《智能材料与结构系统》教学课件第2章-智能材料-.ppt

1、智能材料智能材料【本章学习目标【本章学习目标】l掌握：l智能材料的定义与分类；智能材料的定义与分类；l典型智能材料的基本概念、特性与应用典型智能材料的基本概念、特性与应用 l了解：l智能材料的特征与功能；智能材料的特征与功能；l智能材料的设计思路。智能材料的设计思路。【本章教学要点【本章教学要点】知识要点能力要求相关知识智能材料的定义与分类掌握智能材料的定义与分类，了解智能材料的度量指标。功能材料智能材料的特征与功能掌握智能材料的特征与功能，了解智能材料的应用。材料性能学智能材料的设计思路了解智能材料的设计思路。仿生技术典型的智能材料掌握典型的智能材料的基本概念、特性与应用。形状记忆合金；压电

2、陶瓷内容纲要及学时安排内容纲要及学时安排l建议学时：8学时1.智能材料的定义与分类智能材料的定义与分类（2学时）学时）2.智能材料的特征与功能智能材料的特征与功能（2学时）学时）3.智能材料的设计智能材料的设计 （2学时）学时）4.思路典型的智能材料思路典型的智能材料 （2学时）学时）行业背景行业背景智能材料智能材料l定义与分类定义与分类l特征与功能特征与功能l设计思路设计思路l典型的智能材料典型的智能材料智能材料的定义与分类智能材料的定义与分类l智能材料的定义l智能材料的分类l智能材料的度量指标智能材料的定义智能材料的定义l具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，对之进行分析、处理、判断，并

3、采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料。智能材料的内涵智能材料的内涵l具体来说，需具备以下：(1)具有，能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激强度，如电、光、热、应力、应变、化学、核辐射等；智能材料的内涵智能材料的内涵l(2)具有，能够响应外界变化；l(3)能够按照设定的方式；l(4)反应比较、和；l(5)当外部刺激消除后，能够。智能材料英文名称智能材料英文名称又可以称为，常用的有以下几种：lIntelligent material、lIntelligent material and structure、Smart material、lSmart material and struct

4、ure、Adaptive material and structure等。智能材料的分类智能材料的分类l是继是继、之后的之后的第四代功能材料第四代功能材料。因为现在因为现在可用于智能材料的材料种可用于智能材料的材料种类不断扩大类不断扩大，所以，所以智能材料的分类智能材料的分类也只也只能是粗浅的，分类方法也有多种，能是粗浅的，分类方法也有多种，智能材料的分类智能材料的分类l分类标准l智能材料按自身结构智能材料按自身结构l智能材料按结构中的构成来分智能材料按结构中的构成来分l智能材料的功能智能材料的功能l智能材料的来源智能材料的来源智能材料的分类智能材料的分类l按自身结构 l（1）嵌入式智能材料（

5、又称智能材料结构或智能）嵌入式智能材料（又称智能材料结构或智能材料系统）材料系统）l在基体材料中，嵌入具有传感、动作和处理功能的三种原始材料。传感元件采集和检测外界环境给予的信息，控制处理器指挥和激励驱动元件，执行相应的动作。智能材料的分类智能材料的分类l（2）有些材料微观结构本身就具有智能功能，能）有些材料微观结构本身就具有智能功能，能够随着环境和时间的变化改变自己的性能，够随着环境和时间的变化改变自己的性能，l如自滤玻璃、受辐射时性能自衰减的InP半导体等。智能材料的分类智能材料的分类l按结构中的构成来分 l（1）基体材料；）基体材料；l（2）敏感材料；）敏感材料；l（3）驱动材料；）驱动

6、材料；l（4）信息处理器。）信息处理器。智能材料的分类智能材料的分类l若按若按来分，可以分为来分，可以分为、和和等。等。l若按若按来分，可以分来分，可以分为为、和和。l目前研究开发的目前研究开发的主主要有要有和和两大类；两大类；l在在、和和材料等材料等方面发展较快；方面发展较快；l的范围很广泛，的范围很广泛，作为智能材料的作为智能材料的的研究和开发非常活跃，的研究和开发非常活跃，l其次还有其次还有、和和等。等。智能材料的度量指标智能材料的度量指标l(1)能够检测并且可以识别外界能够检测并且可以识别外界(或者内部或者内部)的刺激强的刺激强度的感知功能；度的感知功能；l(2)能够响应外界变化的驱动

7、功能；能够响应外界变化的驱动功能；l(3)能够按照设定的方式选择和控制响应；能够按照设定的方式选择和控制响应；l(4)反应比较灵敏、及时和恰当；反应比较灵敏、及时和恰当；l(5)当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。l 因为因为设计智能材料的两个指导思想设计智能材料的两个指导思想是是和和，所以，所以智能材智能材料系统料系统具有或部分具有如下的具有或部分具有如下的和和：l（1）传感功能（）传感功能（Sensor）l（2）反馈功能（）反馈功能（Feedback）l（3）信息识别与积累功能）信息识别与积累功能l（4）响应功能）响应功能l（5）自诊断能力（

