第四講傳感器功能材料

1、 傳感器技術(shù)是利用各種功能材料來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目的的一門應(yīng)傳感器技術(shù)是利用各種功能材料來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目的的一門應(yīng)用技術(shù)。各種功能材料是傳感器技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，新傳用技術(shù)。各種功能材料是傳感器技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，新傳感器的研發(fā)離不開(kāi)新材料的應(yīng)用。感器的研發(fā)離不開(kāi)新材料的應(yīng)用。 所謂功能材料是指那些具有特定的光學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)、磁所謂功能材料是指那些具有特定的光學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)功能及相互轉(zhuǎn)化功能，并應(yīng)用于現(xiàn)學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)功能及相互轉(zhuǎn)化功能，并應(yīng)用于現(xiàn)代高新技術(shù)中的材料。它們優(yōu)良的物理、化學(xué)、生物學(xué)性能代高新技術(shù)中的材料。它們優(yōu)良的物理、化學(xué)、生物學(xué)性能可以用來(lái)制造傳導(dǎo)信息、存

2、儲(chǔ)或記錄、轉(zhuǎn)化或交換能量的功可以用來(lái)制造傳導(dǎo)信息、存儲(chǔ)或記錄、轉(zhuǎn)化或交換能量的功能元器件。按其性能稱為磁性材料、電阻材料、光學(xué)材料；能元器件。按其性能稱為磁性材料、電阻材料、光學(xué)材料；或按其材質(zhì)稱為特殊合金、精密合金、特種陶瓷、功能高分或按其材質(zhì)稱為特殊合金、精密合金、特種陶瓷、功能高分子材料等。子材料等。 功能材料分類如下圖。功能材料分類如下圖。 感知功能感知功能：能夠檢測(cè)并且可以識(shí)別外界（或者內(nèi)部）的刺：能夠檢測(cè)并且可以識(shí)別外界（或者內(nèi)部）的刺激強(qiáng)度。激強(qiáng)度。 響應(yīng)功能響應(yīng)功能：能夠根據(jù)外界環(huán)境和內(nèi)部條件變化，適時(shí)動(dòng)態(tài)：能夠根據(jù)外界環(huán)境和內(nèi)部條件變化，適時(shí)動(dòng)態(tài)地作出相應(yīng)的反應(yīng)，并且反應(yīng)靈敏

3、、及時(shí)和恰當(dāng)?shù)刈鞒鱿鄳?yīng)的反應(yīng)，并且反應(yīng)靈敏、及時(shí)和恰當(dāng)。 信息識(shí)別與積累功能信息識(shí)別與積累功能：能夠識(shí)別傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各類信息：能夠識(shí)別傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各類信息并將其積累起來(lái)。并將其積累起來(lái)。 恢復(fù)功能恢復(fù)功能：當(dāng)外部刺激消除后，能夠迅速恢復(fù)到原始狀態(tài)。：當(dāng)外部刺激消除后，能夠迅速恢復(fù)到原始狀態(tài)。 智能功能智能功能：部分材料還具有自診斷、自修復(fù)、自調(diào)節(jié)等智：部分材料還具有自診斷、自修復(fù)、自調(diào)節(jié)等智能功能。能功能。敏感材料的功能敏感材料的功能 敏感性好敏感性好：包括靈敏系數(shù)高、響應(yīng)速度快、適用范圍寬、：包括靈敏系數(shù)高、響應(yīng)速度快、適用范圍寬、檢測(cè)精度高、動(dòng)態(tài)特性好、輸出特性易于調(diào)整和補(bǔ)償、選擇檢測(cè)

4、精度高、動(dòng)態(tài)特性好、輸出特性易于調(diào)整和補(bǔ)償、選擇性好等。性好等。 可靠性好可靠性好：包括耐熱、耐磨損、耐腐蝕、耐振動(dòng)、耐過(guò)載：包括耐熱、耐磨損、耐腐蝕、耐振動(dòng)、耐過(guò)載等。等。 加工性好加工性好：包括易成型、批量生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)集成化、尺寸穩(wěn)定、：包括易成型、批量生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)集成化、尺寸穩(wěn)定、互換性好等?；Q性好等。 經(jīng)濟(jì)性好經(jīng)濟(jì)性好：包括成本低、成品率高、性能：包括成本低、成品率高、性能/ /價(jià)格比高等。價(jià)格比高等。 敏感材料的特征敏感材料的特征一、半導(dǎo)體材料一、半導(dǎo)體材料1.半導(dǎo)體材料的特性半導(dǎo)體材料的特性 室溫下半導(dǎo)體電導(dǎo)率為室溫下半導(dǎo)體電導(dǎo)率為10-910-3S/m。 半導(dǎo)體電導(dǎo)率的基本公式為半導(dǎo)體

