智能复合材料课件.ppt

1、智能复合材料1定义：定义： 智能复合材料智能复合材料(Intelligent CM, Smart Materials)与结与结构是在复合材料基础上发展起来的一项高新技术，它是构是在复合材料基础上发展起来的一项高新技术，它是一种由一种由传感器、信息处理器和功能驱动器传感器、信息处理器和功能驱动器等部分构成的等部分构成的新型复合材料。不同于结构材料和功能材料，它能通过新型复合材料。不同于结构材料和功能材料，它能通过自身的感知，获取外界信息，作出判断和处理，发出指自身的感知，获取外界信息，作出判断和处理，发出指令，具有执行和完成功能，所以单一材料不可能实现，令，具有执行和完成功能，所以单一材料不可能

2、实现，往往要由多种材料组元复合构成。智能复合材料是信息往往要由多种材料组元复合构成。智能复合材料是信息科学融入材料科学的产物。科学融入材料科学的产物。2 智能材料的构想来源于仿生（仿生就是模仿大自智能材料的构想来源于仿生（仿生就是模仿大自然中生物的一些独特功能制造人类使用的工具，如模然中生物的一些独特功能制造人类使用的工具，如模仿蜻蜓制造飞机等等），它的目标就是想研制出一种仿蜻蜓制造飞机等等），它的目标就是想研制出一种材料，使它成为具有类似于生物的各种功能的材料，使它成为具有类似于生物的各种功能的“活活”的材料。因此智能材料必须具备的材料。因此智能材料必须具备这这三个基本要素。但是现有的材料一

3、般比较单一，难以三个基本要素。但是现有的材料一般比较单一，难以满足智能材料的要求，所以智能材料一般由两种或两满足智能材料的要求，所以智能材料一般由两种或两种以上的材料复合构成一个智能材料系统。这就使得种以上的材料复合构成一个智能材料系统。这就使得智能材料的设计、制造、加工和性能结构特征均涉及智能材料的设计、制造、加工和性能结构特征均涉及到了材料学的最前沿领域，使到了材料学的最前沿领域，使智能材料代表了材料科智能材料代表了材料科学的最活跃方面和最先进的发展方向学的最活跃方面和最先进的发展方向。3智能材料的特征智能材料的特征因为设计智能材料的两个指导思想是因为设计智能材料的两个指导思想是材料的多功

4、能复合材料的多功能复合和和材料材料的仿生设计的仿生设计，所以智能材料系统具有或部分具有如下的智能功能和，所以智能材料系统具有或部分具有如下的智能功能和生命特征：生命特征：（1）传感功能（）传感功能（Sensor）能够感知外界或自身所处的环境条件，如负载、应力、应变、能够感知外界或自身所处的环境条件，如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学、核辐射等的强度及其变化。振动、热、光、电、磁、化学、核辐射等的强度及其变化。（2）反馈功能（）反馈功能（Feedback）可通过传感网络，对系统输入与输出信息进行对比，并将其结可通过传感网络，对系统输入与输出信息进行对比，并将其结果提供给控制系统。果提

5、供给控制系统。（3）信息识别与积累功能）信息识别与积累功能能够识别传感网络得到的各类信息并将其积累起来。能够识别传感网络得到的各类信息并将其积累起来。4 （4）响应功能）响应功能能够根据外界环境和内部条件变化，适时动态地作出相能够根据外界环境和内部条件变化，适时动态地作出相应的反应，并采取必要行动。应的反应，并采取必要行动。 （5）自诊断能力（）自诊断能力（Self-diagnosis）能通过分析比较系统目前的状况与过去的情况，对诸如能通过分析比较系统目前的状况与过去的情况，对诸如系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予以校正。系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予以校正。 （6）自修复能力（）

