仿生智能材料

仿生智能材料第一頁，共八十三頁，2022年，8月28日第3章智能材料2、磁流變液的組成3、磁流變液的應(yīng)用3.4“自修復(fù)”智能材料1、自修復(fù)自愈合陶瓷3、自愈合混凝土3.5響應(yīng)性仿生納米孔道1、生物孔道2、響應(yīng)性仿生納米孔道3、人工納米孔道的應(yīng)用第二頁，共八十三頁，2022年，8月28日3.1形狀記憶材料（shapememorymaterial)1、基本概念第3章智能材料形狀記憶效應(yīng)：

將材料在一定條件下進(jìn)行一定限度范圍內(nèi)的變形后，再對材料施加適當(dāng)?shù)耐饨鐥l件，材料的變形隨即消失而回復(fù)到變形前的形狀的現(xiàn)象。有形狀記憶高分子材料、形狀記憶合金、形狀記憶陶瓷第三頁，共八十三頁，2022年，8月28日第3章智能材料高分子材料：macromolecularmaterial，以高分子化合物為基礎(chǔ)的材料。高分子材料是由相對分子質(zhì)量較高的化合物構(gòu)成的材料。2、形狀記憶高分子材料（SMP）分子量可高達(dá)幾十萬，鏈狀結(jié)構(gòu)第四頁，共八十三頁，2022年，8月28日第3章智能材料形狀記憶高分子材料（SMP）:具有形狀記憶效應(yīng)特性的高分子材料。對通用高分子材料進(jìn)行分子組合和改性，對應(yīng)一定的外部條件完成“起始態(tài)--固定變形態(tài)--恢復(fù)起始態(tài)”的循環(huán)。第五頁，共八十三頁，2022年，8月28日第3章智能材料外部條件：熱、光、聲、電、酸堿度、相轉(zhuǎn)變、螯合反應(yīng)等。形狀記憶高分子材料分類：熱致SMP：在室溫以上變形，并能在室溫固定形變且可長期存放，當(dāng)再升溫至某一特定響應(yīng)溫度時，制件能很快回復(fù)初始形狀的聚合物。廣泛用于醫(yī)用器械、泡沫塑料、座墊、光信息記錄介質(zhì)及報(bào)警器等。

第六頁，共八十三頁，2022年，8月28日電致SMP:是熱致形狀記憶功能高分子材料與具有導(dǎo)電性能物質(zhì)（如導(dǎo)電炭黑、金屬粉末及導(dǎo)電高分子等）的復(fù)合材料。該復(fù)合材料通過電流產(chǎn)生的熱量使體系溫度升高，致使形狀回復(fù)，所以既具有導(dǎo)電性能，又具有良好的形狀記憶功能主要用于電子通訊及儀器儀表等領(lǐng)域，如電子集束管、電磁屏蔽材料等。第3章智能材料第七頁，共八十三頁，2022年，8月28日光致SMP：是將某些特定的光致變色基團(tuán)（PCG）引入高分子主鏈和側(cè)鏈中，當(dāng)受到紫外光照射時，PCG發(fā)生光異構(gòu)化反應(yīng)，使分子鏈的狀態(tài)發(fā)生顯著變化，材料在宏觀上表現(xiàn)為光致形變；光照停止時，PCG發(fā)生可逆的光異構(gòu)化反應(yīng)，分子鏈的狀態(tài)回復(fù)，材料也回復(fù)原狀。該材料用作印刷材料、光記錄材料、"光驅(qū)動分子閥"和藥物緩釋劑等。第3章智能材料第八頁，共八十三頁，2022年，8月28日化學(xué)SMP:利用材料周圍介質(zhì)性質(zhì)的變化來激發(fā)材料變形的形狀回復(fù)。常見的化學(xué)感應(yīng)方式有pH值變化、平衡離子置換、螯合反應(yīng)、相轉(zhuǎn)變反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)等。該材料用于蛋白質(zhì)或酶的分離膜;“化學(xué)發(fā)動機(jī)"等特殊領(lǐng)域。