5、電導(dǎo)率的基本公式為npe np19np:pe電子電荷量（e=-1.602 10C）n:傳導(dǎo)電子濃度； ：空穴濃度；：傳導(dǎo)電子遷移率；：空穴遷移率2.半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)體材料的分類 （1）元素半導(dǎo)體材料）元素半導(dǎo)體材料 主要應(yīng)用是硅，主要應(yīng)用是硅，90%以上的半導(dǎo)體器件和電路用硅制作，以上的半導(dǎo)體器件和電路用硅制作，此外還有硒、鍺。此外還有硒、鍺。l本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體lN型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體lP型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體（2）化合物半導(dǎo)體材料）化合物半導(dǎo)體材料3.半導(dǎo)體硅材料半導(dǎo)體硅材料優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)異的機(jī)械特性，便于批量生產(chǎn)微結(jié)構(gòu)和微機(jī)電元：優(yōu)異的機(jī)械特性，便于批量生產(chǎn)微結(jié)構(gòu)和微機(jī)電元件；與集成電路工藝兼

6、容；微機(jī)械和為電子線路便于集成。件；與集成電路工藝兼容；微機(jī)械和為電子線路便于集成。（1）單晶硅）單晶硅為各向異性材料，有良好的機(jī)械性能和導(dǎo)熱性能。為各向異性材料，有良好的機(jī)械性能和導(dǎo)熱性能。l例如，單晶硅的密度為不銹鋼的例如，單晶硅的密度為不銹鋼的1/3.5，而彎曲強(qiáng)度是不，而彎曲強(qiáng)度是不銹鋼的銹鋼的3.5倍，可見(jiàn)其強(qiáng)度倍，可見(jiàn)其強(qiáng)度-密度比和剛度密度比和剛度-密度比均較高。密度比均較高。l單晶硅的熱導(dǎo)率為不銹鋼的單晶硅的熱導(dǎo)率為不銹鋼的5倍，而熱膨脹系數(shù)只有不銹倍，而熱膨脹系數(shù)只有不銹鋼的鋼的1/7，與低膨脹材料連接時(shí)，可避免熱應(yīng)力產(chǎn)生。，與低膨脹材料連接時(shí)，可避免熱應(yīng)力產(chǎn)生。l90%以上

7、大規(guī)模、超大規(guī)模、甚大規(guī)模集成電路都是制作以上大規(guī)模、超大規(guī)模、甚大規(guī)模集成電路都是制作在高純優(yōu)質(zhì)的硅拋光片和外延片上的。在一塊硅片上制作在高純優(yōu)質(zhì)的硅拋光片和外延片上的。在一塊硅片上制作集成電路、微傳感器、微結(jié)構(gòu)等構(gòu)成集成電路、微傳感器、微結(jié)構(gòu)等構(gòu)成MEMS系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)傳感器技術(shù)的微型化、集成化、智能化、批量化傳感器技術(shù)的微型化、集成化、智能化、批量化.l 多晶硅是由硅的微晶粒組成的，這些晶粒的尺寸在多晶硅是由硅的微晶粒組成的，這些晶粒的尺寸在0.1到到十幾微米之間，無(wú)序排列，不同晶粒有不同的單晶取向，十幾微米之間，無(wú)序排列，不同晶粒有不同的單晶取向，晶粒之間的部位叫晶界。晶界對(duì)

