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1、第3 章 智能材料3.1 形状记忆材料形状记忆材料 1、基本概念、基本概念 2、形状记忆高分子材料、形状记忆高分子材料 3、形状记忆合金材料、形状记忆合金材料 4、形状记忆陶瓷、形状记忆陶瓷3.2 3.2 智能高分子凝胶智能高分子凝胶 1、智能高分子凝胶的概念、智能高分子凝胶的概念 2、凝胶分类及其刺激响应性、凝胶分类及其刺激响应性 3、智能高分子凝胶的应用、智能高分子凝胶的应用3.3 磁流变液磁流变液 1、基本概念、基本概念 第3 章 智能材料 2、磁流变液的组成、磁流变液的组成 3、磁流变液的应用、磁流变液的应用3.4“自修复自修复”智能材料智能材料 1、自修复自愈合陶瓷、自修复自愈合陶瓷
2、 3、自愈合混凝土、自愈合混凝土3.5 3.5 响应性仿生纳米孔道响应性仿生纳米孔道 1、生物孔道、生物孔道 2、响应性仿生纳米孔道、响应性仿生纳米孔道 3、人工纳米孔道的应用、人工纳米孔道的应用3.1 3.1 形状形状记忆材料（记忆材料（shape memory materialshape memory material)1、基本概念、基本概念第3 章 智能材料形状记忆效应：形状记忆效应：将材料在一定条件下进行一定限度范围内的变形后，再对材料施加适当的外界条件，材料的变形随即消失而回复到变形前的形状的现象。有形状记忆高分子材料、形状记忆合金、形状记忆陶瓷第3 章 智能材料高分子材料高分子材料
3、：macromolecularmaterial，以高分子化合物为基础的材料。高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料。2、形状记忆高分子材料（、形状记忆高分子材料（SMP）分子量可高达几十万，链状结构第3 章 智能材料形状记忆高分子材料（形状记忆高分子材料（SMP）:具有形状记忆效应特性的高分子材料。对通用高分子材料进行分子组合和改性，对应一定的外部条件完成“起始态-固定变形态-恢复起始态”的循环。第3 章 智能材料外部条件：热、光、声、电、酸碱度、相转变、螯合反应等。形状记忆高分子材料分类：形状记忆高分子材料分类：热致热致SMP：在室温以上变形，并能在室温固定形变且可长期存放，当再升
4、温至某一特定响应温度时，制件能很快回复初始形状的聚合物。广泛用于医用器械、泡沫塑料、座垫、光信息记录介质及报警器等。电致电致SMP:是热致形状记忆功能高分子材料与具有导电性能物质（如导电炭黑、金属粉末及导电高分子等）的复合材料。该复合材料通过电流产生的热量使体系温度升高，致使形状回复，所以既具有导电性能，又具有良好的形状记忆功能主要用于电子通讯及仪器仪表等领域，如电子集束管、电磁屏蔽材料等。第3 章 智能材料光致光致SMP：是将某些特定的光致变色基团是将某些特定的光致变色基团（PCGPCG）引入高分子主链和侧链中，当受到紫外）引入高分子主链和侧链中，当受到紫外光照射时，光照射时，PCGPCG发
5、生光异构化反应，使分子链的发生光异构化反应，使分子链的状态发生显著变化，材料在宏观上表现为光致形状态发生显著变化，材料在宏观上表现为光致形变；光照停止时，变；光照停止时，PCGPCG发生可逆的光异构化反应，发生可逆的光异构化反应，分子链的状态回复，材料也回复原状。分子链的状态回复，材料也回复原状。该材料用作印刷材料、光记录材料、光驱动分子阀和药物缓释剂等。第3 章 智能材料化学化学SMP:利用材料周围介质性质的变化来激发利用材料周围介质性质的变化来激发材料变形的形状回复。材料变形的形状回复。常见的化学感应方式有pH值变化、平衡离子置换、螯合反应、相转变反应和氧化还原反应等。该材料用于蛋白质或酶
