博士班-智能材料與結(jié)構(gòu)1

智能材料與結(jié)構(gòu)一、基本概念

二、基礎(chǔ)智能材料

三、光纖智能材料與結(jié)構(gòu)

四、自診斷智能材料與結(jié)構(gòu)

五、自適應(yīng)智能材料與結(jié)構(gòu)

六、結(jié)束語(yǔ)一、基本概念

智能材料與結(jié)構(gòu)是近年來(lái)在世界上興起并迅速發(fā)展的材料技術(shù)的一個(gè)新領(lǐng)域。1989年，日本高木俊宜教授提出智能材料（Intelligentmaterials）概念，它是指對(duì)環(huán)境具有可感知可響應(yīng)等功能的新材料。美國(guó)的R.E.Newnhain教授提出了靈巧(Smart)材料的概念，這種材料具有傳感和執(zhí)行功能。國(guó)際上于1988年在美國(guó)召開(kāi)了第一屆“光纖機(jī)敏結(jié)構(gòu)與表層”會(huì)議(FiberOpticSmartStrustureandSkins)。智能材料與結(jié)構(gòu)的四種主要特性（1）敏感特性（2）傳輸特性（3）智能特性（4）自適應(yīng)特性

上述特性的微觀結(jié)合----智能材料上述特性的宏觀結(jié)合----智能結(jié)構(gòu)二、基礎(chǔ)智能材料

形狀記憶合金

壓電鐵電材料電/磁流變液

磁致伸縮材料

自組裝材料

光纖智能材料等。1.形狀記憶合金形狀記憶合金是一類(lèi)具有形狀記憶功能的材料；產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)的最根本原因是馬氏體相變；在合適溫度下馬氏體相與奧氏體相能發(fā)生可逆的變化。（1）靜脈通道過(guò)濾器NiTi作為一種靜脈通道過(guò)濾器（圖1）來(lái)打碎靜脈中的血凝塊。將合金通過(guò)一根ID導(dǎo)管，到達(dá)預(yù)定展開(kāi)的位置，然后去掉合金的束縛作用,其超彈性則對(duì)管壁施加恒定的壓力，使血塊破碎。1234圖1將Simon過(guò)濾器置于2.3mm導(dǎo)管內(nèi)(1),然后受熱膨脹(2、3、4)以用于防止再發(fā)的肺栓塞（2）SMA捕捉器和SMA牽開(kāi)器

腹腔鏡檢查方法的發(fā)展非常迅速，現(xiàn)在可以通過(guò)微小的套針和套管在非常小的部位進(jìn)行手術(shù)（如圖2和圖3）。圖2中的捕捉器是當(dāng)其中超彈性的SMA恢復(fù)其奧氏體結(jié)構(gòu)和形狀時(shí)，儀器才表現(xiàn)出彎曲形狀。而圖3中的牽開(kāi)器通常呈直線型，以便在套管中插入和退出，當(dāng)其中的SMA處于馬氏體狀態(tài)，牽開(kāi)器才呈現(xiàn)彎曲狀態(tài)。圖2Ni-TiSMA捕捉器圖3SMA牽開(kāi)器12342．壓電材料

壓電材料是一類(lèi)具有壓電效應(yīng)的材料；具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)晶體在機(jī)械應(yīng)力的作用下將產(chǎn)生極化并形成表面電荷；若將這類(lèi)電介質(zhì)晶體置于電場(chǎng)中，電場(chǎng)的作用將引起電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而導(dǎo)致晶體發(fā)生形變。壓電材料的類(lèi)型：壓電陶瓷壓電聚合物材料壓電復(fù)合材料應(yīng)用實(shí)例：（1）懸臂梁

懸臂梁用環(huán)氧材料制成，用四片粘貼在根部的壓電致動(dòng)元件模擬外界單一頻率的振動(dòng)干擾,其布局如圖4所示，再分別用兩片粘貼在其它位置的控制壓電元件1和控制壓電元件2對(duì)致動(dòng)器施加控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)單一頻率和噪聲的有效控制，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的振動(dòng)及噪聲水平顯著下降。

圖4懸臂梁布局壓電致動(dòng)元件壓電控制元件1壓電控制元件2（2）減振降噪園筒

圖5園筒布局用復(fù)合材料園筒進(jìn)行減振降噪試驗(yàn)，壓電元件的布置如圖5端面安置了4個(gè)PZT元件和4個(gè)傳感器，園筒安排了6個(gè)PZT元件和6個(gè)的傳感器，同樣可實(shí)現(xiàn)對(duì)單一頻率振動(dòng)和噪聲的有效控制。2.電/磁流變液

