智能材料簡(jiǎn)介

1、智能材料簡(jiǎn)介智能材料Intelligent material，是一種能感知外部刺激，能夠判斷并適 當(dāng)處理且本身可執(zhí)行的新型功能材料。智能材料是繼天然材料、合成高分子 材料、人工設(shè)計(jì)材料之后的第四代材料，是現(xiàn)代高技術(shù)新材料開(kāi)展的重要方 向之一，將支撐未來(lái)高技術(shù)的開(kāi)展，使傳統(tǒng)意義下的功能材料和結(jié)構(gòu)材料之 間的界線逐漸消失，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能化、功能多樣化。它是一種集材料與結(jié)構(gòu)、 智然處理、執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)于一體的復(fù)雜的材料體系。它的 設(shè)計(jì)與合成幾乎橫跨所有的高技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域。智能材料的設(shè)想來(lái)源于仿生仿生就是模仿大自然中生物的一些獨(dú)特功 能制造人類(lèi)使用的工具，如模仿蜻蜓制造飛機(jī)等等，它的目標(biāo)就是

2、想研制出 一種材料，使它成為具有類(lèi)似于生物的各種功能的"活"的材料。因此智能材 料必須具備感知、驅(qū)動(dòng)和控制這三個(gè)根本要素。但是現(xiàn)有的材料一般比擬單 一，難以滿(mǎn)足智能材料的要求，所以智能材料一般由兩種或兩種以上的材料 復(fù)合構(gòu)成一個(gè)智能材料系統(tǒng)。這就使得智能材料的設(shè)計(jì)、制造、加工和性能 結(jié)構(gòu)特征均涉及到了材料學(xué)的最前沿領(lǐng)域，使智能材料代表了材料科學(xué)的最活潑方面和最先進(jìn)的開(kāi)展方向。智能材料的類(lèi)別一按材料基質(zhì)的不同分類(lèi)1金屬系智能材料主要種類(lèi)：形狀記憶合金、磁致伸縮材料等2無(wú)機(jī)非金屬系智能材料主要種類(lèi)：電磁流變流體、 壓電陶瓷、光致變色和電致變色材料等光纖智能材料。3高分子系智能材

3、料主要種類(lèi)刺激響應(yīng)性高分子凝膠，智能高分子膜材，智能藥物釋放體系， 智能纖維與織物等4復(fù)合和雜化型智能材料構(gòu)成智能材料的根本材料組元 有壓電材料、形狀記憶材料、光導(dǎo)纖維、電 磁流變液、磁致伸縮材料和智 能高分子材料等。二按材料的智能特性不同分類(lèi) 1、形狀記憶合金；2、電流變體和磁流變體；3、磁致伸縮材料；4、壓電陶瓷；5、電致伸縮陶瓷；6、光纖智能材料；7、光致變色玻璃；8、電致變色材料；下面從定義，分類(lèi)，代表性材料，優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用簡(jiǎn)要介紹幾種智能材料：1.形狀記憶材料定義：具有一定形狀的固體材料，在某一低溫狀態(tài)下經(jīng)過(guò)塑性變形后，通過(guò)加 熱到這種材料固有的某一臨界溫度以上時(shí)，材料又恢復(fù)到初始形狀

4、的現(xiàn)象， 稱(chēng)為形狀記憶效應(yīng)。具有形狀記憶效應(yīng)的材料稱(chēng)為形狀記憶材料。例如，在 高溫時(shí)將處理成一定形狀的金屬急冷下來(lái)，在低溫相狀態(tài)下經(jīng)塑性變形成另一種形狀，然后加熱到高溫相成為穩(wěn)定狀態(tài)的溫度時(shí)通過(guò)馬氏體逆相變會(huì)恢 復(fù)到低溫塑性變形前的形狀。具有這種形狀記憶效應(yīng)的金屬，通常是由2種以上的金屬元素構(gòu)成的合金，故稱(chēng)為形狀記憶合金 Shape Memory Alloys ， 簡(jiǎn)稱(chēng)SMA.分類(lèi)：形狀記憶效應(yīng)可分為3種類(lèi)型：?jiǎn)纬绦螤钣洃浶?yīng)、雙程形狀記憶效應(yīng) 和全程形狀記憶效應(yīng)。所謂單程形狀記憶效應(yīng)就是材料在高溫下制成某種形 狀，在低溫時(shí)將其任意變形，再加熱時(shí)恢復(fù)為高溫相形狀，而重新冷卻時(shí)卻 不能恢復(fù)低溫相