第3章智能材料第九頁，共八十三頁，2022年，8月28日SMP都具有兩相結(jié)構(gòu)，即由記憶起始形狀的固定相和隨溫度變化能可逆地固化和軟化的可逆相組成。第3章智能材料固定相:聚合物交聯(lián)結(jié)構(gòu)或部分結(jié)晶結(jié)構(gòu)，在工作溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，用以保持成型制品形狀，即記憶起始態(tài)?？赡嫦?能夠隨溫度變化在結(jié)晶與結(jié)晶熔融態(tài)或玻璃態(tài)與橡膠態(tài)間可逆轉(zhuǎn)變，相應(yīng)結(jié)構(gòu)發(fā)生軟化、硬化可逆變化---保證成型制品可以改變形狀。高分子材料形狀記憶特性：第十頁，共八十三頁，2022年，8月28日第3章智能材料熱致形狀記憶過程如下：第十一頁，共八十三頁，2022年，8月28日醫(yī)療器材-固定創(chuàng)傷部位的器材形狀記憶高分子材料的應(yīng)用1第3章智能材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)石膏繃帶用于創(chuàng)傷部位的固定材料。將加工成創(chuàng)傷部位的形狀，用熱水或熱風(fēng)使其軟化，施加外力為易裝配的形狀，冷卻后裝配到創(chuàng)傷部位，再加熱則恢復(fù)到原形狀，起到固定作用。第十二頁，共八十三頁，2022年，8月28日醫(yī)療器材-手術(shù)縫合線形狀記憶高分子材料的應(yīng)用2第3章智能材料將具有生物降解性的形狀記憶纖維的形狀記憶溫度設(shè)置在人體體溫附近，用這種纖維制成的絲線可作為手術(shù)縫合線或醫(yī)療植入物。由于該材料具有記憶功能，它能以一個松散線團(tuán)的形式切入傷口，當(dāng)其被加熱到體溫時，材料“記憶”起事先設(shè)計(jì)好的形狀和大小，便會收縮拉緊傷口，待傷口愈合好后，材料自行分解，然后無害地為人體所吸收。

第十三頁，共八十三頁，2022年，8月28日形狀記憶高分子的應(yīng)用3異徑管接合材料---熱收縮管第3章智能材料第十四頁，共八十三頁，2022年，8月28日●包裝材料

●變形物的復(fù)原，如緊固鉚釘?shù)刃螤钣洃浉叻肿拥膽?yīng)用4第3章智能材料第十五頁，共八十三頁，2022年，8月28日第3章智能材料3、形狀記憶合金材料具有形狀效應(yīng)的金屬通常是由兩種以上金屬元素構(gòu)成的合金。形狀記憶合金:ShapeMemoryAlloys，SMA是具有形狀記憶效應(yīng)的合金，在一定的外力作用下可以改變其形態(tài)(形狀和體積)，但當(dāng)溫度升高到某一定值時，它又可完全恢復(fù)原來的形態(tài)。

第十六頁，共八十三頁，2022年，8月28日這類合金可恢復(fù)的應(yīng)變量達(dá)到7%--8%，對一般材料來說，發(fā)生這樣的大變形量早就發(fā)生永久變形了。第3章智能材料合金的形狀記憶效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是在溫度和應(yīng)力的作用下，合金內(nèi)部熱彈性馬氏體形成、變化、消失的相變過程的宏觀表現(xiàn)。第十七頁，共八十三頁，2022年，8月28日這種熱彈性馬氏體不像Fe-C合金中的馬氏體那樣，在加熱轉(zhuǎn)變成它的母相（奧氏體）之前即發(fā)生分解，而是加熱時直接轉(zhuǎn)成它的母體。熱彈性馬氏體冷卻時馬氏體長大，加熱時馬氏體收縮，熱彈性馬氏體的相變是可逆的，且相變的過冷度很小。第3章智能材料第十八頁，共八十三頁，2022年，8月28日SMA與熱致型SMP部分性能比較（1）SMA的形變量低，一般在10%以下，而SMP較高，形狀記憶聚氨酯高于400%；（2）SMP的形狀恢復(fù)溫度可通過化學(xué)方法調(diào)整，具體品種的形狀記憶合金的形狀恢復(fù)溫度一般是固定的；（3）SMP的形狀恢復(fù)應(yīng)力一般比較低，約為10-30，而SMA高于1471MPa；（4）SMA的重復(fù)形變次數(shù)可達(dá)到104數(shù)量級，而SMP僅稍高于5000次，故其耐疲勞性不理想；（5）SMP僅有單程記憶功能。(6)SMP的成本低。第3章智能材料第十九頁，共八十三頁，2022年，8月28日形狀記憶合金鎳-鈦系銅系鐵系目前用量最大優(yōu)點(diǎn)：抗拉強(qiáng)度高、疲勞強(qiáng)度高、耐蝕性好、密度小、與人體有生物相容性缺點(diǎn)：成本高、加工困難缺點(diǎn)：功能不如鎳-鈦系優(yōu)點(diǎn)：成本低、加工容易缺點(diǎn)：功能不如銅系優(yōu)點(diǎn)：具有價(jià)格競爭優(yōu)勢常見的形狀記憶合金第3章智能材料第二十頁，共八十三頁，2022年，8月28日（1）單程記憶效應(yīng)