8、）自诊断能力（Self-diagnosis）l（6）自修复能力（）自修复能力（Self-recovery）l（7）自调节能力（）自调节能力（Self-adjusting）（1）传感功能（）传感功能（Sensor）l能够感知外界或自身所处的环境条件l如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学、核辐射等的强度及其变化。学、核辐射等的强度及其变化。可通过可通过，对系统，对系统输入与输出输入与输出信息进行对比信息进行对比，并将其结果提供给，并将其结果提供给控制控制系统系统。l能够识别能够识别传感网络得到的各类信息传感网络得到的各类信息并将并将其积累起来。

9、其积累起来。能够根据能够根据外界环境和内部条件变化外界环境和内部条件变化，作出相应的反应作出相应的反应，并采取必要并采取必要行动行动。l 能通过能通过系统目前的状况与过去系统目前的状况与过去的情况的情况，对诸如，对诸如与与等等问题问题进行自诊断并予以校正进行自诊断并予以校正。l能通过能通过、等等再再生机制生机制，来修补某些，来修补某些局部损伤或破坏局部损伤或破坏。l 对不断变化的对不断变化的外部环境和条件外部环境和条件，能，能自身结构和功能，并相应自身结构和功能，并相应地地改变自己的状态和行为改变自己的状态和行为，从而使，从而使材料材料系统系统始终始终对外界变化作对外界变化作出恰如其分的响应。

10、出恰如其分的响应。智能材料的应用智能材料的应用l智能材料是一种集材料与结构、智能处理、执行系统、控制系统和传感系统于一体的复杂的材料体系。它的设计与合成几乎横跨所有的高技术学科领域。主要包括：l建筑、飞机制造、医疗、军事。建筑、飞机制造、医疗、军事。1、l用于军事，是用于军事，是随着智能材随着智能材料的发展料的发展不断发展的一个领域。不断发展的一个领域。l因为因为不仅象不仅象一样可以一样可以，而且它还具有了，而且它还具有了其他功能材料所不具备的其他功能材料所不具备的功能功能，即能，即能，并能，并能，借此，借此。l 所以，所以，在军事应用中在军事应用中具有具有很大潜力，它的研究、开发和利用，对很

11、大潜力，它的研究、开发和利用，对将产生重大影响。将产生重大影响。l目前，在各种军事领域中，目前，在各种军事领域中，主要涉及到以下几个方面：主要涉及到以下几个方面：l 例如，例如，作为智能传感元件的作为智能传感元件的用用于飞机机翼的于飞机机翼的中；中；l在在植入植入、和和制成的制成的，可用于，可用于、和和。目前美国在目前美国在包括：包括：美国美国弹道导弹防御局弹道导弹防御局为为研制研制含有多种传感器的智能蒙皮；含有多种传感器的智能蒙皮；美国海军则重点研究美国海军则重点研究，以提高以提高舰艇的隐身性能舰艇的隐身性能。美 国 麻 省 理 工 学 院 正 在 研 制 的 增 强型 主 动 降 噪 潜

12、艇 壳 体 模 型。l可用于可用于结构内部的结构内部的应变、温度、裂纹，探测疲劳和受损伤应变、温度、裂纹，探测疲劳和受损伤情况情况，从而能够对结构进行，从而能够对结构进行。例如，采用例如，采用和和的的可对可对机翼、机架机翼、机架以及可重复使用以及可重复使用航天运载器航天运载器进行进行、和和；等大型等大型在轨系统在轨系统采用采用，可，可由于交会由于交会对接碰撞对接碰撞、陨陨石撞击石撞击或其他原因或其他原因，。l 正在研究的正在研究的有：有：自诊断技术；自诊断技术；l可以测量裂纹的可以测量裂纹的自诊断自诊断技术；技术；l可可自诊自诊断技术等。断技术等。l 用于航空、航天系统可以用于航空、航天系统可

13、以，。l如美如美国防高级研究计划局国防高级研究计划局资助波音资助波音公司研制的公司研制的，可以改善可以改善旋翼的空气动力学性能旋翼的空气动力学性能，减小减小振动和噪音振动和噪音。用于用于，可以，可以抑制噪声传播抑制噪声传播，提高潜艇和军舰的声隐身性能提高潜艇和军舰的声隐身性能。l用于用于，可以，可以提高提高军用车辆的性能和乘坐的舒适度军用车辆的性能和乘坐的舒适度。l国外正在研究的具有国外正在研究的具有的的智能结构智能结构，主要由，主要由、和和等新材料制成。等新材料制成。制成的制成的，能够，能够实实时感知外界环境的变化时感知外界环境的变化，并可以，并可以驱动机驱动机翼弯曲、扭转翼弯曲、扭转，从而

