智能材料应用.ppt

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1、智能材料,一、什么是智能材料二、智能材料的主要分类三、智能材料的应用,材料的发展和应用历史：,材料科学的发展演化过程,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。,智能材料概念是美国和日本科学家首先提出的。1989年日本高木俊宜教授将信息科学融于材料的特性和功能，提出智能材料(Intelligent materials)概念，它是指对环境具有可感知可响应等功能的新材料。美国的RENewnhain教授提出了灵巧(Smart)材料的概念，这种材料具有传感和执行功能，他将灵巧材料分为被动灵巧材料、主动灵巧材料和很灵巧材料三类。,智能材料是高技术新材料领域中正在形成的一门新的分支学科

2、，是2l世纪的先进材料，是当前工程学科发展的国际前沿。智能材料是一门交叉学科，它的发展不仅是材料学科本身的需要，而且可以带动许多相关学科的发展，如物理、化学、计算机、土木工程和航空航天的发展的。,设想：混凝土能自己发现混凝土大坝里的裂缝；玻璃能根据环境光强的变化而自行改变透光率，使进入室内的阳光变暗或变亮；墙纸可以变化颜色以适应不同环境；空中飞行的飞机能自行诊断其损伤状态并自行修复。材料具有了“智能”，这种类型的材料就称为智能材料。,一、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

3、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。,1、智能材料需具备以下内涵：（1）具有感知功能，能够检测

4、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。,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，

5、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，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。,4、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、

6、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。

7、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,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

8、)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。,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。,27,二、智能材料的主要种类1、形状记忆合金；2、

9、电流变体和磁流变体；3、磁致伸缩材料；4、压电陶瓷；5、电致伸缩陶瓷；6、智能材料系统；7、光致变色玻璃；8、电致变色材料；,28,1、形状记忆合金一般金属材料受到外力作用后，首先发生弹性变形，达到屈服点，就产生塑性变形，应力消除后留下永久变形。,29,但有些材料，在发生了塑性变形后，经过合适的热过程，能够回复到变形前的形状，这种现象叫做形状记忆效应（SME）。,30,具有形状记忆效应的材料，一般是两种以上金属元素组成的合金，称为形状记忆合金（SMA）。形状记忆合金可以分为三种：,31,2、电流变体和磁流变体电致、磁致变体智能材料大多是由合成材料或陶瓷材料制成的，具有在电场或磁场的作用下发生变

10、性的能力，其变化的大小与电场和磁场的强度有关。,32,科学家研制成功一种电致变性材料，这种材料在接通电流时，可以从液体变为接近固体。如果向空心复合梁中充入电流变性液体材料，在外电场的作用下，这种液体材料就会变硬，从而使梁变成僵硬状。,33,将电致变性现象与传感器结合起来，就可以实现使复合梁随着负载的变化而改变其性质。这将是装配结构智能化的一个突破性的新起点。,34,电致变性材料还可以用作在地震时能自动加固建筑物的基础。此外，磁致变性材料在机电工业中也有广泛的用途。,35,3、磁致伸缩材料目前磁致伸缩智能材料的主流是稀土磁致伸缩材料，稀土超磁致伸缩材料是近期才发展起来的一种新型功能材料。,36,

11、磁致伸缩材料在电磁场的作用下可以产生微变形或声能，也可以将微变形或声能转化为电磁能。,37,磁致伸缩智能材料具有磁致伸缩值大、机械响应速度快和功率密度高特点，在国防、航空航天和高技术领域应用极为广泛。,38,磁致伸缩智能材料的主要用途,（1）由于稀土超大磁致伸缩材料比传统材料在性能上有了惊人的提高，所以在电器、家电、通讯器材、电脑等生产领域，稀土磁致伸缩材料逐渐取代了传统的磁致伸缩材料和电致伸缩材料，使产品升级和更新换代更加容易。,39,（2）由于稀土超大磁致伸缩材料的独特的性能，可被用于开发新一代的元器件，如精密控制系统（如油料控制、导弹发射控制装置等），声光发射系统（如信号处理、声纳扫描、

12、超声、水声等），以及换能器、驱动器等的开发。,40,对于磁致伸缩智能材料的应用，目前，美国位居各国之首，其成功标志在于开发出了一系列用于军事目的的尖端产品，如舰艇水下声纳探测系统以及导弹发射控制装置等。,41,我国对磁致伸缩智能材料新产品的开发也呈现出良好的发展势头。如开发出的大功率岩体声波探测器，应用于三峡工程和地球物理勘探；开发出的井下物理法采油装置；,42,4、压电陶瓷,压电效应 陶瓷的压电机理 压电陶瓷材料的组成与种类,43,压电效应在某些晶体材料上施加机械力时，晶体表面会产生电荷，这种现象称正压电效应。在一定范围内，电荷密度与作用力成正比。相反，在晶体上施加电场时，晶体会产生几何变形

13、，称逆压电效应。,44,晶体的对称性决定了材料能否产生压电性。显然，压电效应只存在于没有对称中心的晶体中。,45,压电效应的本质机械作用(应力与应变)引起了晶体的极化，从而导致介质两端表面出现相反的束缚电荷。,46,(2)BaTiO3陶瓷的压电机理,BaTiO3晶体中，氧形成八面体，Ti位于氧八面体的中心，Ca处于八个八面体的间隙。,47,陶瓷由许多排列无序的小晶粒构成，具有各向同性，不显示压电性。经电场处理后，陶瓷存在剩余极化强度，它是以束缚电荷的形式表现出来，且由各向同性变成各向异性，从而具有压电性。,48,由于束缚电荷的作用，在陶瓷片两极板上吸附了一层表面电荷（如图所示），这些吸附电荷与