5、時(shí)的形狀。假設(shè)加熱時(shí)恢復(fù)高溫相時(shí)的形狀，冷卻時(shí)恢復(fù)低溫 相形狀，即通過(guò)溫度升降自發(fā)可逆的反復(fù)恢復(fù)上下溫相形狀的現(xiàn)象稱(chēng)為雙程 形狀記憶效應(yīng)。當(dāng)加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾?的高溫相形狀的現(xiàn)象稱(chēng)為全程形狀記憶效應(yīng)。它是一種特殊的雙程形狀記憶 效應(yīng)，只能在富Ti-Ni合金中出現(xiàn)。形狀記憶材料可以分為形狀記憶合金、形狀記憶陶瓷和形狀記憶高分子材料。形狀記憶合金按照組成和相變特征可以分為三大類(lèi)：Ti-Ni系，Cu基以及Fe基形狀記憶合金。代表性材料及優(yōu)缺點(diǎn)：1 Ti-Ni合金是目前所有形狀記憶合金中研究得最全面、記憶性能最好、 實(shí)用性強(qiáng)的合金材料，Ti Ni合金有3種金屬化合物：T

6、i2Ni，TiNi和TiNi 2。優(yōu)點(diǎn)：可記憶形變最大，性能穩(wěn)定，有生物相容性，且可逆轉(zhuǎn)變溫度與 人體體溫相似；缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴，制作工藝復(fù)雜；可以通過(guò)多元合金化改善。2銅基系形狀記億合金種類(lèi)比擬多，以Cu-Zn-AI及Cu-Al-Ni合金為主。 優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格低，記憶效應(yīng)較好，加工容易；缺點(diǎn)：穩(wěn)定性差，不具有生物相容性，可通過(guò)分級(jí)淬火改善。3Fe基形狀記憶合金分為熱彈性馬氏體相變及非熱彈性馬氏體相變。優(yōu)點(diǎn)：擴(kuò)展到非熱彈性馬氏體相變體系；缺點(diǎn)：價(jià)格高，應(yīng)用范圍不大4形狀記憶陶瓷ZrO2陶瓷，大多屬于非彈性馬氏體相變體系，但可記 憶形變量小，壽命短，無(wú)雙程記憶效應(yīng)。5形狀記憶聚合物：聚降冰片烯，聚氨酯

7、等，與形狀記憶合金相比：優(yōu)點(diǎn)：形變量大，形狀恢復(fù)應(yīng)力低，形狀恢復(fù)溫度可調(diào)整缺點(diǎn)：耐疲勞性差，只有單程記憶效應(yīng)。應(yīng)用：形狀記憶材料作為新型功能材料在航空航天、自動(dòng)控制系統(tǒng)、醫(yī) 學(xué)、能源等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。例如用于各種管件的接頭及熱發(fā)動(dòng)機(jī)等。形狀記憶合金應(yīng)用最典型的例子是制造人造衛(wèi)星天線，由Ti Ni合金板制成的天線能卷入衛(wèi)星體內(nèi)，當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入軌道后，利用太陽(yáng)能或其他熱 源加熱就能在太空中展開(kāi)。美國(guó)宇航局NASA曾利用Ti Ni合金加工制成 半球狀的月面天線，并加以形狀記憶熱處理，然后壓成一團(tuán)，用阿波羅運(yùn)載 火箭送上月球外表，小團(tuán)天線受太陽(yáng)照射加熱引起形狀記憶而恢復(fù)原狀，即 構(gòu)成正常運(yùn)行的半球狀天

8、線，可用于通訊。2壓電材料定義：壓電材料是受到壓力作用時(shí)會(huì)在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料。 壓電效應(yīng)的原理是，如果對(duì)壓電材料施加壓力，它便會(huì)產(chǎn)生電位差稱(chēng)之為正 壓電效應(yīng)，反之施加電壓,那么產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)。如果壓力是一 種高頻震動(dòng)，那么產(chǎn)生的就是高頻電流。而高頻電信號(hào)加在壓電陶瓷上時(shí)，那么 產(chǎn)生高頻聲信號(hào)機(jī)械震動(dòng)。分類(lèi)：分為無(wú)機(jī)壓電材料和有機(jī)壓電材料。無(wú)機(jī)壓電材料又分為分為壓 電晶體和壓電陶瓷，壓電晶體一般是指壓電單晶體；壓電陶瓷那么泛指壓電多晶 體。壓電陶瓷是指用必要成份的原料進(jìn)行混合、成型、高溫?zé)Y(jié)，由粉粒之 間的固相反響和燒結(jié)過(guò)程而獲得的微細(xì)晶粒無(wú)規(guī)那么集合而成的多晶體。具有壓電