14、，从而改变翼型和攻角改变翼型和攻角，以获得以获得，。如当飞机如当飞机在飞行过程中在飞行过程中遇到遇到或猛烈的或猛烈的时，时，机翼中的机翼中的就能够迅速就能够迅速，并，并，从而，从而消除涡流或逆风的影响消除涡流或逆风的影响，使，使飞机仍能平衡地飞行。飞机仍能平衡地飞行。l美国的一项研究表明，在美国的一项研究表明，在中使中使用用，可使，可使机翼阻力降低机翼阻力降低85%。l美国美国波音公司波音公司和和麻省理工学院麻省理工学院联合联合研究研究，电致流变电致流变体时体时可可达几度。达几度。美国陆军在开美国陆军在开发发，将用于，将用于RAH-66武装直升武装直升机。机。RAH-66武装直升机 相信在不久

15、的将来，我们相信在不久的将来，我们用智能材料制成用智能材料制成的的，就可以，就可以行动自如行动自如、自行弯曲自行弯曲、自动改变形状自动改变形状，从而，从而，使飞机飞得更高、更快。，使飞机飞得更高、更快。l可能是这样的：可能是这样的：可可以随心所欲的以随心所欲的变换颜色变换颜色；可以随人可以随人体不同的需要体不同的需要改变温度和形状改变温度和形状；一切的；一切的都是触摸式的，永远不会再有触电都是触摸式的，永远不会再有触电的危险；的危险；带有传感功能；带有传感功能；。l随着随着的发展，尤其是的发展，尤其是设想的提出，有可能设计出设想的提出，有可能设计出。l虽然目前还处于虽然目前还处于设想阶段设想阶

16、段，但是已，但是已经开始着手进行研究，并且必然将在不经开始着手进行研究，并且必然将在不久的将来成为现实。久的将来成为现实。l几种几种如下：如下：l用来用来构建整个房屋构建整个房屋的结构的结构单元，单元，这种结构单元这种结构单元具有具有和和。l这种这种主要由以下主要由以下三个分层三个分层构成：构成：l第一层是第一层是，能感受，能感受来自周围来自周围的的、，并能，并能控制这些能控制这些能量的输出量的输出，如果是，如果是内墙壁砖内墙壁砖，还能，还能；l第二层是第二层是，能为居住者提供，能为居住者提供；l第三层是第三层是，可以用来，可以用来。l 住户还可以挑选合适的住户还可以挑选合适的。l另外，面膜的

17、设置及其构形并不是另外，面膜的设置及其构形并不是一成不变的，而是很容易剥离并换上新一成不变的，而是很容易剥离并换上新的面膜。的面膜。l面膜面膜在砖材的最上层在砖材的最上层，它也，它也具有多功具有多功能性能性。l如如可以可以使墙壁产生不同的色彩使墙壁产生不同的色彩和图案和图案；可以可以接收声波、热能和可见光接收声波、热能和可见光并并予以予以减弱或增强减弱或增强；l可产生可产生耐久的色彩和图案耐久的色彩和图案；l可可连接内外通信线路连接内外通信线路。l在未来的在未来的不会看到传统的碗碟。不会看到传统的碗碟。在毫微塑料的桌面上，在毫微塑料的桌面上，旋转的碗不仅能旋转的碗不仅能，而且可以，而且可以根据

18、用户的根据用户的需要需要，供准备、，供准备、烹调和上菜时使用。烹调和上菜时使用。l并且，这种并且，这种还具有还具有和和在不使用冰箱的情况下在不使用冰箱的情况下的功能。的功能。l 用用制作的坐椅不仅制作的坐椅不仅将大将大大大，而且也将，而且也将。l使用毫微塑料使用毫微塑料能改变椅座面的能改变椅座面的和和，也可以形成，也可以形成各种型式的椅座各种型式的椅座面面。如果如果出于美学的考虑出于美学的考虑，或是便于人们，或是便于人们或从座椅中或从座椅中，毫微塑料也可以，毫微塑料也可以，还能，还能。由于由于不同年龄段的人不同年龄段的人对对的的要求有很大区别，这种座椅还要求有很大区别，这种座椅还可以随心可以随

19、心所欲地所欲地。它甚至还。它甚至还对人们喜对人们喜爱的舒适温度爱的舒适温度具有具有。l在卫生间里，常见设施是在卫生间里，常见设施是、和和。l采用了智能结构的卫生间是这样的：采用了智能结构的卫生间是这样的：l在洗漱时在洗漱时，人们只要，人们只要接触洗脸盆支架表接触洗脸盆支架表面的任何区域面的任何区域，就能，就能、（集中喷射的水流或宽（集中喷射的水流或宽阔的水帘状等）供人们选择。阔的水帘状等）供人们选择。l洗脸盆上方的洗脸盆上方的能照出人的正常能照出人的正常，还能照出真实的，还能照出真实的。的的随使用者的不随使用者的不同而自动变化；同而自动变化；l自动加热至舒适的温度，整个自动加热至舒适的温度，整

