分均匀等特点，等特点，在非线性光学材料、光学器件等方面有着重要的潜在应在非线性光学材料、光学器件等方面有着重要的潜在应用。用。 .28（） 光纤基础智能材料光纤基础智能材料l 光导纤维是一种圆柱介质光波导，它能够约束并引导光
24、光导纤维是一种圆柱介质光波导，它能够约束并引导光波在其内部或表面附近沿轴线方向向前传播。波在其内部或表面附近沿轴线方向向前传播。l 由于光纤具有由于光纤具有感测和传输感测和传输双重功能，并且有直径小、柔双重功能，并且有直径小、柔韧易弯曲、质量轻、抗电磁干扰等优点，因此，光纤已成韧易弯曲、质量轻、抗电磁干扰等优点，因此，光纤已成为一种非常重要的智能材料，光纤传感技术则已成为智能为一种非常重要的智能材料，光纤传感技术则已成为智能材料的主要技术基础之一。材料的主要技术基础之一。l 光纤传感技术在智能材料与结构中主要用于检测材料受光纤传感技术在智能材料与结构中主要用于检测材料受力、损伤情况，结构状态监
25、测及振动主动控制等。用光纤力、损伤情况，结构状态监测及振动主动控制等。用光纤组成的各种传感器可组成的各种传感器可测量温度、压力、位移、应力、应变测量温度、压力、位移、应力、应变等多种物理量，并具有极高的灵敏度。等多种物理量，并具有极高的灵敏度。 .29.30（2） 自诊断智能材料的研究自诊断智能材料的研究l自诊断智能材料是智能材料中最简单最基础的一种形式。l它往往只具备智能特性四个主要特性中的二种或三种，这一类智能材料能接受和响应外部环境参数的变化，能够自诊断内部运行状态，如缺陷或损伤等，并能根据预先约定给予报警或传输有关信息，但不具备驱动和自适应的功能。l例如对于结构材料，人们期望材料内部的
26、劣化和损伤以及表面的微细裂纹形成时，能自行监测，在形成重大事故或内部变异之前能够有效地预知或报警。.31（3）自适应智能材料研究）自适应智能材料研究l自适应智能材料是一种自适应智能材料是一种完备完备的智能体系，它具备智能材料的的智能体系，它具备智能材料的四个基础属性。四个基础属性。l它不仅能接受和响应外部的信息，而且能自动改变自身状态，它不仅能接受和响应外部的信息，而且能自动改变自身状态，以适应外部环境变化。以适应外部环境变化。l自适应包括的含义如：自适应包括的含义如： 自我回复性自我回复性(形状和物理、化学性能能够自动复原形状和物理、化学性能能够自动复原)； 自动调节性自动调节性(能够随外部
27、环境的需要而改变自身状态能够随外部环境的需要而改变自身状态)； 自我修复性自我修复性(能根据自身损伤状态自我修复能根据自身损伤状态自我修复)等。等。 .32（）自回复自回复 形状记忆形状记忆智能材料就是一种具有形状自回复功能的智能智能材料就是一种具有形状自回复功能的智能材料。无论将该材料拉伸或弯曲成何种复杂形状，只要一材料。无论将该材料拉伸或弯曲成何种复杂形状，只要一加热，又回复到原来的初始形状。其原理是利用了马氏体加热，又回复到原来的初始形状。其原理是利用了马氏体相变，受力后材料内晶格发生扭曲变形而显示出塑性形变，相变，受力后材料内晶格发生扭曲变形而显示出塑性形变，受热获得能量后晶格自动回复
28、原状。这种形状记忆材料，受热获得能量后晶格自动回复原状。这种形状记忆材料，已经应用于大型钢管使其结合精密和牢固。已经应用于大型钢管使其结合精密和牢固。.33自洁净功能的温度和气体传感器：自洁净功能的温度和气体传感器：l日本人研制的一种能够在所测试的环境气体受污染后随时自动日本人研制的一种能够在所测试的环境气体受污染后随时自动恢复其新鲜洁净的表层和界面。恢复其新鲜洁净的表层和界面。l其原理是利用其原理是利用CuOZnO两种陶瓷片紧密接触制成气体传感器，两种陶瓷片紧密接触制成气体传感器，碳氢化合物碳氢化合物在一侧被吸附和分解，在另一侧被还原而离开元件在一侧被吸附和分解，在另一侧被还原而离开元件材料
