智能材料课件.ppt
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1、1,智能材料Intelligent Materials,2,第一章 智能材料概述,3,1.1引言,材料发展的总趋势:高性能化、多功能化、复合化、精细化、智能化,性能材料对外部作用的抵抗特性,功能从外部向材料输入一种信号时,材料内部发生质和量的变化而产生输出另一种信号的特性,智能一切生命体皆具备的对外界刺激的反应能力.动物:蜥蜴皮肤、乌贼、贝壳、海参、猫眼的瞳孔;植物:含羞草、向日葵;能接受、感知信号,且能处理,进而做出适时的响应,即执行.,4,l989年 日本 高木俊宜 智能材料(intelligent materials)其它提法:smart materials;intelligent ma
2、terials;smart structures;intelligent structures,adaptive structures;智能材料、机敏材料、聪敏材料、智能结构、灵巧结构、自适应结构“smart”:灵活、机敏、迅速感觉、机智、聪敏等;“intelligent”:学习、预测、建立关系、推理、决策等。“intelligent materials”更复杂和高级,是仿生命功能的材料和结构。1992年 日本 第一届国际智能材料会议.,5,智能材料来源于功能材料功能材料是智能材料的基础,材料的聪明程度:,智能材料,功能材料,普通材料,6,功能材料,驱动材料:可根据温度、电场或磁场的变化改变自
3、身的形状、尺寸、位置、刚性、阻尼、内耗或结构等,对环境具有自适应功能,制成各种执行器;,感知材料:能够感知来自外界或内部的刺激强度及变化(如应力、应变、热、光、电、磁、化学和辐射等),制成各种传感器。,7,机敏材料兼具敏感(传感)材料与驱动材料之特征,即同时具有感知与驱动功能的材料。,智能材料机敏材料和控制系统相结合的产物,集传感、控制和驱动三种职能于一身,是传感材料、驱动材料和控制材料(系统)的有机合成。,自身不具备信息处理和反馈机制,不具备顺应环境的自适应性。,可通过自身对信息进行感知、处理并将指令反馈给驱动器执行和完成相应的动作,对环境作出灵敏、恰当的反应。,8,智能材料系统和结构,一个
4、由多种材料组元通过有机的紧密复合或严格的科学组装而构成的材料系统,与结构密切相关,互为一体。,多学科高度发展和相互交叉的产物:材料科学、人工智能、信息科学、机械科学、生物科 学、化学和物理。,本课程:侧重于智能材料系统。,智能材料,9,1.2智能材料的内涵、定义和特征,1.2.1智能材料的定义,高木俊宜教授:能够感知环境变化,并通过自我判断和结论而实现指令和执行的新材料。,杨大智等:模仿生命系统,能感知环境变化,并能实时的改变自身的一种或多种性能参数,作出所期望的、能与变化后的环境相适应的复合材料或材料的复合。,10,师昌绪:模仿生命系统,能感知外界环境或内部状态所发生的变化,而且通过材料自身
5、的或外界的某种反馈机制,能够适时地将材料的一种或多种性质改变,作出所期望的某种响应的材料。三要素:感知、反馈和响应。,11,863新材料领域专家委员会:对使用环境敏感而且能对环境变化作出灵活反应的材料.更确切地说,智能材料是一类集传感、控制、驱动(执行)等功能于一体的机敏或智能材料结构系统,它能适时地感知与响应外界环境的变化,实现自检测、自诊断、自修复、自适应等多种功能。,共同点:智能材料应当具有感知、判断和响应的功能。,12,1.2.2智能材料的内涵,具有感知功能,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;,具有驱动功能,能够响应外界变化;,能
