《智能自修复材料在纺织上的应用.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能自修复材料在纺织上的应用.pdf（4页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、材质智能自修复材料在纺织上的应用张丽王瑞(天津工业大学纺织与服装学院天津3 0 0 1 6 0)摘要】具有自诊断、自修复功能的智能材料已成为新材料领域研究的重点之一。智能自修复材料的本质特征是材料具有仿生自修复功能，即材料能根据感受到的信息而自动判断、控制和修复以适应外界条件变化。本文介绍了智能自修复材料的基本概念、原理以及几种智能材料自修复功能，探讨了智能自修复材料光明的应用前景和发展趋势。关键词】自修复；智能材料；纺织；应用中图分类号 T S l 0 4 7O 引言当今世界，智能自修复材料科学是一门新兴起的综合性科学。上世纪8 0 年代末随着材料技术和大规模集成电路技术的发展与进步，美国军
2、方首先提出了智能材料与结构的设想和概念，随后便展开了大规模的研究。现如今，它的发展非常迅速，并且受到了越来越高程度的重视。目前，具有自诊断、自修复功能的智能自修复材料已成为新材料领域的研究重点之一。智能材料是指能模仿生命系统同时具有感知和激励双重功能的材料。自诊断与自修复是智能材料的重要功能。自愈合是生物的重要特征之一；自愈合的核心是物质补给与能量补给，其过程由生长活性因子来完成。基于这个原理仿照生物体损伤愈合的原理，可开发研制出智能自修复材料。1智能自修复材料的自修复原理智能自修复材料能够感受外界环境的变化，集感知、驱动和信息处理于一体，形成类似于生物体那样的具有自感知、自诊断、自修复功能的
3、材料。当今应用比较广泛的是采用内置胶囊、空心纤维或液芯光纤的来进行仿生自修复。将内含粘接剂的空心胶囊或玻璃纤维渗入材料中，一旦材料在外力作用下发生开裂，部分胶囊或纤维破裂，粘接液流出深入裂纹，粘接液江苏纺织4 41 2 2 0 0 4可使材料裂纹重新愈合。或者空心胶囊或玻璃纤维内部内含一种催化剂或促进剂，一旦材料在外力作用下发生开裂，部分胶囊或纤维破裂，催化剂或促进剂流出从而促使材料内部产生化学反应而自动愈合。内置胶囊的仿生自修复机理示意图如图一所示。内置空心玻璃纤维自修复材料示意图如图二所示。隔o000D o Oo ol1。苫。IIo o V I叫餮II=二!E 1 bc图一内置胶囊仿生自修
4、复机理示意图a 内含修补剂的胶囊分散于材料内；b 发生裂纹后使胶囊破裂，修复剂或催化剂等流出；c 流出的修补剂来修复裂纹或者催化剂促使材料内部产生化学反应而自动愈合。图二内置空心玻璃纤维自修复材料示意图修复机理：将内含修补剂的玻璃纤维埋置于材料内，发生裂纹后，纤维断裂，修复剂流出 万方数据来修复裂纹或者催化剂促使材料内部产生化学反应而自动愈合。2 智能自修复材料的发展及应用2 1 自修复聚合物一种新型韧性聚合物材料当逐渐地加热时可以修复它自己的裂缝。洛杉矶加利福尼亚大学的化学教授及合作者创造出一种大分子的网状物，它的主链通过热可逆的共价键完全连接。该聚合物通过一种含有四个呋喃二烯单元的化合物(
5、如图三中a 所示)与一个带有三个马来酰亚胺二烯亲合体的胺(如图三中b 所示)进行D i e l s a l d e r环加成反应而形成。最后所得到的透明固体和工业上的交联环氧树脂及不饱和聚酯同样坚固。通过加热该材料到1 2 0。1 5 0，裂缝的样品可以修复到几乎达到它们原来的强度。随着裂缝扩展，使在一D i e l s a l d e r 反应中分开的呋喃与马来酰亚胺单元再结合。不像以前所报道的自修复聚合物，这种新材料不需要额外的单体或催化剂。在其它应用中，它可以用于由于重复通断循环使温度不断变化而易于裂缝的电子元件。c 个c J e 飞L图三b2 2 纺织品的自修复美国发明了一种具有自修复