電流變(ER)液：在電場(chǎng)作用下，其剪切應(yīng)力、粘度等流變性能發(fā)生顯著的可逆變化。

磁流變(MR)液：在磁場(chǎng)作用下，其剪切應(yīng)力、粘度等流變性能發(fā)生顯著的可逆變化。

電磁流變(EMR)液：在電場(chǎng)或磁場(chǎng)的作用下，其剪切應(yīng)力、粘度等流變性能發(fā)生顯著的可逆變化。（1）組成：由固體微粒分散在合適的液體載體中而制成。（2）功能：（3）材料研究：ER液：半導(dǎo)體高分子材料金屬顆粒材料鐵電體材料液晶高分子材料硅鋁酸鹽材料MR液：磁性粒子乳滴磁性粒子磁性復(fù)合粒子EMR液：磁性復(fù)合粒子應(yīng)用實(shí)例（1）汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)減振器

圖6所示。減振器中極板運(yùn)動(dòng)方向與ER液的流動(dòng)方向垂直，利用ER液的特殊性能，可以達(dá)到減振的效果。輸入位移輸出位移線性支承支承質(zhì)量電流變液電極彈簧（2）ER液離合器ER液離合器的基本類(lèi)型有兩種：同軸園筒型和平板型，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。hRLh圖7同心園筒型（a）和平板型（b）ER離合器的結(jié)構(gòu)3.磁致伸縮材料磁致伸縮效應(yīng)—磁性物質(zhì)在磁化過(guò)程中因外磁場(chǎng)條件的改變而發(fā)生幾何尺寸可逆變化的效應(yīng)。而磁致伸縮智能材料—是一類(lèi)磁致伸縮效應(yīng)強(qiáng)烈，具有高磁致伸縮系數(shù)的材料。它是一類(lèi)具有電磁能/機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換功能的材料。Tb—Dy—Fe的λ值較大，機(jī)電耦合系數(shù)也高，一直是超磁致伸縮材料中研究的重點(diǎn)

應(yīng)用：聲納系統(tǒng)中的聲波發(fā)射器

可用作超聲和水聲換能器件（如超聲探傷、聲納）、電信器件（如振蕩器、延遲線）、測(cè)量傳感和控制驅(qū)動(dòng)器件等。如圖8所示，圖中六個(gè)單元組成一個(gè)環(huán)。隨著磁場(chǎng)變化，環(huán)就膨脹收縮，將聲波發(fā)射出去。線圈稀土棒磁體應(yīng)力棒六節(jié)環(huán)單節(jié)（2）微位移驅(qū)動(dòng)器件

圖9為我們研制的微位移控制裝置結(jié)構(gòu)原理圖。在線圈磁場(chǎng)的作用下，超磁致伸縮Tb-Dy-Fe單晶棒發(fā)生伸長(zhǎng)，并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行桿沿P方向移動(dòng)，其位移控制精度達(dá)μm級(jí)。P87654321Terfenol-D單晶2.永磁體3.彈簧4.線圈

5.隔離層6.磁軛7.執(zhí)行桿8.螺栓(3)主動(dòng)隔振智能結(jié)構(gòu)中的動(dòng)作器

圖10是采用磁致伸縮智能材料Terfenol動(dòng)作器的主動(dòng)隔振系統(tǒng)。動(dòng)作器的作用是產(chǎn)生控制力并作用于振動(dòng)梁，然后以力矩作用在工程結(jié)構(gòu)上以消除（或減小）它的振動(dòng)。靈敏梁質(zhì)量加速度計(jì)加速度計(jì)振動(dòng)梁激振力磁致伸縮動(dòng)作器圖10主動(dòng)隔振簡(jiǎn)圖(4)高靈敏磁觸發(fā)系統(tǒng)中的弱磁傳感器件

