智能材料课件.ppt

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1、智能材料Intelligent Materials,主讲：刘秀奇,2022/11/26,1,智能材料功能展示,2022/11/26,2,3,什么是材料？,辞海：人们把自然界经过开采而获得的劳动对象称为原料。自然界自然存在而未经过人类任何劳动输入的就不能称为原料。 例如：开采出来的矿物是冶金的原料，种植出来的小麦是制造面粉的原料。 在加工工业中，一般把来自采掘工业和农业的劳动对象称为原料，把经过工业加工的原料（如钢铁、水泥）称为材料。 材料和原料合成为原材料。,2022/11/26,4,阐明了原料和材料之间的联系和区别，但却没有指出材料在使用中本质的变化。,辞海定义可以总结为：经过人类劳动而取得

2、的劳动对象称为原料，经过二次加工的原料称为材料。,使用这定义在实际中带来不便：化工品烧碱(NaOH)？按定义应是材料，但类似不胜枚举的化工产品都是原料。来自采掘工业的沙石、木材等等？按定义似乎应是原料，习惯上将其归入建筑材料。思考？食盐在加工中失去了其原质。烧碱在应用于其它化工加工过程时，也要失去原质。所以，食盐和烧碱一 般都看作是化工原料。原料在加工中一般均失去了原质。,2022/11/26,5,2022/11/26,6,2022/11/26,7,材料的发展和应用历史：,图1 材料科学的发展演化过程,2022/11/26,8,2022/11/26,9,上世纪,2022/11/26,10,20

3、22/11/26,11,2022/11/26,12,2022/11/26,13,2022/11/26,14,2022/11/26,第一章 智能材料概述,2022/11/26,15,16,材料发展的总趋势,海参是一种防御能力很差的棘皮动物，在海底它会经常遇到敌人。它行动起来很迟缓，身体又绵软无力，可这不必担心，海参可以用”分身法”逃命。 如果被敌人盯上了，而又无路可逃，海参就把身体紧缩起来，然后用尽力气把内脏从肛门挤出来，敌人会立即盯住它的内脏。这样海参还照样活着而且不久又生出内脏来，它的再生能力真是太强啦！ 有一种管状海参，当它被敌人捕捉住时，身体会分裂成两段，一段留下，另一段被吃。留下的一段

4、又会把失去的一段长出来。,2022/11/26,17,2022/11/26,18,2022/11/26,19,2022/11/26,20,2022/11/26,21,2022/11/26,22,智能材料需具备以下内涵：（1）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；（2）具有驱动功能，能够响应外界变化；（3）能够按照设定的方式选择和控制响应；（4）反应比较灵敏、及时和恰当；（5）当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始 状态。,2022/11/26,23,智能材料必须具备感知、控制和驱动三个基本要素。,智能材料一般由两种或两种以上的

5、材料复合构成一个智能材料系统。,2022/11/26,24,智能材料的基本结构 智能材料不是一种单一的材料，而是一个由多种材料组元通过有机紧密复合或严格地科学组装而构成的材料系统，是一种智能机构。,2022/11/26,25,智能材料的构成,智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。,(1) 基体材料 基体材料担负着承载的作用，一般宜选用轻质 材料。 首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀。 其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。,2022/11/26,26,(2) 敏感材料 敏感材料担负着传感的任务，其主要作用是感知环境变化（包括压力、应力、温度、电磁场、pH值等）。常

6、用敏感材料：形状记忆材料、压电材料、光纤 材料、磁致伸缩材料、电致变色 材料、电流变体、磁流变体和液 晶材料等。,2022/11/26,27,(3) 驱动材料 因为在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和 应力，所以它担负着响应和控制的任务。 常用有效驱动材料：形状记忆材料、压电材料、 电流变体和磁致伸缩材料等。,(4) 其它功能材料 包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。,2022/11/26,28,如：将光导纤维、形状记忆合金和镓砷化合物半导体 控制电路埋入复合材料中。,2022/11/26,29,智能结构的动作流程图,2022/11/26,30,智能变色材料,由于光、电、热等外界条件

7、的作用，使材料内部结构发生变化从而改变材料对光波吸收的特性，使材料呈现出不同的颜色。,光色玻璃电致变色薄膜,2022/11/26,31,1、光色玻璃(变色玻璃) 能够随照射光强的变化而改变颜色。原因：含有在光照下能发生可逆变化的亚稳态色心：在光波的照射下，色心的光吸收特性发生改变，从而使光色玻璃表现出随光照而改变颜色的特性。,同相型光色玻璃异相型光色玻璃,2022/11/26,32,玻璃逐渐由高透明态转向深黄褐色,玻璃逐渐恢复高透明态,同相型光色玻璃亚稳态色心与玻璃基质具有相同的相。如：光学玻璃的组分中加入氧化铈（选择吸收） 色心：能变价的铈离子,2022/11/26,33,异相型光色玻璃亚稳