8、多晶硅電特性的影響可以晶粒之間的部位叫晶界。晶界對(duì)多晶硅電特性的影響可以通過(guò)摻雜原子濃度調(diào)節(jié)。通過(guò)摻雜原子濃度調(diào)節(jié)。l 多晶硅具有同單晶硅類似的機(jī)械性能，只不過(guò)沒(méi)有晶面，多晶硅具有同單晶硅類似的機(jī)械性能，只不過(guò)沒(méi)有晶面，在受到相對(duì)比較低的應(yīng)力時(shí)就會(huì)發(fā)生破裂。在受到相對(duì)比較低的應(yīng)力時(shí)就會(huì)發(fā)生破裂。l 多晶硅的制作一般利用低壓化學(xué)氣相沉積（多晶硅的制作一般利用低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）將）將硅材料沉積在基片表面獲得，也可以用增壓化學(xué)沉積硅材料沉積在基片表面獲得，也可以用增壓化學(xué)沉積（PECVD）法生長(zhǎng)多晶硅。）法生長(zhǎng)多晶硅。l 多晶硅電阻率高于單晶硅，并隨摻雜原子濃度變化較大多晶硅電阻率高于單

9、晶硅，并隨摻雜原子濃度變化較大l 多晶硅電阻溫度系數(shù)隨摻雜濃度在很大范圍變化，適合制多晶硅電阻溫度系數(shù)隨摻雜濃度在很大范圍變化，適合制作熱敏電阻。作熱敏電阻。（2）多晶硅）多晶硅 氧化硅（氧化硅（SiO2）、碳化硅和氮化硅（）、碳化硅和氮化硅（Si3N4）l 氧化硅是非常有用的電子材料，其介電常數(shù)低，電阻率非氧化硅是非常有用的電子材料，其介電常數(shù)低，電阻率非常高，且容易成形、粘附力強(qiáng)。常高，且容易成形、粘附力強(qiáng)。l 氧化硅通過(guò)熱氧化或沉積（常壓化學(xué)氣相沉積氧化硅通過(guò)熱氧化或沉積（常壓化學(xué)氣相沉積AVCD、低、低壓化學(xué)氣相沉積壓化學(xué)氣相沉積LCVD、等離子增壓化學(xué)氣相沉積、等離子增壓化學(xué)氣相沉積

10、PECVD）法生成。法生成。 微傳感器之材料技術(shù)22222()22()SiOSiOSiH OSiOH干法氧化濕法氧化l氧化硅可用作多層金屬之間的絕緣層、腐蝕掩膜、離子氧化硅可用作多層金屬之間的絕緣層、腐蝕掩膜、離子注入和擴(kuò)散掩膜等。注入和擴(kuò)散掩膜等。（3）硅化合物）硅化合物l 氮化硅的電阻率非常高，介電常數(shù)低，是一種優(yōu)氮化硅的電阻率非常高，介電常數(shù)低，是一種優(yōu)良的電子材料。比起硅材料本身，氮化硅可耐受良的電子材料。比起硅材料本身，氮化硅可耐受多種化學(xué)腐蝕。多種化學(xué)腐蝕。l 氮化硅比氧化硅絕緣性能更好，常用于在器件之氮化硅比氧化硅絕緣性能更好，常用于在器件之間以及器件與襯底材料之間提供絕緣。間以

11、及器件與襯底材料之間提供絕緣。l 碳化硅是一種性能優(yōu)良的制模材料，硬度高，特碳化硅是一種性能優(yōu)良的制模材料，硬度高，特別在高溫下耐化學(xué)腐蝕性能好，可用于制作高溫別在高溫下耐化學(xué)腐蝕性能好，可用于制作高溫壓力傳感器的壓敏膜片。壓力傳感器的壓敏膜片。（4）鍺，砷化鎵）鍺，砷化鎵l鍺是一種單晶材料，電子遷移率約為硅的鍺是一種單晶材料，電子遷移率約為硅的2.5倍，霍爾系數(shù)為硅的倍，霍爾系數(shù)為硅的2倍，適合制作霍爾器件。倍，適合制作霍爾器件。l單晶硅和鍺可以通過(guò)摻雜工藝制成光敏電阻，單晶硅和鍺可以通過(guò)摻雜工藝制成光敏電阻，但硅靈敏度更大，工作波長(zhǎng)約為但硅靈敏度更大，工作波長(zhǎng)約為0.8微米，鍺約微米，鍺約