6、的分离膜;“化学发动机等特殊领域。第3 章 智能材料SMP都具有两相结构，即由记忆起始形状的都具有两相结构，即由记忆起始形状的固固定相定相和随温度变化能可逆地固化和软化的和随温度变化能可逆地固化和软化的可逆可逆相相组成。组成。第3 章 智能材料固定相固定相:聚合物交联结构或部分结晶结构，在工聚合物交联结构或部分结晶结构，在工作温度范围内保持稳定，用以保持成型制品形状，作温度范围内保持稳定，用以保持成型制品形状，即即记忆起始态。记忆起始态。可逆相可逆相:能够随温度变化在结晶与结晶熔融态或能够随温度变化在结晶与结晶熔融态或玻璃态与橡胶态间可逆转变，相应结构发生软玻璃态与橡胶态间可逆转变，相应结构发
7、生软化、硬化可逆变化化、硬化可逆变化-保证成型制品可以改变形保证成型制品可以改变形状。状。高分子材料形状记忆特性：高分子材料形状记忆特性：第3 章 智能材料热致形状记忆过程如下：热致形状记忆过程如下：医疗器材医疗器材-固定创伤部位的器材固定创伤部位的器材形状记忆高分子材料的应用形状记忆高分子材料的应用1第3 章 智能材料代替传统石膏绷带用于创伤部位的固定材料。将加工成创伤部位的形状，用热水或热风使其软化，施加外力为易装配的形状，冷却后装配到创伤部位，再加热则恢复到原形状，起到固定作用。医疗器材医疗器材-手术缝合线手术缝合线形状记忆高分子材料的应用形状记忆高分子材料的应用2第3 章 智能材料将具
8、有生物降解性的形状记忆纤维的形状记忆纤维的形状记忆温度设置在人体体温附近，用这种纤维制成的丝线可作为手术缝合线或医疗植入物。由于该材料具有记忆功能，它能以一个松散线团的形式切入伤口，当其被加热到体温时，材料“记忆”起事先设计好的形状和大小，便会收缩拉紧伤口，待伤口愈合好后，材料自行分解，然后无害地为人体所吸收。形状记忆高分子的应用形状记忆高分子的应用3异径管接合材料异径管接合材料-热收缩管热收缩管第3 章 智能材料包装材料变形物的复原，如紧固铆钉紧固铆钉等形状记忆高分子的应用形状记忆高分子的应用4第3 章 智能材料第3 章 智能材料3、形状记忆合金材料、形状记忆合金材料具有形状效应的金属通常是
9、由两种以上金属元素具有形状效应的金属通常是由两种以上金属元素具有形状效应的金属通常是由两种以上金属元素具有形状效应的金属通常是由两种以上金属元素构成的构成的构成的构成的合金。合金。合金。合金。形状记忆合金形状记忆合金:Shape Memory Alloys，SMA是具有形状记忆效应的合金，在一定的外力作用下可以改变其形态(形状和体积)，但当温度升高到某一定值时，它又可完全恢复原来的形态。这类合金可恢复的应变量达到7%-8%，对一般材料来说，发生这样的大变形量早就发生永久变形了。第3 章 智能材料合金的形状记忆效应实质上是在温度和应力的作在温度和应力的作用下，合金内部热弹性马氏体形成、变化、消失
10、用下，合金内部热弹性马氏体形成、变化、消失的相变过程的宏观表现的相变过程的宏观表现。这种热弹性马氏体不像Fe-C合金中的马氏体那样，在加热转变成它的母相（奥氏体）之前即发生分解，而是加热时直接转成它的母体加热时直接转成它的母体。热弹性马氏体冷冷却却时时马马氏氏体体长长大大，加加热热时时马马氏氏体体收收缩缩，热弹性马氏体的相变是可逆的，且相变的过冷度很小。第3 章 智能材料SMA与热致型与热致型SMP部分性能比较部分性能比较（1）SMA的形变量形变量低，一般在10%以下，而SMP较高，形状记忆聚氨酯高于400%；（2）SMP的形状恢复温度形状恢复温度可通过化学方法调整，具体品种的形状记忆合金的形
11、状恢复温度一般是固定的；（3）SMP的形状恢复应力形状恢复应力一般比较低，约为10-30，而SMA高于1471MPa；（4）SMA的重复形变次数重复形变次数可达到104数量级，而SMP仅稍高于5000次，故其耐疲劳性不理想；（5）SMPSMP仅有单程记忆功能仅有单程记忆功能。(6)SMP的成本低。第3 章 智能材料形状记忆合金形状记忆合金镍镍-钛系钛系铜系铜系铁系铁系目前用量最大目前用量最大优点：抗拉强度高、疲劳优点：抗拉强度高、疲劳强度高、耐蚀性好、密度强度高、耐蚀性好、密度小、与人体有生物相容性小、与人体有生物相容性缺点：成本高、加工困难缺点：成本高、加工困难缺点：功能不如镍缺点：功能不如