8、态色心是玻璃基质不同的 光敏晶相物质。如：卤化银光色玻璃 色心：卤化银晶体,玻璃组分中加入卤化银,2022/11/26,34,光色玻璃的应用：,图2 变色太阳镜,汽车、飞机、船舶的前向玻璃或观察窗玻璃，起防眩作用等。,2022/11/26,35,2、电致变色薄膜电致变色现象(Electrochromism)材料在电场作用下所引起的颜色变化，这种变化是可逆的、连续可调的(透过率、吸收率、反射率三者比例关系可调）。,应用：智能窗(调节玻璃透光特性),机理：一些氧化物薄膜在电场的作用下能够发生电子的交换，导致颜色的改变。,2022/11/26,36,智能窗的应用：,2022/11/26,37,汽车防

9、眩目后视镜,汽车夜间行驶时根据后面行驶车辆前大灯射出的光线照射到后视镜上产生的眩目光程度，自动控制后视镜的透光度，以减少后视镜镜面的反射光强度，使驾驶员既能舒服的通过后视镜了解后面行驶车辆及行人的情况，又能安全驾驶汽车。,汽车防眩目后视镜是当前玻璃制造业前沿产品-电致变色玻璃在汽车上的应用。,2022/11/26,38,智能材料的应用,在军事领域中的应用智能材料与住宅智能化 与现代医学相联系的智能材料,2022/11/26,39,（1）智能蒙皮,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。,2

10、022/11/26,40,（2）结构监测和寿命预测,采用光纤传感器和聚偏氟乙烯传感器的智能 结构可对机翼、机架以及可重复使用航天运 载器进行全寿命期实时监测、损伤评估和寿 命预测；空间站等大型在轨系统采用光纤智能结构， 可实时探测由于交会对接碰撞、陨石撞击或 其他原因引起的损伤，对损伤进行评估，实 施自诊断。,2022/11/26,41,（3）环境自适应结构,智能结构制成的自适应机翼，能够实时感知外界环境的变化，并可以驱动机翼弯曲、扭转，从而改变翼型和攻角，以获得最佳气动特性，降低机翼阻力系数，延长机翼的疲劳寿命。,在机翼结构中使用磁致伸缩致动器，可使机翼阻力降低85%。,2022/11/26

11、,42,（1）多功能砖,具有变通性和智能性。主要由四个分层构成：第一层是功能层，能感受来自周围的声能、热能、光能，并能控制这些能量的输出；第二层是通讯层，能为居住者提供内外通信联系的通道；第三层是输送通道，可以用来输送水和其它材料；第四层面膜是砖材的最上层，也具有多功能性。如壁膜可以使墙壁产生不同的色彩和图案；传感膜可以接收声波、热能和可见光并予以减弱或增强；地膜可产生耐久的色彩和图案；界面膜可连接内外通信线路。,2022/11/26,43,（2）食物器皿,在毫微塑料的桌面上旋转的碗不仅能测知食物的存在，而且可以根据用户的需要自行形成各种形状的碟子，供准备、烹调和上菜时使用。并且这种盛食物的碗

12、还具有保温和在不使用冰箱的情况下保鲜的功能。,2022/11/26,44,毫微技术：亦称纳米技术，是以毫微米（1毫微米等于十亿分一米）为测量单位的产品的技术，也就是用单个原子、分子制造物质的科学技术，即在单个原子、分子层次上对物质存在的种类、数量和结构形态等进行精确的观测、识别与控制技术的研究与应用。,2022/11/26,45,（3）座椅,用毫微塑料制作的坐椅不仅功能将大大增加，而且也将增加舒适程度。使用毫微塑料能改变椅座面的柔韧性和弹性，也可以形成各种型式的椅座面。毫微塑料可以形成所需的任何图案或结构，还能改变座椅本身的结构。由于不同年龄段的人对温度舒适性的要求有很大区别，座椅还可以随心所

13、欲地升温和降温，甚至对人们喜爱的舒适温度具有记忆功能。,2022/11/26,46,（1）人造肌肉 生物弹性材料能模拟活体生物，而且其力量 和反应速度均接近于人体的肌肉。 生物弹性材料可以应用于人体组织的修复， 具有与生物体的相容性，随着伤口的愈合，这种聚合物就会在体内逐渐降解，最后将会消失。,2022/11/26,47,（2）人造皮肤意大利比萨大学的科研人员为了使机器人与真人更接近，让它的皮肤具有感觉功能，研制成功一种人造皮肤智能材料。 材料可以感知温度、热流的变化以及各种应 力的大小，并且有良好的空间分辨力。 这种智能材料还可以分辨表面状况，例如，粗糙度、摩擦力等。,2022/11/26,