29、表层，使材料表面总能接触到最新进入的被检气体，缩短材料表层，使材料表面总能接触到最新进入的被检气体，缩短了传感器的响应时间，解决了以往的气体传感器中毒劣化的问了传感器的响应时间，解决了以往的气体传感器中毒劣化的问题，提高了检测的准确性，增加了使用寿命。题，提高了检测的准确性，增加了使用寿命。 .34（ ） 自调节自调节l 一般材料的电阻是恒定的。电流与电压的关系服从欧一般材料的电阻是恒定的。电流与电压的关系服从欧姆定律。姆定律。l但是，有些陶瓷材料的电阻随着电压而变化，例如但是，有些陶瓷材料的电阻随着电压而变化，例如ZnO等，称为等，称为可变电阻可变电阻。它具有根据外部电压的大小而改变。它具有
30、根据外部电压的大小而改变自身电阻的能力，故被列入智能材料范畴。自身电阻的能力，故被列入智能材料范畴。l它能用作智能性它能用作智能性电路开关电路开关；用这种可变电阻制作成；用这种可变电阻制作成加热加热元件元件时，可以自动控制自己的加热温度。时，可以自动控制自己的加热温度。这种本身具有这种本身具有控温能力的材料已成为高级轿车空调的核心元件。控温能力的材料已成为高级轿车空调的核心元件。 .35 光致变色玻璃（光致变色玻璃（光色玻璃）也是一种能自行调节透光光色玻璃）也是一种能自行调节透光性能的智能材料。利用性能的智能材料。利用Ag0Ag+化学状态之间的转换，化学状态之间的转换，能够自动屏蔽强的光线。最
31、近的所谓能够自动屏蔽强的光线。最近的所谓智能窗智能窗，就是利用就是利用光能光能-电能之间转换，形成能屏蔽光线的大型透明窗口或电能之间转换，形成能屏蔽光线的大型透明窗口或者能够显示亮度和色彩的显示屏幕。者能够显示亮度和色彩的显示屏幕。.36 .37 自调节智能材料的另一有趣实例，就是能够使药物定位投放。日本科学家已经研制一种微细胶囊物质材料，能够将药物包裹后带到身体的病变部位。在病变部位胶囊物质表皮自行破裂而释放出药物，医治病变细胞。 这种定向投药原理，用于农药和化肥在酸碱土壤中的定位投放，能提高效率，降低成本，减少污染，是农业技术发展的方向。.38（ ） 自适应性和自修复性自适应性和自修复性l
32、研究得比较多的是使研究得比较多的是使材料表层的形状和厚度材料表层的形状和厚度能根据需要随能根据需要随时时自动形成自动形成。人体皮肤的自适应性。人体皮肤的自适应性。l如：钛铝合金如：钛铝合金是用于高温发动机的重要高温材料，高温使是用于高温发动机的重要高温材料，高温使用时，氧化皮层容易裂开和脱落，人们通过加入一些物质用时，氧化皮层容易裂开和脱落，人们通过加入一些物质到材料中，在表皮发生裂纹时，能及时扩散进表皮的裂纹到材料中，在表皮发生裂纹时，能及时扩散进表皮的裂纹伤口内，充填裂纹，并逐渐隆起形成致密的抗氧化层而保伤口内，充填裂纹，并逐渐隆起形成致密的抗氧化层而保护材料肌体部件。护材料肌体部件。.3
33、9 又如：在高温真空器件的不锈钢中，加入又如：在高温真空器件的不锈钢中，加入B和和N元素，在进入使用状态后，元素，在进入使用状态后，B和和N会向表层扩散并相会向表层扩散并相互结合形成一层致密的互结合形成一层致密的BN高温陶瓷保护层高温陶瓷保护层，保护层，保护层是材料中是材料中“自生自生”出来的，在成分和结构上与基底之出来的，在成分和结构上与基底之间逐渐过渡，所以结合非常牢固。这一举解决了以往间逐渐过渡，所以结合非常牢固。这一举解决了以往的陶瓷涂层容易剥落的问题。的陶瓷涂层容易剥落的问题。 .407.2 7.2 形状记忆材料形状记忆材料l形状记忆效应 l形状记忆合金 l形状记忆陶瓷 l形状记忆聚