20、个结构十分轻便。结构十分轻便。在电脑住宅的在电脑住宅的里，安装了一台里，安装了一台，每当有人上厕所时，每当有人上厕所时，与马桶相连的与马桶相连的即自动分析大小即自动分析大小便的情况，如发现异常，电脑会立即发便的情况，如发现异常，电脑会立即发出警报，以便及时到医院去看病。出警报，以便及时到医院去看病。只要和只要和相连接，相连接，上下水上下水、水水温温和和水流水流都能得到自动控制和调节。都能得到自动控制和调节。综上所述，未来的综上所述，未来的必将显著提高人必将显著提高人们的生活质量们的生活质量。l 因为因为能能模拟活体生物模拟活体生物，而且其而且其均接近于人体的均接近于人体的肌肉。所以这种材料可以

21、应用于肌肉。所以这种材料可以应用于，而且它们还具有，而且它们还具有与生物体的与生物体的相容性相容性，随着伤口的愈合，这种聚合物，随着伤口的愈合，这种聚合物就会在体内就会在体内逐渐降解逐渐降解，最后将会消失。，最后将会消失。l，可以，可以、以及各种以及各种，并且，并且有有。l这种智能材料还可以这种智能材料还可以，例如，例如，粗糙度粗糙度、摩擦力摩擦力等。等。科学家正在研制一种能科学家正在研制一种能，这种聚合物可制成，这种聚合物可制成，将它，将它注入糖尿病患者的血液中注入糖尿病患者的血液中，小，小球就可球就可模拟胰细胞工作模拟胰细胞工作，使病人的血糖浓度使病人的血糖浓度始始终保持在平常的水平上。终

22、保持在平常的水平上。1.如图所示是一种有效的如图所示是一种有效的，即，即。图中的图中的疏水性疏水性形成了形成了“导弹导弹”的的疏水内核疏水内核，而，而则则在内核周围在内核周围形成了一个形成了一个。所形成的这种所形成的这种是一种是一种，它能，它能而而有效的到达癌细胞所在地有效的到达癌细胞所在地。l、90年代后期，研制出用年代后期，研制出用对电磁场敏对电磁场敏感的感的制制成了成了。l首先，首先，通过导管通过导管将这种针将这种针植入病人癌变部位植入病人癌变部位，由于，由于，这种针会发生，这种针会发生现象；现象；l其次，在通过其次，在通过涡流效应产生涡流效应产生，形形状记忆合金针状记忆合金针将能够将能

23、够而使而使癌变区得癌变区得到萎缩到萎缩。智能材料的设计思路智能材料的设计思路l智能材料的开发与设计的出发角度l智能材料设计思路的影响因素智能材料的开发与设计的出发角度智能材料的开发与设计的出发角度l仿生技术。l从智能材料本身的结构特色出发，找出智能材料结构的共有规律，从而合成加工、设计出不同智能特性的材料。智能材料设计思路的影响因素智能材料设计思路的影响因素l(1)材料开发的历史，发明创造学研究。l结构材料结构材料功能材料功能材料智能材料。智能材料。l(2)人工智能计算机的影响，生物计算机的未来模式，学习计算机，三维识别计算机对材料提出的新要求。l(3)从材料设计的角度考虑智能材料的制造。智能

24、材料设计思路的影响因素智能材料设计思路的影响因素l(4)软件功能引人材料。l(5)对材料的期望。l(6)能量的传递。l(7)材料具有时间轴的观点l如寿命预告功能、自修复功能，甚至自学习、如寿命预告功能、自修复功能，甚至自学习、自增殖和自净化功能，因外部刺激时间轴可对自增殖和自净化功能，因外部刺激时间轴可对应做出积极自变的动态响应。应做出积极自变的动态响应。典型的智能材料典型的智能材料l光纤l形状记忆合金与形状记忆聚合物l压电材料l磁致伸缩材料l电致伸缩材料典型的智能材料典型的智能材料l电流变体材料和磁流变液l疲劳寿命丝(箔)l聚合胶体l光致变色玻璃l电致变色材料光纤光纤由柔软且极富弹性的光导纤

25、维光导纤维塑料制成，内部含有LED发光装置、电池和开关。光纤传感器光纤光纤l光纤的分类l光纤的结构原理光纤的分类光纤的分类l按光在光纤中的传输模式可分为：单模光纤和多模光纤l按最佳传输频率窗口分为：常规型单模光纤和色散位移型单模光纤l按折射率分布情况分为：突变型和渐变型光纤光纤的结构原理光纤的结构原理l皮芯型结构光导纤维皮芯型结构光导纤维l当光线射到内芯和外层界面的角度大于产生全反射的临界角时，光线透不过界面，全部反射。这时光线在界面经过无数次的全反射，以锯齿状路线在内芯向前传播，最后传至纤维的另一端。l自聚焦型结构光导纤维自聚焦型结构光导纤维好似由许多微双凸透镜组合而成，迫使入射光线逐渐自动