9、性的陶瓷稱(chēng)壓電陶瓷，實(shí)際上也是鐵電陶瓷。在這種陶瓷的晶粒之中存 在鐵電疇，鐵電疇由自發(fā)極化方向反向平行的180疇和自發(fā)極化方向互相垂直的90疇組成，這些電疇在人工極化施加強(qiáng)直流電場(chǎng)條件下，自發(fā)極化 依外電場(chǎng)方向充分排列并在撤消外電場(chǎng)后保持剩余極化強(qiáng)度，因此具有宏觀壓電性。如：鈦酸鋇BT、鋯鈦酸鉛PZT、改性鋯鈦酸鉛、偏鈮酸鉛、鈮酸鉛 鋇鋰PBLN、改性鈦酸鉛PT等。代表性材料及優(yōu)缺點(diǎn)：壓電晶體：水晶石英晶體、鎵酸鋰、鍺酸鋰、鍺酸鈦以及鐵晶體管鈮 酸鋰、鉭酸鋰等；優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性很高，機(jī)械品質(zhì)因子高；缺點(diǎn)：壓電性弱，介電常數(shù)很低，受切型限制存在尺寸局限。壓電陶瓷：鈦酸鋇BT、鋯鈦酸鉛PZT、改性鋯鈦

10、酸鉛、偏鈮酸鉛、鈮 酸鉛鋇鋰PBLN、改性鈦酸鉛PT等；優(yōu)點(diǎn)：壓電性強(qiáng)、介電常數(shù)高、可以加工成任意形狀；缺點(diǎn)：機(jī)械品質(zhì)因子較低、電損耗較大、穩(wěn)定性差。有機(jī)壓電材料：聚偏氟乙烯PVDF薄膜及以它為代表的其他有機(jī)壓電 薄膜材料；優(yōu)點(diǎn)：材質(zhì)柔韌，低密度，低阻抗和高壓電電壓常數(shù)；缺點(diǎn)：壓電應(yīng)變常數(shù)d偏低，使之作為有源發(fā)射換能器受到很大的限制。應(yīng)用：壓電材料的應(yīng)用領(lǐng)域可以粗略分為兩大類(lèi)：即振動(dòng)能和超聲振動(dòng)能-電能換能器應(yīng)用，包括電聲換能器，水聲換能器和超聲換能器等，以及其它 傳感器和驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用。例如 PbTiO3系壓電陶瓷具最適合制作高頻高溫壓電 陶瓷元件，無(wú)機(jī)壓電陶瓷和有機(jī)高分子樹(shù)脂構(gòu)成的壓電復(fù)合材料

11、，兼?zhèn)錈o(wú)機(jī) 和有機(jī)壓電材料的性能，并能產(chǎn)生兩相都沒(méi)有的特性。因此，可以根據(jù)需要， 綜合二相材料的優(yōu)點(diǎn)，制作良好性能的換能器和傳感器。它的接收靈敏度很 高，比普通壓電陶瓷更適合于水聲換能器。在其它超聲波換能器和傳感器方 面，壓電復(fù)合材料也有較大優(yōu)勢(shì)。壓電材料除了以上用途外還有其它相當(dāng)廣 泛的應(yīng)用。如鑒頻器、壓電震蕩器、變壓器、濾波器等。3. 敏感材料敏感材料，是指能將各種物理的或化學(xué)的非電參量轉(zhuǎn)換成電參量的功能材料。這類(lèi)材料的共同特點(diǎn)是電阻率隨溫度、電壓、濕度以及周?chē)鷼怏w環(huán)境等的變化而變化。用敏感材料制成的傳感器具有信息感受、交換和傳遞的功能，可分別 用于熱敏、氣敏、濕敏、壓敏、聲敏以及色敏等不

12、同領(lǐng)域。敏感材料是當(dāng)前最活潑的無(wú)機(jī)功能材料，各種傳感器的開(kāi)發(fā)應(yīng)用具有重要意 義，對(duì)遙感技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、化工檢測(cè)、防爆、防火、防毒、防止缺氧以及 家庭生活現(xiàn)代化等都有直接的關(guān)系。分類(lèi)及代表性材料特點(diǎn)應(yīng)用：按材料的特性可以分為熱敏，光敏，壓敏，濕 敏，氣敏及熱釋電陶瓷等；熱敏材料,是材料的某些性能歲溫度的變化而變化的功能材料 目前可以分為 兩大類(lèi):熱敏電阻材料和熱釋電材料。熱敏電阻材料是指材料的電阻值隨溫度的 變化而變化，又可分為三種情況：1材料所具有的電阻值隨溫度的上升而增 大的特性*即具有正溫度系數(shù)，稱(chēng)為 PTC熱敏電阻。典型的 PTC熱敏系列有 BaTiO3、以BaTiO3為基的BaTi

