智能材料與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)緒論 -

智能材料與結(jié)構(gòu)概述【本章學(xué)習(xí)目標(biāo)】★掌握材料在社會(huì)中的地位；★了解材料發(fā)展的幾個(gè)歷史階段與未來趨勢(shì)；★了解功能材料智能化的進(jìn)程與典型實(shí)例；★掌握材料的“S特性”。【本章教學(xué)要點(diǎn)】知識(shí)要點(diǎn)能力要求相關(guān)知識(shí)材料與社會(huì)掌握材料在社會(huì)中的地位，了解材料發(fā)展的歷史與趨勢(shì)。材料的分類；材料與人類社會(huì)的發(fā)展材料的智能化了解生物信息的應(yīng)用與發(fā)展。了解功能材料智能化的進(jìn)程與典型實(shí)例。智能機(jī)器人；智能化城市材料的S特性掌握材料的“S特性”，了解評(píng)價(jià)材料機(jī)敏程度和智能結(jié)構(gòu)的方法。材料的性質(zhì)與評(píng)價(jià)世界最壯昆蟲外殼有望制成智能材料世界上最強(qiáng)壯的動(dòng)物是一種叫做“獨(dú)角仙”的昆蟲，雖然它是一種小型昆蟲，卻能夠搬動(dòng)相當(dāng)于自己體重850倍的物體。它的神秘之處不僅于此，科學(xué)家還對(duì)它外殼的變色功能感興趣。獨(dú)角仙的外殼可以隨著外界空氣變潮濕其外殼的顏色由綠色變成黑色。來自比利時(shí)納米爾大學(xué)的研究人員采用最新的掃描電子顯微鏡成像技術(shù)研究獨(dú)角仙外殼顏色的變化特性，并用分光光度計(jì)分析外殼結(jié)構(gòu)如何與光線發(fā)生交互影響。負(fù)責(zé)此項(xiàng)研究的納米爾大學(xué)研究員瑪麗·拉薩特說，“獨(dú)角仙所呈現(xiàn)的外殼結(jié)構(gòu)特征將成為未來一種”智能材料“的重要特性，科學(xué)家可以依據(jù)這種特征研制作為濕度探測器的新型材料，它可用于在食品加工廠監(jiān)控濕氣指數(shù)?！边@項(xiàng)研究內(nèi)容已發(fā)表在2008年3月11日出版的《新物理學(xué)雜志》上。1.1材料與社會(huì)材料是人類用于制造物品、器件、構(gòu)件、機(jī)器或其他產(chǎn)品的那些物質(zhì)。材料是人類生活和生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類認(rèn)識(shí)自然和改造自然的工具。人類文明被劃分為舊石器時(shí)代、新石器時(shí)代、青銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代等，由此可見材料的發(fā)展對(duì)人類社會(huì)的影響。1.1材料與社會(huì)材料也是人類進(jìn)化的標(biāo)志之一，任何工程技術(shù)都離不開材料的設(shè)計(jì)和制造工藝，一種新材料的出現(xiàn)，必將支持和促進(jìn)當(dāng)時(shí)文明的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步。從人類的出現(xiàn)到21世紀(jì)的今天，人類的文明程度不斷提高，材料及材料科學(xué)也在不斷發(fā)展。在人類文明的進(jìn)程中，材料大致經(jīng)歷了以下五個(gè)發(fā)展階段。1.使用純天然材料的初級(jí)階段在原古時(shí)代，人類只能使用天然材料（如獸皮、甲骨、羽毛、樹木、草葉、石塊、泥土等），相當(dāng)于人們通常所說的舊石器時(shí)代。這一階段，人類所能利用的材料都是純天然的，在這一階段的后期，雖然人類文明的程度有了很大進(jìn)步，在制造器物方面有了種種技巧，但是都只是純天然材料的簡單加工。

人類單純利用火制造材料的階段這一階段橫跨人們通常所說的新石器時(shí)代、銅器時(shí)代和鐵器時(shí)代，也就是距今約10000年前到20世紀(jì)初的一個(gè)漫長的時(shí)期，并且延續(xù)至今，它們分別以人類的三大人造材料為象征，即陶、銅和鐵。這一階段主要是人類利用火來對(duì)天然材料進(jìn)行煅燒、冶煉和加工的時(shí)代。例如人類用天然的礦土燒制陶器、磚瓦和陶瓷，以后又制出玻璃、水泥，以及從各種天然礦石中提煉銅、鐵等金屬材料，等等。