26、地向中心方向会聚，这类纤维中心的折射率最高，向四周连续均匀地减少，至边缘为最低。光纤的衰减光纤的衰减l本征：固有损耗。l弯曲：l光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成的损耗成的损耗l挤压l光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗l杂质l不均匀l对接等 光纤传输优点光纤传输优点l频带宽l损耗低l重量轻l抗干扰能力强l保真度高 l工作性能可靠l成本不断下降 光纤的生产方法光纤的生产方法l管棒法l双坩埚法l分子填充法形状记忆合金形状记忆合金l工作原理及分类l铁基形状记忆合金l铜基形状记忆合金l镍钛基形状记忆合

27、金l形状记忆合金的应用受到外力作用后，首先发生受到外力作用后，首先发生弹性变形弹性变形，达到屈服点，就产生，达到屈服点，就产生塑性变塑性变形形，应力消除后应力消除后留下留下。l但有些材料，在但有些材料，在发生了塑性变形后发生了塑性变形后，经，经过过，这种现象叫做，这种现象叫做（SME）。）。l 具有具有的材料，一般是的材料，一般是，称为，称为。可以分为三种：可以分为三种：l形状记忆合金形状记忆合金在较低的温度下在较低的温度下变形，变形，加加热后热后可恢复变形前的形状，这种可恢复变形前的形状，这种称为称为。l某些合金某些合金，称为，称为。，称为，称为。三种三种如下图所示。如下图所示。目前，已开发

28、成功的形状记忆合金有目前，已开发成功的形状记忆合金有形状记忆合金、形状记忆合金、形状记忆合金、形状记忆合金、形形状记忆合金等。状记忆合金等。l 最早关于最早关于是由是由Chang及及Read等人等人在在1952年年作出的。他作出的。他们观察到们观察到相变的可逆性。相变的可逆性。l后来在后来在也发现了同样也发现了同样的现象，但当时并未引起人们的广泛注的现象，但当时并未引起人们的广泛注意。意。l直到直到1962年，年，Buehler及其合作者及其合作者在在，观察到，观察到具有具有宏观形状变化的宏观形状变化的记忆效应，才引起了材记忆效应，才引起了材料科学界与工业界的重视。料科学界与工业界的重视。l到

29、到70年代初，年代初，、等合金中也发现了等合金中也发现了与马氏体相变与马氏体相变有关的有关的。l几十年来，有关几十年来，有关的研究已的研究已逐渐成为国际逐渐成为国际相变会议相变会议和和材料会议材料会议的重的重要议题，并为此召开了多次要议题，并为此召开了多次专题讨论会专题讨论会，不断丰富和完善了不断丰富和完善了。l马氏体相变理论形状记忆合金形状记忆合金l主要有三大类l铁基形状记忆合金铁基形状记忆合金l铜基形状记忆合金铜基形状记忆合金l镍钛基形状记忆合金镍钛基形状记忆合金 铁基形状记忆合金铁基形状记忆合金l铁基形状记忆合金分为两类：l基于热弹性马氏体相变基于热弹性马氏体相变l主要有Fe-Pt，Fe

30、-Pd和Fe-Ni-Co-Ti l基于非热弹性可逆马氏体相变。基于非热弹性可逆马氏体相变。lFe-Mn-SilFe-Cr-Ni-Mn-Si-Co 铁基形状记忆合金的结构、组织和性能铁基形状记忆合金的结构、组织和性能合金合金成分成分马氏体马氏体晶体结构晶体结构相变特征相变特征形状记忆形状记忆恢复率恢复率/%Ms范范围围/KFe-Pt25%(1)bct热弹性热弹性4080280Fe-Pd30%(1)fct热弹性热弹性4080180300Fe-Ni-Co-TiFe-33Ni-10Co-4Ti(2)bct热弹性热弹性80100-150Fe-Ni-CFe-31Ni-0.4C(2)bct非热弹性非热弹性5

31、08577150Fe-Cr-NiFe-19Cr-10Ni(2)hcp/bct非热弹性非热弹性25Fe-Mn-SiFe-(2833)Mn-(46)Si(2)hcp非热弹性非热弹性30100200390Fe-Mn-Si-CrFe-28Mn-6Si-5Cr(1)hcp非热弹性非热弹性100300Fe-Mn-Si-Cr-Ni-CoFe-8Mn-5Si-13Cr-6Ni-12Co(2)hcp非热弹性非热弹性95312注：（1）原子分数；（2）分子分数但基于非热弹性可逆马氏体相变的铁基记忆合金的形状记忆机制与基于热弹性马氏体相变的机制有所不同。制备铁基形状记忆合金的条件制备铁基形状记忆合金的条件l母相具有

32、高的屈服强度或低的弹性极限；母相具有高的屈服强度或低的弹性极限；l马氏体相交引起的体积变化和切变应变较小；马氏体相交引起的体积变化和切变应变较小；l马氏体的比方度马氏体的比方度(ca)大，有利于形成孪晶亚结构；大，有利于形成孪晶亚结构；lMs较低，有利于形成孪晶亚结构并提高母相的屈较低，有利于形成孪晶亚结构并提高母相的屈服强度。服强度。铜基形状记忆合金铜基形状记忆合金l优点l形状记忆、l超弹性、l高阻尼l良好的导电性 l种类lCu-Zn，Cu-Zn-Al，Cu-Zn-Sn，Cu-Zn-Ni，Cu-Zn-Si，Cu-Zn-Ga，Cu-A1，Cu-A1-Ni，Cu-Al-Mn，Cu-Al-Si，C