34、合物 .417.2.1 7.2.1 形状记忆效应形状记忆效应 具有一定形状（初始形状）的固体材料，在某一低温状态下经过塑性变形后（另一形状），通过加热到这种材料固有的某一临界温度以上时，材料又恢复到初始形状，这种效应称为形状记忆效应。 .42图7-2-1 形状记忆效应示意图 对于普通金属材料，受到外力作用时，当应力超过屈服强度时，产生塑性变形，应力去除后，塑性变形永久保留下来，不能恢复原状。 形状记忆效应，如左图，材料加载过程中，应变随应力增加，OA段为弹性变形的线性段，AB为非线性段，由B点卸载时，残余应变为OC，将此材料在一定温度加热，则残余应变降为零，材料全部恢复原状。.43形状记忆材料
35、形状记忆材料(shape memory materials，简称简称SMM)： 是指具有一定初始形状的材料经形变并固定成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、电等物理刺激或化学另一种形状后，通过热、光、电等物理刺激或化学刺激的处理又可恢复成初始形状的材料。刺激的处理又可恢复成初始形状的材料。.44形状记忆效应的发现和发展： 1951年，应用光学显微镜观察到：Au47.5atCd合金中，低温马氏体相和高温母相之间的界面，随温度下降向母相推移（母相-马氏体），随温度上升又向马氏体推移（逆相变：马氏体-母相），这是最早观察到形状记忆效应的极端例子。但没有命名，也没有引起功
36、能应用的重视。 1964年布赫列等人发现Ni Ti合金具有优良的形状记忆性能，并研制出实用的形状记忆合金Nitinol。命名并发展。 20世纪70年代以来已开发出NiTi基形状记忆合金、CuAlNi基和CuZnAl基形状记忆合金；80年代开发了FeNiCoTi基和FeMnSi基形状记忆合金。 迄今为止，已有10多个系列的50多个品种。这些形状记忆合金广泛应用于航空、航天、汽车、能源、电子、家电、机械、医疗和建筑等行业。 除合金外，也发现在一些非金属材料如高聚物和陶瓷中也有形状记忆现象。.45形状记忆合金形状记忆合金(shape memory alloys简称SMA)： 是通过热弹性与马氏体相变
37、及其逆变而具有形状记忆效应的由两种以上金属元素所构成的材料。 形状记忆合金是目前形状记忆材料中记忆性能最好的材料。 已发现10系列50多种。 按照合金组成和相变特征，具有较完全形状记忆效应的合金可分为3大系列： 钛-镍系 铜基系 铁基系7.2.27.2.2 形状记忆合金形状记忆合金.46形状记忆合金的应用形状记忆合金的应用 SMA可做成单向形状恢复元件和双向形状恢复动作元件和拟弹性元件，在很多领域具有广泛的应用前景。（1）连接紧固件）连接紧固件 如管接头、紧固圈、连接套管和紧固铆钉等 SMA连接件结构简单、重量轻、所占空间小，并且安全性高、拆卸方便、性能稳定可靠。 其中管接头是SMA最成功的应
38、用之一，如图7-2-2：.47图7-2-2 形状记忆合金管接头使用示意图TiNi alloy a待接管 b记忆处理管接头 c扩径后 d套管 e加热完成接管 待接管外径为，内径为(1-4)TiNi合金经过单向记忆处理后，在低温下(Mf) 扩孔为(1+4) ，扩孔润滑剂聚乙烯薄膜。保持低温，插入被接管，去掉保温材料，室温时，内径恢复，实现管路紧固连接。 .48 图7-2-3 Ni-Ti-Nb宽滞记忆合金管接头与传统连接的比较 最初管接头所采用的合金为Ni-Ti和Ni-Ti-Fe合金，安装前必须保存在液氮中，实际应用很不方便。 后来开发了Ni-Ti-Nb宽滞后形状记忆合金，经适当变形处理相变滞后，制