14、48,（3）在药物自动投入系统上的应用 科学家正在研制一种能根据血液中的葡萄糖浓度而扩张收缩的聚合物，这种聚合物可制成人造胰细胞，将它注入糖尿病患者的血液中，小球就可模拟胰细胞工作，使病人的血糖浓度始终保持在平常的水平上。,2022/11/26,49,60年代初的一天，美国海军军械实验室的研究人员领来了一批镍钛合金丝，也许是制造过程中处理不当，合金丝被弄弯了，他们只能一根一根地将合金丝校直。有人顺手把校直的合金丝堆放在炉子的旁边。这时意外的事情发生了，一些校直的的合金丝在炉温的烘烤下，不一会儿就恢复到原来弯曲的形状。于是不得不重新校直合金丝。起初，他们没有在意，还是把校直的合金丝堆放在炉旁，结

15、果合金丝又弯曲了，这种现象重复出现了多次，直到人们把校直的合金丝换了一地方堆放，不再受到炉温的烘烤以后，合金丝才继续保持挺直的形状。 军械实验室的研究人员紧紧地抓住了上述的意外的事情，开展反复的实验研究，终于发现含50%镍和50%钛的合金在温度升高40以上时，能“记住”自己原来的形状。,科学家把这种现象叫做形状记忆效应，具有记忆功能的合金称为形状记忆合金。,阅读材料,有记忆的金属,2022/11/26,50,形状记忆合金新型金属的代表之一,实验录像,2022/11/26,51,科学家早在60年代就发现了钛镍合金是有“记忆”的。这种“记忆金属”制成的卫星自展天线在升空前只有巴掌大小，到了太空加热

16、后就会展开到四五米！,2022/11/26,52,形状记忆合金 形状记忆效应(Shape Memory Effect):一旦取消外力或改变温度,使发生塑性变形后的合金又能恢复原来的形状。 形状记忆效应有三种形式:单向形状记忆效应、双向形状记忆效应和全方位形状记忆效应。,2022/11/26,53,冷却,冷却,冷却,冷却,冷却,变形,变形,变形,加热,加热,加热,高温时形状,(a) (b) (c),2022/11/26,54,科普展览会上有一种神奇的金属花，记忆合金”花朵”，它的花瓣是用记忆合金制成的，具有记忆能力，灯光一照会绽开。,2022/11/26,55,双程CuZnAl记忆合金花 采用C

17、uZnAl记忆合金片，以热水或热风为热源，开放温度为6585，闭合温度为室温。花蕾直径80mm,展开直径200mm。动作幅度为1800。另外，可据用户要求订做。,2022/11/26,56,工业常用形状记忆合金作开关，用于火警探测系统等。 由于生物相容性好，Ti-Ni合金是目前医学领域使用的唯一的形状记忆合金。 形状记忆合金更多的潜在应用是埋置在材料里组成智能复合材料。,2022/11/26,57,记忆钉子,菲力浦公司研制了一种由“记忆金属”制成的钉子,把它安在汽车外胎上，当气温降低、公路结冰时，钉子会“自动”从外胎里伸出来，防止车轮打滑。,“记忆金属”食道架能在喉部膨胀成新的食道。必要时只要

18、向食道里加上冰块，“食道”又会遇冷收缩，从而可轻易取出，使失去进食功能的食道癌患者提高了生活质量。,记忆食道支架,用这种“记忆金属”造出汽车，万一被撞瘪，只要浇上一桶热水就可恢复到原来的形状。,汽车,2022/11/26,58,人们盖上用记忆合金丝混合羊毛织成的毛毯后，如毛毯温度过热，它就会自动掀开一部分，适当降低温度，使人睡得更安稳。,记忆毛毯,记忆照明灯,法国巴黎用形状记忆合金制造的城市照明灯，有两瓣随着灯的亮灭而逐渐张开或合上的金属叶片。白天，路灯熄灭，叶片合上；傍晚，路灯亮起灯泡发热，叶片受热而逐渐张开，使灯泡显露出来。,2022/11/26,59,形状记忆合金的特点,形状记忆合金材料