6、够按照设定的方式选择和控制响应;,反应比较灵敏、及时和恰当;,当外部刺激消除后,能够迅速恢复到原始状态。,13,1.2.3智能材料的特征,(1)传感功能:能感知自身所处的环境与条件,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。(2)反馈功能:能通过传感神经网络,对系统的输入和输出信息进行比较,并将结果提供给控制系统,从而获得理想的功能。(3)信息积累和识别功能:能积累信息,能识别和区分传感网络得到的各种信息,并进行分析和解释。,从仿生学的观点出发,智能材料内部应 具有或部分具有以下生物功能:,14,(4)学习能力和预见性功能:能通过对过去经验的收集,对外部刺激作出适
7、当反应,并可预见未来并采取适当的行动。(5)响应性功能:能根据环境变化适时地动态调节自身并作出反应。(6)自修复功能:能通过自生长或原位复合等再生机制来修补某些局部破损。(7)自诊断功能:能对现在情况和过去情况作比较,从而能对诸如故障及判断失误等问题进行自诊断和校正。(8)自动动态平衡及自适应功能:能根据动态的外部环境条件不断自动调整自身的内部结构,从而改变自已的行为以一种优化的方式对环境变化作出响应。,15,1.4智能材料的设计,1.4.1智能材料的设计思路,以功能材料为基础,以仿生学、人工智能及系统控制为指导,依据材料复合的非线性效应,用先进的材料复合技术,将感知材料、驱动材料和基体材料进
8、行复合。,16,智能效应的基本原理:物质和场之间的交互作用过程,17,智能材料设计的具体过程:,明确材料的应用目标和实现思路,确定智能材料的输入场和输出场,选择感知组元、驱动组元和中间场,借助于中间场,通过几个物理或化学效应的耦合来实现所需的智能化效应,18,选择传感器和驱动器时需把握的原则,(1)兼容性要求(2)稳定性要求(3)响应带宽要求(4)传感器精度的要求(5)驱动器驱动力的要求,19,1.4.2智能材料的构成,(1)基体材料 作用和任务:承载材料其它三部分 种类:轻质材料(高分子材料、轻质有色合金),(2)敏感材料 作用和任务:感知环境变化 种类:光纤材料、压电材料、形状记忆材料、磁
9、致伸缩材料等。,20,1.4.2智能材料的构成,(3)驱动材料 作用和任务:产生应变和应力响应和控制。种类:压电材料、形状记忆材料、电(磁)流 变体、磁致伸缩材料、刺激响应性高分 子凝胶等。,(4)信息处理器,21,1.4.3智能材料的合成方法,(1)纤维及颗粒形式的复合,将一种机敏材料颗粒(或纤维)复合在异质基体中可实现各组元性能的优势互补,获得优化的智能特性。,压电陶瓷和压电高分子以不同连接度复合 性能优异的压电智能材料;TiNi形状记忆合金粒子或纤维复合在金属或高分子中 改善机械性能及阻尼能力.,22,将两种或多种机敏材料以多层m级的薄膜复合,获得优化的综合性能或多功能特性.,PZT和B
10、aTiO3薄膜沉积在TiNi记忆合金衬底上良好的压电和形状记忆特性、传感和驱动功能、阻尼性能,可用于主动控振。,23,将具有光敏、压敏和热敏等不同功能特性的纳米粒子原位复合在多孔道骨架内,通过调控纳米粒子的尺寸、间距及纳米粒子与骨架之间的相互作用,有可能得到兼具光控、压控、热控及其他响应性质的智能材料.,纳米多孔架材料:富勒烯(60)(碳纳米管)、沸石分子筛人工合成材料:多孔形状记忆合金,24,纳米材料和纳米复合材料将是智能材料设计的有效途径之一。,将具有不同功能的材料粒子按特定的方式进行操作组装,可创造出新的具有多功能特性的材料。,(5)粒子复合组装,25,1.5智能材料的类型,(1)金属系