12、镍-钛系钛系优点：成本低、加工容易优点：成本低、加工容易缺点：功能不如铜系缺点：功能不如铜系优点：具有价格竞争优势优点：具有价格竞争优势常见的形状记忆合金常见的形状记忆合金第3 章 智能材料（1 1）单程记忆效应）单程记忆效应 合金在高温下制成某种形状，在低温相时将其任意变形，再加热后可恢复变形前的形状，而重新冷却时却不能恢复低温相时的形状，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。形状记忆合金的记忆特性：形状记忆合金的记忆特性：第3 章 智能材料（a）未拉长(b)被拉长后(c)放入热水后恢复原长单程TiNi记忆合金簧的动作变化情况 第3 章 智能材料在拉长后，随着温度的升高可自行
13、回复原长的感温驱动元件（2 2）双程记忆效应）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，即通过温度的升降自发可逆地反复恢复高低温相形状的现象。第3 章 智能材料（a）没放入热水前 (b)放入热水后 (c)凉至室温后双程CuZnAl记忆合金花的动作变化情况 第3 章 智能材料 （a）没放入热水前 (b)放入热水后 (c)凉至室温后高温伸长的双程CuZnAl记忆合金弹簧的动作变化情况第3 章 智能材料 （a）没放入热水前 (b)放入热水后 (c)凉至室温后高温缩短的双程CuZnAl记忆合金弹簧的动作变化情况低温（室温）时为200mm，缩短状态即高温（65-85）时为10
14、0mm第3 章 智能材料（3 3）全程记忆效应）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（只能在富Ni的Ti-Ni合金中出现）。第3 章 智能材料全程记忆效应（全程记忆效应（Ti-Ni51%,400Ti-Ni51%,400时效时效100h100h）四条互成四条互成 4545夹角的薄条带，在夹角的薄条带，在100100开水中呈现结扎点开水中呈现结扎点在上的圆球形在上的圆球形a a，从开水中缓慢提起来时的形状，从开水中缓慢提起来时的形状b b，在室温，在室温时变成近似直线时变成近似直线c c，浸泡在冰水中，反方向弯曲，浸泡在冰水中，反方向弯曲d
15、 d，在干冰，在干冰-酒精液中冷却到酒精液中冷却到-40-40时，形状变成结扎点在圆球内部下方时，形状变成结扎点在圆球内部下方的与的与a a相似的圆球形相似的圆球形e e，放入，放入 100100水中，则又恢复成形状水中，则又恢复成形状a a。第3 章 智能材料 已已发发现现的的形形状状记记忆忆合合金金种种类类很很多多，可可以以分分为为Ti-NiTi-Ni系系、铜铜系系、铁铁系系合合金金三三大大类类。目目前前已已实实用用化的形状记忆合金只有化的形状记忆合金只有Ti-NiTi-Ni系合金和铜系合金。系合金和铜系合金。（1 1）工程应用）工程应用 形形状状记记忆忆合合金金在在工工程程上上的的应应用
16、用很很多多，最最早早的的应应用用就就是是作作各各种种结结构构件件，如如紧紧固固件件、连连接接件件、密密封封垫垫等等。另另外外，也也可可以以用用于于一一些些控控制制元元件件，如一些与温度有关的传感及自动控制。如一些与温度有关的传感及自动控制。形状记忆合金应用形状记忆合金应用第3 章 智能材料防烫伤阀 在家庭生活中，已开发的形状记忆阀可用来防止洗涤槽中、浴盆和浴室的热水意外烫伤；这些阀门也可用于旅馆和其他适宜的地方。如果水龙头流出的水温达到可能烫伤人的温度(大约 48)时，形状记忆合金驱动阀门关闭，直到水温降到安全温度，阀门才重新打开。第3 章 智能材料飞机的空中加油飞机的空中加油的接口处就是利用