13、O3-SrTiO3-PbTiO3 固溶體、以氧化鋇和氧化 溴為基的多元材料等。其中以BaTiO3材料最具代表性，它是當(dāng)前研究得最成熟 實(shí)用范圍員廣的PTC熱敏材料。2材料所具有的電阻值隨溫度的上升而減 少的特性，即具有負(fù)溫度系數(shù)，稱(chēng)為NTC熱敏電阻。NTC熱敏電阻是研究最早、 生產(chǎn)最成熟、應(yīng)用最廣泛的熱敏材樹(shù)之一。這類(lèi)熱敏材料大都是用錳、鉆、鎳、 鐵等過(guò)渡金屑氧化物按一定配比混合，采用陶瓷工藝制備而成。如NiO中摻入微量Li2O或CaO、FeO、MnO2中摻入Li2O形成的P型半導(dǎo)體。3材料 所具有的電阻值隨溫度的升高而下降， 當(dāng)在某一溫度下電阻值猛 烈減小下降達(dá) 24個(gè)數(shù)量級(jí)的特性，即具有臨

14、界溫度特性，稱(chēng)為 CTR熱敏電阻。屬于這種 材料的有氧化釩系的非線性電阻材料， 這種材料是V2O5與鋇、硅、磷等的氧化 物混合后在含有H2，CO2，混合氣體的弱復(fù)原氣氛中燒結(jié)而成。居里點(diǎn)轉(zhuǎn)交 點(diǎn)的溫度可以通過(guò)添加鍺、鎳、鎢、錳等元累來(lái)移動(dòng)。利用這類(lèi)熱敏電阻可以 制成固態(tài)無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，廣泛用于溫度自動(dòng)控制、過(guò)熱保護(hù)、火災(zāi)報(bào)警器及致冷設(shè) 備中。因溫度變化引起自發(fā)極化值變化的現(xiàn)象，稱(chēng)為 熱釋電現(xiàn)象。具有熱釋電現(xiàn) 象的材料稱(chēng)為熱釋電材料。即熱釋電材料是指材料兩端產(chǎn)生的電壓隨溫度變化而 變化的一類(lèi)功能材料。其主要特點(diǎn)是，材料隨著溫度的變化會(huì)引起材料內(nèi)部介質(zhì) 的極化。即加熱該材料，材料的兩端會(huì)產(chǎn)生效量相等符

15、號(hào)相反的電荷， 如果將其 冷卻，電荷的極性與加熱時(shí)恰好相反。材料的這種性質(zhì)稱(chēng)為熱釋電性。這種熱釋 電效應(yīng)是由于材料的晶體中存在著自發(fā)極化所引起的。自發(fā)極化與感應(yīng)極化不 同，它不是由外電場(chǎng)作用而發(fā)生的，而是由于材料本身的結(jié)構(gòu)在某個(gè)方面上正、 負(fù)電荷重心不重合而引起的。當(dāng)溫度恒定時(shí)，電自發(fā)極化出現(xiàn)在外表的電荷與吸 附存在于空氣中相反的電荷產(chǎn)生電中和。 假設(shè)溫度發(fā)生變化，自發(fā)極化的大小產(chǎn)生 變化，于是中性狀態(tài)受到破壞，而產(chǎn)生電荷的不平衡。具有熱釋電效應(yīng)的材料有 上干種，但目前能應(yīng)用的僅十幾種，其中純屬無(wú)機(jī)材料的有鋯鐵酸鉛鑭Pb，La Zr，Ti 03等，這是近年來(lái)才開(kāi)展起來(lái)的透明陶瓷材料，工作溫度可

16、高 達(dá) 240 °C。氣敏材料是指材料的電阻隨周?chē)鷼怏w環(huán)境的變化而變化的一類(lèi)功能材料。利用這種材料與相應(yīng)的電子線路那么可組成“電子鼻，它不僅能區(qū)分不同的氣體， 而且可以指示濃度。例如，在ZrO2中固溶CaO，MgO，Y2O3等而得到氧化鋯 材料，這種材料的晶格中產(chǎn)生了缺陷，有利于氧離子在其中的移動(dòng)；同時(shí)這種材 料又具有多孔性，使氣體容易滲透進(jìn)去，因此可以用來(lái)制成測(cè)定氧分壓的包傳感 器。這種傳感器響應(yīng)速度快，電動(dòng)勢(shì)穩(wěn)定，可測(cè)定氧分壓范圍寬，且耐高溫、現(xiàn) 已大量用于汽車(chē)排氣和煉鋼過(guò)程中氧的檢測(cè)。除了氧化鋯用于02的傳感器外，氧化鈦系亦可制成02的傳感器。其他氣體傳感器可使用氧化錫、氧化鋅

