1、 第三章第三章 智能材料智能材料 (Intelligent Materials)n第一节第一节 智能材料的定义智能材料的定义 n第二节第二节 金属系智能材料及器件金属系智能材料及器件 n第三节第三节 无机非金属系智能材料及器件无机非金属系智能材料及器件 n第四节第四节 高分子系智能材料及器件高分子系智能材料及器件 作业n介绍一种智能器件，从器件的成分、智介绍一种智能器件，从器件的成分、智能结构、工作机理及应用四个方面加以能结构、工作机理及应用四个方面加以说明。说明。 第一节第一节 智能材料的定义智能材料的定义n 智能材料是智能材料是1989年年11月由日本高木俊宜月由日本高木俊宜教授在日本科学
2、技术厅航空、电子等技术评审教授在日本科学技术厅航空、电子等技术评审会上提出的。它是将信息科学融合于材料物性会上提出的。它是将信息科学融合于材料物性的一种材料新构思。的一种材料新构思。 一、一、定义定义：智能材料：智能材料(Intelligent Materials)，就是同时具有感知功能即信号感受功能就是同时具有感知功能即信号感受功能(传感传感器的功能器的功能),自己判断并自己作出结论的功能自己判断并自己作出结论的功能(情情报信息处理功能报信息处理功能)的材料。的材料。 智能材料（器件）必需具备智能材料（器件）必需具备3个基本要素个基本要素： 感知、信息处理和执行功能感知、信息处理和执行功能。
3、 n下图为智能材料的特征。下图为智能材料的特征。 智能材料不但可以判断环境智能材料不但可以判断环境, ,而且还可而且还可顺应环境顺应环境, ,即智能材料具有即智能材料具有应付环境条件的应付环境条件的特性特性, ,如自己内部诊断如自己内部诊断, ,自己修复自己修复, ,应付外部应付外部刺激自身积极发生变化。刺激自身积极发生变化。 n 智能材料的研究与开发，意味着信息科学智能材料的研究与开发，意味着信息科学与材料科学的融合，它体现了工业材料的与材料科学的融合，它体现了工业材料的真真正革命正革命。 因为：因为：智能材料是将软件功能智能材料是将软件功能( (传感、处传感、处理及执行功能理及执行功能)
4、)引入材料不同层次的结构中。引入材料不同层次的结构中。 智能材料智能材料：形状记忆材料、压电材料：形状记忆材料、压电材料( (含压电含压电陶瓷、压电聚合物）、电致伸缩材料、光纤陶瓷、压电聚合物）、电致伸缩材料、光纤和电流变体、磁流变体、智能凝胶等。和电流变体、磁流变体、智能凝胶等。 二、二、智能结构的分类智能结构的分类 智能结构可分为主动控制式和被动控智能结构可分为主动控制式和被动控制式两类：制式两类： 主动控制式主动控制式 是高级智能结构是高级智能结构, ,它具它具备先进而复杂的功能备先进而复杂的功能, ,能能自动检测自动检测结构的结构的静态、动态特性静态、动态特性, ,在允许的范围内比较所
5、在允许的范围内比较所检测的结果检测的结果, ,然后然后进行筛选并确定进行筛选并确定适当的适当的响应响应, ,以控制不希望出现的动态特性。以控制不希望出现的动态特性。 n 被动控制式被动控制式 智能结构低级而简单智能结构低级而简单, ,仅仅传输传感器所感受到的信息仅仅传输传感器所感受到的信息, ,如应变、如应变、位移、温度、压力与加速度等。位移、温度、压力与加速度等。 例如：埋在智例如：埋在智能结构中的传能结构中的传感器感器( (通常是光通常是光导纤维导纤维) )可以连可以连续不断地监测续不断地监测飞机结构或零飞机结构或零件的完好状态。件的完好状态。损伤、冲损伤、冲击破坏、击破坏、断裂以及断裂以
6、及疲劳裂纹、疲劳裂纹、磨损、振磨损、振动、分层动、分层等信息等信息 三、三、智能材料的分类智能材料的分类 目前常按组成智能材料的基材来划分：目前常按组成智能材料的基材来划分： （1） 金属系智能材料金属系智能材料 金属智能材料金属智能材料, ,主要指主要指形状记忆合金材形状记忆合金材料料(SMA),(SMA),形状记忆合金是一类重要的执形状记忆合金是一类重要的执行器材料行器材料, ,可用其控制振动和结构变形。可用其控制振动和结构变形。 （2 2） 无机非金属系智能材料无机非金属系智能材料 无机非金属系智能材料主要包括无机非金属系智能材料主要包括压电压电陶瓷、电致伸缩陶瓷陶瓷、电致伸缩陶瓷, ,