33、u-Al-Nb，Cu-Al-Be等。等。l铜基形状记忆合金的性能铜铜基基形形状状记记忆忆合合金金的的性性能能名称单位Cu-Zn-AlCu-Al-Ni熔点950102010001050密度Kg/m37800800071007200电阻率.m0.070.120.10.4导热率W/(m.)120（20）75热膨胀系数161810-6（马）161810-6（马）比热容J/(kg.)390400480相变热J/kg7000900070009000弹性模量GPa7010080100屈服强度MPa150300150300抗拉强度（马氏体）MPa70080010001200伸长率（马氏体）%1015810疲劳

34、极限MPa270350晶粒大小m501002560转变温度-200+170-200+170滞后大小10201020最大单向形状记忆（应变）%56最大双向形状记忆（应变）%N=10211.2N=1050.80.8N=1070.50.5上限加热温度（1h）160200300阻尼比SDC%3010最大伪弹性应变（单晶）%1010最大伪弹性应变（多晶）%22回复应力MPa200铜基形状记忆合金的工艺特点铜基形状记忆合金的工艺特点l制备制备l合金通常采用中频感应电炉熔炼。对合金通常采用中频感应电炉熔炼。对Cu-Al-Ni、Cu-Al、Cu-A1-Si系合金可采用真空熔炼或气体系合金可采用真空熔炼或气体保

35、护熔炼，对保护熔炼，对Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Al-Mn等含等含Zn、Mn元素的合金不能采用真空元素的合金不能采用真空熔炼，在熔炼，在N2或或Ar保护性气氛下进行熔炼。上述保护性气氛下进行熔炼。上述合金在大气中熔炼时可采用燃烧木炭做覆盖，造合金在大气中熔炼时可采用燃烧木炭做覆盖，造渣剂采用渣剂采用Na3 AlF6与与CaF2，浇注温度，浇注温度12801360。铜基形状记忆合金的工艺性能铜基形状记忆合金的工艺性能l加工加工l合金热加工性能良好，可进行挤压、热轧、锻造合金热加工性能良好，可进行挤压、热轧、锻造等加工。热加工温度为等加工。热加工温度为800-860。合

36、金冷加工。合金冷加工性能较差，可在双相区淬火后进行冷加工，冷加性能较差，可在双相区淬火后进行冷加工，冷加工后，合金需进行固溶处理，固溶温度工后，合金需进行固溶处理，固溶温度800-850，介质淬火或空冷。，介质淬火或空冷。镍钛基形状记忆合金镍钛基形状记忆合金l形状记忆功能l耐磨损l抗腐蚀l高阻尼l超弹性镍钛基形状记忆合金特点镍钛基形状记忆合金特点l伸缩率在20%以上，l疲劳寿命达107次，l阻尼特性比普通的弹簧高10倍，l耐腐蚀性优于目前最好的医用不锈钢。Ti-Ni合金的力学特性合金的力学特性 力学性能硬度/HV屈服极限/MPa抗拉强度/MPa伸长率/%指标马氏体相：180200奥氏体相：20

37、0350马氏体相：50200奥氏体相：100600100011002060Ti-Ni合金形状记忆特性合金形状记忆特性 相变温度（Af点）/温度滞后/形状回复量(循环次数少时)形状回复量(循环次数多时)最大回复应力/MPa热循环寿命耐热性/-101002306%以下2%以下(N=106)0.5%以下(N=106)600105107约250l在理论研究不断深入的同时，在理论研究不断深入的同时，也取得了长足进步，其也取得了长足进步，其应用范围涉及应用范围涉及机械机械、电子电子、化工化工、宇航宇航、能源能源和和医疗医疗等许多领域。等许多领域。：l（1）利用）利用的的单向形状恢复单向形状恢复。如。如管接

38、头、天线、套环等。管接头、天线、套环等。（2）。即利用即利用并并借助外力借助外力随温度升降做反复动作随温度升降做反复动作，如热敏元件、，如热敏元件、机器人、接线柱等。机器人、接线柱等。（3）。l即利用即利用随温度升降做反随温度升降做反复动作复动作，如热机、热敏元件等。，如热机、热敏元件等。l但这类应用但这类应用记忆衰减快记忆衰减快、可靠性差可靠性差，不不常用常用。（4）。l如弹簧、接线柱、眼镜架等。如弹簧、接线柱、眼镜架等。TiNi合金的合金的很好，利用其很好，利用其和和的医学实例相当多。的医学实例相当多。如如血栓过滤器血栓过滤器、脊柱矫形棒脊柱矫形棒、牙齿矫形牙齿矫形丝丝、脑动脉瘤夹脑动脉瘤