11、智能材料,按材料基质的不同分类:,强度比较大、耐热性好、耐腐蚀性能好,航空、航天、原子能工业结构材料。,检测自身的损伤,且可将其抑制,具有自修复功能,从而确保使用过程中的稳定性。,形状记忆合金、磁致伸缩材料等。,特 点:,应用领域:,智能效应:,主要种类:,26,(2)无机非金属系智能材料,最初的考虑:局部吸收外力以防止材料 整体破坏。,电(磁)流变流体、压电陶瓷、光致变色和电致变色材料等。,主要种类:,27,多重亚稳态、多水平结构层次、较弱的分子间作用力,侧链易引入各种官能团利于感知和判断环境,实现环境响应。,(4)复合(composite)和杂化(hybrid)型智能材料,特 点:,主要种
12、类:,(3)高分子系智能材料,刺激响应性高分子凝胶智能高分子膜材智能药物释放体系智能纤维与织物等,28,1.6智能材料的应用,将微型传感元件、微型计算机芯片、形状记忆合金、电流变体及压电材料等经设计后复合在结构体中,可研制出带有感知及判断能力,可自动加固及防护的自适应性智能结构,实现在线监测、自诊断、自预警、自修复,防止灾难性事故的发生。,(1)建筑和结构工程领域,自诊断混凝土自愈合混凝土,29,自动加固的直升飞机水平旋转叶片:当叶片在飞行中遇到疾风作用而猛烈振动时,分布在叶片中微小液滴会变成固体自动加固叶片。,(2)航空航天领域,能经受恶劣环境,同时能对自己的状况进行自我诊断,并能阻止损坏和
13、退化,能自动加固或自动修补裂纹,从而防止灾难性事故的发生。,机翼用智能材料:在高性能复合材料中嵌入细小的光纤,光纤象神经那样感受机翼上承受的不同压力,光纤断裂时,光传输中断,发出事故警告。,30,智能蒙皮:对于飞行器如飞机、火箭、卫星及潜水艇等,具有随外界条件变化而变化以及探测周围环境的能力的表皮(蒙皮)。,检测飞行速度、温度、湿度等各种条件,并能对变化的环境做出反应,如抑制噪声和振动、维持飞行器座舱的通风、温度恒定、改变机翼形状等。对于材料内部的缺陷和损伤,能进行自诊断,确定缺陷和损伤的部位并进行自修复、自适应。,31,(3)抑制振动和噪声,传感元件对结构的振动进行监测,驱动元件在微电子系统
14、的控制下准确地动作以改变结构的振动状态具有振动和噪声主动控制功能的智能结构.,成功应用:减轻交通工具如汽车、飞机振动和噪声。,32,压电材料 将压电材料置于结构表面或内部用来感测振动,利用经过放大的输出功率去驱动另一个粘贴于不同区域的压电材料,来减小振动反应。这种方法已经成功地应用在降低圆柱型卫星天线桅杆的振动。,电(磁)流变体 在复合材料悬臂梁的空腔内注入电流变体,通过外加电场改变电流变体的状态,从而实时控制梁的刚度、阻尼,实现了对结构整体振动的主动控制.,33,(4)用于机器人,形状记忆合金能够感知温度或位移的变化,可将热能转换为机械能.如果控制加热或冷却,可获得重复性很好的驱动动作.刺激
15、响应性高分子凝胶,在机器人中的应用:触觉传感器、机器人手足和筋骨动作部分等.,34,(5)在医学领域的应用,智能药物释放体系以智能材料为载体材料,根据病情所引起的化学物质和物理量(信号)的变化自反馈控制药物释放的通/断特性。智能胰岛素释放体系:可感知人体血糖浓度水平并做出反应,有效地把糖尿病患者的血糖浓度维持在正常水平。,35,靶向抗癌药物:,用对细胞无毒、无抗原性且可降解的支链淀粉与抗癌药物复合,而癌细胞可以作为该疏水化多糖的感受器。这种抗癌药物与癌细胞有很好的相容性和亲和性,能优先与癌细胞结合即能识别癌细胞,从而只对癌细胞产生作用,而不会对正常细胞产生影响。,36,(6)用于日常生活,智能