6、自修复能力（Self-recovery）能通过自繁殖、自生长、原位复合等再生机制，来修补能通过自繁殖、自生长、原位复合等再生机制，来修补某些局部损伤或破坏。某些局部损伤或破坏。 （7）自调节能力（）自调节能力（Self-adjusting）对不断变化的外部环境和条件，能及时地自动调整自身对不断变化的外部环境和条件，能及时地自动调整自身结构和功能，并相应地改变自己的状态和行为，从而使材料结构和功能，并相应地改变自己的状态和行为，从而使材料系统始终以一种优化方式对外界变化作出恰如其分的响应。系统始终以一种优化方式对外界变化作出恰如其分的响应。5 分类：分类： 复合材料智能结构分为复合材料智能结构分

7、为被动控制式和主动控制式被动控制式和主动控制式两类。两类。 被动控制式智能结构低级而简单（亦称为机敏结构），被动控制式智能结构低级而简单（亦称为机敏结构），只传输传感器感受到的信息，如应变、位移、温度、压力只传输传感器感受到的信息，如应变、位移、温度、压力和加速度等，结构与电子设备相互独立。和加速度等，结构与电子设备相互独立。 主动控制式是一种智能化结构，具有先进而复杂的功主动控制式是一种智能化结构，具有先进而复杂的功能，能主动检测结构的静力、动力等特性，比较检测结果，能，能主动检测结构的静力、动力等特性，比较检测结果，进行筛选并确定适当的响应，控制不希望出现的动态特性。进行筛选并确定适当的响

8、应，控制不希望出现的动态特性。6智能复合材料的构成：智能复合材料的构成： (1 )基体材料基体材料 基体材料主要起承受载荷的作用基体材料主要起承受载荷的作用 , ,一般选用轻质一般选用轻质材料材料 , ,其中高分子材料因重量轻、耐腐蚀等优点而其中高分子材料因重量轻、耐腐蚀等优点而受到人们的重视。也可选用金属材料受到人们的重视。也可选用金属材料 , ,尤其以轻质尤其以轻质有色合金为主。有色合金为主。(2 )传感器部分传感器部分(敏感材料敏感材料) 传感器部分由具有感知能力的敏感材料构成。它的传感器部分由具有感知能力的敏感材料构成。它的主要作用是感知环境的变化主要作用是感知环境的变化 , ,如温度

9、、压力、应力、如温度、压力、应力、电磁场等电磁场等 , ,并将其转换为相应的信号。这种材料有并将其转换为相应的信号。这种材料有形形状记忆合金、压电材料、光纤、磁致伸缩材料、状记忆合金、压电材料、光纤、磁致伸缩材料、致伸缩材料、电致变色材料、电致粘流体、磁致粘流致伸缩材料、电致变色材料、电致粘流体、磁致粘流体、液晶材料、功能梯度材料和功能塑料合金体、液晶材料、功能梯度材料和功能塑料合金。7(3 )驱动器部分驱动器部分 构成驱动器部分的驱动材料如形状记忆合金、磁致伸缩材料、致伸缩构成驱动器部分的驱动材料如形状记忆合金、磁致伸缩材料、致伸缩材料、电致伸缩材料等。在一定的条件下可产生较大的应变和应力材

10、料、电致伸缩材料等。在一定的条件下可产生较大的应变和应力 , ,从而起到从而起到响应和控制的作用。可以根据温度、电（磁）场等的变化而改变其形状、尺寸、响应和控制的作用。可以根据温度、电（磁）场等的变化而改变其形状、尺寸、位置、刚性、自然频率、阻尼以及其它一些力学特征，因而可具有对环境的自位置、刚性、自然频率、阻尼以及其它一些力学特征，因而可具有对环境的自适应功能。适应功能。(4)信息处理器部分信息处理器部分 信息处理器部分是智能复合材料的最核心部分。随着高度集成的硅晶信息处理器部分是智能复合材料的最核心部分。随着高度集成的硅晶技术的发展技术的发展 , ,信息处理器也变得越来越小信息处理器也变得