6、功能的中空纤维，这种中空纤维含有一种修正调节剂，在受到内部或外部刺激下可释放调节剂，当纺织品受力产生裂纹时，中空纤维释放化学药剂可粘合裂纹。该技术已获美国专利。2 3 材料的自修复自修复不仅在纺织上得到较好广泛的运用，在其它方面也得到一定的发展，如金属磨损自修复，混凝土自修复、采用空心光纤的智能材料自修复，采用形状记忆合金增强智能材料结构的自修复。3 结束语智能自修复材料对于提高产品的安全性和可靠性有着深远的意义。在材料已经投入使用就不可能对其修复或修复不现实的情况下，这种方法应该能够表现出其特殊的优势。外太空探索飞行器、人造卫星、火箭发动机的元件以及移植人造器官方面将是这种技术的首选应用场合
7、。此外，这种自修复智能材料今后在空间站建设、桥梁建设等工程中也有望一试身手。尽管智能自修复材料的应用尚处于初级阶段，研究工作在许多方面有待于新的突破，但它依然前景光明，并会像计算机芯片那样引起人们的重视，推动诸多方面的技术进步，开拓新的学科领域并引起材料与结构设计思想的重大变革参考文献1N e w n h a m RE，R u s c h a uGR JI n t e l l i g e n tM a t e r i a lS y s t e m sa n dS t r u c t u r e s，1 9 9 3，4(2)：2 8 9 2H a s t i n g sGWM a h m u d
8、EA JI n t e l l i g e n tM a t e r i a lS y s t e m sa n dS t r u c t u r e s，1 9 9 3，4(3)：4 5 2 3 梁文泉，王信刚，何真，李相国智能混凝土的研究 J 中国水泥2 0 0 3(6)3 3 3 54 陶宝棋，熊克，袁慎芳等智能材料结构【M 北京：北京国防工业出版社，1 9 9 7 5C h e m&E n g N e w s，自修复聚合物 J 国外石油化工快报2 0 0 2，3 2(5)9-96 中国纱线网美国发明可自修复的中空纤维(2 0 0 3 1 1)7 顾红，徐伟华，宋鹏云，王先逵，祝琳华，李
9、锡蓉磁流体密封水介质的自修复研究摩擦学学报2 0 0 2，2 2(3)2 1 4 2 1 7坚持真理的人是伟大的。雨果江苏纺织1 2 2 0 0 44 5固 万方数据智能自修复材料在纺织上的应用智能自修复材料在纺织上的应用作者：张丽，王瑞作者单位：天津工业大学纺织与服装学院,天津,300160刊名：江苏纺织英文刊名：JIANGSU TEXTILE年，卷(期)：2004，(12)被引用次数：1次 参考文献(7条)参考文献(7条)1.Newnham R E.Ruschau G R 查看详情 1993(02)2.Hastings G W.Mahmud E A 查看详情 1993(03)3.梁文泉.王
10、信刚.何真.李相国 智能混凝土的研究期刊论文-中国水泥 2003(06)4.陶宝棋.熊克.袁慎芳 智能材料结构 19975.Chem.Eng News 自修复聚合物 2002(05)6.中国纱线网 美国发明可自修复的中空纤维 20037.顾红.徐伟华.宋鹏云.王先逵祝琳华李锡蓉 磁流体密封水介质的自修复研究期刊论文-摩擦学学报 2002(03)相似文献(10条)相似文献(10条)1.期刊论文 晁小练.杨祖培.杜宗罡.康超.杨莉莉.Chao Xiaolian.Yang Zupei.Du Zonggang.Kang Chao.Yang Lili 自修复技术及自修复复合材料-塑料科技2006,34(