16、纤维做成的服装:可随人体和环境温度的变化发生相变,可起到空调的作用,使人体始终感受到适宜的温度。电致变色玻璃:在电场控制下,可以改变玻璃对同波长的光的透过能力,从而构成智能窗。,37,第二章 智能材料的仿生构思,38,生物体对环境的响应源于细胞。细胞本身就是具有传感、处理和执行三种功能的融合材料,可作为智能材料的蓝本。,2.1生物体的信息传感、处理和执行元件,39,信息,神经系统,大脑 脊髓,中枢神经系统,神经系统,身体的各种动作,感觉,执行,40,(1)信息传感,视觉视网膜中的视细胞听觉内耳外毛细胞味觉口腔粘膜中味蕾内的味细胞嗅觉鼻后隐窝的嗅觉上皮细胞触觉离表皮较浅的区域的传感细胞,即神经末
17、梢的触觉细胞。内界感觉内脏受体、血管壁内皮细胞等,41,大脑神经系统的控制中心,(2)信息处理,信息存贮、复制、计算、综合、提取、响应、预测;脑和脊髓构成中枢神经系统,通过神经系统控制身体的各种动作;1012个神经细胞构成的网络;神经系统传递信息过程涉及化学过程的膜电位的传输。,42,(3)执行元件,胶原,一种蛋白纤维,在糖胺聚糖(GAGs)基质内稳定,从而形成胶原纤维增强GAGs复合材料。随胶原交联链的变化,可在刚性材料和粘性液体两种状态间变化。启发:电(磁)流变液,含有的大量疏水侧链在低温时水合溶胀,高温时脱水收缩,能将热直接转变为机械功。启发:响应其它变量如pH值、盐浓度、压力和电能并将
18、其转变为机械功的一系列弹性蛋白凝胶。,弹性蛋白,43,2.4 材料仿生与智能材料,(1)骨,以胶原为主要成分的有机物和羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2,HA)无机物组成的典型的有机物/无机物(质量比约为3/7)纳米复合功能材料。,智能生物材料的范例,自适应自愈合,骨的功能,44,“自愈合”纤维:它可感知混凝土中的裂纹和腐蚀并自动将其修复。,启发:仿生智能材料,利用氢氧化钙悬浮液和含胶原的磷酸水溶液共沉淀制备磷灰石和胶原复合体,进而静压成型制备复合材料。力学性能类似人骨。,45,(2)味细胞,能将外界的化学刺激变换为电信号。甜味甜味物质被羟基吸附,使膜电阻增大;咸味咸味物质使脂质膜在水
19、溶液中的电位发 生变化;酸味酸味物质与脂质膜的亲水基团结合;苦味苦味物质被脂质膜的疏水部分侵入,使 离子渗透性降低;辣味,46,启发:味觉传感器,在作为电极的聚丙烯酸酯板上贴8种脂质膜,并用8根银导线引出。用多通道电极和参比电极便可测定此电极与各脂质膜间的电位味物质与脂质膜作用后会改变电位,所测数据由计算机储存,并进行必要的处理和分析。对五味响应的标准误差约为1,可用于酒类及咖啡等分析。,47,第三章 智能无机非金属材料,48,3.1 陶瓷及非金属材料的自诊断效应,自诊断:依靠材料内部的组分或结构的变化产生的信号而自行检测、监测和诊断材料内部的缺陷或裂纹的发展的方法,诊断内容:应力状态、应变量
20、、相变、缺陷或裂纹发展过程等。,自诊断功能来源:导电相(连续长纤维、分散增韧相)、晶界相、多层结构、介电体、压电体等的应用。,增韧机制:长纤维的复合、桥接、分散相的复合、增韧相的拔出、相变增韧、晶体结构的微细化等。,理想的自诊断方法:增韧机制与自诊断功能同时并存。,49,3.1.1陶瓷基复合材料的自诊断,电检测技术 通过向绝缘的陶瓷基体中添加导电相从而制成具有一定导电性的陶瓷基复合材料的途径来实现。,50,导电陶瓷基复合材料的导电机理,隧道导电:电子跃过颗粒间隙绝缘基体构成的势垒而形成电流通道.粒子导电:当导电颗粒含量增加到一定程度,颗粒间相互接触而形成导电粒子链,复合材料通过颗粒网络导电。,