39、成的管接头可以在常温下储存和运输，十分方便。.49图7-2-4 记忆合金同轴电缆紧固圈 美国Rachem公司研制生产了Ni-Ti-Nb宽滞后记忆合金同轴电缆紧固圈。由丝材焊接而成，表面涂有一层可随温度改变颜色的化学涂料，安装前可在常温下保存，安装时用小型加热器加热到涂料改变颜色即可。 这种紧固圈在美国通信工程和信号装置中已广泛应用。与其它机械紧固法相比：体积小、重量轻、安装方便、连接无漏丝、安全可靠。.50 图7-2-5 形状记忆合金紧固铆钉 工程中常用铆钉和螺栓进行紧固，但有时候操作困难，例如在密闭真空中很难进行操作，可以用SMA紧固铆钉方便的实现紧固。 尾部处理成记忆开口状，紧固前，把铆钉
40、在干冰中冷却后把尾部拉直，插入被紧固件的孔中，温度上升产生形状恢复，铆钉尾部叉开实现紧固。 .51（2）飞行器用天线）飞行器用天线 图7-2-6 人造卫星天线的示意图 由Ti-Ni合金板制成的天线能卷入卫星体内，当卫星进入轨道后，利用太阳能或其它热源加热就能在太空中展开。.52图7-2-7 形状记忆合金月面天线的自动展开示意图 美国字航局(NASA) 利用Ti-Ni合金加工制成半球状的月面天线，先加以形状记忆热处理，压成一团，阿波罗运载火箭送上月球表面，小团天线受太阳照射加热恢复原状，即构成正常运行的半球状天线， 用于通讯。.53（3）驱动元件）驱动元件 利用记忆合金在加热时形状恢复的同时其恢
41、复力利用记忆合金在加热时形状恢复的同时其恢复力可可对外作功对外作功的特性，制成各种驱动元件。的特性，制成各种驱动元件。 这种驱动机构结构简单，灵敏度高，可靠性好。这种驱动机构结构简单，灵敏度高，可靠性好。 .54图7-2-8 记忆合金空间有用载荷释放机构 安装前，记忆合金驱动器被轴向压缩；释放时，加热记忆合金驱动器，驱动器恢复原长而产生足够的轴向拉力拉断缺口螺栓，使有用载荷释放。1994年2月3日，美国在Clementine航天器上，用该机构在15s内成功释放了4只太阳能板。 .55图7-2-9 形状记忆温控阀 记忆合金丝可以制成圆柱形螺旋弹簧作为热敏驱动元件。其特点是利用形状记忆特性，在一定
42、温度范围内，产生显著的位移或力的变化。 SMA温控阀原理：当温度升到一定温度时，形状记忆弹簧克服偏压弹簧的压力，产生位移打开阀门，当温度降低时，偏压弹簧压缩形状记忆弹簧，使阀门关闭。 目前，我国已在热水器等设备上装有Cu-Zn-Al记忆元件。 .56机械手柔性三维运动.57（4）医学应用）医学应用 医学领域的记忆合金除了具备所需要的形状记忆或超弹性外，还必须满足化学和生物学等方面的可靠性，只有那种与生物体接触后会形成稳定性很强的钝化膜的合金才可以进入生物体内。 在现有的SMA中，仅有TiNi合金满足条件，是目前医学上使用的惟一的记忆合金 。 我国率先于20世纪80年代初，成功将TiNi合金应用
43、于临床，最早在口腔和骨科得到应用，其后推广到医学各领域。我国在临床应用上处于国际领先水平。.58图7-2-10 Ti-Ni合金做成的薄板型牙根结构 在牙齿矫形手术中，传统使用不锈钢和CoCr合金丝，后用Ti-Ni加工硬化后的合金（超弹性）取代不锈钢丝（1978年）。 1984年日本采用Ti-Ni SMA成功研制出薄板结构型牙根，下图。低温下使牙根端部合并，埋入颚骨后，用高频感应热或在口腔内灌入热生理盐水，使Ti-Ni SMA上升到42度，这时牙根端部向两侧张开30，其结合力比原来方法提高了40 。.59图7-2-11 Ti-Ni形状记忆合金锯齿臂环抱内固定器(a)环抱器由体部、臂部和锯齿部组成