17、了记忆合金-两机油管套结后，利用电加热改变温度，接口处记忆合金变形，使接口紧密滴水（油）不漏。自动的消防龙头-失火温度升高，记忆合金变形，使阀门开启，喷水救火。第3 章 智能材料将记忆合金制成在将记忆合金制成在A Af f温度以上具有（温度以上具有（a a）所示形状铆钉，铆接时先）所示形状铆钉，铆接时先将其冷却到将其冷却到M Mf f温度以下，这时合金处于完全的马氏体态很容易变温度以下，这时合金处于完全的马氏体态很容易变形，略施加一点力将铆钉扳成（形，略施加一点力将铆钉扳成（b b）所示并插入铆钉孔（）所示并插入铆钉孔（c c），然），然后随温度回升到后随温度回升到A Af f以上，铆钉回复到
18、变形前的形状达到铆接的目以上，铆钉回复到变形前的形状达到铆接的目的（的（d d）。）。TMs TMf TAs TAf马氏体开始形成温度马氏体开始形成温度MsMs、终了温度、终了温度MfMf、母相转变开始温度、母相转变开始温度A As s 终了温度终了温度AfAf第3 章 智能材料（2 2）医学应用）医学应用 利利用用Ti-NiTi-Ni合合金金与与生生物物体体良良好好的的相相容容性性，可可制制造造医医学学上上的的凝凝血血过过滤滤器器、脊脊椎椎矫矫正正棒棒、骨骨折折固固定定板板等等。利利用用合合金金的的超超弹弹性性可可代代替替不不锈锈钢钢作作齿形矫正用丝等。齿形矫正用丝等。第3 章 智能材料Ni
19、Ti合金丝制作了宇宙空间站的面积几百平米的自展天线-先在地面上制成大面积的抛物线形或平面天线，折叠成一团，用飞船带到太空，温度转变，自展成原来的大面积和形状。12348765(3)(3)在宇航空间技术方面的应用在宇航空间技术方面的应用第3 章 智能材料4、形状记忆陶瓷形状记忆陶瓷 20世纪60年底人们确认陶瓷材料也存在马氏体相变，一个著名的例子就是ZrO2陶瓷中的马氏体相变，这一相变现象可以使陶瓷材料具有形状记忆效应。形状记忆陶瓷的机理可分为：马氏体形状记忆马氏体形状记忆陶瓷陶瓷、铁电形状记忆陶瓷铁电形状记忆陶瓷、粘弹性形状记忆陶粘弹性形状记忆陶瓷瓷、铁磁性形状记忆陶瓷铁磁性形状记忆陶瓷等。第
20、3 章 智能材料随温度的变化纯ZrO2有三种晶型：单斜晶系、四方晶系、立方晶系。温温度度改改变变可以使四方相和单斜相之间发生可逆马氏体转变，四方向单斜转变有5的体积变化。而且应力也可诱发四方向单斜的的转转变变。形状记忆陶瓷的应用：形状记忆陶瓷的应用：制作金属管的密封外接套。马氏体形状记忆陶瓷马氏体形状记忆陶瓷第3 章 智能材料形状记忆陶瓷应变小，但响应速度快；而形状记形状记忆陶瓷应变小，但响应速度快；而形状记忆合金应变大，但响应速度慢。二者复合可制成忆合金应变大，但响应速度慢。二者复合可制成形状记忆复合材料。形状记忆复合材料。锆钛酸铅（Pb，La）（Zr，Ti）O3，PZT）陶瓷中添加稀土镧而
21、获得的锆钛酸铅镧（PLZT）陶瓷，不但是一种优良的电光陶瓷，而且因其具有形状记忆功能，即体现出形状自我恢复的自调谐机制。铁电形状记忆陶瓷铁电形状记忆陶瓷第3 章 智能材料思思 考考 题题1 1、概念：形状记忆效应、概念：形状记忆效应2 2、比较形状记忆合金与热致型形状记忆高分子、比较形状记忆合金与热致型形状记忆高分子材料、形状记忆陶瓷材料之间的性能。材料、形状记忆陶瓷材料之间的性能。3 3、根据记忆功能或化学组分的不同，形状记忆、根据记忆功能或化学组分的不同，形状记忆合金如何分类？合金如何分类？4 4、举例说明、举例说明形状记忆高分子、形状记忆合金、形状记忆高分子、形状记忆合金、ZrOZrO2