19、是一种新型的功能材料，其特点是在一定的外力作用下可以改变其形态(形状和体积)，但当温度升高到某一定值时，它又可完全恢复原来的形态。,通过形状记忆合金模仿肌肉的收缩来实现人工肌肉的功能。用背部的金属纤维振动翅膀,2022/11/26,60,形状记忆合金的用途（一）,在航空上的应用月球上的“奇葩”,在室温下用形状记忆合金制成抛物面天线，然后把它揉成直径5厘米以下的小团，放入阿波罗11号的舱内，在月面上经太阳光的照射加热使它恢复到原来的抛物面形状。这样就能用空间有限的火箭舱运送体积庞大的天线了。,2022/11/26,61,宇宙飞船登月的月面天线,宇宙飞船登月之后，为了将月球上收集到的各种信息发回地

20、球，必须在月球上架设直径为好几米的半月面天线。要把这个庞然大物直接放入宇宙飞船的船舱中几乎是不可能。科研人员先用硬度和刚性非常好的镍钛合金在40以上制成半球面的月面天线，再让天线冷却到28以下。这时合金内部发生了结晶构造转变，变得非常柔软，很容易把天线折叠成小球似的一团，放进宇宙飞船的船舱里。到达月球以后，宇航员把变软的天线放在月面上，借助于太阳光照射或其它热源的烘烤使环境温度超过40，这时天线像一把折叠伞自动张开，迅速投入正常的工作。,阅读材料,2022/11/26,62,月面天线,2022/11/26,63,形状记忆合金的用途（二）,在医学上的应用 合金作为驱动元件，具有可动的肩、肘、腕及

21、手指的微型机械手。手指和手腕靠TiNi合金螺旋弹簧的伸缩实现开闭和弯曲动作，肘和肩是靠直线状的TiNi合金丝的伸缩做弯曲动作，各个形状记忆合金驱动元件都由直接通上的电流加以控制。,2022/11/26,64,医疗上用镍钛形状记忆合金制造牙齿的矫正器、凝血过滤器，脑动脉瘤手术夹钳、人造心脏瓣膜、脊椎矫正器、骨折部位的定位夹具等，给病人带来福音。 将“记忆金属”做成“金属食道支架”，能在患者喉部膨胀成新的食道，必要时只要向食道里加冰块，“食道”又会遇冷收缩，从而可轻易取出。,2022/11/26,65,随着社会的发展，我们对金属的认识也在增加。并且，也希望新的材料的诞生。也许在不远将来，我们都会拥

22、有一辆由“记忆金属”制作的汽车，我们再也不怕把汽车碰撞的凹凸不平而心痛惋惜了。这种“记忆金属”即是镍钛合金。如把这样一块金属进行加热，它将形成一定的形态。冷却后，任意揉皱，或使它弯曲，再加热后，它又恢复了原状。,变形汽车,2022/11/26,66,科学家还用记忆合金做成食道支架，对失去进食功能的食道癌患者来说，“记忆金属”食道架能在喉部膨胀成新的食道，必要时只要向食道里加上冰块，“食道”又会遇冷收缩，从而可轻易取出。,人造食道,2022/11/26,67,一般眼镜架于耳上，使人感到不自在。本设计引用记忆金属，适合头部不同形状和大小，兼具防滑作用，不佩戴时，可置于头上，防止遗失。,记忆眼镜,2

23、022/11/26,68,防火烟灰缸,日本研制出用记忆金属制造的烟灰缸，可自动将吸烟者置于烟灰缸边上的香烟熄火。这种烟缸利用记忆金属随温度变形的特点，当香烟燃至一定的程度，处于水平状态下的金属片外端就会自动抬起，使烟头倾斜落入缸内，这种烟灰缸能有效的避免吸烟者因忘记熄灭香烟而发生火灾，很受吸烟者欢迎。,2022/11/26,69,法国巴黎用形状记忆合金制造的城市照明灯，有两瓣随着灯的亮、灭而逐渐张开或合上的叶片。白天，路灯熄灭，叶片合上，傍晚之后，叶片受灯泡热度的作用而逐渐张开，让灯泡显露出来。,记忆照明灯,用记忆金属制成的钉子安在汽车的外胎上，当遇气温降低公路上结有冰霜时，钉子会自动从外胎里

24、伸出来，防此轮胎打滑。,记忆钉子,2022/11/26,70,记忆合金管的接头,2022/11/26,71,记忆铆钉,2022/11/26,72,形状记忆合金的用途归纳,(1)汽车：后雾灯罩、手动变速箱的防噪音装置、燃料蒸发气体排出控制阀；(2)电子设备：电子炉灶换气门的开闭器、空调风向自动调节器、咖啡牛奶沸腾感知器、电饭锅压力调节器、电磁调理器过热感知器、温泉浴池调理器等；(3)安全器具：过热报警器、火灾报警器、烟灰缸灭火栓等；(4)医疗方面：人工牙根、牙齿矫正丝、导线等；(5)生活用品：自动干燥库门开闭器、卫生间洗涤器水管转换开关、空调进出口风向调节器、浴池保温器、玩具、路标方向指示转换器