21、Volume fraction of Ag/%,Log/cm,51,导电模型,(1)分散分布(隧道导电机制)材料的电阻率与导电相之间的有效距离和温度T之间的关系:式中:B为电子穿透效应的材料常数;E为电导势垒,是与基体性质有关的常数。(2)网络分布(粒子导电机理)式中:r为导电粒子间接触面半径;l为表征粒子分散程度的特征长度;D为导电相的有效尺寸。,利用应变与电阻率的对应变化关系实现对材料内部应力状态的诊断。,52,晶须复合陶瓷材料的电学检测,(1)SiC晶须复合CaF2材料,当形变量达到最大许可形变量的一半时,电阻值呈现急剧增加的趋势,这是断裂的前兆,由此显示了裂纹预测的可能性。,53,(2
22、)SiC晶须复合Si3N4陶瓷材料,体电阻值随拉力和应变的增加而增加,并且是可逆的。据此可以预测陶瓷内部拉伸应力的大小。,压力载荷的循环不能引起电阻的明显变化。用电阻值变化不能检测压力破坏。,54,Si3N4陶瓷中加入TiN颗粒:用抗拉强度50的拉力进行加载实验,在载荷除去后,残余电阻仍较明显。用残余电阻值可估测材料的负载历史。,颗粒复合陶瓷材料的电学检测,55,层状复合陶瓷材料的电学检测,添加25-30导电TiN颗粒的氮化硅层与BN层相间叠层,经压制、除碳及烧结而成。,通过检测其电阻值的变化能可靠地监测和预报材料是否发生断裂。,56,3.1.2添加碳纤维的混凝土材料的自诊断,利用碳纤维拉伸形
23、变时电阻的变化检测混凝土结构内部的应力状态。,在拉伸应力下,随加载增加,材料电阻逐渐升高,当加载到材料强度的70或形变达到允许形变量的60左右时,碳纤维断裂,电阻值出现急剧升高趋势。,据此可以预测纤维束完全断裂前的状态,达到预警的目的。,57,方法二:将剪成5mm左右的短碳纤维直接加入到混凝土中,起到增强增韧效果。,压敏性:随压力的增大,材料电阻率先减小然后又逐渐增大,可很好的反映结构内应力场及裂纹的产生、闭合、张开和扩展。,循环拉伸载荷:拉伸时电阻值升高,卸载时电阻值又下降回复到接近原始值。,58,3.1.3利用线性电容的自诊断介电检测,利用非导电材料的介电参数与应力应变关系进行自检测。,碳
24、纤维增强塑料(CFRP)交叠层合物,59,3.1.4添加光纤的混凝土结构的自诊断,布设光纤网络监测混凝土结构各部位的应力和变形,实现分布式监测,对裂缝进行定位。,光纤机敏混凝土结构一种具有强大自监测和自诊断 功能的智能结构。,应用:美国Schiessbergstrase大桥的桥面监测。,60,3.2自修补自愈合材料,生物材料的自修复、自愈合:,人造材料的自修补、自愈合设计思路 在人造材料中加入一些易扩散的物质或修复剂,在材料出现损伤时,内部组分向损伤部位迁移,聚集并结合成高硬度的新物质;或者损伤部位的修复剂被释放出来进行修复,从而使损伤愈合。,树木,贝壳,手茧,61,3.2.1高温下陶瓷涂层的
25、自动成膜机制,在高温真空器件使用的不锈钢中加入少量B和N元素;B和N元素在温度和压力作用下向表层迁移扩散、聚集并结合成一层致密的BN高温陶瓷保护层;其成分和结构与基体材料呈递变过渡状态,亲和性和相容性好,结合牢固。,62,3.2.2高温陶瓷的高温氧化自适应性,陶瓷材料在高温状态下的破坏,自修复思路:加入某种物质能够在高温下自动“流入”裂纹并屏蔽内部组织与氧气的接触,组分高温氧化和表面裂纹纵深发展的相互促进过程。,63,自适应抗氧化机制:高温下铌在氮化硅表面形成Nb2O5-NbO2-Nb2O3-NbN的过渡氧化物层。,实 例:在氮化硅陶瓷中加入少量NbN,64,氧化层类似人“掌茧”的功能,这些氧
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