11、1)具有自诊断、自修复功能的智能材料已成为新材料领域研究的重点之一.介绍了具有自修复能力的智能材料的概念、修复原理和模型,介绍了陶瓷混凝土基自修复复合材料、聚合物基自修复复合材料和金属基自修复复合材料等自修复功能,总结了自修复技术的组成要素,并对近年来该领域的最新进展进行了评述,最后对该技术应用前景和发展趋势作出预测.2.期刊论文 杨明.梁大开.潘晓文 智能材料结构自修复的策略研究-电子产品可靠性与环境试验2004,(6)并非结构的任何微小损伤都会加以维修,即结构损伤修复的实时性要求要弱于诊断的实时性.对智能材料与结构在实时获得结构诊断信息条件下的自修复策略问题进行了研究,应用马尔可夫过程描述
12、智能材料结构的劣化过程,以单位时间费用最低为目标的自修复策略,给出了计算修复阀值的具体算法并用具体的实例说明了计算过程.3.学位论文 党旭丹 微胶囊自修复复合材料断裂力学实验研究 2005 本文对微胶囊自修复复合材料的断裂力学进行了实验研究。本实验的设计是：当自修复材料在外界条件作用下产生裂纹，裂纹前沿遇到含有修复剂的微胶囊时，微胶囊的壳必须破裂使其中的粘接剂能够流出，完成修复功能。断裂韧性的实验测试主要是建立测试系统，利用复合材料浇铸成型技术制作环氧树脂和不饱和聚酯树脂复合材料试件，获得每种配方材料试件的断裂韧性数值。与此同时，实验部分还测得每种材料试件的屈服强度和弹性模量。通过夹层模拟试件
13、断裂特性分析得到了试件中裂纹的扩展规律。4.期刊论文 张丽.王瑞.王庆珠 智能自修复材料的应用综述-山东纺织科技2004,45(6)具有自诊断、自修复功能的智能材料已成为新材料领域研究的重点之一.智能自修复材料的本质特征是材料具有仿生自修复功能,即材料能根据感受到的信息而自动判断、控制和修复以适应外界条件变化.文章介绍了智能自修复材料的基本概念、原理以及几种智能材料自修复功能,探讨了智能自修复材料光明的应用前景和发展趋势.5.期刊论文 缪钱江.方征平.蔡国平 自修复复合材料研究进展-材料科学与工程学报2004,22(2)具有自诊断、自修复功能的智能复合材料已成为新材料领域研究的重点之一.本文从
14、陶瓷混凝土基复合材料、聚合物基复合材料和金属基复合材料三方面简要介绍了具有自修复能力的智能材料的概念、制备原理和模型.对近年来该领域的最新研究进展进行了评述,并总结了具有机敏性自愈合能力的材料的组成要素.6.学位论文 郭宇锋 低维结构和器件的物理力学耦合研究 2005 在纳米尺度，许多物质和材料都具有非常奇特的物理、化学、力学性能和规律，而根据这些特性制成的各类纳米器件和结构拥有非常广阔的应用前景。本文使用以量子力学为基础的密度泛函理论、Hartree-Fork从头算理论以及半经验量子力学算法，结合经验的分子动力学模拟和量子分子动力学模拟，并配合连续介质力学建模方法，针对关键纳米材料结构和系统
15、中的碳纳米管力电耦合效应和失效行为、单壁碳纳米管电致伸缩变形、基于碳纳米管振荡器中的能量转换和耗散、铜纳米线在碳纳米管内的结构相变与破坏、多壁碳纳米管各层手性存在的特殊规律和生长方式、以及生物纳米复合材料结构中缺陷的自修复等一系列极为重要的低维结构的物理力学问题进行模拟计算和创新原理设计。在分子物理力学理论研究指导下，利用大规模并行计算模拟和力学理论建模，尝试探索碳纳米管系统中特异的物理力学耦合行为以及纳尺度材料的结构性能和生长机理，并理解生物材料自优化机理，主要有以下一些新的发现：1.纳米机电系统的发展要求智能材料具有大的应变和高功率密度以获得优良的能量转换能力，碳纳米管因其优越的物理力学性