7、电电( (磁磁) )流变体流变体等。等。 （3）高分子系智能材料）高分子系智能材料 由于人工合成高分子材料的品种多由于人工合成高分子材料的品种多, ,范围广范围广, ,所形成的智能材料因此也极其广泛所形成的智能材料因此也极其广泛, ,其中其中智能智能凝胶、药物控制释放体系、压电聚合物、智能凝胶、药物控制释放体系、压电聚合物、智能膜膜等是高分子智能材料的重要体现。等是高分子智能材料的重要体现。 下面从构成智能材料的基材的角度来详细下面从构成智能材料的基材的角度来详细讨论智能材料的结构、原理、性质及应用等。讨论智能材料的结构、原理、性质及应用等。 第二节第二节 金属系智能材料金属系智能材料 智能金
8、属材料为具有智能金属材料为具有自检知、自判自检知、自判断、自行动功能断、自行动功能乃至能够对乃至能够对变形、振动、变形、振动、损伤损伤等进行适当地等进行适当地控制控制的金属材料。的金属材料。 自检知自检知人体的感官功能人体的感官功能 自判断自判断大脑功能大脑功能 自行动自行动肌肉动作及声带发声等肌肉动作及声带发声等 通过对材料进行设计和选择一些加通过对材料进行设计和选择一些加工手段可实现金属材料的智能化，但目工手段可实现金属材料的智能化，但目前还只能说处于初级阶段。前还只能说处于初级阶段。对应对应 本节通过自预警和自修复功能的构思本节通过自预警和自修复功能的构思来介绍一些智能金属材料的设计。来
9、介绍一些智能金属材料的设计。一、自预警和自修复一、自预警和自修复 生物体在受到损伤时，都具有自预警生物体在受到损伤时，都具有自预警和自修复能力，这是很神奇复杂的自然和自修复能力，这是很神奇复杂的自然现象。现象。 构思和设计智能材料也在模仿生物构思和设计智能材料也在模仿生物体的这种功能，使其具有自预警和自修体的这种功能，使其具有自预警和自修复功能。复功能。 下面从金属结构材料的损伤机制出下面从金属结构材料的损伤机制出发，对自预警和自修复功能做简要介绍。发，对自预警和自修复功能做简要介绍。 很多金属材料中有许多数十微米以很多金属材料中有许多数十微米以下的下的微孔或缺陷微孔或缺陷存在，在使用过程中，
10、存在，在使用过程中，材料因产生材料因产生疲劳裂缝和蠕变变形疲劳裂缝和蠕变变形而受到而受到损伤损伤。 A、缺陷尺寸越、缺陷尺寸越大大越越易易受损伤受损伤 疲劳破坏应力越疲劳破坏应力越小小。 B、当缺陷、当缺陷小于小于一定的一定的极限极限尺寸时，尺寸时，疲劳强度就疲劳强度就不再不再受其影响。受其影响。 因此在实际应用中，在保证强度前因此在实际应用中，在保证强度前提下，允许材料内部有微孔存在。提下，允许材料内部有微孔存在。 利用此特性可构思损伤自预警和自利用此特性可构思损伤自预警和自修复智能结构材料。修复智能结构材料。例例1：在铝合金中预埋粒子（自预警功能）：在铝合金中预埋粒子（自预警功能） 材料内
11、材料内部的微部的微孔孔在微孔中在微孔中预埋入可预埋入可产生声波产生声波的物质的物质材料受到材料受到损伤损伤微孔扩展成较大裂缝微孔扩展成较大裂缝时，预埋物质便产生时，预埋物质便产生声响，实现报警。声响，实现报警。 例例2：在钼钢中分散一些二氧化锆（自修：在钼钢中分散一些二氧化锆（自修复功能）复功能）材料内材料内部的微部的微孔孔在微孔中预在微孔中预埋入二氧化埋入二氧化锆微粒锆微粒材料受到材料受到损伤损伤微孔扩展成较大裂缝微孔扩展成较大裂缝时，二氧化锆粒子发时，二氧化锆粒子发生相变，缓解了尖端生相变，缓解了尖端的应力集中，阻断了的应力集中，阻断了损伤，相当于对材料损伤，相当于对材料进行了修复。进行了
12、修复。 按照功能性物质在材料内部分散的按照功能性物质在材料内部分散的尺寸大小，尺寸大小，自修复功能分为三种类型：自修复功能分为三种类型： 微量元素型：微量元素型： 分散尺寸在纳米级别乃至原子尺度，分散尺寸在纳米级别乃至原子尺度，加入量很少。加入量很少。 微球型：微球型：尺寸在微米级别。尺寸在微米级别。 丝线或薄膜型：丝线或薄膜型：直径或厚度在毫米直径或厚度在毫米以下。以下。 （1）微量元素型）微量元素型 一种不锈钢材料，代号：一种不锈钢材料，代号：SUS304 在高温高载荷下对于蠕变损伤具有补强在高温高载荷下对于蠕变损伤具有补强修复功能。修复功能。 当材料内部当材料内部微孔加大微孔加大时，微孔
13、内的时，微孔内的N和和B会向微孔表面扩散并形成会向微孔表面扩散并形成一层一层BN膜膜。此膜可阻止其他原子的扩散迁移，。此膜可阻止其他原子的扩散迁移，稳定了微孔表面，从而对损伤实现了有稳定了微孔表面，从而对损伤实现了有效的抑制或补强修复。效的抑制或补强修复。 （2）微球型）微球型 如在如在Fe-Cr合金中分散有合金中分散有Y2O3微球。微球。 通常，在高温疲劳裂缝尖端有通常，在高温疲劳裂缝尖端有一层氧一层氧化膜化膜，此氧化膜对裂缝的发展具有一定的，此氧化膜对裂缝的发展具有一定的抑制作用抑制作用。 当当Fe-Cr合金中发生高温疲劳裂化时，合金中发生高温疲劳裂化时，由于由于硫硫在基材和氧化膜之间的界