25、、家庭换气门开闭器、防火挡板、净水器热水防止阀、恒温箱混合水栓温度调节阀、眼镜固定件、眼镜框架、胸罩丝、钓鱼线、便携电话天线、装饰品等。,2022/11/26,73,非晶态合金和金属玻璃,1960年，美国科学家皮杜威等首先发现某些液态贵金属合金，如金硅合金等在冷却速度非常快的情况下，当金属内部的原子来不及”理顺”位置，仍处于无序的紊乱状态时，便马上凝固了，成为非晶态金属。这些非晶态金属材料的结构与玻璃的结构极为相似,所以又称为“金属玻璃”非晶态合金制品可以由液体金属一次直接成型，省去了铸、锻等加工工序，而且边角余料可全部回收，能极大节省能源和材料。,阅读材料,大块金属玻璃,2022/11/26

26、,74,Class is over.Bye-bye!,2022/11/26,75,第二章 智能无机非金属材料,2022/11/26,76,前 言,陶瓷材料：指氧化物、碳化物、氮化物以及硼化物等非金属类耐高温、高强度的材料。特点：性能多样性。缺点：脆性和使用可靠性低。陶瓷材料智能化主要目的：就是改善陶瓷的脆性，比较理想的方法就是增韧机制和自诊断同时进行。在线诊断技术：主要测量应变、相变、裂纹萌生和扩展，其中测量应变主要有光导纤维、压电材料、磁致伸缩材料等。,2022/11/26,77,2.1 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

27、内部的缺陷或裂纹的方法。,诊断内容：应力状态、应变量、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、 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。,2022/11/26,78,添加碳纤维的混凝土材料的自诊断,利用碳纤维拉伸形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

28、，达到预警的目的。,2022/11/26,79,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。,2022/11/26,2022/11/26,80,81,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。,碳纤维增强塑料（CFRP）交叠层合物,2022/11/26,82,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

29、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。,2022/11/26,83,2.2 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,2022/11/26,84,高温下陶瓷涂层的自动成膜机制,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

30、渡状态，亲和性和相容性好，结合牢固。,2022/11/26,85,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。,2022/11/26,86,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,2022/11/26,87,氧化层类似人“掌茧”的功能,这些氧化物为玻璃态，呈致密状覆盖在表面，隔断氧气向内部侵入；,氧通过氧化层继续向内扩散时，氧将依次与氧化层中价态较低的铌的氧

31、化物或氮化物反应，生成更高价态的氧化物，从而有效地阻挡氧向深度扩散；,Si3N4和NbN与氧反应生成N2，形成局部还原环境，抑制氧化。,2022/11/26,88,微波辐射使陶瓷材料内部裂纹愈合,微波加热原理：电磁波导致材料内部的可极化物质(电子、离子、极化分子、空泛电荷等)发生频繁反转或摩擦而发热。,微波加热的选择性 不同材料内部可极化物质的种类和数量不同，微波诱导发热的难易程度就不同。如果材料中含有不同类型的物质，其中某些组元的升温速度可能比周围要快。,2022/11/26,89,自愈合机制： 碳化物热膨胀系数较大，晶粒也较大，受力时材料 内部的微细裂纹易沿着碳化物晶粒扩展。 碳化物颗粒优

32、先加热，温度高于周围基质氮化硅和晶界，促使碳化物颗粒向周围扩散并愈合周围的微细裂纹和孔隙。,实例：在氮化硅陶瓷中加入少量介电常数较大的碳化钛和碳化铌等颗粒。,2022/11/26,90,自愈合混凝土,将粘结剂填入中空玻璃纤维，埋入混凝土中，玻璃纤维使粘结剂在混凝土中可长期保持性能，直到结构开裂致玻璃纤维断裂时粘结剂被释放出来，把裂纹修补好。,为防止玻璃纤维断裂，将填充了粘结剂的玻璃纤维用水溶性胶粘结成束，然后平直地（无卷绕）加入混凝土中。在混合过程中，混凝土中的水将胶溶化，于是纤维分散开来，凝固后就得到自愈合混凝土。,2022/11/26,91,压电陶瓷 某些材料在机械力作用下产生变形，会引起