22、 2形状记忆形状记忆陶瓷的应用。陶瓷的应用。第3 章 智能材料 海参有一个特性：如海参有一个特性：如果有谁用手去碰一下果有谁用手去碰一下它柔软的身体，它就它柔软的身体，它就会一下变得象木头一会一下变得象木头一样坚硬，但如果将它样坚硬，但如果将它在手中紧捏一会，它在手中紧捏一会，它就会慢慢地溶变成滑就会慢慢地溶变成滑溜溜的液体从你手中溜溜的液体从你手中逃走。逃走。第3 章 智能材料3.2 3.2 智能高分子凝胶智能高分子凝胶1、智能高分子凝胶的概念、智能高分子凝胶的概念其体壁的原始器官由高分子水凝其体壁的原始器官由高分子水凝胶组成，受到外界刺激会吸附钙胶组成，受到外界刺激会吸附钙离子，体壁变成韧
23、性结构。离子，体壁变成韧性结构。凝胶：凝胶：由三维网络结构的高分子化合物与溶剂由三维网络结构的高分子化合物与溶剂组成的复合体系组成的复合体系。高分子在溶剂中溶胀并保持。高分子在溶剂中溶胀并保持大量溶剂而又不溶解。大量溶剂而又不溶解。由于高分子化合物是一种三维网络立体结构，由于高分子化合物是一种三维网络立体结构，因此它不被溶剂溶解，但其亲溶剂的基团部分因此它不被溶剂溶解，但其亲溶剂的基团部分却可以被溶剂作用而使高分子溶胀。却可以被溶剂作用而使高分子溶胀。液体被高液体被高分子网络封闭在里面，失去了流动性，因此凝分子网络封闭在里面，失去了流动性，因此凝胶能象固体一样显示出一定的形状。胶能象固体一样显
24、示出一定的形状。第3 章 智能材料第3 章 智能材料当外界条件发生微小变化时，凝胶体积会随之发生数倍或数十倍的变化，当达到并超过某临界区域时，甚至会发生不连续的突跃性可逆变化，即体积相转变（体积相转变（高分子凝胶的特点高分子凝胶的特点）。在高分子凝胶中出现相转变，表现为网络的网孔增大、网络失去弹性、网络的体积急剧变化（可变化几百倍之多），甚至在三维网络结构中不再存在凝胶相。而且这些变化是可逆的和不连续的。l 内因：范德华力、氢键、疏水作用及静电作用力-相互组合和竞争溶胀相收缩相外界环境因子的变化体积不连续变化高分子凝胶的体积相转变高分子凝胶的体积相转变第3 章 智能材料n智能高分子智能高分子凝
25、胶凝胶是一类受外界环境微小的物是一类受外界环境微小的物理和化学刺激如温度、光、电场等，其自身理和化学刺激如温度、光、电场等，其自身性质就会发生明显改变的交联聚合物。性质就会发生明显改变的交联聚合物。第3 章 智能材料2、凝胶分类及其刺激响应性、凝胶分类及其刺激响应性（1）凝胶分类）凝胶分类按来源分天然凝胶和合成凝胶天然凝胶和合成凝胶按网络中的液体分为水凝胶和有机凝胶水凝胶和有机凝胶按其交联的方式分为化学凝胶和物理凝胶化学凝胶和物理凝胶按其响应刺激信号分为温敏凝胶、光敏凝胶等温敏凝胶、光敏凝胶等第3 章 智能材料（2 2）凝胶的）凝胶的刺激响应性刺激响应性热响应性热响应性：能响应温度变化而发生溶
26、胀或收缩即体积相转变的凝胶。体积发生变化的临界转化温度体积发生变化的临界转化温度-低临界溶解温度低临界溶解温度（LCST)LCST)：高温收缩型高温收缩型 （疏水基团的作用）（疏水基团的作用）低温收缩型（氢键的形成与断裂）低温收缩型（氢键的形成与断裂）电场响应电场响应：在电场刺激下，凝胶产生溶胀或收缩，并将电能转化为机械能。磁场响应磁场响应：在磁场刺激下，凝胶产生溶胀和收缩。将铁磁体“种植”在凝胶内，当施加磁场时铁磁体发热，使周围凝胶温度升高诱发溶胀和收缩；去除磁场后，凝胶冷却，恢复至原来的尺寸。第3 章 智能材料第3 章 智能材料复合磁性粒子的PDMS凝胶对机械力的各向异性箭头为样品中填充粒
27、子的取向，右为凝胶弹性模量的各向箭头为样品中填充粒子的取向，右为凝胶弹性模量的各向异性异性第3 章 智能材料光响应光响应：由于光辐射而发生凝胶溶胀或收缩。通过特殊的感光分子，将光能转化为热能使材料局部温度升高，诱发凝胶溶胀和收缩。利用光敏分子遇光分解在凝胶内部产生大量离子，使凝胶内外离子浓度差改变，造成凝胶渗透压突变，促使凝胶发生溶胀作出光响应。第3 章 智能材料pHpH响应性凝胶响应性凝胶生化响应性凝胶生化响应性凝胶盐敏凝胶盐敏凝胶l温度响应性凝胶温度响应性凝胶l光响应性凝胶光响应性凝胶l压力敏感性凝胶压力敏感性凝胶l电场响应性凝胶电场响应性凝胶刺激响应性刺激响应性物理刺激物理刺激化学刺激化