14、面的在基材和氧化膜之间的界面的偏析偏析作用作用，氧化膜受到，氧化膜受到破坏破坏剥落，失去抑制疲剥落，失去抑制疲劳裂化发展的能力。劳裂化发展的能力。n 当当Fe-Cr合金中分散有合金中分散有Y2O3微球时，微球时， Y2O3微球微球可捕集有害的硫，从而对氧化可捕集有害的硫，从而对氧化膜起到补强的作用，抑制了裂缝尖端的膜起到补强的作用，抑制了裂缝尖端的塑性变形。塑性变形。n 因此，在材料中分散微米级别的功因此，在材料中分散微米级别的功能性微球，可以实现损伤的自修复。能性微球，可以实现损伤的自修复。 (3)(3)丝线、薄膜型丝线、薄膜型 在材料内部埋入功能性丝线或表面在材料内部埋入功能性丝线或表面涂
15、敷功能性薄膜，可实现自修复功能。涂敷功能性薄膜，可实现自修复功能。 如：将直径如：将直径0.38mm0.38mm的的Ti-NiTi-Ni形状记忆形状记忆合金细线埋入聚合物中，当丝线附近产合金细线埋入聚合物中，当丝线附近产生损伤裂缝时，丝线受到作用，电流流生损伤裂缝时，丝线受到作用，电流流通使合金丝线温度升高，丝线因恢复记通使合金丝线温度升高，丝线因恢复记忆形状而拉紧，从而使裂缝闭合或缩小，忆形状而拉紧，从而使裂缝闭合或缩小，这样就实现了自修复功能。这样就实现了自修复功能。 静态破坏试验表明静态破坏试验表明; ;此例中裂缝尖端此例中裂缝尖端的应力由的应力由11.2MPa11.2MPa减小到减小到
16、8.8MPa8.8MPa。 二、形状记忆合金智能材料与器件二、形状记忆合金智能材料与器件 形状记忆合金（形状记忆合金（Shape Memory Alloy,SMA)Shape Memory Alloy,SMA)是金属系智能材料中最闪光的部分是金属系智能材料中最闪光的部分, ,是一种兼是一种兼有感知和驱动功能的新型材料。有感知和驱动功能的新型材料。 发展历史发展历史： 国外国外 6060年代就开始了研究年代就开始了研究 国内国内 7070年代开始研究。年代开始研究。 近年来，研究近年来，研究SMASMA性能并将其应用于智能性能并将其应用于智能材料与结构，引起了国内外研究工作者的广泛材料与结构，引
17、起了国内外研究工作者的广泛兴趣。兴趣。 应用应用： 广泛用于多种制动器，航天器天线，管道广泛用于多种制动器，航天器天线，管道连接件，医疗外科的矫正器，医用材料，机器连接件，医疗外科的矫正器，医用材料，机器人肘关节等方面。人肘关节等方面。 中国地质大学（武汉）材化学院2022-1-2321 科学家先把科学家先把NiTi合合金做金做 成所需的天线成所需的天线形状，然后冷却到形状，然后冷却到一定温度，使它变一定温度，使它变软，加压把它弯曲软，加压把它弯曲成一个小球，使之成一个小球，使之在飞船上只占很小在飞船上只占很小的空间。登上月球的空间。登上月球后，利用阳光照射后，利用阳光照射的温度，使天线重的温
18、度，使天线重新展开，恢复到所新展开，恢复到所需的形状。需的形状。中国地质大学（武汉）材化学院美国载人宇宙飞船美国载人宇宙飞船2022-1-2322形状记忆合金形状记忆合金1 1、形状记忆效应、形状记忆效应 在较低温度下受力发生塑性变形后，在较低温度下受力发生塑性变形后，经过加热，又恢复到受力前的形状，即经过加热，又恢复到受力前的形状，即塑性变形因受热消失。材料似乎对初始塑性变形因受热消失。材料似乎对初始形状有记忆性，故称这种特性为形状有记忆性，故称这种特性为形状记形状记忆效应，或忆效应，或“SMESME”。 具有形状记忆效应的合金，就是形具有形状记忆效应的合金，就是形状记忆合金，或状记忆合金，
19、或“SMASMA”。（1）马氏体相变）马氏体相变 马氏体相变是产生形状记忆效应马氏体相变是产生形状记忆效应（Shape Memory Effect ,SME)的最的最根本的原因。根本的原因。 原理图如下：原理图如下：母体母体高温下稳定高温下稳定晶体结构晶体结构热诱发热诱发马氏体马氏体低温下稳定低温下稳定晶体结构晶体结构加热加热 马氏体态的形变及加热后的形状记忆马氏体态的形变及加热后的形状记忆如下图所示。如下图所示。 具有形状记忆效应的合金必须满足下列条具有形状记忆效应的合金必须满足下列条件：件： 随着温度的变化，母相和马氏体相之随着温度的变化，母相和马氏体相之间界面的移动是可逆的；间界面的移动