11、越来越小 , ,这就为将信息处理器复合进智能这就为将信息处理器复合进智能复合材料提供了良好的条件。复合材料提供了良好的条件。8 目前，在各种军事领域中，智能材料的应用主目前，在各种军事领域中，智能材料的应用主要涉及到以下几个方面：要涉及到以下几个方面：智能蒙皮智能蒙皮例如光纤作为智能传感元件用于飞机机翼的智能蒙例如光纤作为智能传感元件用于飞机机翼的智能蒙皮中，或者在武器平台的蒙皮中植入传感元件、驱动元皮中，或者在武器平台的蒙皮中植入传感元件、驱动元件和微处理控制系统制成的智能蒙皮，可用于预警、隐件和微处理控制系统制成的智能蒙皮，可用于预警、隐身和通信。身和通信。 目前美国在智能蒙皮方面的研究包

12、括：美国弹道导目前美国在智能蒙皮方面的研究包括：美国弹道导弹防御局为导弹预警卫星和天基防御系统空间平台研制弹防御局为导弹预警卫星和天基防御系统空间平台研制含有多种传感器的智能蒙皮；美空军莱特实验室进行的含有多种传感器的智能蒙皮；美空军莱特实验室进行的结构化天线（即把天线与蒙皮结构融合在一起）研究；结构化天线（即把天线与蒙皮结构融合在一起）研究；美海军则重点研究舰艇用智能蒙皮，以提高舰艇的隐身美海军则重点研究舰艇用智能蒙皮，以提高舰艇的隐身性能。性能。9智能复合材料的设计原理智能复合材料的设计原理 智能复合材料的功能实现是依靠信息的传递、转换和智能复合材料的功能实现是依靠信息的传递、转换和控制。

13、因此信息的采集、流向对智能复合材料的功能有着控制。因此信息的采集、流向对智能复合材料的功能有着极为重要的影响。智能材料的作用机制可用下图说明。极为重要的影响。智能材料的作用机制可用下图说明。环境变化环境变化（声音、光、热、（声音、光、热、力、辐射、化学等）力、辐射、化学等）传感器部分（具有检测声波、传感器部分（具有检测声波、光波、力、温度、化学浓度、光波、力、温度、化学浓度、辐射强度的敏感元件）辐射强度的敏感元件）信息处理器信息处理器部分部分驱动器部分（具有机械运动、驱动器部分（具有机械运动、流体运动、电能、磁能、流体运动、电能、磁能、化学能，改变强度的功能化学能，改变强度的功能元件）元件）生

14、产线生产线信信息息输入输入输出输出控制控制10智能复合材料的设计方法智能复合材料的设计方法 (1 )(1 )根据智能复合材料的应用和目标根据智能复合材料的应用和目标 , ,提出智能复提出智能复合材料的系统智能特性合材料的系统智能特性 ; ;(2 )(2 )选择基体材料和传感器部分、处理器部分、驱选择基体材料和传感器部分、处理器部分、驱动器部分的机敏材料动器部分的机敏材料 ; ;(3 )(3 )从宏观上和微观上进行结构设计从宏观上和微观上进行结构设计 ; ;(4)(4)建立数学和力学模型建立数学和力学模型 , ,对智能复合材料系统进对智能复合材料系统进一步优化一步优化 ; ;(5)(5)进行理化

15、测试进行理化测试 , ,检验材料的功能。检验材料的功能。 随着计算机技术的日益发展和在生产实际中的随着计算机技术的日益发展和在生产实际中的广泛应用广泛应用 , ,智能复合材料的设计也可应用计算机进智能复合材料的设计也可应用计算机进行模拟设计。行模拟设计。11智能复合材料的制备工艺方法智能复合材料的制备工艺方法目前目前 ,在国内外在国内外 ,智能复合材料的合成方法有以下几种。智能复合材料的合成方法有以下几种。1粒子复合粒子复合 将具有不同功能的材料颗粒按特定的方式进行组装将具有不同功能的材料颗粒按特定的方式进行组装 ,可构制出具有多种功能特性的智能复合材料。如在特定的可构制出具有多种功能特性的智