28、学刺激温度温度光光压力压力电场电场pH pH 生化生化盐盐 化学、相分离、形状、化学、相分离、形状、表面、渗透性、机械强度表面、渗透性、机械强度光、电光、电刺刺激激响响应应分类分类第3 章 智能材料具有三维网络结构的高分子凝胶的溶胀行为还可以由于糖类的刺激而发生突变，这样，高分子溶胀行为将受到葡萄糖浓度变化的指令。葡萄糖浓度信息对于糖尿病患者是很重要的，如果以这种含葡萄糖的高分子凝胶作为负载胰岛素的载体，表面用半透膜包覆，在此体系中随着葡萄糖浓度的变化，高分子凝胶将作出响应，执行释放胰岛素的命令，从而有效地维持糖尿病患者的血糖浓度处于正常。第3 章 智能材料3、智能高分子凝胶的应用、智能高分子
29、凝胶的应用1-智能药物释放系统v葡萄糖响应高分子配合葡萄糖响应高分子配合物形成的胰岛素释放微囊物形成的胰岛素释放微囊聚乙二醇聚乙二醇感知葡萄糖浓度交换键合释放药物患者的血糖浓度维持正常水平释放机理释放机理刺激响应脉冲释放刺激响应脉冲释放第3 章 智能材料应用应用2-2-调光材料&组织培养高温白浊化低温透明调光材料第3 章 智能材料细胞组织培养凝胶表面疏水凝胶表面亲水如PNIPA凝胶在32以下分子呈伸展构象，在32 以上呈压缩线团构象，分子由于具有疏水性而相互聚集沉淀。应用应用3-3-化学机械器件化学机械器件自振动凝胶作成毛状传动装置Poly(NIPAAm-co-Ru(bpy)3)循环提供的动力
30、第3 章 智能材料人造肌肉。人造肌肉。对人体内对人体内发出的某种化学信号发出的某种化学信号作出舒张和收缩反应。作出舒张和收缩反应。凝胶用于污泥脱水过程应用应用4-4-环境工程（吸附分离）环境工程（吸附分离）溶胀收缩循环第3 章 智能材料应用应用55智能高分子膜开关（扩散分离）智能高分子膜开关（扩散分离）第3 章 智能材料关开聚异丙基丙烯酰胺聚异丙基丙烯酰胺聚苯乙烯聚苯乙烯施加磁场使MPS-PNIPA小球在PVA凝胶中取向成链状TLCST,PNIPA收缩TLCST,PNIPA膨胀血清蛋白分子3.3 3.3 磁流变液磁流变液1、基本概念、基本概念第3 章 智能材料磁流变液（磁流变液（Magneto
31、rheological Fluid）：在外加磁场作用下其粘性、塑性等流变特性发生急剧变化的材料。第3 章 智能材料 在外加磁场作用下能瞬间(毫秒级)从自由流动的液体转变为半固体。磁流变液在磁场作用下的流变特性是瞬间、可逆、而且其流变后的剪切屈服强度与磁场强度具有稳定的对应关系，整个过程具有可控性，能耗极小。特征：特征：第3 章 智能材料2、磁流变液的组成、磁流变液的组成铁磁性易磁化颗粒、母液油和稳定剂三种物质铁磁性易磁化颗粒、母液油和稳定剂三种物质磁流变液是将微米尺寸的磁极化颗粒分散于非磁性液体（矿物油、硅油等）中形成的悬浮液。羰基铁粉、羰基铁粉、纯铁粉或纯铁粉或铁合金，铁合金，3-53-5m
32、 m 矿物油、矿物油、硅油、硅油、合成油合成油等等 减缓或防止磁性颗粒减缓或防止磁性颗粒沉降的产生：如表面沉降的产生：如表面活性剂、多孔硅胶活性剂、多孔硅胶 第3 章 智能材料例：例：直径为.mm羰基铁粉分散于硅油中，并用偶联剂预先处理，改善液态相和固态相的相容性，有效防止粒子沉淀。载液也可以是：磁性液体，用胶体状的磁流体作载液，如铁磁流体，磁流变效应较低。第3 章 智能材料3、磁流变液的应用、磁流变液的应用在建筑领域中的应用利用磁流变液可以制造阻尼力可调的阻尼器，以实现振动的半主动控制。第3 章 智能材料在汽车制造行业中的应用在汽车制造行业，利用磁流变阻尼技术制造的悬架减振器以及汽车座椅减振