20、是可逆的； 合金中的异类原子必须为有序结构，合金中的异类原子必须为有序结构，无论它们是处于母相态还是马氏体态；无论它们是处于母相态还是马氏体态； “母相母相-马氏体马氏体”相变，在晶体学上是相变，在晶体学上是可逆的。可逆的。 因此并非所有发生马氏体相变的合金都呈因此并非所有发生马氏体相变的合金都呈现现SME。 如，钢是发生马氏体相变的代表，如，钢是发生马氏体相变的代表，但它们几乎不呈现但它们几乎不呈现SME。 （2）形状记忆效应分类）形状记忆效应分类 单程形状记忆效应单程形状记忆效应 样品在高温下定形后，将母相冷却变样品在高温下定形后，将母相冷却变成马氏体相，然后经范性形变，改变形成马氏体相，
21、然后经范性形变，改变形状，再加热使其发生逆转变，当马氏体状，再加热使其发生逆转变，当马氏体完全消失时，样品完全恢复母相形状。完全消失时，样品完全恢复母相形状。 通常所指的通常所指的SMESME就是这种效应。就是这种效应。 双程形状记忆效应双程形状记忆效应 合金材料不但对母相有记忆效应，而合金材料不但对母相有记忆效应，而且当它从母相再次冷却成马氏体时，它且当它从母相再次冷却成马氏体时，它还可还可恢复马氏体的形状恢复马氏体的形状。 全方位形状记忆效应全方位形状记忆效应 合金材料在实现双程记忆的同时，继合金材料在实现双程记忆的同时，继续冷却到更低的温度，可呈现与高温时续冷却到更低的温度，可呈现与高温
22、时完全相反的形状完全相反的形状，即具有全方位，即具有全方位SMESME。 伪弹性伪弹性: 指当对材料的母相施加压力诱发马氏体并指当对材料的母相施加压力诱发马氏体并产生应变，当应力除去后，马氏体消失，应变产生应变，当应力除去后，马氏体消失，应变回复的效应。回复的效应。 形状记忆效应与伪弹性的关系形状记忆效应与伪弹性的关系 相同点：相同点：都是发生形状可逆变化。都是发生形状可逆变化。 相异点：相异点：合金材料形变时最初所处的状合金材料形变时最初所处的状 态不同。态不同。 SME: 材料在马氏体态形变后发生。材料在马氏体态形变后发生。 伪弹性：在母相态形变时发生。伪弹性：在母相态形变时发生。 3、应
23、用形状记忆效应进行智能材料设计、应用形状记忆效应进行智能材料设计 SMA 具有的多种功能：具有的多种功能： 热传感功能热传感功能 在热弹性相转变过程中存在恢复力而具有在热弹性相转变过程中存在恢复力而具有驱动功能驱动功能 记忆和恢复功能记忆和恢复功能 利用利用SMA 进行智能材料设计时，使它与进行智能材料设计时，使它与其它多种材料进行复合，可得到具有不同的特其它多种材料进行复合，可得到具有不同的特殊功能的智能复合材料。殊功能的智能复合材料。（1）根据）根据SMA固有的智能材料性质设计固有的智能材料性质设计 由图可见，材料性质可由环境温度由图可见，材料性质可由环境温度和应力诱导的马氏形变力来控制。
24、和应力诱导的马氏形变力来控制。形状记忆效形状记忆效应超弹性中应超弹性中的晶格畸变的晶格畸变机理机理（2）利用）利用SMA对智能材料与结构进行主对智能材料与结构进行主动控制动控制 SMA纤维纤维人工传感器（神经网络系统）人工传感器（神经网络系统）因此，智能因此，智能SMA材料材料/结构通常为其表面或内部含结构通常为其表面或内部含有有SMA纤维的复合材料结构。纤维的复合材料结构。驱动器（人造肌肉系统）驱动器（人造肌肉系统） 当由于当由于环境温度或应力环境温度或应力变化而发生变化而发生SMA热弹性热弹性相转变（如形状记忆效应）相转变（如形状记忆效应）或或应力诱导应力诱导相转变（如伪弹性）时，其相转变
25、（如伪弹性）时，其物理性质物理性质（如电阻，内摩擦，声发射等）（如电阻，内摩擦，声发射等）也发生变化。也发生变化。 这些物理性质的信息可通过置于这些物理性质的信息可通过置于SMA复合材料中的传感器进行复合材料中的传感器进行无损伤测无损伤测定定。一些智能功能（如自增强，刚度变。一些智能功能（如自增强，刚度变化，形状自我恢复，主动阻尼控制等）化，形状自我恢复，主动阻尼控制等）可由可由SMA智能复合材料与结构主动实现。智能复合材料与结构主动实现。例、例、 形状记忆复合材料形状记忆复合材料 下图为挤压铸造法制造形状记忆下图为挤压铸造法制造形状记忆Ti-Ni纤维增强纤维增强Al基复合材料。基复合材料。