合金在高溫下制成某種形狀，在低溫相時將其任意變形，再加熱后可恢復(fù)變形前的形狀，而重新冷卻時卻不能恢復(fù)低溫相時的形狀，這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應(yīng)。形狀記憶合金的記憶特性：第3章智能材料第二十一頁，共八十三頁，2022年，8月28日

（a）未拉長

(b)被拉長后

(c)放入熱水后恢復(fù)原長單程TiNi記憶合金簧的動作變化情況

第3章智能材料在拉長后，隨著溫度的升高可自行回復(fù)原長的感溫驅(qū)動元件第二十二頁，共八十三頁，2022年，8月28日（2）雙程記憶效應(yīng)某些合金加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時又能恢復(fù)低溫相形狀，即通過溫度的升降自發(fā)可逆地反復(fù)恢復(fù)高低溫相形狀的現(xiàn)象。第3章智能材料第二十三頁，共八十三頁，2022年，8月28日

（a）沒放入熱水前(b)放入熱水后(c)涼至室溫后雙程CuZnAl記憶合金花的動作變化情況第3章智能材料第二十四頁，共八十三頁，2022年，8月28日（a）沒放入熱水前(b)放入熱水后(c)涼至室溫后高溫伸長的雙程CuZnAl記憶合金彈簧的動作變化情況第3章智能材料第二十五頁，共八十三頁，2022年，8月28日（a）沒放入熱水前(b)放入熱水后(c)涼至室溫后

高溫縮短的雙程CuZnAl記憶合金彈簧的動作變化情況低溫（室溫）時為200mm，縮短狀態(tài)即高溫（65℃-85℃）時為100mm第3章智能材料第二十六頁，共八十三頁，2022年，8月28日（3）全程記憶效應(yīng)

加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤?，稱為全程記憶效應(yīng)（只能在富Ni的Ti-Ni合金中出現(xiàn)）。

第3章智能材料第二十七頁，共八十三頁，2022年，8月28日全程記憶效應(yīng)（Ti-Ni51%,400℃時效100h）四條互成45°夾角的薄條帶，在100℃開水中呈現(xiàn)結(jié)扎點(diǎn)在上的圓球形a，從開水中緩慢提起來時的形狀b，在室溫時變成近似直線c，浸泡在冰水中，反方向彎曲d，在干冰-酒精液中冷卻到-40℃時，形狀變成結(jié)扎點(diǎn)在圓球內(nèi)部下方的與a相似的圓球形e，放入100℃水中，則又恢復(fù)成形狀a。第3章智能材料第二十八頁，共八十三頁，2022年，8月28日

已發(fā)現(xiàn)的形狀記憶合金種類很多，可以分為Ti-Ni系、銅系、鐵系合金三大類。目前已實(shí)用化的形狀記憶合金只有Ti-Ni系合金和銅系合金。（1）工程應(yīng)用形狀記憶合金在工程上的應(yīng)用很多，最早的應(yīng)用就是作各種結(jié)構(gòu)件，如緊固件、連接件、密封墊等。另外，也可以用于一些控制元件，如一些與溫度有關(guān)的傳感及自動控制。形狀記憶合金應(yīng)用第3章智能材料第二十九頁，共八十三頁，2022年，8月28日防燙傷閥在家庭生活中，已開發(fā)的形狀記憶閥可用來防止洗滌槽中、浴盆和浴室的熱水意外燙傷；這些閥門也可用于旅館和其他適宜的地方。如果水龍頭流出的水溫達(dá)到可能燙傷人的溫度(大約48℃)時，形狀記憶合金驅(qū)動閥門關(guān)閉，直到水溫降到安全溫度，閥門才重新打開。第3章智能材料第三十頁，共八十三頁，2022年，8月28日飛機(jī)的空中加油的接口處就是利用了記憶合金--兩機(jī)油管套結(jié)后，利用電加熱改變溫度，接口處記憶合金變形，使接口緊密滴水（油）不漏。自動的消防龍頭--失火溫度升高，記憶合金變形，使閥門開啟，噴水救火。第3章智能材料第三十一頁，共八十三頁，2022年，8月28日將記憶合金制成在Af溫度以上具有（a）所示形狀鉚釘，鉚接時先將其冷卻到Mf溫度以下，這時合金處于完全的馬氏體態(tài)很容易變形，略施加一點(diǎn)力將鉚釘扳成（b）所示并插入鉚釘孔（c），然后隨溫度回升到Af以上，鉚釘回復(fù)到變形前的形狀達(dá)到鉚接的目的（d）。T＞MsT＜Mf