17、、氧化 鎳、氧化鉻、氧化釩、氧化鐵、氧化鎢等多種材料，用于檢測(cè)H2，C02 . NOf例如SnO2，,Zn0等半導(dǎo)體材料，在通常的氣體介質(zhì)中吸附氧氣，電阻變 大，而一日接觸丙烷氣、氫氣等可燃性氣體時(shí)，與吸附的氧氣發(fā)生反響，使電阻 變小，因此通過(guò)電阻的變化可以檢查可燃性氣體是否泄漏。利用氣敏材料制成的敏感元件，近幾十年來(lái)在國(guó)內(nèi)外已有了很大的開(kāi)展， 其檢測(cè)靈敏度通常為百萬(wàn)分之一的數(shù)量級(jí)，個(gè)別甚至可達(dá)十億分之一的數(shù)量級(jí)， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了動(dòng)物的嗅覺(jué)感知度，故有“電子鼻之稱(chēng)。已經(jīng)在石油、化工、煤礦、 汽車(chē)制造、電子、發(fā)電等工業(yè)部門(mén)以及環(huán)境監(jiān)測(cè)、住宅有害氣體報(bào)警、國(guó)防等部 門(mén)進(jìn)入了實(shí)用化階段。壓敏材料是指材料

18、的電阻值隨加于其上電壓不同而顯著變化的非歐姆性電 阻材料。具有這種特殊性能的材料包括硅、鍺等單晶半導(dǎo)體，以及SiC，Ti02，SrTiO3 , ZnO等。其中以ZnO壓敏材料的特性最正確，它的配料組成因?qū)Ξa(chǎn)品性 能參數(shù)要求不同而異。以ZnO為主體的壓敏電阻器，它具有優(yōu)良的非線性、耐強(qiáng)浪涌能力、能在 寬闊的范圍內(nèi)調(diào)變壓敏電壓等性能因此在電力、通訊、交通、工業(yè)保護(hù)及軍事 電子學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 除了主要用于過(guò)電壓保護(hù)和穩(wěn)壓方面外， 目前 正在開(kāi)發(fā)電涌吸收元件、高壓輸電、集成電路的保護(hù)等方面的應(yīng)用。濕敏材料是指材料的電阻值隨所處環(huán)境的濕度變化而變化以功能材料，又稱(chēng)為濕敏電阻材料。它是在電絕緣

19、物質(zhì)中滲入容易吸潮的物質(zhì)，如氯化鋰、氧化 鋅等加工而成。它能將濕度的變化轉(zhuǎn)換成電的信號(hào)， 所以又叫濕度傳感器。有了 它就可以實(shí)現(xiàn)濕度的自動(dòng)指示、自動(dòng)記錄、自動(dòng)控制與調(diào)節(jié)。4. 電流變體與磁流變體電流變體：1947年，一個(gè)叫溫斯洛的美國(guó)人發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象。 他把石膏、 石灰和炭粉加在橄欖油中，然后加水?dāng)嚦梢环N懸浮液，想看看這種懸浮液能不能 導(dǎo)電。在試驗(yàn)中，他意外地發(fā)現(xiàn)，這種懸浮液沒(méi)有加上電場(chǎng)時(shí)，可以像水或油一 樣自由地流動(dòng)；可是一加上電場(chǎng)，就能立即由自由流動(dòng)的液體變成固體， 而且隨 著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，固體的強(qiáng)度也在增加。當(dāng)撤消電場(chǎng)時(shí)，它又能立即由固體變 回液體。由于這種懸浮液可以用電場(chǎng)來(lái)控制