44、 (b)环抱器横截面 c)圆柱形环抱器(上)、圆锥形环抱器(下) 1994年，有人研制出上图内固定器用于治疗长管骨折。这种环抱器具有良好的抗弯和抗扭作用，对压缩应力的对抗作用明显低于接骨板，有利于促进骨折愈合和减小固定后骨质疏松，为长骨干骨折提供了一种新的有效治疗手段。.60.617.2.37.2.3 形状记忆陶瓷形状记忆陶瓷最先报道具有形状记忆效应的陶瓷（澳大利亚Swain，1986年）：氧化镁部分稳定氧化锆（Mg-PSZ）的弯曲试验。.62图7-2-12 9.4mol MgO-PSZ的形状记忆效应(示意图) 200MPa拉应力载荷，100 /h加热至800 保温2h，然后同速冷却后发现：a
45、)烧结态试样； b)热处理试样(11009h)； 将b）在无载荷作用下重新加热到800 得到c).63形状记忆陶瓷的应用形状记忆陶瓷的应用 图7-2-13 用PNZST陶瓷为驱动器的闭锁继电器 50um的位移可触动开关，尺寸紧凑，仅为通常电磁继电器的110，用脉冲电压操纵，节省能量 ；在350V电压下4ms接通，在-50V断开。.64图7-2-14 应用形状记忆叠层装置的机械夹持器 20层形状记忆材料制成，可用于夹持显微试样。200V，4ms的脉冲电压使4mm的叠层陶瓷位移4um，经杠杆放大作用，尖端位移30um，可稳定夹持几个小时。.657.2.47.2.4 形状记忆聚合物形状记忆聚合物形状
46、记忆高聚物形状记忆高聚物(shape memory polymers，简写SMP)或称形状形状记忆高分子记忆高分子： 由固定相或称硬相由固定相或称硬相(hard domain)和软化和软化- -硬化可逆相或硬化可逆相或称软相称软相(soft domain)构成，通过可逆相的可逆变化而具有形构成，通过可逆相的可逆变化而具有形状记忆效应。状记忆效应。 于20世纪80年代开始对SMP的研究。1984法国的CdFChimie公司成功开发出世界首例形状记忆聚合物聚降冰片烯以后，SMP进入高速发展阶段。.66形状记忆高聚物的应用形状记忆高聚物的应用 (1) 土木建筑：用于固定铆钉、空隙密封和异径管连土木建
47、筑：用于固定铆钉、空隙密封和异径管连接等。接等。 异径管连接异径管连接： 先将先将SMP树脂加热软化制成管状，趁热向内插入直径比树脂加热软化制成管状，趁热向内插入直径比该管子内径稍大的棒状物，以扩大口径，然后冷却成型抽出棒该管子内径稍大的棒状物，以扩大口径，然后冷却成型抽出棒状物，得到状物，得到热收缩管热收缩管制品。制品。 使用时，将直径不同的金属管插入热收缩管中，用热水或使用时，将直径不同的金属管插入热收缩管中，用热水或热风加热，套管收缩紧固，使各种异径的金属管或塑料管有机热风加热，套管收缩紧固，使各种异径的金属管或塑料管有机地结合。地结合。 .67(2) 机械制造：用于自动启闭阀门、防音辊
48、、防震器、机械制造：用于自动启闭阀门、防音辊、防震器、连接装置、衬里和缓冲器等。连接装置、衬里和缓冲器等。 SMP树脂可用来制作树脂可用来制作火灾报警感温装置火灾报警感温装置、自动、自动开闭阀门、残疾病人行动使用的感温轮椅等。开闭阀门、残疾病人行动使用的感温轮椅等。 当汽车突然受到冲撞，当汽车突然受到冲撞， SMP树脂制作的树脂制作的保护保护装置装置变形后，只需加热就可恢复原状。变形后，只需加热就可恢复原状。 .68(3) 医疗卫生医疗卫生：夹板、矫形器、扩张血管器和固定器等。：夹板、矫形器、扩张血管器和固定器等。 将将SMP树脂加工成创伤部位的形状，用热风加热使树脂加工成创伤部位的形状，用热风加热使其软化，在外力作用下变形为易装配的形状，冷却固化其软化，在外力作用下变形为易装配的形状，冷却固化后装配到创伤部位，再加热便恢复原状起固定作用。取后装配到创伤部位，再加热便恢复原状起固定作用。取下时也极为方便，只需热风加热软化。下时也极为方便，只需热风加热软化。 图7-2-15 医疗固定器具示意图 .69(4) 印刷包装：印刷包装：用于热收缩膜和商标等。(5 5) 智能材料：智能材料：用于传感和执行元件等。.70