將Tb-Dy-Fe涂覆在光纖上（或直接將Tb-Dy-Fe片粘合在光纖上），作為Mach-Zehnder干涉儀的信號(hào)臂，當(dāng)磁場(chǎng)使超磁致伸縮材料發(fā)生長(zhǎng)度變化并導(dǎo)致光纖的光程變化時(shí)，光纖干涉儀中參考臂和信號(hào)臂之間產(chǎn)生相對(duì)位相移動(dòng)，從而可形成并輸出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)。也可用這種傳感器構(gòu)成的干涉儀直接作高靈敏磁場(chǎng)測(cè)量傳感器（如圖11所示）。圖11磁致伸縮式光纖弱磁傳感器原理光源D1D2高通低通PZT3dB磁性材料3dBH+-（5）磁彈性靜力傳感器件Tb-Dy-Fe單晶磁彈性靜力傳感器件則實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)機(jī)械能向動(dòng)態(tài)電磁能的轉(zhuǎn)換。其原理結(jié)構(gòu)如圖12所示。該傳感器為變壓器式結(jié)構(gòu)，靜態(tài)力作用在Tb-Dy-Fe單晶棒上，使其磁化特性發(fā)生改變，從而導(dǎo)致變壓器的交流輸出信號(hào)發(fā)生變化。圖12Tb-Dy-Fe單晶磁彈性靜力傳感器結(jié)構(gòu)原理e2e15．自組裝材料

自組裝材料是在特定的基片上，通過(guò)化學(xué)鍵，氫鍵或靜電引力將聚合物分子或聚合物與無(wú)機(jī)納米粒子的復(fù)合物逐層組裝上去，以形成單層、雙層或多層自組裝薄膜材料。重復(fù)陽(yáng)離子聚合物水溶液超純水超純水陰離子聚合物水溶液圖13靜電自組裝薄膜材料的制作過(guò)程多層自組裝的示意圖

重復(fù)第一層陽(yáng)離子聚合物單層的自組裝帶電基片第一層陰離子聚合物單層的自組裝第二層陽(yáng)離子聚合物單層的自組裝三、光纖智能材料與結(jié)構(gòu)1、光纖的基本概念

光纖是一種介質(zhì)圓柱光波導(dǎo)，它能夠約束并引導(dǎo)光波在其內(nèi)部或其表面附近沿軸線方向向前傳播。光纖纖芯、包層、涂覆層、護(hù)套等構(gòu)成。光纖的分類(lèi)：?jiǎn)文９饫w和多模光纖；階躍型多模光纖、梯度型多模光纖和階躍型單模光纖。

光纖的制備光纖的主要特性

傳光性能好頻帶寬本身就是一個(gè)敏感元件對(duì)電磁干擾不敏感，電絕緣性能好，耐高壓光纖質(zhì)輕徑細(xì)，可撓曲

光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)n1n2n2n1n2纖芯包層涂覆層護(hù)套光纖傳感器的傳光原理全反射

n1>n2

入射角>θ法線n1n2θ光纖傳光與數(shù)值孔徑n0200n2n1光纖傳感器的基本原理將被測(cè)參量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)參數(shù)的變化光纖傳感器的調(diào)制和解調(diào)技術(shù)強(qiáng)度、相位、頻率、波長(zhǎng)等的調(diào)制和解調(diào)光纖模式及其對(duì)光信號(hào)傳輸?shù)挠绊憂2n1多模階躍光纖nr多模梯度光纖n2n1單模梯度光纖光纖傳感技術(shù)

電量電量檢測(cè)電類(lèi)傳感器被測(cè)參量電纜電類(lèi)傳感器光源光量檢測(cè)光纖傳感器被測(cè)參量光纖光纖傳感器光纖傳感器與電類(lèi)傳感器對(duì)比

分類(lèi)內(nèi)容光纖傳感器電類(lèi)傳感器調(diào)制參量振幅：吸收、反射等相位：偏振…電阻、電容、電感等敏感材料溫-光敏、力-光敏、磁-光敏…溫-電敏、力-電敏、磁-電敏…傳輸信號(hào)光電傳輸介質(zhì)光纖、光纜電線、電纜從對(duì)比可見(jiàn)光纖傳感器與電類(lèi)傳感器是并行互補(bǔ)的一類(lèi)新型傳感器光纖傳感器的特點(diǎn)*本質(zhì)防爆適合于易燃、易爆等危險(xiǎn)物品檢測(cè)

*對(duì)電絕緣適合于高電壓場(chǎng)合檢測(cè)

*無(wú)感應(yīng)性適合于強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾環(huán)境下檢測(cè)

