材料科學(xué)與工程-智能材料課件

1、智能材料 Intelligent Materials材料科學(xué)與工程前沿之智能材料美國(guó)太空探索技術(shù)公司SpaceX首次成功回收“獵鷹9號(hào)”火箭2015年12月21日晚從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空，發(fā)射10分鐘后一級(jí)火箭成功著陸地面平臺(tái)首次實(shí)現(xiàn)安全回收；2016年4月8日實(shí)現(xiàn)海上平臺(tái)一級(jí)火箭回收；2016年5月6日再次實(shí)現(xiàn)海上平臺(tái)一級(jí)火箭回收；意義：造價(jià)高昂的火箭自此擺脫“一次性”用品角色，從而大幅縮減太空旅行花銷，預(yù)期發(fā)射成本將降低99%。可重復(fù)使用的火箭有助于人類實(shí)現(xiàn)前往火星的載人任務(wù)，搭載登陸火星的宇航員重返地球。智能材料在航空航天飛行器安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用DC-XA：美國(guó)麥道公司實(shí)

2、驗(yàn)型空間飛行器。垂直起降，可重復(fù)使用，1993年首飛。智能材料的發(fā)展歷史 在同一時(shí)期，在日本也開(kāi)展了空間結(jié)構(gòu)震動(dòng)控制的研究。并提出智能材料（intelligent materials）是21世紀(jì)材料發(fā)展的方向之一。 1970年代McDonnell-Douglas公司在機(jī)翼上埋設(shè)光纖及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)翼從生產(chǎn)制造到服役操作整個(gè)壽命期間的實(shí)時(shí)監(jiān)控。由此，“smart”一詞廣為應(yīng)用。 在八十年代初，美國(guó)NASA就空間結(jié)構(gòu)用主動(dòng)控制減振框架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。天然氣管道的事故往往造成重大損失。智能材料在石油及天然氣管道的安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要的作用。 以激光武器為代表的未來(lái)空天軍“殺手锏”武

3、器需要智能材料進(jìn)行超靜度隔振、致穩(wěn)，高精度定位、瞄準(zhǔn)。 安靜型潛艇智能減振技術(shù)、第五代戰(zhàn)斗機(jī)的智能蒙皮和微小型飛行器的飛行驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)等都依賴于智能材料的關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題的解決。 智能材料是近年來(lái)提出的一類新型材料。 它可以具有類似于生物體反應(yīng)的機(jī)能，既有感知,又有驅(qū)動(dòng)的功能,有的本身就可以構(gòu)成一個(gè)智能系統(tǒng),有的需要加入反饋，才能構(gòu)成一個(gè)完整的智能系統(tǒng)。智能材料是今后新材料發(fā)展的熱點(diǎn)之一。 摘自 師昌緒主編材料大辭典智能材料的學(xué)術(shù)研究情況主要學(xué)術(shù)會(huì)議：SPIE- Smart materials and structures（美國(guó)）International Conference on Smart ma

4、terials and Nanotechnology in Engineering （源于中國(guó)2007）中國(guó)材料大會(huì)（原中國(guó)材料研討會(huì)）智能材料分會(huì)主要學(xué)術(shù)期刊Journal of Intelligent Materials System and Structures (SCI, England, 1990)Smart Materials and Structures (SCI, England, 1992)Smart Structures and Systems (SCI, South Korea, 2005 )International Journal of Smart and Nano

5、materials （England, 2010）Smart materials research (Egypt, 2011)智能材料名稱的演變自適應(yīng)材料與結(jié)構(gòu)（Adaptive materials and structures）機(jī)敏材料（Smart materials ）機(jī)敏材料與結(jié)構(gòu)（Smart materials and structures）智能材料與結(jié)構(gòu)（Intelligent materials andstructures）智能材料系統(tǒng)（Intelligent materials systems）智能材料材料自適應(yīng) (self-adaptive)材料自適應(yīng)：對(duì)環(huán)境變化因素自發(fā)做出的