12、為為1.4微米。微米。l砷化鎵是一種半導(dǎo)體化合物，是霍爾元件的理砷化鎵是一種半導(dǎo)體化合物，是霍爾元件的理想材料，其缺點(diǎn)是屈服強(qiáng)度低，僅為硅的想材料，其缺點(diǎn)是屈服強(qiáng)度低，僅為硅的1/3，因此不適合作基底材料。因此不適合作基底材料。利用的物理現(xiàn)象利用的物理現(xiàn)象相應(yīng)的元器件相應(yīng)的元器件所用的材料所用的材料壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)應(yīng)變片應(yīng)變片Si、Ge、GaP、InSbPN結(jié)的變化結(jié)的變化感壓二極管、三極管感壓二極管、三極管Si、Ge電阻變化電阻變化熱敏電阻、測(cè)輻射器熱敏電阻、測(cè)輻射器Si、Ge、金屬氧化物等、金屬氧化物等P、N間的感壓電勢(shì)，半導(dǎo)體間的感壓電勢(shì)，半導(dǎo)體與金屬間的電勢(shì)與金屬間的電勢(shì)熱電偶熱電偶S

13、i、GaAs、光電效應(yīng)光電效應(yīng)攝像管、光電池?cái)z像管、光電池CdS、PbS、光電勢(shì)效應(yīng)光電勢(shì)效應(yīng)光二極管、光二極管、CCD磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)磁阻器件磁阻器件InSb、Si、GeI層中的電勢(shì)效應(yīng)層中的電勢(shì)效應(yīng)PIN光電二極管光電二極管霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)霍爾元件、霍爾霍爾元件、霍爾IC、Si、Ge、InSb、利用半導(dǎo)體材料制作的各種傳感器利用半導(dǎo)體材料制作的各種傳感器二、功能陶瓷材料二、功能陶瓷材料指利用材料的電、磁、聲、光、熱等方面直接的或耦合的指利用材料的電、磁、聲、光、熱等方面直接的或耦合的效應(yīng)以實(shí)現(xiàn)某種使用功能的多晶無(wú)機(jī)固體材料。效應(yīng)以實(shí)現(xiàn)某種使用功能的多晶無(wú)機(jī)固體材料。功能陶瓷一般通過(guò)高溫?zé)Y(jié)

14、制成，其一般工藝流程為：功能陶瓷一般通過(guò)高溫?zé)Y(jié)制成，其一般工藝流程為： 原料粉體原料粉體預(yù)處理預(yù)處理成形成形燒結(jié)燒結(jié)加工加工制品制品與傳感器有關(guān)的常用功能陶瓷類別：與傳感器有關(guān)的常用功能陶瓷類別：u壓電陶瓷：超聲波發(fā)生器、換能器壓電陶瓷：超聲波發(fā)生器、換能器u半導(dǎo)體陶瓷：熱敏、壓敏、光敏、氣敏、濕敏器件半導(dǎo)體陶瓷：熱敏、壓敏、光敏、氣敏、濕敏器件u熱釋電陶瓷熱釋電陶瓷超聲波壓電陶瓷片的形式超聲波壓電陶瓷片的形式 超聲波接觸式直探頭超聲波接觸式直探頭 常用頻率范圍：常用頻率范圍：0.50.510MHz10MHz，常見(jiàn)晶片直徑：常見(jiàn)晶片直徑：5 530mm30mm 外殼用金屬制外殼用金屬制作，保

15、護(hù)膜用硬度作，保護(hù)膜用硬度很高的耐磨材料制很高的耐磨材料制作，防止壓電晶片作，防止壓電晶片磨損。磨損。 保護(hù)膜保護(hù)膜接插件接插件各種超聲波接觸式斜探頭各種超聲波接觸式斜探頭常用頻率范圍：常用頻率范圍：1 15MHz5MHz熱敏電阻熱敏電阻 熱敏電阻是由兩種以上的金屬氧化物如熱敏電阻是由兩種以上的金屬氧化物如Mn、Co、Ne、Fe等氧化物構(gòu)成的燒結(jié)體，根據(jù)組成的不同，可以調(diào)整溫等氧化物構(gòu)成的燒結(jié)體，根據(jù)組成的不同，可以調(diào)整溫度特性度特性正溫度系數(shù)熱敏電阻正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)、負(fù)溫度系數(shù)熱敏、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻電阻(NTC)和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻(CTR)。 對(duì)于具有