T＜AsT＞Af馬氏體開始形成溫度Ms、終了溫度Mf、母相轉(zhuǎn)變開始溫度As終了溫度Af第3章智能材料第三十二頁，共八十三頁，2022年，8月28日（2）醫(yī)學(xué)應(yīng)用利用Ti-Ni合金與生物體良好的相容性，可制造醫(yī)學(xué)上的凝血過濾器、脊椎矯正棒、骨折固定板等。利用合金的超彈性可代替不銹鋼作齒形矯正用絲等。第3章智能材料第三十三頁，共八十三頁，2022年，8月28日NiTi合金絲制作了宇宙空間站的面積幾百平米的自展天線--先在地面上制成大面積的拋物線形或平面天線，折疊成一團(tuán)，用飛船帶到太空，溫度轉(zhuǎn)變，自展成原來的大面積和形狀。

12348765(3)在宇航空間技術(shù)方面的應(yīng)用第3章智能材料第三十四頁，共八十三頁，2022年，8月28日4、形狀記憶陶瓷20世紀(jì)60年底人們確認(rèn)陶瓷材料也存在馬氏體相變，一個著名的例子就是ZrO2陶瓷中的馬氏體相變，這一相變現(xiàn)象可以使陶瓷材料具有形狀記憶效應(yīng)。形狀記憶陶瓷的機(jī)理可分為：馬氏體形狀記憶陶瓷、鐵電形狀記憶陶瓷、粘彈性形狀記憶陶瓷、鐵磁性形狀記憶陶瓷等。第3章智能材料第三十五頁，共八十三頁，2022年，8月28日隨溫度的變化純ZrO2有三種晶型：單斜晶系、四方晶系、立方晶系。溫度改變可以使四方相和單斜相之間發(fā)生可逆馬氏體轉(zhuǎn)變，四方向單斜轉(zhuǎn)變有5％的體積變化。而且應(yīng)力也可誘發(fā)四方向單斜的轉(zhuǎn)變。形狀記憶陶瓷的應(yīng)用：制作金屬管的密封外接套。馬氏體形狀記憶陶瓷第3章智能材料第三十六頁，共八十三頁，2022年，8月28日形狀記憶陶瓷應(yīng)變小，但響應(yīng)速度快；而形狀記憶合金應(yīng)變大，但響應(yīng)速度慢。二者復(fù)合可制成形狀記憶復(fù)合材料。鋯鈦酸鉛（（Pb，La）（Zr，Ti）O3，PZT）陶瓷中添加稀土鑭而獲得的鋯鈦酸鉛鑭（PLZT）陶瓷，不但是一種優(yōu)良的電光陶瓷，而且因其具有形狀記憶功能，即體現(xiàn)出形狀自我恢復(fù)的自調(diào)諧機(jī)制。鐵電形狀記憶陶瓷第3章智能材料第三十七頁，共八十三頁，2022年，8月28日思考題1、概念：形狀記憶效應(yīng)2、比較形狀記憶合金與熱致型形狀記憶高分子材料、形狀記憶陶瓷材料之間的性能。3、根據(jù)記憶功能或化學(xué)組分的不同，形狀記憶合金如何分類？4、舉例說明形狀記憶高分子、形狀記憶合金、ZrO2形狀記憶陶瓷的應(yīng)用。第3章智能材料第三十八頁，共八十三頁，2022年，8月28日海參有一個特性：如果有誰用手去碰一下它柔軟的身體，它就會一下變得象木頭一樣堅(jiān)硬，但如果將它在手中緊捏一會，它就會慢慢地溶變成滑溜溜的液體從你手中逃走。第3章智能材料3.2智能高分子凝膠1、智能高分子凝膠的概念其體壁的原始器官由高分子水凝膠組成，受到外界刺激會吸附鈣離子，體壁變成韌性結(jié)構(gòu)。第三十九頁，共八十三頁，2022年，8月28日凝膠：由三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高分子化合物與溶劑組成的復(fù)合體系。高分子在溶劑中溶脹并保持大量溶劑而又不溶解。