利用物理與化學(xué)原理合成材料的階段20世紀(jì)初，隨著物理學(xué)和化學(xué)等科學(xué)的發(fā)展以及各種檢測技術(shù)的出現(xiàn)，人類一方面從化學(xué)角度出發(fā)，開始研究材料的化學(xué)組成、化學(xué)鍵、結(jié)構(gòu)及合成方法，另一方面從物理學(xué)角度出發(fā)開始研究材料的物性，就是以凝聚態(tài)物理、晶體物理和固體物理等作為基礎(chǔ)來說明材料組成、結(jié)構(gòu)及性能間的關(guān)系，并研究材料制備和使用材料的有關(guān)工藝性問題。由于物理和化學(xué)等科學(xué)理論在材料技術(shù)中的應(yīng)用，從而出現(xiàn)了材料科學(xué)。在此基礎(chǔ)上，人類開始了人工合成材料的新階段。利用物理與化學(xué)原理合成材料的階段這一階段以合成高分子材料的出現(xiàn)為開端，一直延續(xù)到現(xiàn)在，而且仍將繼續(xù)下去。人工合成塑料、合成纖維及合成橡膠等合成高分子材料的出現(xiàn)，加上已有的金屬材料和陶瓷材料（無機(jī)非金屬材料）構(gòu)成了現(xiàn)代材料的三大支柱。除合成高分子材料以外，人類也合成了一系列的合金材料和無機(jī)非金屬材料。超導(dǎo)材料、半導(dǎo)體材料、光纖等材料都是這一階段的杰出代表。

從這一階段開始，人們不再是單純地采用天然礦石和原料，經(jīng)過簡單的煅燒或冶煉來制造材料，而且能利用一系列物理與化學(xué)原理及現(xiàn)象來創(chuàng)造新的材料。并且根據(jù)需要，人們可以在對(duì)以往材料組成、結(jié)構(gòu)及性能間關(guān)系的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)行材料設(shè)計(jì)。使用的原料本身有可能是天然原料，也有可能是合成原料。而材料合成及制造方法更是多種多樣。材料的復(fù)合化階段20世紀(jì)50年代金屬陶瓷的出現(xiàn)標(biāo)志著復(fù)合材料時(shí)代的到來。隨后又出現(xiàn)了玻璃鋼、鋁塑薄膜、梯度功能材料以及最近出現(xiàn)的抗菌材料的熱潮，都是復(fù)合材料的典型實(shí)例。它們都是為了適應(yīng)高新技術(shù)的發(fā)展以及人類文明程度的提高而產(chǎn)生的。到這時(shí)，人類已經(jīng)可以利用新的物理、化學(xué)方法，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)獨(dú)特性能的材料。現(xiàn)代復(fù)合材料最根本的思想不只是要使兩種材料的性能變成3加3等于6，而是要想辦法使他們變成3乘以3等于9，乃至更大。嚴(yán)格來說，復(fù)合材料并不只限于兩類材料的復(fù)合。只要是由兩種不同的相組成的材料都可以稱為復(fù)合材料。