33、系统，可以提高汽车的安全性和舒适性。第3 章 智能材料在机械工程中的应用利用磁流变液固化现象可以对工件表面进行抛光。在高强度的梯度磁场中,磁流变抛光液变硬,成为具有粘塑性的Bingham介质。当这种介质通过工件与运动盘形成的很小空隙时,对工件表面与之接触的区域产生很大的剪切力,从而使工件表面的材料被去除。第3 章 智能材料利用磁流变效应可开发各种流量控制阀和压力控制阀。这些液压元件没有相对运动的阀芯，制造成本低，无磨损，寿命长，易于控制。1995年,Rochester大学的光学加工中心(COM)对一批直径小于50mm的球面和非球面光学元件进行了加工，结果是熔石英球面元件表面粗糙度降到018nm
34、,面形误差为0109m。第3 章 智能材料3、磁流变液的应用、磁流变液的应用在航空领域中的应用 美国 Pennsylvania 大学将磁流变阻尼器作为减摆器安装在直升机的旋翼系统中，分别采用开关控制和线性反馈控制方法对其振动进行研究测试，结果表明在抑制直升机“地面共振”上，磁流变阻尼器能比同样大小的粘弹性阻尼器提供更充足的阻尼力，两种控制方法都能很好地抑制直升机“地面共振”的发生。3.4 3.4“自修复自修复”智能材料智能材料1、自修复自愈合陶瓷、自修复自愈合陶瓷第3 章 智能材料自修复：自修复：又称自愈合，是生物的重要特征之一，人们把产生缺陷时在无外界作用的情况下，材料本身自我判断、控制和恢
35、复的能力称为自修复。氧化锆增韧陶瓷-微裂纹增韧和相变增韧ZrO2颗粒分散在陶瓷基体中为避免烧结块的开裂，常加入稳定剂以保持氧化锆的高温形态。第3 章 智能材料微裂纹增韧：部分稳定的ZrO2颗粒从烧结温度冷却到室温由于相变体积膨胀导致陶瓷基体产生压应力，形成微裂纹，可阻碍主裂纹的扩展，并使其偏转，吸收了裂纹扩展的能量，提高材料的强度和韧性。第3 章 智能材料相变增韧：应力诱导的相变增韧，ZrO2颗粒与基体的热膨胀系数不同，从烧结温度冷却到室温过程中ZrO2颗粒受到不同的作用力，当受到压应力时，相变会受到抑制，氧化锆马氏体相变温度随颗粒尺寸的减小而降低，因此此相变温度可降低到室温。当材料受到外加应
36、力时，基体对ZrO2颗粒的压压力释放，ZrO2颗粒发生相变，并在陶瓷基体形成微裂纹，可阻碍主裂纹的扩展，吸收了裂纹扩展的能量，提高材料的强度和韧性。第3 章 智能材料 研究案例：多元增韧氧化锆复合陶瓷柱研究案例：多元增韧氧化锆复合陶瓷柱塞及氧化锆增韧陶瓷柱塞塞及氧化锆增韧陶瓷柱塞 高压柱塞泵广泛用于油田车辆及工程机械 氧化锆增韧陶瓷柱塞在油田柱塞式往复泵上的试制与实际应用过程,安装的陶瓷柱塞累计使用时间达到400天，寿命比普通钢制柱塞提高5倍以上，标志着其工业一现场试验取得成功。陶瓷柱塞作为结构陶瓷产品的种成熟产品，具有超高耐热性、高强度、高硬度、高耐磨性和优良的耐腐蚀性等综合特性特点。第3
37、章 智能材料2、自愈合混凝土、自愈合混凝土在混凝土原有的组成基础上掺加复合智能型组分，使混凝土材料具有一定的自感知、自适应和损伤自修复等智能特性的多功能材料。目前自诊断、自调节和损伤自修复等性能在一种混凝土结构中不能全部体现出来，只是初步具有某一种智能(确切的说是一种反应性能)特性。第3 章 智能材料 自诊断智能混凝土自诊断智能混凝土具有压敏性和温敏性等性能。普通的混凝土材料本身并不具有自感应功能，但在混凝土基材中掺入部分导电相组分制成的复合混凝土可具备自感应性能。目前常用的导电组分可分为三类:聚合物类、碳类和金属类，而最常用的是碳类和金属类。碳类导电组分包括石墨、碳纤维及碳黑;金属类材料则有