16、能复合材料。如在特定的褊衬底上褊衬底上 ,通过电子束扫描产生电子气化花样通过电子束扫描产生电子气化花样 ,在电子静电在电子静电引力的作用下引力的作用下 ,带电的颗粒就会排列成设计的花样，如在带电的颗粒就会排列成设计的花样，如在3 的衬底上的衬底上 ,用电子束扫描法可将用电子束扫描法可将2 粉末粉末粒子组成各种花样。这一技术可使微粒组装成多功能式的粒子组成各种花样。这一技术可使微粒组装成多功能式的智能复合材料。智能复合材料。将一种机敏材料的颗粒复合在异质基体中将一种机敏材料的颗粒复合在异质基体中也获得优化的智能复合材料也获得优化的智能复合材料。例如压电陶瓷和压电高分子。例如压电陶瓷和压电高分子以

17、不同连接度复合以不同连接度复合 ,可获得性能优异的压电智能复合材料可获得性能优异的压电智能复合材料 ;将压电陶瓷颗粒弥散分布在压电聚合物中可制得大面积的将压电陶瓷颗粒弥散分布在压电聚合物中可制得大面积的各种形状的压电薄膜。各种形状的压电薄膜。122薄膜复合薄膜复合 薄膜生长及合成技术近年来发展很快薄膜生长及合成技术近年来发展很快 ,制备超晶格量子制备超晶格量子阱超薄层材料已成为可能。如分子束外延阱超薄层材料已成为可能。如分子束外延()、金属有、金属有机化合物分解、化学气相沉积机化合物分解、化学气相沉积()、原子层外延、原子层外延 ()、化学束处延、化学束处延 ()和迁移增强层外延和迁移增强层外

18、延 ()等多种技术等多种技术 ,为制备纳米级的多层功能智能复合材料创造了为制备纳米级的多层功能智能复合材料创造了条件。条件。将将 2种或多种机敏材料以多层微米级的薄膜复合可获种或多种机敏材料以多层微米级的薄膜复合可获得优化的多功能特性材料得优化的多功能特性材料 ,如将铁弹性的形状记忆合金与铁如将铁弹性的形状记忆合金与铁磁或电驱动材料复合磁或电驱动材料复合 ,把热驱动方式变成电或磁的驱动方式把热驱动方式变成电或磁的驱动方式 ,可拓宽响应频率范围可拓宽响应频率范围 ,提高响应速度。提高响应速度。133纳米级及分子复合纳米级及分子复合 将具有光敏、压敏、热敏等各种不同功能的纳将具有光敏、压敏、热敏等

19、各种不同功能的纳米粒子复合在多孔道的骨架内米粒子复合在多孔道的骨架内 ,可灵活地调控纳米可灵活地调控纳米粒大小、纳米粒之间及其与骨架之间的相互作用粒大小、纳米粒之间及其与骨架之间的相互作用 ,具有很好的可操作性具有很好的可操作性 ,能得到兼有光控、压控、热能得到兼有光控、压控、热控以及其他响应性质的智能复合材料控以及其他响应性质的智能复合材料:如在沸石分如在沸石分子筛中子筛中 (具有纳米级空笼和孔道具有纳米级空笼和孔道 )组装半导体纳米组装半导体纳米材料材料(如、如、d)可做光电控元件可做光电控元件 ,组装纳米组装纳米光学材料光学材料(、),可做光控元件。可做光控元件。14在军事领域中的应用在

20、军事领域中的应用智能材料结构不仅象一般功能材料一样可以承受载智能材料结构不仅象一般功能材料一样可以承受载荷，而且它还具有了其他功能材料所不具备的功能，荷，而且它还具有了其他功能材料所不具备的功能，即能感知所处的内外部环境变化，并能通过改变其物即能感知所处的内外部环境变化，并能通过改变其物理性能或形状等做出响应，借此实现自诊断、自适应、理性能或形状等做出响应，借此实现自诊断、自适应、自修复等功能。所以，智能材料在军事应用中具有很自修复等功能。所以，智能材料在军事应用中具有很大潜力，它的研究、开发和利用，对未来武器装备的大潜力，它的研究、开发和利用，对未来武器装备的发展将产生重大影响。发展将产生重