33、表面带电的现象，而且其表面电荷密度与应力成正比，这称为正压电效应（力电）。 反之，在某些材料上施加电场，会产生机械变形，而且其应变与电场强度成正比，这称为逆压电效应（电力）。 压电材料是能够把机械能转变成电能，反之亦然的材料。 常用的压电陶瓷有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅以及三元系压电陶瓷等。,2022/11/26,92,压电陶瓷的应用范围非常广泛，而且与人类的生活密切相关。其应用大致可归纳为以下四方面。（1）能量转换。压电陶瓷可以将机械能转换为电能，故可用于制造压电打火机、压电点火机、移动X光机电源、炮弹引爆装置等。用压电陶瓷也可以把电能转换为超声振动，用于探寻水下鱼群，对金属进行无损探伤，以及

34、超声清洗、超声医疗等。（2）传感。用压电陶瓷制成的传感器可用来检测微弱的机械振动并将其转换为电信号，可应用于声纳系统、气象探测、遥感遥测、环境保护、家用电器等。,2022/11/26,93,（3）驱动。压电驱动器是利用压电陶瓷的逆压电效应产生形变，以精确地控制位移，可用于精密仪器与精密机械、微电子技术、光纤技术及生物工程等领域。（4）频率控制。压电陶瓷还可以用来制造各种滤波器和谐振器。,2022/11/26,94,自愈合陶瓷材料 材料一旦产生缺陷，在无外界作用情况下，材料本身具有自我恢复的能力称为自愈合。自愈合的途径：输入热能，当特制的具备愈合功能金属基复合材料内部产生缺陷时，会导致预埋的的钢

35、管纤维破裂，此时对材料简单加热可令管内低熔点合金流出快速输运至缺陷处令其愈合。输入电能，设想材料经一段疲劳试验后，内部产生一定的微观缺陷，此时若能输入一定电能，或大电流脉冲处理，均可令材料内部缺陷得以改善。,2022/11/26,95,具有自愈合能力的材料有以下几部分组成:1)一种内部损坏的因素，诸如一个导致开裂的动力荷载。2)一种释放修复化学制品的刺激物。3)一种用于修复的纤维。4)一种修复用化学制品，它能对刺激物产生反应, 发生移动或是变化。5)在纤维内部的推动化学制品的因素。6)在交叉连接聚合体的情况下，使基体中的化学制品固化的一种方法或在单体的情况下干燥基体的一种方法。,2022/11

36、/26,96,在这些初期的工作中，通过实验分析研究了被埋入基体中的修复纤维中的化学制品的释放机理。 研究发现采用修复纤维和随后的修复化学制品释放的方法来控制开裂的行为，可以通过在空心修复纤维中加入合适粘结剂的方法来完成。 混凝土的自修复系统对基体微裂缝的修补和有效的延缓潜在的危害提供了一种新的方法。一个自修复系统将免去了有效的监听和外部修补所需的高额费用，且大大有利于复合材料的安全性和耐久性。此外，材料的寿命也将延长。,2022/11/26,97,第三章功能高分子材料和智能高分子材料,2022/11/26,98,2022/11/26,99,有机电子学,显示器 太阳能电池 照明 生物传感器,20

37、22/11/26,100,有机光电子器件,需求：研究有机分子/高分子的电子过程将建立一个 由新型电子屏幕、存储器和晶体管等组成的 “有机电子工业”。 学科：将诞生分子电子学、纳米电子学与塑料电子学 学科领域,2022/11/26,101,新工作原理和新物理机制容易实现大屏幕和柔性制备工艺简单，具有价格优势,塑料电子学为跨学科领域国际科学前沿的重要研究方向和高技术的竞争焦点。,手机,电视,领域背景,2022/11/26,102,光敏高分子,在光作用下能迅速发生化学和物理变化的高分子，或者通过高分子或小分子上光敏官能团所引起的光化学反应（如聚合、二聚、异构化和光解等）和相应的物理性质（如溶解度、颜

38、色和导电性等）变化而获得的高分子材料。目前，光敏高分子的合成已成为精细高分子合成的一个重要方面。,2022/11/26,103,药物缓释高分子,可在使用条件下使药物缓慢释放以延长药物作用时间的材料。如制成可承装药物并使其缓慢释放的高分子微胶囊。,2022/11/26,104,功能高分子材料,1、功能高分子材料的概念 是指除了具有一定力学性能外，还具有物质分离、光、电、磁、能量储存和转化、生物医用等特殊性能的高分子材料，这种特殊功能是由它们的链结构、链上所带的功能基的种类、数量、分布以及高分子的聚集态和形态所确定的。,2022/11/26,105,功能高分子的产生,随着人们在生产和生活方面对新型