16、負(fù)溫度系數(shù)的對(duì)于具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，當(dāng)溫度升高時(shí)，熱敏電阻，當(dāng)溫度升高時(shí)，載流子數(shù)目增加，電阻降低，載流子數(shù)目增加，電阻降低，因而具有負(fù)溫度系數(shù)。圖中因而具有負(fù)溫度系數(shù)。圖中是各種熱敏電阻的典型特征是各種熱敏電阻的典型特征示意圖。示意圖。CTRPTRNTR工作溫度工作溫度/材材 料料 用用 途途NTC：低溫用（低溫用（-1300）常溫用（常溫用（-20300）Mn,Ni,Co,Fe等過(guò)濾金等過(guò)濾金屬氧化物屬氧化物冷凍器冷凍器家用電器家用電器工程管理工程管理汽車排氣氣體凈化汽車排氣氣體凈化中溫用（中溫用（250550）高溫用（高溫用（5001000）尖晶石，鈣鈦礦，氧化尖晶石，鈣鈦礦，氧化

17、鋯，鋯，SiCPTC:常溫用（常溫用（1100）中溫用（中溫用（100300）半導(dǎo)性（半導(dǎo)性（Ba，Sr）TiO3固固溶體溶體半導(dǎo)性（半導(dǎo)性（Ba，Pb）TiO3固固溶體溶體電子恒溫器電子恒溫器吹風(fēng)機(jī)吹風(fēng)機(jī)CTR:常溫用（常溫用（0100）釩氧化物釩氧化物火災(zāi)報(bào)警器火災(zāi)報(bào)警器半導(dǎo)體陶瓷系熱敏電阻器件的工作溫度、材料和用途半導(dǎo)體陶瓷系熱敏電阻器件的工作溫度、材料和用途半導(dǎo)體氣體傳感器半導(dǎo)體氣體傳感器 SnO2氣敏元件氣敏元件燒結(jié)型燒結(jié)型 厚膜型厚膜型 薄膜型薄膜型 陶瓷濕敏傳感器陶瓷濕敏傳感器 特點(diǎn)特點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)全濕范圍內(nèi)的測(cè)量；工作溫度高，可達(dá)：可實(shí)現(xiàn)全濕范圍內(nèi)的測(cè)量；工作溫度高，可達(dá)800，響

18、應(yīng)時(shí)間短，精度高，抗污染能力強(qiáng)，工藝簡(jiǎn)，響應(yīng)時(shí)間短，精度高，抗污染能力強(qiáng)，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉。單，成本低廉。濕敏元件種類濕敏元件種類：MgCrMgCr2 2O O4 4-TiO-TiO2 2系、系、TiOTiO2 2-V-V2 2O O5 5系、系、ZnOZnO2 2- -LiLi2 2O O5 5-V-V2 2O O5 5系、系、ZnCrZnCr2 2O O4 4系、系、ZrOZrO2 2-MgO-MgO系、系、FeFe3 3O O4 4系、系、TaTa2 2O O5 5系等，大多數(shù)為電阻型，少數(shù)為電容型。系等，大多數(shù)為電阻型，少數(shù)為電容型。燒結(jié)型占燒結(jié)型占50%50%以上以上，厚膜型和薄膜

19、型各占，厚膜型和薄膜型各占151520%20%。濕敏傳感器濕敏傳感器 陶瓷濕敏元件結(jié)構(gòu)陶瓷濕敏元件結(jié)構(gòu) 感濕體是感濕體是鉻酸鎂鉻酸鎂-二氧化鈦二氧化鈦（MgCrMgCr2 2O O4 4-TiO-TiO2 2 ）多孔陶瓷多孔陶瓷，平均氣孔直徑在，平均氣孔直徑在100100300nm300nm范圍內(nèi)，相當(dāng)于一種開(kāi)口毛細(xì)管，容易吸附水分。范圍內(nèi)，相當(dāng)于一種開(kāi)口毛細(xì)管，容易吸附水分。三、功能高分子材料三、功能高分子材料功能高分子材料是具有特殊功能的聚合物，一般指具有傳遞、功能高分子材料是具有特殊功能的聚合物，一般指具有傳遞、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)物質(zhì)、能量和信息作用的高分子及其復(fù)合材料。轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)物質(zhì)、能量和信