6、適應(yīng)性反應(yīng)。變色眼鏡機(jī)理：材料對(duì)外場(chǎng)信號(hào)的反應(yīng)具有感知和傳遞功能的材料一個(gè)智能材料系統(tǒng)的工作示意圖 功 能材 料現(xiàn)象和機(jī)制熱力雙金屬片熱脹冷縮形狀記憶合金形狀記憶效應(yīng)光力光敏凝膠光致溶漲電力電致伸縮材料電致伸縮效應(yīng)壓電材料逆壓電效應(yīng)電流變體電場(chǎng)極化流體粒子電活性凝膠電場(chǎng)遷移離子磁力磁致伸縮材料磁致伸縮效應(yīng)磁驅(qū)動(dòng)記憶合金磁致變體重排或相變化學(xué)力智能高分子凝膠化學(xué)信號(hào)刺激收縮或溶漲部分具備輸出力功能的材料具有感知和執(zhí)行功能的智能材料形狀記憶材料磁致伸縮材料壓電材料電致伸縮陶瓷電（磁）流變體光纖材料智能高分子材料形狀記憶材料形狀記憶合金：TiNi、Ni2MnGa形狀記憶陶瓷：ZrO2 形狀記憶高分子

7、：苯乙烯/丁二烯共聚物形狀記憶合金用于飛行器控制 形狀記憶合金智能機(jī)翼磁致伸縮材料磁致伸縮：磁性材料在磁場(chǎng)中磁化時(shí)，它沿磁場(chǎng)方向的長(zhǎng)度發(fā)生伸長(zhǎng)和縮短，這一現(xiàn)象稱為磁致伸縮?？蓪?shí)現(xiàn)電/磁能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換。磁致伸縮材料：金屬系： (s:307010-6) Ni-Fe鐵氧體系： (s:306010-6) Ni-Co鐵氧體稀土化合物系： (s:100250010-6) TbDyFe合金（超磁致伸縮材料）超磁致伸縮材料 TbDyFe合金定向凝固TbDyFe合金超磁致伸縮合金作動(dòng)器超磁致伸縮TbDyFe材料的廣泛應(yīng)用均通過(guò)作動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。水下發(fā)射型聲納是稀土超磁致伸縮材料最早和最重要的應(yīng)用，主要用

8、于水下通訊、探測(cè)、偵察、偽裝和制導(dǎo)等軍事用途，還可用于捕漁、海底測(cè)繪、油井井深探測(cè)、輸油管道堵塞探測(cè)等其它用途。超磁致伸縮材料應(yīng)用壓電材料正壓電效應(yīng)：在某些特定方向上對(duì)壓電晶體加力時(shí)，在與力方向垂直的平面內(nèi)出現(xiàn)正負(fù)束縛電荷的現(xiàn)象。壓電材料如果把電場(chǎng)加到壓電晶體上，則晶體在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生應(yīng)變，稱為逆壓電效應(yīng)。壓電陶瓷：鈣鈦礦型鐵電體BaTiO3電致伸縮效應(yīng)： 電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的應(yīng)變與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成反比。Pd(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PZN-PT)電致伸縮陶瓷PZT等陶瓷的電致伸縮曲線壓電陶瓷材料和產(chǎn)品壓電陶瓷馬達(dá)利用壓電傳感器對(duì)1/2縮比F/A 18模型的復(fù)合材料脫層及