由于高分子化合物是一種三維網(wǎng)絡(luò)立體結(jié)構(gòu)，因此它不被溶劑溶解，但其親溶劑的基團(tuán)部分卻可以被溶劑作用而使高分子溶脹。液體被高分子網(wǎng)絡(luò)封閉在里面，失去了流動性，因此凝膠能象固體一樣顯示出一定的形狀。第3章智能材料第四十頁，共八十三頁，2022年，8月28日第3章智能材料當(dāng)外界條件發(fā)生微小變化時，凝膠體積會隨之發(fā)生數(shù)倍或數(shù)十倍的變化，當(dāng)達(dá)到并超過某臨界區(qū)域時，甚至?xí)l(fā)生不連續(xù)的突躍性可逆變化，即體積相轉(zhuǎn)變（高分子凝膠的特點(diǎn)）。在高分子凝膠中出現(xiàn)相轉(zhuǎn)變，表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)孔增大、網(wǎng)絡(luò)失去彈性、網(wǎng)絡(luò)的體積急劇變化（可變化幾百倍之多），甚至在三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中不再存在凝膠相。而且這些變化是可逆的和不連續(xù)的。

第四十一頁，共八十三頁，2022年，8月28日內(nèi)因：范德華力、氫鍵、疏水作用及靜電作用力----相互組合和競爭溶脹相收縮相外界環(huán)境因子的變化體積不連續(xù)變化高分子凝膠的體積相轉(zhuǎn)變第3章智能材料第四十二頁，共八十三頁，2022年，8月28日智能高分子凝膠是一類受外界環(huán)境微小的物理和化學(xué)刺激如溫度、光、電場等，其自身性質(zhì)就會發(fā)生明顯改變的交聯(lián)聚合物。第3章智能材料2、凝膠分類及其刺激響應(yīng)性（1）凝膠分類按來源分天然凝膠和合成凝膠按網(wǎng)絡(luò)中的液體分為水凝膠和有機(jī)凝膠第四十三頁，共八十三頁，2022年，8月28日按其交聯(lián)的方式分為化學(xué)凝膠和物理凝膠按其響應(yīng)刺激信號分為溫敏凝膠、光敏凝膠等第3章智能材料（2）凝膠的刺激響應(yīng)性熱響應(yīng)性：能響應(yīng)溫度變化而發(fā)生溶脹或收縮即體積相轉(zhuǎn)變的凝膠。體積發(fā)生變化的臨界轉(zhuǎn)化溫度---低臨界溶解溫度（LCST)：高溫收縮型（疏水基團(tuán)的作用）低溫收縮型（氫鍵的形成與斷裂）第四十四頁，共八十三頁，2022年，8月28日電場響應(yīng)：在電場刺激下，凝膠產(chǎn)生溶脹或收縮，并將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。磁場響應(yīng)：在磁場刺激下，凝膠產(chǎn)生溶脹和收縮。

將鐵磁體“種植”在凝膠內(nèi)，當(dāng)施加磁場時鐵磁體發(fā)熱，使周圍凝膠溫度升高誘發(fā)溶脹和收縮；去除磁場后，凝膠冷卻，恢復(fù)至原來的尺寸。第3章智能材料第四十五頁，共八十三頁，2022年，8月28日第3章智能材料第四十六頁，共八十三頁，2022年，8月28日復(fù)合磁性粒子的PDMS凝膠對機(jī)械力的各向異性箭頭為樣品中填充粒子的取向，右為凝膠彈性模量的各向異性第3章智能材料第四十七頁，共八十三頁，2022年，8月28日光響應(yīng)：由于光輻射而發(fā)生凝膠溶脹或收縮。