16、能以及对外场（光、电、磁等）的高敏感性很有可能成为满足上述要求的纳智能材料。我们通过基于Roothaan-Hall方程的半经验量子力学计算和量子分子动力学模拟，揭示出机械载荷和电场共同作用下碳纳米管的特殊物理力学耦合行为、电致破坏机理和力电耦合作用对纳米管电学性能的重要影响。然后使用更为精确的Hartree-Fork从头算法和密度泛函理论，发现单壁碳纳米管在沿其轴向的外加电场作用下，碳纳米管的轴向具有超过10的巨电致伸缩变形，所得到的单位体积功率密度要比已报道的铁电、电致和磁致伸缩材料以及电致驱动聚合物高出近3个量级以上，而单位质量功率密度比其它已知材料高出4个量级以上。2.多壁碳纳米管因其极
17、低的层间相互作用，在纳米轴承和高频纳米振荡器方面有着潜在的应用前景。对于碳纳米管振荡器中存在的能量耗散问题，我们通过纳秒量级的分子动力学模拟，发现双层碳纳米管的层间相互作用和摩擦力是与其手性和结构以及环境温度密切相关的，对于手性匹配的双层碳纳米管振荡器系统，它在振荡中的能量耗散率要明显地大于手性不匹配系统的能量耗散率。手性匹配的双层碳纳米管系统在低温条件下的振荡时间只能持续几个纳秒，而手性不匹配的双层碳纳米管系统在低温条件下振荡时间却能达到几十个纳秒。但在较高温度条件下，系统的能量耗散率显著提高，温度对层间摩擦力的影响会远高于碳纳米管手性造成的差异。3.碳纳米管管腔作为一种理想的纳尺度受限环境
18、，许多物质在其内展现出不同于自由状态的结构相变规律和行为特性。我们发现在合适的压力和温度条件下，铜纳米线在碳纳米管内从它初始的面心立方（fcc）结构转变成了共轴的圆柱状多层结构。碳纳米管通过施加约束压力和作为几何结构模板来影响填充其内的铜纳米线的结构转变。而在有缺陷的单壁碳纳米管内，铜纳米线随温度的升高展现出更为奇特的从固态到液态再到多层螺旋结构的相变规律。温度、可调的原子密度和管内压力是铜纳米线在碳纳米管缺陷所造成的部分受限环境中具有特殊结构相变的主要原因。当碳纳米管上存在类型和尺寸合适的缺陷并且填充在内的铜纳米线在高温下产生足够的压力时，我们发现铜纳米线会使碳纳米管在缺陷处发生爆炸，大量的
19、铜原子飞溅出来形成了纳射流，与新近的实验现象符合。4.碳纳米管许多独特优异的物理、化学和力学性能往往取决于它的直径和手性，然而到现在为止，人们在生产和制备碳纳米管过程中还无法控制其手性，多壁碳管更为复杂。我们根据最低层间能量作用原理，发现双壁碳纳米管最匹配外管的手性角与内管的手性角存在比例关系，并且它们的手性角比值随碳纳米管直径的增加而增加，但在小直径情况下比值小于1。当碳纳米管直径较大时，最匹配内外管的手性角比值趋近于1。因此符合最低层间相互作用规律的多壁碳纳米管在小直径时具有近锯齿型手性而在大直径时表现出全同或近全同手性。低的生长温度会明显提高符合上述规则的可控手性碳纳米管的出现概率，在此
20、基础上，我们提出了可控手性的多壁碳纳米管低温生长模式。5.生物进化总是人类创新的重要源泉。由纳米尺度的蛋白质层和矿物质层组成的生物复合材料具有突出的力学性能，而这种软硬物质组成的结构也不可避免地对其自身的缺陷自修复能力产生影响。我们首先用有缺陷的铜纳米晶体对软硬边界影响进行系统的分子动力学模拟，发现当材料尺寸减小到和材料微观缺陷尺寸接近或可比的程度后，施加软边界条件可以显著提高铜纳米晶体对缺陷的自修复能力，软硬边界在缺陷愈合处导致了不同的原子排布和位错生成。发展已有的力学理论，提出了软硬边界条件下的缺陷自修复的理论模型，得到了和分子动力学模拟一致的理论预测趋势。最后使用此理论模型我们研究了生物