9、螺釘缺失的監(jiān)測(cè)電流變體電流變液（ER流體）：由高介電常數(shù)、低電導(dǎo)率的電介質(zhì)顆粒分散在低介電常數(shù)的絕緣液體中形成的懸浮體系，可以對(duì)電場(chǎng)做出反應(yīng)。在電場(chǎng)作用下顆粒自發(fā)極化，產(chǎn)生靜電引力使顆粒排成鏈狀或柱狀結(jié)構(gòu)，流體由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)，電場(chǎng)減弱或消失，則恢復(fù)到初始狀態(tài)。電流變體驅(qū)動(dòng)器 FORD公司電流變阻尼器應(yīng)用于汽車懸掛系統(tǒng)主動(dòng)控振、剎車系統(tǒng) 我國(guó)采用Lord公司開(kāi)發(fā)的磁流變體阻尼器，成功解決了岳陽(yáng)洞庭湖大橋橋索的風(fēng)雨振問(wèn)題。磁流變體阻尼器在重大工程中的應(yīng)用光纖材料光纖材料的智能化應(yīng)用應(yīng)變和溫度測(cè)量；復(fù)合材料固化監(jiān)測(cè)；損傷評(píng)估；建筑結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)。損傷評(píng)估傳感技術(shù)應(yīng)用于重要建筑的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)。光纖材料光

10、纖材料地面光纖警戒系統(tǒng)： 對(duì)壓力信號(hào)敏感全天候隱蔽性好可靠性高智能高分子智能高分子：對(duì)物理和化學(xué)刺激產(chǎn)生響應(yīng)，如形狀或物理性質(zhì)發(fā)生改變的高分子材料。智能凝膠智能高分子智能調(diào)光材料透光性受到溫度的控制部分相容共混物的溶解度隨溫度變化：溫度升高時(shí)發(fā)生相分離從而使光散射出現(xiàn)白濁化智能材料的研究方向智能材料系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的仿生學(xué)理論研究耗散結(jié)構(gòu)理論應(yīng)用于智能材料系統(tǒng)的研究機(jī)敏材料的復(fù)合集成原理及設(shè)計(jì)理論智能結(jié)構(gòu)集成的非線性理論仿人智能控制理論（智能結(jié)構(gòu)）仿 生 學(xué) 基 礎(chǔ)耗 散 理 論機(jī) 敏 材 料智能材料系統(tǒng)非線性性能智能材料的研究框架系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的仿生學(xué)理論研究仿生學(xué)：模仿生物的特殊本領(lǐng)的一門(mén)科學(xué)。

11、仿生學(xué)籍了解生物的結(jié)構(gòu)和功能原理，來(lái)研制新的機(jī)械和新技術(shù)，或解決機(jī)械技術(shù)的難題。觀察、研究和模擬自然界生物的結(jié)構(gòu)、原理、行為、各種器官功能、體內(nèi)的物理和化學(xué)過(guò)程、能量的供給、記憶與傳遞等，為科學(xué)技術(shù)中利用這些原理，提供新的設(shè)計(jì)思想、工作原理和系統(tǒng)架構(gòu)的技術(shù)科學(xué)潛水艇沉浮魚(yú)鰾紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈響尾蛇手 掌避免皮膚受損勞動(dòng)中與工具摩擦生成老繭 鋁保護(hù)基體避免進(jìn)一步損傷遇腐蝕或損傷表面形成鈍化膜環(huán) 境系 統(tǒng)材 料生物體自適應(yīng)系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的仿生學(xué)理論生物體與智能系統(tǒng)的對(duì)比環(huán)境感知器執(zhí)行器輸入中樞神經(jīng)系統(tǒng) 處 理處理器 存 儲(chǔ)信 息輸出 生物體 智能系統(tǒng)系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的仿生學(xué)理論從骨愈合到具有自修復(fù)功能的水泥機(jī)

12、敏材料的仿生啟示 系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的仿生學(xué)理論材料智能內(nèi)稟特性及智商評(píng)價(jià)體系的研究生物體是通過(guò)感知器官、神經(jīng)系統(tǒng)和各種執(zhí)行、輸出器官實(shí)現(xiàn)其智能過(guò)程。將材料內(nèi)稟功能特性與生物體功能的機(jī)理相對(duì)比，研究后者的過(guò)程，以便實(shí)現(xiàn)前者功能的設(shè)計(jì)和改性?；谝陨蠈?duì)材科智能內(nèi)稟特性的研究，借鑒對(duì)人類智商的評(píng)價(jià)方法，以材料對(duì)環(huán)境變化的頻率、強(qiáng)度、壽命、準(zhǔn)確程度等為指標(biāo)，建立一套評(píng)價(jià)材料智商的科學(xué)方法，對(duì)各類相關(guān)機(jī)敏材料的智商進(jìn)行評(píng)價(jià)，為智能材料系統(tǒng)的建立提供材料學(xué)的基本數(shù)據(jù)。不同結(jié)構(gòu)的智商智能內(nèi)稟特性及智商評(píng)價(jià)體系不同材料的機(jī)敏度智能內(nèi)稟特性及智商評(píng)價(jià)體系耗散結(jié)構(gòu)（dissipative structure）理論（P