通過特殊的感光分子，將光能轉(zhuǎn)化為熱能使材料局部溫度升高，誘發(fā)凝膠溶脹和收縮。利用光敏分子遇光分解在凝膠內(nèi)部產(chǎn)生大量離子，使凝膠內(nèi)外離子濃度差改變，造成凝膠滲透壓突變，促使凝膠發(fā)生溶脹作出光響應(yīng)。第3章智能材料第四十八頁，共八十三頁，2022年，8月28日pH響應(yīng)性凝膠生化響應(yīng)性凝膠鹽敏凝膠溫度響應(yīng)性凝膠光響應(yīng)性凝膠壓力敏感性凝膠電場響應(yīng)性凝膠刺激響應(yīng)性物理刺激化學(xué)刺激溫度光壓力電場pH生化鹽

化學(xué)、相分離、形狀、表面、滲透性、機(jī)械強(qiáng)度光、電刺激響應(yīng)分類第3章智能材料第四十九頁，共八十三頁，2022年，8月28日具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高分子凝膠的溶脹行為還可以由于糖類的刺激而發(fā)生突變，這樣，高分子溶脹行為將受到葡萄糖濃度變化的指令。

葡萄糖濃度信息對于糖尿病患者是很重要的，如果以這種含葡萄糖的高分子凝膠作為負(fù)載胰島素的載體，表面用半透膜包覆，在此體系中隨著葡萄糖濃度的變化，高分子凝膠將作出響應(yīng)，執(zhí)行釋放胰島素的命令，從而有效地維持糖尿病患者的血糖濃度處于正常。第3章智能材料3、智能高分子凝膠的應(yīng)用1---智能藥物釋放系統(tǒng)第五十頁，共八十三頁，2022年，8月28日葡萄糖響應(yīng)高分子配合物形成的胰島素釋放微囊聚乙二醇感知葡萄糖濃度交換鍵合釋放藥物患者的血糖濃度維持正常水平釋放機(jī)理刺激響應(yīng)脈沖釋放第3章智能材料第五十一頁，共八十三頁，2022年，8月28日應(yīng)用2--調(diào)光材料&組織培養(yǎng)高溫白濁化低溫透明調(diào)光材料第3章智能材料細(xì)胞組織培養(yǎng)凝膠表面疏水凝膠表面親水如PNIPA凝膠在32℃以下分子呈伸展構(gòu)象，在32℃以上呈壓縮線團(tuán)構(gòu)象，分子由于具有疏水性而相互聚集沉淀。第五十二頁，共八十三頁，2022年，8月28日應(yīng)用3--化學(xué)機(jī)械器件自振動凝膠作成毛狀傳動裝置Poly(NIPAAm-co-Ru(bpy)3)循環(huán)提供的動力第3章智能材料人造肌肉。對人體內(nèi)發(fā)出的某種化學(xué)信號作出舒張和收縮反應(yīng)。第五十三頁，共八十三頁，2022年，8月28日

凝膠用于污泥脫水過程應(yīng)用4--環(huán)境工程（吸附分離）溶脹收縮循環(huán)第3章智能材料第五十四頁，共八十三頁，2022年，8月28日應(yīng)用5—智能高分子膜開關(guān)（擴(kuò)散分離）第3章智能材料關(guān)開聚異丙基丙烯酰胺聚苯乙烯施加磁場使MPS-PNIPA小球在PVA凝膠中取向成鏈狀T>LCST,PNIPA收縮T<LCST,PNIPA膨脹血清蛋白分子第五十五頁，共八十三頁，2022年，8月28日3.3磁流變液1、基本概念第3章智能材料磁流變液（MagnetorheologicalFluid）

：在外加磁場作用下其粘性、塑性等流變特性發(fā)生急劇變化的材料。第五十六頁，共八十三頁，2022年，8月28日第3章智能材料在外加磁場作用下能瞬間(毫秒級)從自由流動的液體轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w。

磁流變液在磁場作用下的流變特性是瞬間、可逆、而且其流變后的剪切屈服強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度具有穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系，整個過程具有可控性，能耗極小。特征：第五十七頁，共八十三頁，2022年，8月28日第3章智能材料2、磁流變液的組成鐵磁性易磁化顆粒、母液油和穩(wěn)定劑三種物質(zhì)磁流變液是將微米尺寸的磁極化顆粒分散于非磁性液體（礦物油、硅油等）中形成的懸浮液。

羰基鐵粉、純鐵粉或鐵合金，3-5μm

礦物油、硅油、合成油等

減緩或防止磁性顆粒沉降的產(chǎn)生：如表面活性劑、多孔硅膠

第五十八頁，共八十三頁，2022年，8月28日第3章智能材料例：直徑為２.５μm～８μm羰基鐵粉分散于硅油中，并用偶聯(lián)劑預(yù)先處理，改善液態(tài)相和固態(tài)相的相容性，有效防止粒子沉淀。