39、夹、接骨板接骨板、髓内针髓内针、人工关人工关节节、心脏修补元件心脏修补元件、人造肾脏用微型泵人造肾脏用微型泵等。等。20世纪是世纪是的时代。的时代。是最典型的是最典型的机机械电子控制系统械电子控制系统，但复杂而庞大。，但复杂而庞大。兼有兼有和和的的双重功能，可以实现双重功能，可以实现控制系统的控制系统的，如全息机器人、毫米级，如全息机器人、毫米级超微型机械手等。超微型机械手等。21世纪将成为世纪将成为的时代。的时代。的的机器人的动作机器人的动作，除了，除了外，外，不受任何环境条件的影响不受任何环境条件的影响，可望，可望在在、等高技等高技术领域大显身手。术领域大显身手。形状记忆聚合物形状记忆聚合

40、物具有识别控制的智能聚合物超分子体系 形状记忆聚合物形状记忆聚合物l一些聚合物在加热时，当温度超过玻璃转变温度时，聚合物可以恢复原来的塑性变形、有时高达400%。由于这种效应与形状记忆效应（SME)有相似之处，因此我们称这种聚合物为形状记忆聚合物(shape memory po1ymer，简称SMP)。形状记忆聚合物形状记忆聚合物l聚合物的记忆效应l聚合物的应力应变曲线l形状记忆聚合物的特点l主要的形状记忆聚合物l形状记忆聚合物的应用形状记忆聚合物形状记忆聚合物记忆效应记忆效应形状记忆聚合物形状记忆聚合物应力应力应变曲线应变曲线形状记忆聚合物形状记忆聚合物特点特点l形状记忆聚合物的形变量高，l

41、形状记忆聚异戊二烯和聚氨酯的形变量均高于形状记忆聚异戊二烯和聚氨酯的形变量均高于400；l形状记忆聚合物形状恢复温度可通过化学方法加以调整；形状记忆聚合物形状记忆聚合物特点特点l形状记忆聚合物的形状恢复应力一般较低l在在9.8l29.4MPa之间；之间；l形状记忆聚合物耐疲劳性差，l重复形变次数均为重复形变次数均为5000次，甚至更低；次，甚至更低；l形状记忆聚合物只有单程记忆功能。主要的形状记忆聚合物主要的形状记忆聚合物l聚降冰片烯l由乙烯和环戊二烯在催化下合成的降冰片烯，然后由乙烯和环戊二烯在催化下合成的降冰片烯，然后开环聚合制得含双链和五元环交替的无定形聚合物。开环聚合制得含双链和五元环

42、交替的无定形聚合物。l聚合物分子量为聚合物分子量为300万以上，比一般塑料高万以上，比一般塑料高100倍，倍，玻璃化温度玻璃化温度Tg为为350，固定相为高分子链的缠绕，固定相为高分子链的缠绕交联，而玻璃态转变为可逆相。交联，而玻璃态转变为可逆相。主要的形状记忆聚合物主要的形状记忆聚合物l反式1，4-聚异戊二烯(TPl)l采用采用ALR3-VCl3系列系列Zieglef熔化剂，经浴液聚合熔化剂，经浴液聚合而得而得lTPI熔点熔点67，结晶度，结晶度40，用硫磺或过氧化物交，用硫磺或过氧化物交联得到的网络结构为固定相，能进行熔化和结晶可联得到的网络结构为固定相，能进行熔化和结晶可逆变化的部分结晶

43、相为可逆相。逆变化的部分结晶相为可逆相。l该该SMP具有变形速度快、回复力大，回复精度高具有变形速度快、回复力大，回复精度高特点。特点。主要的形状记忆聚合物主要的形状记忆聚合物l苯乙烯丁二烯共聚物l由聚苯乙烯和结晶聚丁二烯组成的混合聚合物。由聚苯乙烯和结晶聚丁二烯组成的混合聚合物。l固定相熔点为固定相熔点为120(聚苯乙烯结晶相聚苯乙烯结晶相)，可逆相为低熔，可逆相为低熔点点(60)的聚丁二烯结晶部分。此种的聚丁二烯结晶部分。此种SMP变形量大，可变形量大，可高达高达400，形状恢复速度快。，形状恢复速度快。l它耐酸耐碱，因而应用广泛。它耐酸耐碱，因而应用广泛。主要的形状记忆聚合物主要的形状记

44、忆聚合物l聚氨酪l由异氰酸酯、多元醇、和链增长剂、三种单体原料聚合由异氰酸酯、多元醇、和链增长剂、三种单体原料聚合物成的部分结晶线性聚合物。物成的部分结晶线性聚合物。l形状恢复温度形状恢复温度Tg为为-3070，已制得，已制得Tg为为250、350、450和和550的记忆材料。的记忆材料。l该品种变形量也超过该品种变形量也超过400，耐候性、重复变形状较好。，耐候性、重复变形状较好。l其他品种已发现SMP还有交联聚乙烯、聚酯系聚合物合金、聚酷胺、乙烯醋酸乙烯共聚物等。形状记忆聚合物形状记忆聚合物的应用的应用l医疗上将形状记忆材料用做固定创伤部位的器材以代替传统的石膏绷带。如图所示。形状记忆聚合