20、， 因此科學(xué)家們就把它叫做“電流變 體，并把這種現(xiàn)象稱(chēng)為“溫斯洛現(xiàn)象。組成：1，連續(xù)相2，分散相3,添加劑電流變體材料必須具備介電不匹配性、密度匹配性和高的屈服應(yīng)力及低電場(chǎng) 強(qiáng)度的特性。介電不匹配性是指電流變體材料中，分散相和連續(xù)相的介電不匹配 性，在外電場(chǎng)作用下，這種介電不匹配性將導(dǎo)致懸浮液內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的電場(chǎng)，粒子極化后就會(huì)沿電場(chǎng)方向形成鏈狀、 柱狀的纖維結(jié)構(gòu)；密度匹配性是指電流變 體材料的液-固兩相的密度盡可能相一致，以解決長(zhǎng)期存放后粒子的沉降問(wèn)題 ； 高屈服應(yīng)力和低電場(chǎng)強(qiáng)度特性是指在較低的電場(chǎng)強(qiáng)度下獲得高的動(dòng)態(tài)剪切應(yīng)力 , 以滿(mǎn)足電流變體材料在實(shí)際中應(yīng)用的需要。分類(lèi)及優(yōu)缺點(diǎn)：粒子分散型

21、電流變體和均一型電流變體， 其中粒子分散型電 流變體又分為含水系和無(wú)水系電流變體。含水系的電流變體一般由連續(xù)相分散介質(zhì)、懸浮顆粒被分散相和添加 劑組成。連續(xù)相一般是硅油、礦物油和變壓器油等液體 ，這些液體通常應(yīng)具備高 沸點(diǎn)、低粘度、電阻大、介電常數(shù)高等特點(diǎn)。懸浮顆粒一般利用吸附水的淀粉或 二氧化硅顆粒等,添加劑一般有水和外表活性劑等。Win slow發(fā)現(xiàn)的電流變體就 是典型的含水系粒子分散型電流變體，他是將吸附水的二氧化硅膠粒參加到硅 油中，發(fā)現(xiàn)懸浮液具有電流變效應(yīng)。此外,金屬氧化物、纖維素、淀粉等也是含水 電流變體的常用分散介質(zhì)。缺點(diǎn)：含水系的電流變體具有許多無(wú)法克服的缺點(diǎn)，通常含水的電流變

22、體，當(dāng)溫度升高時(shí)，會(huì)增加電荷在粒子間的流動(dòng)，例如，溫度每升高6C,它們的電導(dǎo) 率會(huì)提高一倍，從而導(dǎo)致了大量的電力消耗；同時(shí),高溫時(shí)逸出的水會(huì)腐蝕電流 變體工作的設(shè)備；另外,這些含水系電流變體工作的最高溫度為80 C,這將很難用于高溫下工作的電流變體控制器件中。無(wú)水系電流變體有機(jī)半導(dǎo)體粒子制得的電流變體、用復(fù)合材料粒子制得的電 流變體以及用其他粒子制得的電流變體等。有機(jī)半導(dǎo)體粒子電流變體具有比含水電流變體寬得多的工作溫度范圍、少得多的電源消耗。聚丙烯腈焦化物、聚吡醌、聚苯胺等有機(jī)半導(dǎo)體粒子分散在液體 介質(zhì)中都具有電流變性能。其中，聚苯胺粒子由于具有化學(xué)及熱力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、 電性能可調(diào)、比重與油接近

23、、本錢(qián)低的特性，所得到的屈服應(yīng)力也較大，作為一 類(lèi)很有希望的電流變材料倍受研究者的青睞。復(fù)合材料粒子那么可以充分利用幾種材料的優(yōu)異性能而得到綜合性能良好的 新型材料，所以，利用復(fù)合材料粒子作為分散介質(zhì)是很有前途的研究方向。例如丫-Fe2O3和聚丙烯酸鋰的復(fù)合微粒作為分散介質(zhì)的電流變體；二氧化硅和聚苯胺復(fù)合粒子作為分散相的電流變體；在聚苯胺的外表涂上一層多糖物質(zhì)，分散在 硅油中，發(fā)現(xiàn)復(fù)合粒子制得電流變體的屈服應(yīng)力、 漏電電流及零場(chǎng)粘度都比單一 聚苯胺粒子分散在硅油中得到的電流變體有所改善。利用其他粒子制得電流變體的例子有焦炭材料、硅鋁酸鹽粒子、添加了12的聚吡啶嗡鹽等。均一型：粒子分散型的電流變