載液也可以是：磁性液體，用膠體狀的磁流體作載液，如鐵磁流體，磁流變效應(yīng)較低。第五十九頁，共八十三頁，2022年，8月28日第3章智能材料3、磁流變液的應(yīng)用在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用利用磁流變液可以制造阻尼力可調(diào)的阻尼器，以實(shí)現(xiàn)振動的半主動控制。第六十頁，共八十三頁，2022年，8月28日第3章智能材料在汽車制造行業(yè)中的應(yīng)用在汽車制造行業(yè)，利用磁流變阻尼技術(shù)制造的懸架減振器以及汽車座椅減振系統(tǒng)，可以提高汽車的安全性和舒適性。第六十一頁，共八十三頁，2022年，8月28日第3章智能材料在機(jī)械工程中的應(yīng)用利用磁流變液固化現(xiàn)象可以對工件表面進(jìn)行拋光。在高強(qiáng)度的梯度磁場中,磁流變拋光液變硬,成為具有粘塑性的Bingham介質(zhì)。當(dāng)這種介質(zhì)通過工件與運(yùn)動盤形成的很小空隙時,對工件表面與之接觸的區(qū)域產(chǎn)生很大的剪切力,從而使工件表面的材料被去除。第六十二頁，共八十三頁，2022年，8月28日第3章智能材料利用磁流變效應(yīng)可開發(fā)各種流量控制閥和壓力控制閥。這些液壓元件沒有相對運(yùn)動的閥芯，制造成本低，無磨損，壽命長，易于控制。1995年,Rochester大學(xué)的光學(xué)加工中心(COM)對一批直徑小于50mm的球面和非球面光學(xué)元件進(jìn)行了加工，結(jié)果是熔石英球面元件表面粗糙度降到018nm,面形誤差為0109μm。第六十三頁，共八十三頁，2022年，8月28日第3章智能材料3、磁流變液的應(yīng)用在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用美國Pennsylvania大學(xué)將磁流變阻尼器作為減擺器安裝在直升機(jī)的旋翼系統(tǒng)中，分別采用開關(guān)控制和線性反饋控制方法對其振動進(jìn)行研究測試，結(jié)果表明在抑制直升機(jī)“地面共振”上，磁流變阻尼器能比同樣大小的粘彈性阻尼器提供更充足的阻尼力，兩種控制方法都能很好地抑制直升機(jī)“地面共振”的發(fā)生。第六十四頁，共八十三頁，2022年，8月28日3.4“自修復(fù)”智能材料1、自修復(fù)自愈合陶瓷第3章智能材料自修復(fù)：又稱自愈合，是生物的重要特征之一，人們把產(chǎn)生缺陷時在無外界作用的情況下，材料本身自我判斷、控制和恢復(fù)的能力稱為自修復(fù)。第六十五頁，共八十三頁，2022年，8月28日氧化鋯增韌陶瓷-----微裂紋增韌和相變增韌ZrO2顆粒分散在陶瓷基體中為避免燒結(jié)塊的開裂，常加入穩(wěn)定劑以保持氧化鋯的高溫形態(tài)。第3章智能材料第六十六頁，共八十三頁，2022年，8月28日微裂紋增韌：部分穩(wěn)定的ZrO2顆粒從燒結(jié)溫度冷卻到室溫由于相變體積膨脹導(dǎo)致陶瓷基體產(chǎn)生壓應(yīng)力，形成微裂紋，可阻礙主裂紋的擴(kuò)展，并使其偏轉(zhuǎn)，吸收了裂紋擴(kuò)展的能量，提高材料的強(qiáng)度和韌性。第3章智能材料第六十七頁，共八十三頁，2022年，8月28日相變增韌：應(yīng)力誘導(dǎo)的相變增韌，ZrO2顆粒與基體的熱膨脹系數(shù)不同，從燒結(jié)溫度冷卻到室溫過程中ZrO2顆粒受到不同的作用力，當(dāng)受到壓應(yīng)力時，相變會受到抑制，氧化鋯馬氏體相變溫度隨顆粒尺寸的減小而降低，因此此相變溫度可降低到室溫。當(dāng)材料受到外加應(yīng)力時，基體對ZrO2顆粒的壓壓力釋放，ZrO2顆粒發(fā)生相變，并在陶瓷基體形成微裂紋，可阻礙主裂紋的擴(kuò)展，吸收了裂紋擴(kuò)展的能量，提高材料的強(qiáng)度和韌性。第3章智能材料第六十八頁，共八十三頁，2022年，8月28日