21、大影响。15 将将新型智能材料、新型驱动器、激励器、传感新型智能材料、新型驱动器、激励器、传感器器无缝地综合应用于飞行器的一种新的设计概念。无缝地综合应用于飞行器的一种新的设计概念。变形机翼通过应用灵敏的传感器和驱动器，光滑而变形机翼通过应用灵敏的传感器和驱动器，光滑而持续地改变机翼的形状，对不断改变的飞行条件做持续地改变机翼的形状，对不断改变的飞行条件做出响应，从而可使飞机像鸟一样随意地在空中进行出响应，从而可使飞机像鸟一样随意地在空中进行盘旋、倒飞和侧向滑行。盘旋、倒飞和侧向滑行。 变形机翼技术变形机翼技术1617形状记忆聚合物（形状记忆聚合物（SMP）新型材料）新型材料在变形机翼设计中最

22、重要的因素是一种称作在变形机翼设计中最重要的因素是一种称作形状记忆聚形状记忆聚合物（合物（SMP）的特殊材料，这种材料主要用作变形机翼的蒙的特殊材料，这种材料主要用作变形机翼的蒙皮。皮。SMP具有一种特殊的记忆功能，当机翼被改变为不同形具有一种特殊的记忆功能，当机翼被改变为不同形状布局后，状布局后，SMP分子将会重新组构以恢复其初始形状（如图分子将会重新组构以恢复其初始形状（如图4所示）。所示）。SMP材料的初始形态，也就是它的材料的初始形态，也就是它的“记忆记忆”形状形状是一种刚性体即高模量形态。当它受热、高频光或电激励后是一种刚性体即高模量形态。当它受热、高频光或电激励后将变成一种低模量弹

23、性体，从而可被驱动器和特殊的控制装将变成一种低模量弹性体，从而可被驱动器和特殊的控制装置伸展成不同的形状，当它再次被激励后，它将恢复到它的置伸展成不同的形状，当它再次被激励后，它将恢复到它的原来的高模量形态。原来的高模量形态。1819ICM与结构的体系种类及其应用与结构的体系种类及其应用高分子智能复合材料高分子智能复合材料 将高分子材料作为结构材料使用的共同特点是将高分子材料作为结构材料使用的共同特点是 : :密度小、比强度高密度小、比强度高 ; ;耐腐蚀耐腐蚀 ; ;加工性好加工性好 , ,易加工成易加工成形形 , ,可制成复杂形状的零部件可制成复杂形状的零部件 ; ;摩擦性能好摩擦性能好

24、, ,易满易满足不同摩擦条件要求足不同摩擦条件要求 ; ;具有绝缘性、密封性、减震具有绝缘性、密封性、减震性及可染色性等特点。高分子材料还有一个最大的性及可染色性等特点。高分子材料还有一个最大的特点是可设计性特点是可设计性 , ,这就为高分子材料与其他材料如这就为高分子材料与其他材料如磁电致伸缩材料、压电材料、形状记忆合金等复合磁电致伸缩材料、压电材料、形状记忆合金等复合而成智能高分子复合材料提供了良好的条件。而成智能高分子复合材料提供了良好的条件。20形状记忆合金形状记忆合金 ()智能复合材料智能复合材料 形状记忆合金是集形状记忆合金是集“感知感知”和和“驱动驱动”于一体的功能于一体的功能材