45、物形状记忆聚合物的应用的应用l医疗器材医疗器材-手术缝合线手术缝合线压电材料压电材料l压电效应及其原理l常见的压电材料l石英晶体石英晶体l压电陶瓷压电陶瓷l聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯l压电复合材料压电复合材料l压电材料的应用压电效应压电效应l对压电元件施加机械变形时，就会引起内部正负电荷中心发生相对移动而产生电的极化，从而导致元件两个表面上出现符号相反的束缚电荷而且电荷密度与外力成比例，这种现象称为正压电效应。压电效应压电效应l在压电元件两表面上通以电压，由于电场的作用，造成压电元件内部正负电荷中心产生相对位移，导致压电元件的变形，这种现象称为逆压电效应。常用压电材料主要性能参数常用压电材料主要

46、性能参数参数名称石英钛酸钡PZT-4PZT-5PZT-6压电系数（pC/N）d11=2.31d14=0.73d15=260d31=-78d33=190d15=410d31=-100d33=230d15=670d31=-185d33=600d15=3300d31=-90d33=200相对介电常数r4.51200105021001000居里点()573115310260300密度(103kg/m3)2.655057.457.57.45弹性模量(103N/m2)8011083.3117123机械品质因数105.650080800最大安全应力(105N/m2)9510081767683体积电阻率(m)

47、100010(25)10100(25)最高允许温度()55080250250最高允许湿度()100100100100石英晶体石英晶体l石英晶体（quartz），又称水晶，其化学成份是二氧化硅，熔点为1750，密度为2.65/3，莫氏硬度为7。高质量的石英是无色透明体。压电陶瓷压电陶瓷l压电陶瓷的种类l钛酸钡系压电陶瓷、钛酸钡系压电陶瓷、PbTiO3-PbZrO3系压电陶瓷、系压电陶瓷、ABO3-PbTiO3-PbZrO3系压电陶瓷、复合钙钛矿系压电陶瓷、复合钙钛矿系压电陶瓷等系压电陶瓷等压电材料的应用压电材料的应用l一些实用化及正进行研究的一些实用化及正进行研究的如下：如下：l这是利用这是利用

48、制成的，制成的，它可以它可以自动感觉雨量自动感觉雨量并并自动调节挡风玻自动调节挡风玻璃上的雨刷至最佳速度璃上的雨刷至最佳速度。l 这是利用这是利用、和和的叠合的叠合研制成的研制成的，这套智能系统具有这套智能系统具有识别路面识别路面(粗糙度粗糙度)并进并进行行自我调节自我调节的功能，可以的功能，可以使粗糙路面产使粗糙路面产生的振动减至最低生的振动减至最低，从而，从而提高乘坐舒适提高乘坐舒适性性。l用于用于振动频率低于振动频率低于500Hz的消声的消声，是由，是由、和和组成。组成。这类这类，是由，是由两种或两种以两种或两种以上功能陶瓷上功能陶瓷进行进行组合后组合后形成的一种形成的一种，这种，这种复

49、合功能块复合功能块会呈现会呈现一些新一些新效应效应，称为，称为。(4)利用组合功能效应来设计和制备新利用组合功能效应来设计和制备新型智能材料和器件型智能材料和器件 l模仿自然界生物具有的特性模仿自然界生物具有的特性构思仿构思仿生物生物，研究，研究像尾鳍和鸟翼那样柔软像尾鳍和鸟翼那样柔软，能能折叠又很结实的折叠又很结实的智能材料用作智能材料用作，并并有效利用自然界的波浪和风能有效利用自然界的波浪和风能。l它是利用压电陶瓷的它是利用压电陶瓷的，直接，直接把电能转换成机械能把电能转换成机械能输出，而不需要输出，而不需要通通常使用的电磁线圈常使用的电磁线圈。l这种新型这种新型，具有，具有结构简单结构简

50、单、起动快起动快、转矩大转矩大、体积小体积小、功耗低功耗低等特等特点，主要用作点，主要用作自动控制、机器人自动控制、机器人等的致等的致动器。动器。它是由若干层它是由若干层(PZT)压压电陶瓷块电陶瓷块构成的，构成的，既作为既作为又作为又作为。当当落到落到上时，上时，球的冲击球的冲击力力产生产生；电压脉冲电压脉冲通过通过加以加以放大和调整放大和调整，然后，然后返回并施加到返回并施加到压电块的压电块的；突然突然，把金属球抛出把金属球抛出压电块所在的孔压电块所在的孔，使球，使球爬出，落入爬出，落入另一孔内，再盘旋上升，如此周而复始。另一孔内，再盘旋上升，如此周而复始。科学家最近研制成功一种科学家最近