研究案例：多元增韌氧化鋯復(fù)合陶瓷柱塞及氧化鋯增韌陶瓷柱塞

高壓柱塞泵廣泛用于油田車輛及工程機(jī)械氧化鋯增韌陶瓷柱塞在油田柱塞式往復(fù)泵上的試制與實(shí)際應(yīng)用過程,安裝的陶瓷柱塞累計(jì)使用時間達(dá)到400天，壽命比普通鋼制柱塞提高5倍以上，標(biāo)志著其工業(yè)一現(xiàn)場試驗(yàn)取得成功。

陶瓷柱塞作為結(jié)構(gòu)陶瓷產(chǎn)品的種成熟產(chǎn)品，具有超高耐熱性、高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性和優(yōu)良的耐腐蝕性等綜合特性特點(diǎn)。

第3章智能材料第六十九頁，共八十三頁，2022年，8月28日2、自愈合混凝土在混凝土原有的組成基礎(chǔ)上摻加復(fù)合智能型組分，使混凝土材料具有一定的自感知、自適應(yīng)和損傷自修復(fù)等智能特性的多功能材料。目前自診斷、自調(diào)節(jié)和損傷自修復(fù)等性能在一種混凝土結(jié)構(gòu)中不能全部體現(xiàn)出來，只是初步具有某一種智能(確切的說是一種反應(yīng)性能)特性。

第3章智能材料第七十頁，共八十三頁，2022年，8月28日

自診斷智能混凝土具有壓敏性和溫敏性等性能。普通的混凝土材料本身并不具有自感應(yīng)功能，但在混凝土基材中摻入部分導(dǎo)電相組分制成的復(fù)合混凝土可具備自感應(yīng)性能。目前常用的導(dǎo)電組分可分為三類:聚合物類、碳類和金屬類，而最常用的是碳類和金屬類。碳類導(dǎo)電組分包括石墨、碳纖維及碳黑;金屬類材料則有金屬微粉末、金屬纖維、金屬片、金屬網(wǎng)等。

第3章智能材料第七十一頁，共八十三頁，2022年，8月28日

碳纖維水泥基材料在結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力的彈性階段其電阻變化率隨內(nèi)部應(yīng)力線形增加，當(dāng)接近構(gòu)件的極限荷載時，電阻率逐漸增大，預(yù)示構(gòu)件即將破壞;而基準(zhǔn)水泥基材料的導(dǎo)電性能幾乎無變化，直到臨近破壞時，電阻變化率劇烈增大，反應(yīng)了混凝土內(nèi)部的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系。碳纖維混凝土復(fù)合材料在受力時的電阻變化與所受荷載呈現(xiàn)的這種線性關(guān)系，反映了內(nèi)部損傷狀況的豐富信息;據(jù)此可以敏感有效的監(jiān)測拉、彎、壓等工況及靜態(tài)和動態(tài)荷載作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)部情況。第3章智能材料第七十二頁，共八十三頁，2022年，8月28日不同纖維摻量的混凝土的溫阻試驗(yàn)表明，在初始階段，隨溫度的升高，均出現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)NTC(negativetemperaturecoefficient)效應(yīng)，即電阻率隨溫度的提高而下降。當(dāng)溫度達(dá)到某一臨界溫度時，不含碳纖維的混凝土其電阻率出現(xiàn)一個平臺，隨溫度無明顯改變，而含有碳纖維的水泥基材料，則出現(xiàn)正溫度系數(shù)PTC(positivetemperaturecoefficient)效應(yīng)，即電阻率隨溫度的升高而逐漸提高。碳纖維混凝土的這種溫阻現(xiàn)象可以實(shí)現(xiàn)對大體積混凝土的溫度自監(jiān)控以及熱敏元件和火警報(bào)警器等，可望應(yīng)用于有溫控和火災(zāi)預(yù)警要求的智能混凝土結(jié)構(gòu)中。第3章智能材料第七十三頁，共八十三頁，2022年，8月28日碳纖維混凝土具有電熱(由電產(chǎn)生熱)、電力(由電