13、rigogine教授于1970年提出，獲得了諾貝爾獎(jiǎng)）：一個(gè)開(kāi)放體系與外界環(huán)境存在著物質(zhì)和能量的交換，從而維持在一種非平衡的有序狀態(tài)。生命體系是一個(gè)開(kāi)放體系，與外界環(huán)境存在著能量、物質(zhì)和信息的交換，它遵循著與孤立的非生命體系不同的規(guī)律。長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直將材料當(dāng)作孤立的個(gè)體來(lái)看待，認(rèn)為它與外界沒(méi)有物質(zhì)和能量的交換。因此它沒(méi)有類似于生物體那樣的新陳代謝功能。從耗散結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)來(lái)審視材料，就會(huì)發(fā)現(xiàn)耗散結(jié)構(gòu)理論為我們展示一條材料仿生新途徑。耗散結(jié)構(gòu)理論應(yīng)用于智能材料系統(tǒng)耗散結(jié)構(gòu)理論應(yīng)用于智能材料系統(tǒng)的研究生物的生長(zhǎng)與生存過(guò)程中，不斷地同環(huán)境交換物質(zhì)和能量而使自身有序態(tài)得到不斷更新，以實(shí)現(xiàn)諸如自診斷、自

14、愈合、自適應(yīng)、自繁殖等功能，生物體依賴于這種非平衡態(tài)下的物質(zhì)能量交換實(shí)現(xiàn)正常的新陳代謝，這種非平衡狀態(tài)下物質(zhì)和能量的交換的過(guò)程構(gòu)成了耗散結(jié)構(gòu)。從仿生學(xué)原理和耗散結(jié)構(gòu)理論出發(fā)，考慮材料系統(tǒng)的新陳代謝功能，在材料系統(tǒng)的使用過(guò)程中進(jìn)行能量和物質(zhì)的交換，使其具有自適應(yīng)和自修復(fù)能力，這就是將材料系統(tǒng)作為一個(gè)“活”的耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，使材料學(xué)家自覺(jué)地運(yùn)用相關(guān)的理論，啟發(fā)思路，提高材料的環(huán)境適應(yīng)性并延長(zhǎng)其使用壽命。入射波反射波入射波入射波透射波透射波0入射深度微波強(qiáng)度材料類型穿透深度加熱特性良導(dǎo)體基本全反射不能加熱絕緣體基本全透射不易加熱損耗介質(zhì)部分全部吸收容易加熱微波強(qiáng)度隨入射深度的變化微波強(qiáng)度隨入射深度的變

15、化微波強(qiáng)度隨入射深度的變化微波的選擇性吸收情況耗散結(jié)構(gòu)理論應(yīng)用于智能材料系統(tǒng)裂紋的相對(duì)長(zhǎng)度與微波熱處理溫度之間的關(guān)系微波加熱處理對(duì)有預(yù)制裂紋的碳化硅復(fù)合氧化鋁陶瓷的強(qiáng)度的修復(fù)作用耗散結(jié)構(gòu)理論應(yīng)用于智能材料系統(tǒng)機(jī)敏材料的復(fù)合集成原理及設(shè)計(jì)理論異質(zhì)材料復(fù)合的原理及設(shè)計(jì)：對(duì)異質(zhì)材料復(fù)合的界面結(jié)構(gòu)、能量傳遞及物質(zhì)傳輸?shù)膭?dòng)力學(xué)進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究，并在宏觀、介觀及微觀等層次對(duì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，給出異質(zhì)材料復(fù)合及設(shè)計(jì)的一般性準(zhǔn)則。外場(chǎng)物理量對(duì)傳感過(guò)程的影響機(jī)理：研究分布式及準(zhǔn)分布式應(yīng)變與溫度同時(shí)傳感的機(jī)理及多傳感器復(fù)用技術(shù)。研究與建立由機(jī)敏材料集成的執(zhí)行器的力學(xué)性能與相關(guān)物理量 (熱、電、磁、光)之