20、息作用的高分子及其復(fù)合材料。功能高分子材料最主要的制備方法和工藝過(guò)程有三條路線：功能高分子材料最主要的制備方法和工藝過(guò)程有三條路線：l由功能基單體經(jīng)加聚和縮聚反應(yīng)制備功能高分子；由功能基單體經(jīng)加聚和縮聚反應(yīng)制備功能高分子；l已有高分子材料的功能化和多功能材料的復(fù)合；已有高分子材料的功能化和多功能材料的復(fù)合；l通過(guò)一定的加工手段賦予材料特定的功能。通過(guò)一定的加工手段賦予材料特定的功能。1.導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電高分子材料按導(dǎo)電原理分按導(dǎo)電原理分復(fù)合型復(fù)合型和和結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型兩大類。兩大類。導(dǎo)電高分子材料具有質(zhì)量輕、易成形、電阻率可調(diào)節(jié)的特點(diǎn)。導(dǎo)電高分子材料具有質(zhì)量輕、易成形、電阻率可調(diào)節(jié)的特點(diǎn)。通過(guò)分

21、子設(shè)計(jì)可以合成出具有不同特性的導(dǎo)電高分子材料。通過(guò)分子設(shè)計(jì)可以合成出具有不同特性的導(dǎo)電高分子材料。2.壓電和熱電高分子材料壓電和熱電高分子材料聚偏二氟乙烯（聚偏二氟乙烯（PVDF）有很強(qiáng)的壓電性，同時(shí)還有熱電性）有很強(qiáng)的壓電性，同時(shí)還有熱電性和鐵電性。和鐵電性。PVDF有優(yōu)良的力學(xué)性能。其密度僅為壓電陶瓷有優(yōu)良的力學(xué)性能。其密度僅為壓電陶瓷的的1/4，強(qiáng)性柔順常數(shù)則比陶瓷大，強(qiáng)性柔順常數(shù)則比陶瓷大30倍。柔軟且有韌性，耐倍。柔軟且有韌性，耐沖擊，可加工成幾微米厚的薄膜，可彎曲成復(fù)雜形狀，利于沖擊，可加工成幾微米厚的薄膜，可彎曲成復(fù)雜形狀，利于器件小型化。器件小型化。高分子壓電薄膜及拉制高分子壓

22、電薄膜及拉制 高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜 3.高分子化學(xué)敏感材料高分子化學(xué)敏感材料4.光敏高分子材料光敏高分子材料四、功能材料納米結(jié)構(gòu)和納米碳管四、功能材料納米結(jié)構(gòu)和納米碳管具有組成相或晶粒結(jié)構(gòu)的、長(zhǎng)度在具有組成相或晶粒結(jié)構(gòu)的、長(zhǎng)度在100nm以下的材料稱納米以下的材料稱納米材料。分為納米超微粒子和納米固體材料。材料。分為納米超微粒子和納米固體材料。l納米超微粒子：顆粒尺寸為納米超微粒子：顆粒尺寸為1100nm的超微粒子的材料叫的超微粒子的材料叫納米超微粒子材料。納米超微粒子材料。l納米固體材料：由納米超微粒子組成的固體材料。納米固體材料：由納米超微粒

23、子組成的固體材料。納米材料大致包含納米微粒材料、納米微晶材料、納米顆納米材料大致包含納米微粒材料、納米微晶材料、納米顆粒膜、納米顆粒的燒結(jié)體、納米顆粒的致密體粒膜、納米顆粒的燒結(jié)體、納米顆粒的致密體5種。種。納米材料的特性納米材料的特性 晶粒極小，比表面積特大晶粒極小，比表面積特大 高度的彌散性高度的彌散性 大量的界面大量的界面 典型納米材料典型納米材料 1）碳納材料）碳納材料2）納米陶瓷）納米陶瓷五、智能材料五、智能材料 新型復(fù)合材料，是繼天然材料、人造材料、精細(xì)材料之后的第新型復(fù)合材料，是繼天然材料、人造材料、精細(xì)材料之后的第四代功能材料。四代功能材料。具有感知內(nèi)外環(huán)境刺激，對(duì)之進(jìn)行分析、