26、该复合材料可作该复合材料可作为机械制造材料为机械制造材料用于航空领域或用于航空领域或作为铁路中的高作为铁路中的高速交通工具以及速交通工具以及发动机材料。发动机材料。4、形状记忆合金智能器件、形状记忆合金智能器件（1）自适应）自适应SMA复合材料圆筒复合材料圆筒 下图为应用下图为应用PMC材料与材料与SMAC层结合制层结合制成自适应复合材料圆筒。成自适应复合材料圆筒。自自适适应应复复合合材材料料圆圆筒筒作用原理：作用原理：预先拉紧的预先拉紧的SMA纤维纤维通过温度活化，通过温度活化，可控制活化程可控制活化程度度增加增加SMA材材料的刚度，料的刚度，并有收缩的并有收缩的趋势趋势对对PMC层施加层施
27、加外部压外部压力力对抗内对抗内部压力部压力提高了提高了圆筒的圆筒的耐高压耐高压能力能力（2）静脉通道过滤器）静脉通道过滤器 Ni-Ti 合金的一个主要性质是其生物合金的一个主要性质是其生物相容性。相容性。 Simon用用Ni-Ti作为一种作为一种静脉通道过静脉通道过滤器滤器，来打碎静脉中的血凝块，因为这，来打碎静脉中的血凝块，因为这种血块可导致危及生命的肺栓塞，该项种血块可导致危及生命的肺栓塞，该项应用已被美国食品药物管理局（应用已被美国食品药物管理局（FDA）批准。批准。 下图为将静脉通道过滤器置入下图为将静脉通道过滤器置入2.3mm的导管内（的导管内（1），然后受热膨胀），然后受热膨胀（2
28、，3，4）以用于防止再发的肺栓塞。）以用于防止再发的肺栓塞。 将合金通过将合金通过导管到达预导管到达预定的位置定的位置去掉合金的束去掉合金的束缚作用，使其缚作用，使其膨胀到位。膨胀到位。 作用原理：作用原理：利用合金的超弹性对管壁施利用合金的超弹性对管壁施 加恒定的压力，使血块破碎。加恒定的压力，使血块破碎。安装时需注意：安装时需注意： 过滤器在解除束缚之前，过滤器在解除束缚之前， 要处于马氏体状态。要处于马氏体状态。 第三节第三节 无机非金属系智能材料及器件无机非金属系智能材料及器件 n 目前正在研究的有：目前正在研究的有：n 智能陶瓷智能陶瓷(压电陶瓷、电致伸缩陶瓷、压电陶瓷、电致伸缩陶瓷
29、、形状记忆陶瓷、生物陶瓷形状记忆陶瓷、生物陶瓷)、电、电(磁磁)流变流变体、电致变色材料、压敏电阻器、光纤体、电致变色材料、压敏电阻器、光纤智能材料与器件等智能材料与器件等 。n 一、压电材料及器件一、压电材料及器件 压电元件既能作压电元件既能作传感器传感器又能作又能作驱动器驱动器，实现了实现了传感元件与动作元件的统一传感元件与动作元件的统一，因，因此可以方便地应用于智能材料与结构中，此可以方便地应用于智能材料与结构中，尤其在材料损伤自诊断、自适应，减振尤其在材料损伤自诊断、自适应，减振与噪声控制等方面有其独特的用途。与噪声控制等方面有其独特的用途。 压电效应：将机械能转换为电能，反之亦然。压
30、电效应：将机械能转换为电能，反之亦然。 1、压电陶瓷、压电陶瓷 历史：历史： 1880年年 发现压电效应发现压电效应 二次世界大战：二次世界大战： 由于军事需要，开始应由于军事需要，开始应 用用BaTiO3 压电陶瓷。压电陶瓷。 接着接着研制出研制出Pb（ZrTi）O3，其频率温度，其频率温度 稳定性明显改善（稳定性明显改善（PZT）。）。 1965年年 日本松下电器公司将日本松下电器公司将Pb（Mg1/3Nb2/3）O3作为掺杂物加入到作为掺杂物加入到PZT中，中，定名为定名为PCM。 1969年年 我国科研人员将我国科研人员将Pb（Mn1/3Sb2/3）O3作为掺杂物加入到作为掺杂物加入到
31、PZT中，中，获得更优的性能，为获得更优的性能，为PMS。 （1） BaTiO3 压电陶瓷压电陶瓷 BaTiO3是最先制得的压电陶瓷。是最先制得的压电陶瓷。 其结构为钙钛矿结构，如图所示。其结构为钙钛矿结构，如图所示。Ba2+位于立位于立方体顶点；方体顶点；Ti4+位于立方位于立方体体心；体体心；O2-位于立方位于立方体面心体面心 作用单元：作用单元：TiO6 八面体以顶角相八面体以顶角相连构成网络，形成连构成网络，形成Ti-O-Ti直线链，有利直线链，有利于偶极矩间力等远程力的相互作用，也于偶极矩间力等远程力的相互作用，也有利于铁电性的产生。有利于铁电性的产生。 BaTiO3的熔点是的熔点是