16、間的本構(gòu)關(guān)系：在外載及環(huán)境作用下執(zhí)行器的性能劣化、損傷、失穩(wěn)、疲勞、壽命及失效，為在智能材料系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)中的安全使用提供可靠數(shù)據(jù)。機(jī)敏材料的設(shè)計(jì)可以借鑒復(fù)合材料的復(fù)合準(zhǔn)則復(fù)合度參與復(fù)合各組元的體積或質(zhì)量分?jǐn)?shù)聯(lián)接方式復(fù)合系統(tǒng)中各個(gè)組元在三維空間中互相聯(lián)接的形式對(duì)稱性功能復(fù)合材料組分在空間幾何布局上的特征 尺度活性功能組分的空間線度大小周期性復(fù)合材料組元幾何分布的周期特征機(jī)敏材料的復(fù)合集成原理及設(shè)計(jì)理論纖維在基體中的幾種分布方式機(jī)敏材料的復(fù)合集成原理及設(shè)計(jì)理論機(jī)敏材料的復(fù)合集成原理及設(shè)計(jì)理論壓電陶瓷/聚合物復(fù)合材料的聯(lián)接方式復(fù)合效應(yīng)：線性與非線性效應(yīng) 如乘積效應(yīng)，乘積效應(yīng)是在復(fù)合材料兩組分之間產(chǎn)生可

17、用乘積關(guān)系表達(dá)的協(xié)同作用。機(jī)敏材料的復(fù)合集成原理及設(shè)計(jì)理論壓力/電場(chǎng)電場(chǎng)/發(fā)光壓力/發(fā)光復(fù)合材料可以用作壓力過(guò)載指示器。機(jī)敏材料的復(fù)合集成原理及設(shè)計(jì)理論本構(gòu)關(guān)系是智能材料系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用的基礎(chǔ)智能結(jié)構(gòu)集成的非線性理論與生物體類似，具有非線性性質(zhì)是智能材料系統(tǒng)的根本特征，因此，在傳感器、執(zhí)行器和控制器集成為智能材料系統(tǒng)過(guò)程中，必將產(chǎn)生許多新的非線性科學(xué)問(wèn)題，特別是耦合場(chǎng)下的非線性科學(xué)問(wèn)題。重點(diǎn)研究：在電、磁、熱、彈性等場(chǎng)耦合作用下的各類動(dòng)、靜態(tài)變分原理，為建立非線性的運(yùn)動(dòng)方程，研究運(yùn)動(dòng)、變形等響應(yīng)與集成元件性能、尺寸、涂層、配置、方向和界面之間關(guān)系，為傳感器、執(zhí)行器陣列的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。智能材料的非線性特性形狀記憶合金的超彈性、形狀記憶效應(yīng)和回復(fù)力特性磁致伸縮材料磁致應(yīng)變與磁場(chǎng)和應(yīng)力的關(guān)系仿人智能控制理論模擬人腦的宏觀結(jié)構(gòu)功能和人控制器的行為功能相結(jié)合，從分層遞階智能控制的最低層次著手，直接對(duì)人的控制經(jīng)驗(yàn)、技巧和各種直覺(jué)推理邏輯進(jìn)行測(cè)辨、概括和總結(jié)，編制各種能實(shí)時(shí)在線運(yùn)行的控制算法。研究分層信息處理及決策機(jī)構(gòu)(高階產(chǎn)生式系統(tǒng)結(jié)構(gòu))；在線特征辨識(shí)