38、金属微粉末、金属纤维、金属片、金属网等。第3 章 智能材料 碳纤维水泥基材料在结构构件受力的弹性阶碳纤维水泥基材料在结构构件受力的弹性阶段其电阻变化率随内部应力线形增加段其电阻变化率随内部应力线形增加，当接近构件的极限荷载时，电阻率逐渐增大，预示构件即将破坏;而基准水泥基材料的导电性能几乎无变化，直到临近破坏时，电阻变化率剧烈增大，反应了混凝土内部的应力应变关系。碳纤维混凝土复合材料在受力时的电阻变化与所受荷载呈现的这种线性关系，反映了内部损伤状况的丰富信息;据此可以敏感有效的监测拉、弯、压等工况及静态和动态荷载作用下结构的内部情况。第3 章 智能材料不同纤维掺量的混凝土的温阻试验表明，在初始
39、阶段，随温度的升高，均出现负温度系数NTC(negativetemperaturecoefficient)效应，即电阻率随温度的提高而下降。当温度达到某一临界温度时，不含碳纤维的混凝土其电阻率出现一个平台，随温度无明显改变，而含有碳纤维的水泥基材料，则出现正温度系数PTC(positivetemperaturecoefficient)效应，即电阻率随温度的升高而逐渐提高。碳纤维混凝土的这种温阻现象可以实现对大体积混凝土的温度自监控以及热敏元件和火警报警器等，可望应用于有温控和火灾预警要求的智能混凝土结构中。第3 章 智能材料碳纤维混凝土具有电热(由电产生热)、电力(由电产生变形)等效应，因此结
40、构可对自身进行温度调节，可针对由于温度所产生的应力和变形进行调节，对自身的变形在一定范围内进行调节。国内研究表明，碳纤维混凝土具有良好的导电性，且通电后其发热功率十分稳定。可用其电热效应来对混凝土路面桥面和机场跑道等结构进行融雪化冰等。在寒冷地区，基于碳纤维混凝土的道路及桥梁路面的自适应溶雪和融冰系统的智能混凝土研究已经在欧美等国家展开，并取得了一定的进展。第3 章 智能材料自修复智能混凝土自修复智能混凝土 以混凝土材料为基体，用内含粘结剂的空心胶囊、空心玻璃纤维或液芯光纤等埋植在其中，当混凝士材料受到损伤时，部分空心胶囊、空心玻璃纤维或液芯光纤破裂，粘结剂流到损伤处，使混凝土裂缝重新愈合。这
41、一技术被广泛地应用在公路、地基、桥墩等建筑物中。第3 章 智能材料具有调整建筑结构承载力的自调节混凝土材料：在混凝土中埋入形状记忆合金，利用形状记忆合金对温度的敏感性和不同温度下恢复相应形状的功能，在混凝土结构受到异常荷载干扰下，通过记忆合金形状的变化，使混凝土结构内部应力重分布并产生一定的预应力，从而提高混凝土结构的承载力。第3 章 智能材料3.53.5响应性仿生纳米孔道响应性仿生纳米孔道1、生物孔道、生物孔道第3 章 智能材料2、响应性仿生纳米孔道、响应性仿生纳米孔道 -选择性的人工纳米孔道开关重离子轰击加径迹化学刻蚀的方法重离子轰击加径迹化学刻蚀的方法聚合物薄膜纳聚合物薄膜纳米孔道制备：
42、米孔道制备：1-101-101212个孔个孔/每平方厘米，每平方厘米，很大的长度孔径比很大的长度孔径比(10(104 4)。损伤区域形成了几个纳损伤区域形成了几个纳米尺度上的笔直的径迹，米尺度上的笔直的径迹，然后进行有选择的化学然后进行有选择的化学刻蚀。刻蚀。第3 章 智能材料pH响应单纳米通道3、人工纳米孔道的应用、人工纳米孔道的应用新型DNA分析技术：单纳米孔道的DNA测序荷兰代尔夫特理工大学和英国牛津大学的研究人员声称开发出一款新型纳米装置,将生物纳米孔嵌入人工纳米孔,当单个DNA分子通过这个孔道时，自身信息就会被纳米孔“读取”。第3 章 智能材料第3 章 智能材料基于仿生智能纳米孔道的先进能源转换体系基于仿生智能纳米孔道的先进能源转换体系智能纳米孔道的能源转换方法摆脱了传统发电设备所必需的机械转动装置的束缚,在可以预见的范围内,仿生产能器件的效能必将超越已有人工体系。第3 章 智能材料 思思 考考 题题1 1、基本概念：基本概念：智能高分子凝胶智能高分子凝胶 体积相转变体积相转变2 2、高分子凝胶的特点及响应条件高分子凝胶的特点及响应条件1 1、如何使混凝土具有自诊断、自修复功能？、如何使混凝土具有自诊断、自修复功能？2 2、为什么为什么ZrOZrO2 2能增韧陶瓷？能增韧陶瓷？