24、體都是固液兩相懸浮液，由于動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性 導(dǎo)致了其易沉降的特點(diǎn)，嚴(yán)重的會(huì)使電流變效應(yīng)喪失或破壞密封件等裝置。添加適宜的外表活性劑或不停攪拌可以暫緩粒子下沉即兩相別離現(xiàn)象，但也不能解決長(zhǎng)期儲(chǔ)存和工作的問(wèn)題。為克服上述困難，單相電流變體的研究逐漸引起了人們的重視。目前以液晶材料為根底的均一型電流變體的開(kāi)發(fā)是電流變體材料研究 的另一熱點(diǎn)。因?yàn)橐壕Р牧显诘偷碾妶?chǎng)強(qiáng)度下就會(huì)有電流變效應(yīng)，因此特別受到關(guān)注。但是低分子液晶的電流變效應(yīng)較弱。液晶電流變體的缺點(diǎn)是由液態(tài)向固 態(tài)轉(zhuǎn)變所需的響應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng)。應(yīng)用及開(kāi)展：電流變體材料的應(yīng)用范圍大致可分為三類(lèi)，即離合器、液壓閥 和減振器，另外的應(yīng)用領(lǐng)域還有機(jī)器人等。理論上

25、，電流變體應(yīng)該有在工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用的潛力 ，但是由于種種原因，目 前還沒(méi)有一項(xiàng)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)商品化。阻礙電流變體工程應(yīng)用的主要因素有：對(duì)電流變 體的作用機(jī)理至今尚了解不透徹，電流變體的屈服應(yīng)力太低，磨耗性能達(dá)不到要 求，形成電流變效應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)高，長(zhǎng)期使時(shí)粒子易沉降且電流變效應(yīng)不穩(wěn)定 等。要使電流變體在工業(yè)上得以應(yīng)用，還需要加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的工作：1.進(jìn)一步研究電流變體的作用機(jī)理，對(duì)電流變現(xiàn)象有關(guān)的物理、化學(xué)概念作徹底了解，弄清 有關(guān)材料的性質(zhì)與電流變現(xiàn)象的關(guān)系以及影響電流變現(xiàn)象的因素，然后根據(jù)相關(guān)的聯(lián)系進(jìn)行材料的設(shè)計(jì)；2.尋找更好的粒子材料，特別是加強(qiáng)無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合粒 子的研究,使電流變體的屈服

26、應(yīng)力從現(xiàn)在的15kPa/2. 5kV提高到1015kPa 2. 5kV以上；3.電流變添加劑有必要進(jìn)行深入的研究,以改善電流變體 的穩(wěn)定性并提高屈服應(yīng)力，這方面的研究是電流變體實(shí)用化的關(guān)鍵，值得充分重 視；4.單相均一電流變體有望徹底解決體系的沉降穩(wěn)定性問(wèn)題，需要進(jìn)行更多的研究工作。磁流變體：磁流變液(Magnetorheological Fluid , 簡(jiǎn)稱(chēng)MR流體)屬可控流體， 是智能材料中研究較為活潑的一支。 磁流變液是由高磁導(dǎo)率、低磁滯性的微小軟 磁性顆粒和非導(dǎo)磁性液體混合而成的懸浮體。 這種懸浮體在零磁場(chǎng)條件下呈現(xiàn)出 低粘度的牛頓流體特性；而在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，那么呈現(xiàn)出高粘度、低流動(dòng)性

27、的 Bingham體特性。由于磁流變液在磁場(chǎng)作用下的流變是瞬間的、可逆的、而且 其流變后的剪切屈服強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度具有穩(wěn)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此是一種用途廣 泛、性能優(yōu)良的智能材料。磁流變液應(yīng)滿(mǎn)足的指標(biāo)：(1) 零磁場(chǎng)粘度低，以便使其在磁場(chǎng)作用下，具有同等剪切屈服強(qiáng)度增長(zhǎng)時(shí)， 具有更大的可調(diào)范圍。(2) 強(qiáng)磁場(chǎng)下剪切屈服強(qiáng)度高，至少應(yīng)到達(dá) 2030Kpa，這是衡量磁流變液特 性的主要指標(biāo)之一。(3) 雜質(zhì)干擾小，以增加其使用范圍。(4) 溫度使用范圍寬，即在相當(dāng)寬的溫度范圍具有極高的穩(wěn)定性。(5) 響應(yīng)速度快，最好能到達(dá)毫秒級(jí)，以使磁流變液減振器作為主動(dòng)和半主動(dòng)控制器時(shí)，根本不存在時(shí)遲問(wèn)題。(6) 抗

