仿生智能材料课件.ppt
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1、仿生智能材料,一、 仿生学 1、仿生学概念 2、生物材料与仿生材料,二、智能材料 1、什么是智能材料 2、智能材料的特征 3、智能材料的构成 4、智能材料的应用,一、 仿生学 1、仿生学概念 人类进化只有500万年的历史,而生命进化已经历了约35亿年。人类很早就认识到生物具有许多超出人类自身的功能和特性。对生物的结构、形态、功能和行为等进行研究,我们就会从自然中获得解决问题的智慧和灵感。,水母的顺风耳,仿照水母耳朵的结构和功能,设计了水母耳风暴预测仪,能提前15小时对风暴作出预报,对航海和渔业的安全都有重要意义。,宝马H2R氢燃料汽车外型和设计的灵感来自海豚、企鹅的低阻身材。圆鼓的前脸、收起的
2、尾部,极小的正锋面,成就了其0.21的阻力系数。同样,尺寸庞大的宝马7系得益于其流线造型,阻力系数也仅为0.29。,美国研发出一款举世无双的“海豚潜艇”,它不仅在外形上酷似海豚,而且能像海豚一样时而潜入水中,时而跃出水面做出惊险刺激的翻腾动作。,仿生学(Bionics):模仿生物系统的结构、形状、 原理、行为以及相互作用,建造技术系统,或者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学,简而言之,仿生学就是“模仿生物的科学”。 仿生学是一门生命科学、物质科学、信息科学、数学和工程技术等学科相互渗透而结合成的一门边缘科学。,2、生物材料和仿生材料 自然界存在的天然生物材料有着人工材料无可比拟的优
3、越性能。生物材料通常有两个定义,一是有生命过程形成的材料,如结构蛋白(蚕丝等)和生物矿物(骨、牙、贝壳等),另一个是指生物医用材料(Biomedical materials),其定义随医用材料的发展不断发展,指用于取代、修复活组织的天然或人造材料。,天然生物材料是经过亿万年的自然选择与进化,在细胞调制下形成的,其基本组成单元很平常,但材料的微观结构很复杂,具有空间上的分级结构,通常是两相或多相的复合材料,表现出人工合成材料无法比拟的性能。,生物体的启示:生命体中特殊机能的智能化大多与其微观结构密切相关。如昆虫复眼感光膜的视觉神经纤维具微纳米结构(由紧密排列的柱状的微绒毛构成,绒毛的长度约1-2
4、um、直径约60nm);鲨鱼皮肤表面具有排列有序的微小鳞状突起,仿生材料(Bio-inspired): 受生物启发或者模拟生物的各种特性而开发的材料。 材料的仿生包括模仿天然生物材料的成分和结构特征的成分、结构仿生、模仿生物体中形成材料的过程和加工制备仿生、模仿生物体系统功能的功能仿生。,二、 智能材料1、什么是智能材料?,材料一般分为结构材料和功能材料两大类。对结构材料主要要求其机械强度,而对功能材料侧重于其特有的功能。,功能材料,对来自外界或内部的各种信息具有感知能力的敏感材料,在外界环境或内部状态发生变化时能对之作出适当的反应并产生相应动作的驱动材料,20世纪80年代,人们提出了智能材料
5、的概念。,如果能把感知、驱动(执行)和信息等三种功能材料有机地复合或集成于一体就可能实现材料的智能化。,智能材料是继天然材料、人造材料、精细材料之后的第四代功能材料。,智能材料(Intelligent material,Smart material )是一种能从自身的表层或内部获取关于环境条件及其变化的信息,并进行判断、处理和作出反应,以改变自身的结构与功能并使之很好地与外界相协调的具有自适应性的材料系统。,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
6、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。,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材料复合构成一个智能材料系统。,智能材料在材料系统或结构中,可将传感、控制 和驱动三种职能集于一身,通过自身对 信息的感知、采集、转换、传输和处 理,发出指令并执行和完成相应的动 作,从而赋予材料系统结构健康自诊 断、偏差自校正、损伤自修复与环境自 适应等智能功能和生物特征,以达到增 强结构安全、降低能量消耗和提高整体 性能的目的的一种材料系统和结构。,3. 智能材料的基本结构 智能材料不是一种单一的材料,
7、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。,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。,(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。,(3)驱动材料因为在一定条件下驱动材料可产生较大的
8、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。,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。,智能结构的动作流程图,智能变色材料,由于光、电、热等外界条件的作用,使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,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
9、色的特性。,同相型光色玻璃异相型光色玻璃,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,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,异相型光色玻璃亚稳态色心是与玻璃基质不同的 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,光色玻璃的应用:,图18 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。,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
10、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。,智能窗结构示意图,智能窗的应用:,汽车防眩目后视镜,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。,4 . 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 阅读材料,在军事领域中的应用,(1)智能蒙皮,光纤作为智能传感元件用于飞机机翼
11、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)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。,(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
12、磁致伸缩致动器,可使机翼阻力降低85%。,智能材料与住宅智能化,(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。,(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
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