24、處理、具有感知內(nèi)外環(huán)境刺激，對(duì)之進(jìn)行分析、處理、判斷、并采取一定的措施進(jìn)行適度響應(yīng)的智能特征的材料。判斷、并采取一定的措施進(jìn)行適度響應(yīng)的智能特征的材料。 將高技術(shù)傳感器或敏感元件與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料和功能材料結(jié)合將高技術(shù)傳感器或敏感元件與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料和功能材料結(jié)合在一起，賦予材料嶄新的性能，兼具傳感、調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)、處理執(zhí)在一起，賦予材料嶄新的性能，兼具傳感、調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)、處理執(zhí)行的功能，能隨著環(huán)境的變化而改變性能或形狀，使自身功能行的功能，能隨著環(huán)境的變化而改變性能或形狀，使自身功能處于最佳狀態(tài)。處于最佳狀態(tài)。 智能材料是傳感技術(shù)與材料科學(xué)、信息處理與控制相融合的產(chǎn)智能材料是傳感技術(shù)與材料科學(xué)、信息處理

25、與控制相融合的產(chǎn)物。物。 1.1.智能材料的智能材料的特征特征 傳感功能傳感功能：能夠感知外界或自身所處的環(huán)境條件，如負(fù)載、：能夠感知外界或自身所處的環(huán)境條件，如負(fù)載、應(yīng)力、應(yīng)變、振動(dòng)、熱、光、電、磁、化學(xué)、核輻射等的強(qiáng)度應(yīng)力、應(yīng)變、振動(dòng)、熱、光、電、磁、化學(xué)、核輻射等的強(qiáng)度及其變化。及其變化。 反饋功能反饋功能：可通過(guò)傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)系統(tǒng)輸入與輸出信息進(jìn)行對(duì)：可通過(guò)傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)系統(tǒng)輸入與輸出信息進(jìn)行對(duì)比，并將其結(jié)果提供給控制系統(tǒng)。比，并將其結(jié)果提供給控制系統(tǒng)。 信息識(shí)別與積累功能信息識(shí)別與積累功能：能夠識(shí)別傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各類信息并：能夠識(shí)別傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各類信息并將其積累起來(lái)。將其積累起來(lái)。 思

26、考功能和預(yù)見(jiàn)功能思考功能和預(yù)見(jiàn)功能：能在過(guò)去經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)來(lái)自傳感：能在過(guò)去經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)來(lái)自傳感網(wǎng)絡(luò)的各種信息進(jìn)行分析，并可預(yù)見(jiàn)未來(lái)將出現(xiàn)的情況。網(wǎng)絡(luò)的各種信息進(jìn)行分析，并可預(yù)見(jiàn)未來(lái)將出現(xiàn)的情況。 響應(yīng)功能響應(yīng)功能：能夠根據(jù)外界環(huán)境和內(nèi)部條件變化，適時(shí)動(dòng)態(tài)：能夠根據(jù)外界環(huán)境和內(nèi)部條件變化，適時(shí)動(dòng)態(tài)地作出相應(yīng)的反應(yīng)，并采取必要行動(dòng)。地作出相應(yīng)的反應(yīng)，并采取必要行動(dòng)。 自診斷能力自診斷能力：能通過(guò)分析比較系統(tǒng)目前的狀況與過(guò)去的情：能通過(guò)分析比較系統(tǒng)目前的狀況與過(guò)去的情況，對(duì)諸如系統(tǒng)故障與判斷失誤等問(wèn)題進(jìn)行自診斷并予以校況，對(duì)諸如系統(tǒng)故障與判斷失誤等問(wèn)題進(jìn)行自診斷并予以校正。正。 自修復(fù)能力自