39、聚合材料的需求,以及高分子化学研究的深入和发展,众多的有着不同于以上特征,带有特殊物理化学性质和功能的高分子材料大量涌现,其性能和特征都超出了原有常规高分子材料的范畴,使人们有必要对这些新型聚合物材料进行重新认识。功能高分子化学就是在这种背景下发展起来的一门科学。那些性质和功能很特殊的新型聚合物材料即属于功能高分子材料。,2022/11/26,106,功能高分子化学的发展,功能高分子化学的发展可以追述到很久以前，如光敏高分子材料和离子交换树脂都有很长的发展历史。但是作为一门独立学科，则是一门全新的科学。功能高分子化学还是一门新兴边缘交叉学科，是目前国内外异常活跃的一个研究领域。功能高分子化学在

40、高分子化学中地位、相当于精细化工在化工领域地位，因此有人称功能高分子为精细高分子，指其产品的产量小、产值高、制造工艺复杂、性能独特。,2022/11/26,107,独特的“功能”,功能高分子化学之所以能成为国内外材料科学的重要研究热点之一，最主要的原因在于他们具有独特的“功能”，可以用于替代其他功能材料，并提高或改进其性能使其成为具有全新性质的功能材料。功能高分子化学研究，代表了高分子化学的发展方向，人们甚至期望功能高分子材料能象合成纤维带来纺织革命一样，在其它生产和科学领域带来一场革命。,2022/11/26,108,功能高分子材料,2、功能高分子与高性能高分子材料的区别,高性能高分子材料或

41、结构材料,当有外来的刺激时，能通过化学或物理的方法做出响应的高分子材料,对外力有特别强抵抗能力的高分子材料,2022/11/26,109,3、功能高分子发展的背景 1935年发明了离子交换树脂； 1957年发现了聚乙烯基咔唑的光电导性，打破了多年来认为高分子材料只能是绝缘体的观念；20世纪50年代发展起来的光敏高分子化学，在光聚合、光交联、光降解、荧光以及光导机理的研究方面都取得了重大突破，特别在过去20多年中有了飞快发展，并在工业上得到广泛应用.1966年Little提出超导高分子模型，随后在1975年发现了聚氮化硫的超导性，1993年俄罗斯科学家报道了在经过长期氧化的聚丙烯体系中发现了室温

42、超导体；,2022/11/26,110,1911年，荷兰莱顿大学的卡末林昂内斯意外地发现，将汞冷却到-268.98时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡末林昂内斯称之为超导态。卡茂林由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。,超导是指某些物质在一定温度条件下（一般为较低温度）电阻降为零的性质。人们把处于超导状态的导体称之为“超导体”。超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称作零电阻效应。导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流，从而产生超强磁场。,2022/11/

43、26,111,20世纪80年代，高分子传感器、人工脏器、高分子分离膜等技术得到快速发展；1994年塑料柔性太阳能电池在美国阿尔贡实验室研制成功；1997年发现聚乙炔经过掺杂具有金属导电性，导致了聚苯胺、聚吡咯等一系列导电高分子的问世。,2022/11/26,112,4、科学技术发展的需求 1）新能源的要求 太阳能和氢将成为今后的主要能源。光电转换材料就成为太阳能利用的关键，硅材料已进入了实用阶段。因为其最高能量转换效率达40.8%，然而单晶硅价格太高，为此，人们正把注意力转向可高效转换太阳能的功能高分子太阳能电池(11%)。,2022/11/26,113,2）交通和宇航技术的要求,2022/1

44、1/26,114,高度集成化是微电子工业发展的趋势，高功能光致抗蚀材料（感光高分子）已成为微电子工业的关键材料之一 。,3）微电子技术的要求,2022/11/26,115,生物分离介质的研制成功使生命组成的各种组分能得以精细地分级，对生命科学的贡献将是十分重大的。可降解性高分子材料的问世，将大大减缓白色公害对人类的危害。,4）生命科学和环境保护的要求,2022/11/26,116,5、功能高分子材料的分类5.1 从组成和结构上分类：,功能高分子材料,结构型功能高分子材料,复合型功能高分子材料,大分子链结构中具有特定功能基团,普通高分子材料为载体或基体，与具有某些特定功能的其他材料进行复合,20