*化學(xué)穩(wěn)定性適合于環(huán)保、醫(yī)藥、食品工業(yè)檢測(cè)

*時(shí)域變換性適合于多點(diǎn)分布測(cè)量

*低損耗*大容量*高精度*尺寸小*重量輕*非接觸式1.光纖傳感系統(tǒng)的組成光調(diào)制器光源及光敏器件被測(cè)參量光連接器光纖解調(diào)器電連接器信號(hào)處理組成：傳感器、傳輸系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng)光纖傳感器系統(tǒng)與設(shè)計(jì)光纖傳感器在易燃易爆場(chǎng)合的應(yīng)用控制室光纖各類(lèi)油罐參數(shù)檢測(cè)壓力容器參數(shù)檢測(cè)核工業(yè)環(huán)境參數(shù)檢測(cè)煤礦中CH4等參數(shù)檢測(cè)光纖傳感器在高電壓、強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾場(chǎng)合的應(yīng)用控制室光纖高壓變壓器高壓電動(dòng)機(jī)強(qiáng)電磁干擾電氣設(shè)備微波設(shè)備光纖傳感器在實(shí)時(shí)－在線檢測(cè)中的應(yīng)用取樣送檢樣品光譜儀被測(cè)物傳統(tǒng)光譜儀物質(zhì)成分檢測(cè)光纖光纖光譜儀被測(cè)物光纖光譜儀物質(zhì)成分檢測(cè)OTDR技術(shù)用于分布檢測(cè)光纖傳感技術(shù)在分布測(cè)量中的應(yīng)用

（時(shí)域變換技術(shù)）光纖S1T1S2T2S3T3SnTn埋入式功能型光纖傳感器件

馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀激光器信號(hào)處理電路傳感光纖12D13dB耦合器3dB耦合器參考光纖法布里一珀羅腔干涉型應(yīng)變傳感器

(a)透射式LDPIN光纖光纖PP腔h(b)反射式LDPIN光纖PP腔偏振型埋入式光纖應(yīng)變傳感器

激光二極管1/4波片光學(xué)準(zhǔn)直器透鏡透鏡檢偏鏡光敏管光纖帶有光纖的復(fù)合材料梁

纏繞式光纖傳感器

多模光纖鋼絲繩索布拉格光柵的制備芯層包層相位母板+1級(jí)-1級(jí)通過(guò)相位掩膜制作光纖光柵的原理ΛpuUV零級(jí)光束1級(jí)光束1級(jí)光束熔融石英相位掩膜光纖干涉條紋布拉格光纖光柵的結(jié)構(gòu)芯層包層A光波方向折射率n1折射率n2折射率n布拉格光柵的透射譜布拉格光柵的反射譜F寬帶光源－Σ光纖法-柏分析器壓電單元掃描波形S1S2S3SnS1S2S3Sn光纖光柵分布式傳感機(jī)理用于BeddingtonTrail大橋的四路光纖布喇格光柵傳感解碼系統(tǒng)自診斷光纖智能材料結(jié)構(gòu)與應(yīng)用

智能材料結(jié)構(gòu)中光纖傳感器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)最基本的組成要素之一，是具有能感知內(nèi)外環(huán)境變化的神經(jīng)傳感系統(tǒng)。光纖的特點(diǎn)：具有細(xì)徑、柔韌、質(zhì)輕，優(yōu)良的可埋性； 集信息傳感、傳輸于一體； 便于實(shí)現(xiàn)分布式傳感或多點(diǎn)復(fù)用； 寬頻帶與高數(shù)據(jù)傳輸速率； 抗電磁干擾； 耐高溫、腐蝕。光纖傳感器是在智能材料結(jié)構(gòu)研究中最適宜的傳感器形式。應(yīng)用實(shí)例（1）用于復(fù)合材料中的Mach-Zehnder光纖傳感器（2）用于復(fù)合材料中的Michelson光纖傳感器（3）用于復(fù)合材料中的Fabry-Perot光纖傳感器(4)用于智能錨索系統(tǒng)和混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫檢測(cè)的光纖微彎傳感器智能錨索結(jié)構(gòu)示意圖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖光時(shí)域反射計(jì)（OTDR）記錄的傳感器輸出信號(hào)示意圖后向散射光損耗量與梁撓度的相關(guān)曲線自適應(yīng)智能材料結(jié)構(gòu)與應(yīng)用

自適應(yīng)