32、1618度，在室温度，在室温下为铁电体，其单晶的介电常数各向异下为铁电体，其单晶的介电常数各向异性显著，沿极化轴方向的介电常数比垂性显著，沿极化轴方向的介电常数比垂直于极化轴方向小得多；直于极化轴方向小得多； 但极化陶瓷的各向异性比单晶小得但极化陶瓷的各向异性比单晶小得 多。多。（2）锆钛酸铅（）锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷）压电陶瓷 PZT 是由锆酸铅和钛酸铅构成的固是由锆酸铅和钛酸铅构成的固溶体压电陶瓷材料。溶体压电陶瓷材料。 其结构与其结构与BaTiO3的结构相似，但的结构相似，但Ti4+或或Zr4+稍偏离中心位置，造成正、稍偏离中心位置，造成正、负电荷中心不重合而具有自发极化。负电荷中心
33、不重合而具有自发极化。通常的通常的改性方法改性方法为为: 掺入其它化学元素。掺入其它化学元素。主要有主要有: A、用、用Ba2+，Sr2+，Ca2+，Mg2+，置换，置换 Pb2+； B、用等价离子置换、用等价离子置换Zr4+和和 Ti4+ ，形成固，形成固溶体；溶体； C、添加、添加Bi3+，La3+，Nb5+不等价离子，不等价离子，使晶格中生成一定量的正离子缺位；作用使晶格中生成一定量的正离子缺位；作用: 增增加材料的介电常数，介电损耗，降低机械品质加材料的介电常数，介电损耗，降低机械品质因素，矫顽电场，及老化。因素，矫顽电场，及老化。 D、添加、添加K+，Fe3+等离子，使晶格中生成等离
34、子，使晶格中生成一定量的负离子缺位；作用与一定量的负离子缺位；作用与C正好相反。正好相反。（3）以）以PZT为基体的多元系压电陶瓷为基体的多元系压电陶瓷 复合钙钛矿铁电体复合钙钛矿铁电体可与可与PZT构成三构成三元或多元固溶体。元或多元固溶体。 目的：目的：使压电陶瓷具有使压电陶瓷具有较好的烧结较好的烧结性能性能，较低的烧结温度较低的烧结温度，可获得，可获得气孔率气孔率小小，密度高密度高的均匀陶瓷体，并可的均匀陶瓷体，并可提高材提高材料的其它参数料的其它参数，如机电耦合系数，介电，如机电耦合系数，介电常数，机械品质因素等。常数，机械品质因素等。 例例1 Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-PZT
35、多元多元系压电陶瓷系压电陶瓷 是最早发现的具有铁电性的多元系是最早发现的具有铁电性的多元系固溶体，也是目前应用较为广泛的多元固溶体，也是目前应用较为广泛的多元系统。系统。 性能特点性能特点：随：随Pb（Mg1/3Nb2/3）O3含量的增加，固溶体的介电常数增大，含量的增加，固溶体的介电常数增大，居里温度降低，机电耦合系数减小。居里温度降低，机电耦合系数减小。 应用应用: 拾音器、滤波器、变压器等。拾音器、滤波器、变压器等。 例例2 Pb（Mn1/3Sb2/3）O3-PZT 三元系压电陶瓷三元系压电陶瓷 性能特点性能特点：耦合系数不高，但可以：耦合系数不高，但可以在较宽的范围内调节，并且其机械品
36、质在较宽的范围内调节，并且其机械品质因数高，介质损耗小，具有优良的稳定因数高，介质损耗小，具有优良的稳定性。性。 应用应用：陶瓷滤波器和机械滤波器的：陶瓷滤波器和机械滤波器的换能器。换能器。例例3 Pb（Sb1/2Nb1/2）O3-PZT 三元系压电陶瓷三元系压电陶瓷 性能特点性能特点：谐振频率温度稳定性好，：谐振频率温度稳定性好，抗老化性能优良。抗老化性能优良。 应用应用：大功率超声发生器、高电压：大功率超声发生器、高电压发生装置及其它机电换能器，尤其适用发生装置及其它机电换能器，尤其适用于恶劣环境中的应用。于恶劣环境中的应用。二、压电复合材料二、压电复合材料 压电复合材料是将压电陶瓷聚合物
37、按压电复合材料是将压电陶瓷聚合物按一定的比例，连通方式和空间几何分布一定的比例，连通方式和空间几何分布复合而成，它可以显著提高材料的压电复合而成，它可以显著提高材料的压电性能，具有比常用压电陶瓷更优异的性性能，具有比常用压电陶瓷更优异的性能，是一类很有发展前途的新型智能材能，是一类很有发展前途的新型智能材料。料。 其中连通方式对性能影响极大。其中连通方式对性能影响极大。连通方式的表示方法有连通方式的表示方法有: 0-0, 0-1, 0-3, 1-3等等压电相的压电相的连通维数连通维数聚合物相的聚合物相的连通维数连通维数每一个相可以以每一个相可以以0，1，2，3维方式自我连通，维方式自我连通，因