45、22/11/26,117,5.2 从功能上分类： 1）力学功能材料强化功能材料，如超高强材料、高结晶材料等；弹性功能材料，如热塑性弹性体等。2）化学反应功能材料 分离功能材料，如分离膜、离子交换树脂、高分子络合物等；反应功能材料，如高分子催化剂、高分子试剂、螯合高分子、感光性高分子；生物功能材料，如固定化酶、生物反应器等。,2022/11/26,118,3）物理化学功能材料热功能高分子，如耐高温高分子，高分子液晶等；电学功能材料，如导电性高分子、超导高分子，感电子性高分子；光学功能材料，如导光性高分子，光敏性高分子、荧光和发光高分子等；能量转换功能材料，如压电性高分子、热电性高分子等。4）生物

46、化学功能材料人工脏器用高分子材料，如人工肾、人工心肺等；高分子药物，如药物活性高分子、缓释性高分子药物、高分子农药等；生物分解材料，如可降解性高分子材料等。,2022/11/26,119,5.3 按用途分类 反应性高分子材料，包括高分子试剂、高分子催化剂和高分子染料和涂料、粘合剂。光敏型高分子，包括各种光稳定剂、光刻胶，感光材料、非线性光学材料、光导材料和光致变色材料等。高分子电性能材料，包括导电聚合物、能量转换型聚合物、电致发光和电致变色材料以及其他电敏感性材料等。高分子分离材料，包括各种分离膜、缓释膜和其他半透性膜材料、离子交换树脂、高分子螯合剂、高分子絮凝剂等。,2022/11/26,1

47、20,高分子吸附材料，包括高分子吸附性树脂、高吸水性高分子、高吸油性高分子等。高分子智能材料，包括高分子记忆材料、信息存储材料和光、磁、pH、压力感应材料等。高分子医用材料，包括医用高分子材料、药用高分子材料和医药用辅助材料等。高性能工程材料，如高分子液晶材料，耐高温高分子材料、高强高模量高分子材料、阻燃性高分子材料和功能纤维材料、生物降解高分子等。,2022/11/26,121,5.4 按来源分类,功能高分子材料,天然功能高分子材料包括蛋白质、核酸、酶、多肽、血红素等,半合成功能高分子材料如：固化淀粉酶和固化糖酶,合成功能高分子材料,所占比例最大,2022/11/26,122,6 功能高分子

48、材料的合成方法 特种与功能高分子材料的特点在于他们特殊的“性能”和“功能”，因此在制备这些高分子材料的时候，分子设计成为十分关键的研究内容。设计一种能满足一定需要的功能高分子材料是高分子化学研究的一项主要目标。,2022/11/26,123,目前采用的制备方法来看，功能高分子材料的制备可归纳为以下四种类型：功能性小分子材料的高分子化，已有高分子材料的功能化，多功能材料的复合，已有功能高分子材料的功能扩展。,2022/11/26,124,6.1 功能性小分子材料的高分子化 对具有一定功能性小分子进行高分子化反应，赋予其高分子的功能特点，即有可能开发出新的功能高分子材料。例如：利用青霉素结构中的羧

49、基、氨基与高分子反应，可得到疗效长的高分子青霉素。,2022/11/26,125,早在唐朝时，长安城的裁缝会把长有绿毛的糨糊涂在被剪刀划破的手指上来帮助伤口愈合，就是因为绿毛产生的物质（青霉素素菌）有杀菌的作用，也就是人们最早发现并使用青霉素。,近代，1928年英国细菌学家弗莱明首先发现了世界上第一种抗生素青霉素，1941年前后英国牛津大学病理学家霍华德弗洛里与生物化学家钱恩实现对青霉素的分离与纯化，并发现其对传染病的疗效，弗莱明、弗洛里、钱恩三人共同获得1945年诺贝尔奖。目前所用的抗生素大多数是从微生物培养液中提取的，有些抗生素已能人工合成。由于不同种类的抗生素的化学成分不一，因此它们对微

50、生物的作用机理也很不相同，有些抑制蛋白质的合成，有些抑制核酸的合成，有些则抑制细胞壁的合成。,2022/11/26,126,青霉素G类：如青霉素G钾、青霉素G钠、长效西林青霉素G、peillin G、 盘尼西林、配尼西林、青霉素钠、苄青霉素钠、青霉素钾、苄青霉素钾等。青霉素V类：如青霉素V钾等（包括有多种剂型）。耐酶青霉素：如苯唑青霉素（新青号）、氯唑青霉素等。氨苄西林类：如氨苄西林、阿莫西林等。抗假单胞菌青霉素：如羧苄西林、哌拉西林、替卡西林等。美西林及其酯匹西林：如美西林及其酯匹美西林等，其特点为较耐酶，对某些阴性杆菌（如大肠、克雷伯氏和沙门氏菌）有效，但对绿脓杆菌效差。甲氧西林类：如坦莫