材料的智能化階段自然界中的材料都具有自適應(yīng)、自診斷合資修復(fù)的功能。如所有的動(dòng)物或植物都能在沒有受到絕對(duì)破壞的情況下進(jìn)行自診斷和修復(fù)。人工材料目前還不能做到這一點(diǎn)。但是近三四十年研制出的一些材料已經(jīng)具備了其中的部分功能。這就是目前最吸引人們注意的智能材料，如形狀記憶合金、光致變色玻璃等等。盡管近10余年來，智能材料的研究取得了重大進(jìn)展，但是離理想智能材料的目標(biāo)還相距甚遠(yuǎn)，而且嚴(yán)格來講，目前研制成功的智能材料還只是一種智能結(jié)構(gòu)。材料科學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)主要集中在以下幾個(gè)方面：超純化（從天然材料到合成材料）、量子化（從宏觀控制到微觀和介觀控制）、復(fù)合化（從單一到復(fù)合）、智能化（從被動(dòng)到主動(dòng)）可設(shè)計(jì)化（從經(jīng)驗(yàn)到理論）。當(dāng)前，高技術(shù)新材料的發(fā)展日新月異，材料科學(xué)的內(nèi)涵也日益豐富。1.2材料的智能化1.1.1生物信息生物體均存貯信息，脫氧核糖核酸(DNA)存貯很長期信息。此信息用于增強(qiáng)生物體的生存機(jī)會(huì)，因?yàn)榛虺绦蚴股矬w適于在此存活，DNA起著重要甚至尚未認(rèn)知的作用，例如基因庫的特性存貯就是便于一代代遺傳下去?；駾NA雙螺旋結(jié)構(gòu)1.1.1生物信息既然DNA大分子本身具有智能性。如何將其引入先進(jìn)材料系統(tǒng)，使其具有商業(yè)價(jià)值，這就需將生物大分子與合成高分子材料整合。美國社邦公司從事的研究與開發(fā)。診斷用生物傳感器和雜化材料DNA基納米材料由DNA構(gòu)筑新材料1.1.2生物材料智能化生物材料（Biomaterial）是用于對(duì)生物體進(jìn)行診斷、治療、修復(fù)或替換其病損組織、器官或增進(jìn)其功能的新型高技術(shù)材料。它是研究人工器官和醫(yī)療器械的基礎(chǔ)，己成為材料學(xué)科的重要分支，尤其是隨著生物技術(shù)的蓮勃發(fā)展和重大突破，生物材料己成為各國科學(xué)家競相進(jìn)行研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。當(dāng)代生物材料已處于實(shí)現(xiàn)重大突破的邊緣，不遠(yuǎn)的將來，科學(xué)家有可能借助于生物材料設(shè)計(jì)和制造整個(gè)人體器官，生物材料和制品產(chǎn)業(yè)將發(fā)展成為本世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)的一個(gè)支柱產(chǎn)業(yè)。1.1.2生物材料智能化微球功能的智能化智能生物材料與組織工程向生物體逼近——新陳代謝向外部告知狀態(tài)的材料磨出胼胝的材料能變軟變硬的材料靈巧材料與組織工程④組織與器官重建技術(shù)①力學(xué)信號(hào)（拉伸、剪切、靜水壓）②化學(xué)信號(hào)（細(xì)胞因子、生長因子、細(xì)胞粘連因子、血管形成因子）③組織重建支架、靈巧生物材料的開發(fā)（仿生表面工程、分子支架材料與控制釋放技術(shù)等）傳感器傳動(dòng)裝置儲(chǔ)存器加壓前加壓后1.2.3功能材料智能化功能材料是指那些具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)功能，特殊的物理、化學(xué)、生物學(xué)效應(yīng)，能完成功能相互轉(zhuǎn)化，主要用來制造各種功能元器件而被廣泛應(yīng)用于各類高科技領(lǐng)域的高新技術(shù)材料。1.2.3功能材料智能化膠原彈性蛋白蚯蚓皮膚幾何結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室中生長的角膜光驅(qū)動(dòng)元件快速響應(yīng)納米碳管傳感器特異蛋白質(zhì)高速定位化學(xué)組裝電子納米計(jì)算機(jī)分子納米電子裝置靈巧催化劑和底物分子構(gòu)象記憶元件高分子復(fù)合材料的自愈合1.2.4結(jié)構(gòu)材料智能化結(jié)構(gòu)材料是以力學(xué)性能為基礎(chǔ)，以制造受力構(gòu)件所用材料，當(dāng)然，結(jié)構(gòu)材料對(duì)物理或化學(xué)性能也有一定要求，如光澤、熱導(dǎo)率、抗輻照、抗腐蝕、抗氧化等。結(jié)構(gòu)材料的智能化與功能材料相比要困難的多，它要求材料能檢出(診斷)缺陷、熱歷史和力學(xué)歷史伴生的微小裂紋，殘余應(yīng)力等引起的材料內(nèi)部微小的損傷，以預(yù)測其危險(xiǎn)性。1.2.4結(jié)構(gòu)材料智能化結(jié)構(gòu)材料智能化的相關(guān)傳感功能實(shí)施可利用人射激光損耗(光纖復(fù)合化)、導(dǎo)電率的變化(碳纖維復(fù)合化)，表面彈性波、聲發(fā)射和磁變形效應(yīng)等原理。執(zhí)行動(dòng)能常采用壓電元件使基材變形即微裂縫閉合；或形狀記憶合金通電加熱產(chǎn)生相轉(zhuǎn)變，是龜裂閉合。1.3材料的S特性生物品種的存在取決于它們的動(dòng)態(tài)能力，包括自養(yǎng)育(新陳代謝)、自診斷、自修復(fù)、自調(diào)整、自繁殖等，這些能力的產(chǎn)生是為了適應(yīng)環(huán)境變化，所以通稱為自適應(yīng)。這種功能在材料中被歸納為所謂的“S特性”，即自診斷(Self-Diagnosis)、自調(diào)整(Self-Tuning)、自適應(yīng)(Self-Adaptive)、自恢復(fù)(Self-Recovery)自修復(fù)(Self-Repairing)等。下表列出一些常見材料的自適應(yīng)特性。某些材料的自適應(yīng)特性物質(zhì)或材料環(huán)境作用材料的自適應(yīng)不銹鋼含氧的化學(xué)介質(zhì)鈍化膜保護(hù)基體相變誘生塑性鋼外力相變提高抗斷能力氧化鋯外力相變陶瓷增韌發(fā)汗材料熱降低材料的溫度鋼鐵水介質(zhì)及外加電源陰極保護(hù)結(jié)構(gòu)消振材料聲減振降噪材料的機(jī)敏度用材料的機(jī)敏度(MalerialSmartnessQuotient，MSQ)可以評(píng)價(jià)和表征材料的機(jī)敏程度。電流變體和磁流變體電流伸縮材料和壓電材料形狀記憶材料離子聚合物凝膠蛋白質(zhì)核糖核酸、脫氧核糖核酸結(jié)構(gòu)的智商不同結(jié)構(gòu)的智商將智能芯片植入人體已不是天方夜譚

已經(jīng)是晚上10點(diǎn)鐘了，（如果你的孩子現(xiàn)在還沒有回家，）你可能無法知道他們身在何處，但一枚小小的芯片卻可以幫你的忙。你還可以通過芯片知道你的孩子是否摔倒了，是