28、沉降性好，長(zhǎng)時(shí)間存放應(yīng)根本不分層。(7) 能耗低，在較弱的磁場(chǎng)下可產(chǎn)生較大的剪切屈服強(qiáng)度。(8) 無(wú)毒、不揮發(fā)、無(wú)異味，這是由其應(yīng)用領(lǐng)域所決定的。磁流變液應(yīng)用范圍目前，磁流變液已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于研磨(拋光)工藝、閥門(mén)和密封、家庭健身 器、機(jī)械手的抓持機(jī)構(gòu)、裝配車(chē)間不規(guī)那么形體的依托架、以及自動(dòng)化儀表、機(jī)器 人的傳感器和采礦、印刷等行業(yè)。在其眾多應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)中，研究最多、開(kāi)展最快的應(yīng)用領(lǐng)域是汽車(chē)座位減振器、 剎車(chē)器、主動(dòng)驅(qū)動(dòng)器以及土模機(jī)構(gòu)減振器?；诖帕髯円旱难b置還包括沖擊吸收 器、緩沖器、阻尼器、隔振器、密封裝置、制動(dòng)器、離合器、柔性機(jī)械卡具、機(jī) 器人手臂、直升機(jī)旋翼、油缸運(yùn)動(dòng)的控制以及電源高速開(kāi)關(guān)

29、、拋光裝置和液壓閥 等 這些都有很大的潛在開(kāi)展前景。磁流變彈性體是一種高分子聚合物中嵌有鐵磁性顆粒的智能材料， 在外磁場(chǎng) 的作用下固化，使顆粒在基體中形成鏈狀及柱狀有序結(jié)構(gòu)， 這種有序結(jié)構(gòu)導(dǎo)致材 料的力學(xué)性能特別是剪切性能可控，因此可以設(shè)計(jì)出由磁場(chǎng)控制的變剛度器件。5. 電致伸縮及磁滯伸縮材料電致伸縮效應(yīng)：它是指當(dāng)外電場(chǎng)作用于電介質(zhì)上時(shí)，所產(chǎn)生的應(yīng)變正比于電場(chǎng)強(qiáng) 度或極化強(qiáng)度的平方的現(xiàn)象由于電致伸縮效應(yīng)引起的應(yīng)變與外加電場(chǎng)的方向無(wú) 關(guān)，所以一般固體電介質(zhì)都能產(chǎn)生電致伸縮效應(yīng)。電致伸縮材料：于某些高介電常數(shù)的鐵電材料，當(dāng)高出居里溫度時(shí)，具有相當(dāng)大 的電致伸縮效應(yīng)，其應(yīng)變數(shù)量級(jí)甚至大于壓電效應(yīng)的一

30、類(lèi)材料。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)電致伸縮效應(yīng)顯著的材料有：鈮鎂酸鉛一欽酸鉛固溶體PMN-PT,鈮鎂酸鉛一欽酸鉛一鈮鋅酸鋇固溶體PMN-PT-BNZ,摻鋇的錯(cuò)欽酸鉛 Ba2PZT,摻翻的鋯酸鉛La2PZT。分類(lèi)：按其所組成的固溶體的化合物成分構(gòu)成可分為一元系壓電陶瓷，如鈦酸鋇BaTiO3 、鈦酸鉛PbTiO3和偏鈮酸鉛PbNbO32等;二元系壓電陶瓷，如目前 使用最多的鋯鈦酸鉛xPbZrO3-1- x PbTiO3 或PbZrxTi1-xO3,這是目前使用 最為廣泛的PZT系列壓電陶瓷；三元系及多元系壓電陶瓷，通常是在具有鈣鈦礦 型結(jié)構(gòu)的PZT二元系中再參加第三種或第四種化學(xué)通式為ABO3型化合物而形成三元系或

31、多元系固溶體，以獲得所需要的寬性能調(diào)節(jié)范圍，得到不同性能參數(shù) 的壓電陶瓷，以滿(mǎn)足不同的市場(chǎng)需求。與PZT壓電陶瓷相比，三元系或多元系壓電陶瓷的燒結(jié)性能良好，不但燒成 溫度范圍寬，而且PbO揮發(fā)也少，陶瓷的工藝重現(xiàn)性好，易獲得氣孔率少的致密陶 瓷體,可獲得具有高機(jī)械強(qiáng)度和電氣性能，及在某些方面有顯著特點(diǎn)的壓電陶瓷。 因此多元系壓電陶瓷已成為眾多研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)之一。應(yīng)用：天文學(xué)，光通訊等方面電致伸縮器件。磁滯伸縮材料：具有磁滯伸縮效應(yīng)材料磁滯伸縮效應(yīng)：所謂磁致伸縮是鐵磁物質(zhì)磁性材料由于磁化狀態(tài)的改變，其 尺寸在各方向發(fā)生變化。大家知道物質(zhì)有熱脹冷縮的現(xiàn)象。 除了加熱外，磁場(chǎng)和 電場(chǎng)也會(huì)導(dǎo)致物體尺寸的伸長(zhǎng)或縮短。 鐵磁性物