25、料。最典型的形状记忆合金是合金材料。最典型的形状记忆合金是合金 , ,这类材料这类材料还有、还有、和等。这类材料几何形状会随温度的变化发生和等。这类材料几何形状会随温度的变化发生突变突变 , ,在低温时其组织为马氏体状态在低温时其组织为马氏体状态 , ,可进行间隔性塑性可进行间隔性塑性变形变形 , ,当加热到特征温度以上时发生马氏体到奥氏体的转当加热到特征温度以上时发生马氏体到奥氏体的转变变 , ,从而恢复到原来的形状从而恢复到原来的形状 , ,即显示形状记忆效应。因形即显示形状记忆效应。因形状记忆合金既可作传感器状记忆合金既可作传感器 , ,又可作驱动器又可作驱动器 , ,将其与信息处将其与

26、信息处理材料复合便可制得智能复合材料。理材料复合便可制得智能复合材料。 如古屋泰文将如古屋泰文将 1 %的合金纤维铺设于环氧树的合金纤维铺设于环氧树脂基体中制成智能复合材料脂基体中制成智能复合材料 (),在外力作用下在外力作用下 ,发生裂纹发生裂纹 ,借助形状记忆合金的电阻应力波的变化可自借助形状记忆合金的电阻应力波的变化可自诊断材料的损伤诊断材料的损伤 ,同时由于直接通电加热产生形状同时由于直接通电加热产生形状记忆收缩力记忆收缩力 ,应力集中减小应力集中减小 ,使裂纹收缩使裂纹收缩 ,从而使自从而使自动愈合动愈合 ,刚性也增大刚性也增大 ,材料不仅有自诊断性且具有损伤的自材料不仅有自诊断性且

27、具有损伤的自愈合能力。愈合能力。21功能梯度智能复合材料功能梯度智能复合材料 功能梯度材料功能梯度材料 ( () )是指一种功能（如组分、是指一种功能（如组分、结构、性能）随空间或时间连续变化或阶梯变化的结构、性能）随空间或时间连续变化或阶梯变化的高性能材料。功能梯度薄膜材料也就是使成分、组高性能材料。功能梯度薄膜材料也就是使成分、组织从基体到表面呈无界面连续变化。织从基体到表面呈无界面连续变化。利用功能梯度利用功能梯度材料或功能梯度材料薄膜的这一特性材料或功能梯度材料薄膜的这一特性 , ,与其他材料与其他材料复合复合 , ,便可制得具有特殊性能的智能复合材料。目便可制得具有特殊性能的智能复合

28、材料。目前前 , ,这种材料已广泛应用于生物、机械、光电、电这种材料已广泛应用于生物、机械、光电、电磁、信息及航空航天等领域。在信息工程领域磁、信息及航空航天等领域。在信息工程领域 , ,它它主要用来制造光纤元件、一体化传感器、声音传感主要用来制造光纤元件、一体化传感器、声音传感器、声纳、超声波诊断器等。器、声纳、超声波诊断器等。22 梯度性复合材料的性质是从一点到另一点发生梯度性复合材料的性质是从一点到另一点发生变化的。比如，玫瑰的刺，它们是由天然的有机聚变化的。比如，玫瑰的刺，它们是由天然的有机聚合物构成的，也就是说，本质上是由软材料组成的，合物构成的，也就是说，本质上是由软材料组成的，但

29、由于玫瑰刺的不均匀性结构，而具有不起褶、高但由于玫瑰刺的不均匀性结构，而具有不起褶、高强度的特性。还比如，哺乳动物的骨头也是梯度性强度的特性。还比如，哺乳动物的骨头也是梯度性复合材料，外部很硬，但内部是大孔隙结构。人类复合材料，外部很硬，但内部是大孔隙结构。人类已经研制出了类似的复合材料，但大自然创造的要已经研制出了类似的复合材料，但大自然创造的要比人类好得多。比人类好得多。自然界中的所有结构材料，包括硬自然界中的所有结构材料，包括硬的和软的结构材料，都是按照复合材料的原则构成的和软的结构材料，都是按照复合材料的原则构成的。比如，木质材料就是由天然的聚合物纤维构成的。比如，木质材料就是由天然的聚合物纤维构成的。的。 23谢谢！24