38、此由压电相和聚合物组成的复合材料可具有十因此由压电相和聚合物组成的复合材料可具有十种连通性。种连通性。例例1 0-3型压电复合材料型压电复合材料 组成组成: 压电陶瓷粉、橡胶、有机硅、压电陶瓷粉、橡胶、有机硅、环氧树脂等混合固化而成，其连通性如环氧树脂等混合固化而成，其连通性如图所示。图所示。 制备方法：制备方法：PZT粉末粉末氯丁橡氯丁橡胶胶1：1体积体积混合混合40 碾压成碾压成板状板状190、13kPa13kPa 硫化硫化上电极上电极极化极化在硅在硅油中油中 即为即为0-3 压电橡压电橡胶复合材料胶复合材料 应用应用: 水听器和水听器和压电橡胶电缆。压电橡胶电缆。 例例2 1-3 型压电
39、复合材料型压电复合材料 1-3 型压电复合材料的形状如下图。 优点优点：具有低声阻抗，低介电常数和一定的柔韧性。：具有低声阻抗，低介电常数和一定的柔韧性。 制作制作: 采用排列浇铸法。采用排列浇铸法。 将一对样板，同轴固定在支架上，将一对样板，同轴固定在支架上，并打出平行孔。并打出平行孔。 在孔中插入在孔中插入PZTPZT细棒后放入容器，细棒后放入容器，在真空下浇铸聚合物。在真空下浇铸聚合物。 高温固化后切割成所需薄片，再高温固化后切割成所需薄片，再镀上电极即可。镀上电极即可。 三、压电智能器件三、压电智能器件 由于压电材料特殊的电机械性能，由于压电材料特殊的电机械性能，具有正压电效应和逆压电
40、效应，因此既具有正压电效应和逆压电效应，因此既可以作为传感器又可作为执行器件，从可以作为传感器又可作为执行器件，从而广泛地用于智能结构的系统中。而广泛地用于智能结构的系统中。 1、压电点火器、压电点火器 材料材料：压电陶瓷：压电陶瓷 组分组分: PZT 或或PLZT 应用应用：家用瓦斯炉的自动点火装置：家用瓦斯炉的自动点火装置 n装置图装置图如下如下:-+金属金属端板端板铜电极板铜电极板压电装置压电装置砧砧原理原理：当砧受到压力时，压电装置的两极间便产生：当砧受到压力时，压电装置的两极间便产生数万瓦的高压电。设点火装置的表面积为数万瓦的高压电。设点火装置的表面积为S，长度为，长度为l，且施加冲
41、击力为，且施加冲击力为F时，则输出电压为：时，则输出电压为： V=g33*F/SF影响使用性能的因素影响使用性能的因素 g33 由公式可知，由公式可知， g33大，则输出电压大，则输出电压V也大。也大。所以要选用电压输出系数大的材料。所以要选用电压输出系数大的材料。 压电材料要能耐疲劳，而且也允许打击造成压电材料要能耐疲劳，而且也允许打击造成的机械性损坏。的机械性损坏。 目前所用的压电材料，如目前所用的压电材料，如PZTPZT陶瓷，机械强陶瓷，机械强度很高。一般能使用十万次以上。也就是说如度很高。一般能使用十万次以上。也就是说如果每天用果每天用3030次，则可使用次，则可使用1010年，这样一
42、来，压年，这样一来，压电性点火器几乎是半永久性元件，不需售后服电性点火器几乎是半永久性元件，不需售后服务。务。下面将压电点火器和电池点火器进行比较。下面将压电点火器和电池点火器进行比较。 电池点火法电池点火法 压电点火法压电点火法点火方法点火方法 灯丝的发热灯丝的发热 电极间的高电压火电极间的高电压火花花产生的温度产生的温度 数百度数百度 数千度数千度产生的电压产生的电压 3V 10，000V以上以上 耐久性耐久性 灯丝会腐蚀、烧坏灯丝会腐蚀、烧坏 半永久性半永久性 2 2、下图是在日本广为流行的下图是在日本广为流行的PachinkoPachinko游戏机。它是由若干多层游戏机。它是由若干多层
43、锆钛酸铅（锆钛酸铅（PZTPZT）压电陶瓷块构成的。）压电陶瓷块构成的。 在日本每年有在日本每年有178亿日元花费在亿日元花费在Pachinko上，上，这是一种日本人很上瘾的游戏。这笔钱相当于政府预这是一种日本人很上瘾的游戏。这笔钱相当于政府预算的算的1/4，比日本汽车工业的收入还多。这种游戏在，比日本汽车工业的收入还多。这种游戏在类似于弹球机的设备上操作。类似于弹球机的设备上操作。Pachinko比在美国玩彩比在美国玩彩票还容易，票还容易，Pachinko营业室几乎在所有繁忙的街道上营业室几乎在所有繁忙的街道上都可以找到，有都可以找到，有14500个营业室和个营业室和310万个游戏机在万个游
44、戏机在运营。运营。福布斯福布斯杂志将一位杂志将一位Pachinko游戏机制造公游戏机制造公司的所有者司的所有者Kenkichi Nakajima列为全世界最富有的列为全世界最富有的人之一。人之一。 摘自摘自消费者行为学消费者行为学/市场营销学简明译丛市场营销学简明译丛2001n 清华大学出版社清华大学出版社n作用原理：作用原理： 当金属球落到陶瓷压电块上时，球的冲击力产生当金属球落到陶瓷压电块上时，球的冲击力产生了压电电压，电压脉冲通过反馈系统加以放大和调整，了压电电压，电压脉冲通过反馈系统加以放大和调整，然后返回施加到压电块的执行器部分，使陶瓷块突然然后返回施加到压电块的执行器部分，使陶瓷块