27、修復(fù)能力：能通過(guò)自繁殖、自生長(zhǎng)、原位復(fù)合等再生機(jī)：能通過(guò)自繁殖、自生長(zhǎng)、原位復(fù)合等再生機(jī)制，來(lái)修補(bǔ)某些局部損傷或破壞。制，來(lái)修補(bǔ)某些局部損傷或破壞。 自調(diào)節(jié)能力自調(diào)節(jié)能力：對(duì)不斷變化的外部環(huán)境和條件，能及時(shí)地自：對(duì)不斷變化的外部環(huán)境和條件，能及時(shí)地自動(dòng)調(diào)整自身結(jié)構(gòu)和功能，并相應(yīng)地改變自己的狀態(tài)和行為，動(dòng)調(diào)整自身結(jié)構(gòu)和功能，并相應(yīng)地改變自己的狀態(tài)和行為，從而使材料系統(tǒng)始終以一種優(yōu)化方式對(duì)外界變化做出恰如其從而使材料系統(tǒng)始終以一種優(yōu)化方式對(duì)外界變化做出恰如其分的響應(yīng)。分的響應(yīng)。2.2.智能材料的智能材料的構(gòu)成構(gòu)成 基體材料基體材料：擔(dān)負(fù)著承載的作用，一般宜選用輕質(zhì)材料。：擔(dān)負(fù)著承載的作用，一般宜選

28、用輕質(zhì)材料。高分子材料（重量輕、耐腐蝕），金屬材料（輕質(zhì)有色合高分子材料（重量輕、耐腐蝕），金屬材料（輕質(zhì)有色合金為）。金為）。 敏感材料敏感材料：擔(dān)負(fù)著傳感的任務(wù)，其主要作用是感知環(huán)境：擔(dān)負(fù)著傳感的任務(wù)，其主要作用是感知環(huán)境變化。形狀記憶材料、壓電材料、光纖材料、磁致伸縮材變化。形狀記憶材料、壓電材料、光纖材料、磁致伸縮材料、電致變色材料、電流變體、磁流變體和液晶材料等。料、電致變色材料、電流變體、磁流變體和液晶材料等。 驅(qū)動(dòng)材料驅(qū)動(dòng)材料：因?yàn)樵谝欢l件下驅(qū)動(dòng)材料可產(chǎn)生較大的應(yīng)：因?yàn)樵谝欢l件下驅(qū)動(dòng)材料可產(chǎn)生較大的應(yīng)變和應(yīng)力，所以它擔(dān)負(fù)著響應(yīng)和控制的任務(wù)。常用有效驅(qū)變和應(yīng)力，所以它擔(dān)負(fù)著響應(yīng)

29、和控制的任務(wù)。常用有效驅(qū)動(dòng)材料如形狀記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮動(dòng)材料如形狀記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料等。材料等。3.3.智能材料智能材料種類種類 功能：光導(dǎo)纖維、形狀記憶、壓電、電流變體、電功能：光導(dǎo)纖維、形狀記憶、壓電、電流變體、電（磁）致伸縮材料等。（磁）致伸縮材料等。 來(lái)源：金屬（形狀記憶合金、形狀記憶復(fù)合材料）、來(lái)源：金屬（形狀記憶合金、形狀記憶復(fù)合材料）、無(wú)機(jī)非金屬（電流變體、壓電陶瓷、光致變色和電無(wú)機(jī)非金屬（電流變體、壓電陶瓷、光致變色和電致變色材料）、高分子（凝膠、膜材、粘合劑）。致變色材料）、高分子（凝膠、膜材、粘合劑）。 六、磁致伸縮材料六、磁致伸

30、縮材料 目前磁致伸縮智能材料的主流是稀土磁致伸縮材料，目前磁致伸縮智能材料的主流是稀土磁致伸縮材料，稀土超磁致伸縮材料是近期才發(fā)展起來(lái)的一種新型功稀土超磁致伸縮材料是近期才發(fā)展起來(lái)的一種新型功能材料。能材料。 這種材料在電磁場(chǎng)的作用下可以產(chǎn)生微變形或聲能，這種材料在電磁場(chǎng)的作用下可以產(chǎn)生微變形或聲能，也可以將微變形或聲能轉(zhuǎn)化為電磁能。也可以將微變形或聲能轉(zhuǎn)化為電磁能。 特點(diǎn)：磁致伸縮值大、機(jī)械響應(yīng)速度快、功率密度高。特點(diǎn)：磁致伸縮值大、機(jī)械響應(yīng)速度快、功率密度高。七、形狀記憶材料七、形狀記憶材料 形狀記憶材料：具有形狀記憶效應(yīng)形狀記憶材料：具有形狀記憶效應(yīng)（Shape Memory Effect）的材料。）的材料。 形狀記憶效應(yīng)：將材料在一定條件下進(jìn)行一定限度以形狀記憶效應(yīng)：將材料在一定條件下進(jìn)