21、复合材料中缺陷自修复的问题，发现纳米尺度和软（蛋白质层）硬（碳酸钙层）相间的结构所导致的软硬边界使贝壳中的碳酸钙层具备更好的缺陷自修复能力。这为生物材料自优化的进化现象提供了一种新解释。7.期刊论文 谢建宏.张为公 智能材料结构的研究与发展-传感技术学报2004,17(1)智能材料结构的自诊断、自适应与自修复功能的研究是近几年发展起来的研究课题,现已成为相关领域研究的热点之一.智能夹层及其先进信号处理技术的研究是智能材料结构研究的主要内容.对实现自诊断、自适应、自修复功能的智能夹层及其信号处理技术的研究现状进行了综述,并对智能材料结构的未来发展进行了展望.8.期刊论文 朱玉田.萩原一郎.毛利泰
22、裕.Zhu Yutian.Hagiwara Ichiro.Yasuhiro Mohri 形状记忆合金智能复合材料自修复中传感与控制方法研究-机械工程学报2005,41(3)对于埋入形状记忆合金丝的智能材料,提出了通过监测电阻的变化来传感外应力引起的应变、判断基材的损伤情况,同时使用参考形状记忆合金丝补偿温度引起的应变,消除传感误差.在结构自修复过程中,由于环境温度、热对流和热辐射条件以及加热电流强度不同等因素致使形状记忆合金的温度状态难以确定,为了尽快让裂缝闭合、在最短时间促成形状记忆合金的相变并防止因过热而烧毁基材或形状记忆合金丝,提出了一种基于电阻变化率反馈的动态自传感加热方法,可以实时监
23、测相变的起始点和结束点,有效地防止过热.试验结果与理论分析吻合良好.9.会议论文 谢昌顺.罗素蓉 自修复智能混凝土的研究进展 2007 自修复智能混凝土是模仿动物的骨组织结构受创伤后的再生、恢复机理，采用修复胶粘剂和混凝土材料相复合的方法,对材料损伤破坏具有自修复和再生的功能,恢复甚至提高材料性能的一种新型复合材料。本文简述了自修复智能混凝土的起源和发展,以及近十年来国内外自修复智能混凝土的发展历史和研究现状,分析了自修复智能混凝土研究发展中所存在的问题及其实用价值,展望了自修复智能混凝土的发展趋势和应用前景。10.学位论文 陶玲 智能材料球对称问题的振动分析 2007 由智能材料组成的智能结
24、构是一种具备自感知、自诊断、自适应、自修复等功能的仿生结构系统。压电、压磁材料是一种新型的智能材料，广泛用于超精密定位、激光微加工、数控车床、机器人和阀门控制等领域，故对它的动力学研究已成为必要。本文从一般弹性材料在空间球对称简谐荷载下的响应开始研究，给出了弹性材料的瞬态响应和稳态响应，得出弹性动力学问题的位移、应力、应变物理量的解析解。在此基础上考虑空间球对称弹性压电材料，不计体力、体电荷和体电流，由运动方程、几何方程以及梯度方程结合压电效应得到在外加简谐荷载和电位势作用下的稳态响应，给出了位移、应力、应变、电位移、电场强度和电位势各量的解析解。然后考虑电磁耦合效应，研究压电、压磁材料在球坐标系下，不计体力、体电荷和体电流的情况下，由运动方程、梯度方程、压电和压磁的本构方程导出在外加简谐荷载、电位势和磁势作用下应力、应变、位移、电位移、电场强度、电位势、磁感、磁场强度和磁位势各未知量的稳态解。最后，本文通过具体数值计算，比较了一般弹性材料、压电材料和压电、压磁材料的力学物理量，压电材料和压电、压磁材料的电学物理量，得出压电材料优于一般弹性材料，压电、压磁材料优于压电材料的结论。引证文献(1条)引证文献(1条)1.刘鹏.贾平.周宗辉.程新 自修复混凝土研究进展期刊论文-济南大学学报（自然科学版）2006(4)本文链接：http:/