45、突然膨胀变形，把金属球抛出压电块所在的孔，使球沿着膨胀变形，把金属球抛出压电块所在的孔，使球沿着螺旋轨道爬升，落进另一孔内，再盘旋上升，如此周螺旋轨道爬升，落进另一孔内，再盘旋上升，如此周而复始。而复始。 3、智能蒙皮、智能蒙皮 作用作用：降低飞行器和潜水器高速运动：降低飞行器和潜水器高速运动时的噪声，防止发生紊流，以提高运行时的噪声，防止发生紊流，以提高运行速度，减少红外辐射和声辐射，达到隐速度，减少红外辐射和声辐射，达到隐形目的。形目的。 隐形原理：隐形原理： 智能蒙皮智能蒙皮表面为一表面为一层压电陶层压电陶瓷传感器瓷传感器 感受到的表感受到的表面压力变化面压力变化 如紊流如紊流电子反馈电
46、子反馈放大系统放大系统 驱动器驱动器 施加施加 发生形变，发生形变，消除紊流消除紊流 多层压电多层压电陶瓷构成陶瓷构成四、光纤智能材料与器件四、光纤智能材料与器件发展历史：发展历史： 20世纪世纪70年代年代 美国康涅狄格州的联合技术研究中心开始研美国康涅狄格州的联合技术研究中心开始研究用于复合材料的光纤串扰温度传感器。究用于复合材料的光纤串扰温度传感器。 1989年提出年提出PENVAL计划计划 其目标是在其目标是在2002年年2003年完成整体装有年完成整体装有光纤智能蒙皮飞机的飞行试验。光纤智能蒙皮飞机的飞行试验。 目前，它已用在飞机、火箭等航空航天器中。目前，它已用在飞机、火箭等航空航
47、天器中。 下面介绍几种光纤传感器件并重点介下面介绍几种光纤传感器件并重点介绍在智能材料与结构中有着巨大潜力的绍在智能材料与结构中有着巨大潜力的光纤布喇格光栅器件和波导器件。光纤布喇格光栅器件和波导器件。 1、干涉型埋入式光纤应变传感器、干涉型埋入式光纤应变传感器 它分为：它分为： 迈克尔逊干涉光纤应变传感器迈克尔逊干涉光纤应变传感器 马赫马赫-曾德尔干涉光纤应变传感器曾德尔干涉光纤应变传感器 法布里法布里-珀罗腔（珀罗腔（F-P）干涉型应变）干涉型应变传感器传感器 特点：灵敏度高，可测量结构的局特点：灵敏度高，可测量结构的局部应变。部应变。 （1） 迈克尔逊干涉光纤应变传感器迈克尔逊干涉光纤应
48、变传感器（a）在复合材料中埋入迈克尔逊单）在复合材料中埋入迈克尔逊单向应变光纤传感器示意图向应变光纤传感器示意图（b） 测量原理：光线进入参考光纤后经耦合器进入测测量原理：光线进入参考光纤后经耦合器进入测量光纤，两束反射光耦合后产生干涉，干涉后的光强由量光纤，两束反射光耦合后产生干涉，干涉后的光强由光敏管接收。光敏管接收。结构变形后结构变形后，传播光的相位会发生变化，传播光的相位会发生变化，相位差取决于标距相位差取决于标距L内光纤所受的应变值，干涉后的光内光纤所受的应变值，干涉后的光强的变化也受强的变化也受L内应变值的调制。内应变值的调制。根据光强的变化量就根据光强的变化量就可知应变的大小。可
49、知应变的大小。光源光源镀银镜面镀银镜面（c） 测量点的应变状态的埋入式光纤应变基的示意图测量点的应变状态的埋入式光纤应变基的示意图 它由三根光纤组合而成，其中一根为参考光纤，另外它由三根光纤组合而成，其中一根为参考光纤，另外两根为测量光纤。采用激光二极管为光源，并使用两只耦两根为测量光纤。采用激光二极管为光源，并使用两只耦合器将光分别耦合进测量光纤，然后根据两根光纤输出端合器将光分别耦合进测量光纤，然后根据两根光纤输出端的光强值，即可算出两个应变值，从而得出点的应力状态。的光强值，即可算出两个应变值，从而得出点的应力状态。（2）马赫）马赫-曾德尔干涉光纤应变传感器曾德尔干涉光纤应变传感器原原理
50、理图图激光二激光二极管发极管发出光出光经耦经耦合器合器1分成分成两束两束光光进入进入传感传感光纤光纤和参和参考光考光纤纤传感光传感光纤随着纤随着结构件结构件变形变形在耦合在耦合器器2处处发生干发生干涉后进涉后进入探测入探测器器处处理理信信号号（3）法布里）法布里-珀罗腔（珀罗腔（F-P）干涉型应变传感器干涉型应变传感器 根据根据F-P腔的不同，分为两类：腔的不同，分为两类： 功能型：功能型：把一段光纤两端做成镜面把一段光纤两端做成镜面作为传感腔，然后将这段带有端面镜的作为传感腔，然后将这段带有端面镜的光纤和传导光纤连接起来，输出信号与光纤和传导光纤连接起来，输出信号与传感腔变形长度有关。传感腔