14、片内束缚电荷数量相等，符号相反，起屏蔽和抵消片内极化强度对外界的作用。,Ti,电场处理后的陶瓷片,49,当在瓷片上加一个与极化方向平行的外力时，在应力的作用下瓷片发生形变，即极化方向c轴被压缩，使Ti4+位移变小，片内极化强度变小，因而释放出部分原来被吸附的表面电荷，这就是被压缩后出现的压电效应(正压电)。其过程示意所示：,50,陶瓷的正压电效应示意图,51,当压力撤去后，陶瓷片恢复原状(膨胀过程)，这时c轴变长，Ti4+位移增大，陶瓷片内极化强度也变大，因此，电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。,52,当在瓷片上施加与极化方向相同的电场时，此时增大了极化强度，表示Ti4+位移增大，晶胞

15、c轴变长，瓷片发生伸长形变，此时，电能变为机械能(逆压电)。此过程示意如下：,53,电场的作用,陶瓷的逆压电效应示意图,54,另外，对于铁电晶体来说，它不仅具有自发极化的性质，而且这种自发极化的方向会因外电场的方向而产生反向。,55,压电陶瓷材料的组成与种类,无机压电材料共有两种：压电晶体(如石英SiO2)；压电陶瓷。,56,压电陶瓷材料的组成与种类十分广泛，压电陶瓷在组成上可以是二元、三元和四元系统；在结构上可以有ABO3型钙钛矿结构或钨青铜结构。,57,最常用的压电陶瓷有钛酸铅PbTiO3(PT)、锆钛酸铅Pb(Ti1-xZrx)O3(PZT)、改性锆钛酸铅及三元系压电陶瓷。所谓三元系是指

16、在PZT二元系基础上添加第三组元化合物。,58,一般第三组元化合物大都是A(BB“)O3型复合钙钛矿型化合物。如铌镁锆钛酸铅Pb(Mgl/3Nb2/3)xZryTizO3、铌锌锆钛酸铅Pb(Znl/3Nb2/3)xZryTizO3等。,59,三元、四元系压电陶瓷具有在更宽广范围内调整组成和性能的优点，有利于制备高性能的压电陶瓷。,60,5、电致伸缩陶瓷,压电材料加上电场之后，不仅存在逆压电效应产生的应变，而且还存在一般电介质在电场作用下产生的应变，并且该应变与电场强度的平方成正比，后一效应称为电致伸缩效应。,61,即电致伸缩效应是一种高阶非线性机电耦合效应，外加电场所产生的应变s可表示为S=d

17、E+ME2+NE3+式中，dE是一阶的线性耦合效应，即压电效应；系数d称为压电常数；ME2，NE3，为高阶的非线性耦合效应，或电致伸缩效应；系数M、N等为电致伸缩常数。,62,电致伸缩陶瓷是利用电致伸缩效应产生微小应变，并能由电场非常精确地加以控制的陶瓷。,63,由于高阶耦合效应非常微弱，通常电致伸缩效应是指二阶效应。大多数材料的电致伸缩效应都非常小，而在电致伸缩陶瓷中，此效应为应变的主体。,64,6、智能材料系统兼具传感与驱动性能的压电陶瓷，在构筑智能系统的功能材料中，是重要的材料之一。,65,压电材料具有机电、声、光、热、弹等多种功能及其耦合效应，可用作压力、温度、光等多种传感器。压电驱动

18、器又具有位移控制精度高(0.01m)、响应快(10s)、推动力大(40MPa)、驱动功率低和工作频率宽等优点。,66,一些实用化及正进行研究的压电类智能材料系统如下：,67,(1)智能雨刷 这是利用BaTiO3陶瓷的压电效应制成的，它可以自动感觉雨量并自动调节挡风玻璃上的雨刷至最佳速度。,68,(2)高级轿车中的减震装置 这是利用正压电效应、逆压电效应和电致伸缩效应的叠合研制成的智能减震器，这套智能系统具有识别路面(粗糙度)并进行自我调节的功能，可以使粗糙路面产生的振动减至最低，从而提高乘坐舒适性。,69,(3)有源消声 用于振动频率低于500Hz的消声，是由压电陶瓷拾音器、谐振器、模拟声线圈

19、和数字信号处理集成电路组成。,(4)智能安全系统及智能传输系统,70,(5)利用组合功能效应来设计和制备新型智能材料和器件 这类智能材料系统，是由两种或两种以上功能陶瓷进行组合后形成的一种新型复合陶瓷功能块，这种复合功能块会呈现一些新效应，称为组合功能效应。,71,(6)用压电陶瓷制备仿生物 模仿自然界生物具有的特性构思仿生物，研究像尾鳍和鸟翼那样柔软，能折叠又很结实的智能材料用作智能机翼，并有效利用自然界的波浪和风能。,72,(7)压电陶瓷马达它是利用压电陶瓷的逆压电效应，直接把电能转换成机械能输出，而不需要通常使用的电磁线圈。,73,这种新型压电陶瓷马达，具有结构简单、起动快、转矩大、体积

20、小、功耗低等特点，主要用作自动控制、机器人等的致动器。,74,(8)压电陶瓷Pachinkom游戏机,它是由若干层锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷块构成的，压电块既作为传感器又作为执行器。,75,压电陶瓷Pachinkom游戏机,76,当金属球落到陶瓷压电块上时，球的冲击力产生压电电压；电压脉冲通过反馈系统加以放大和调整，然后返回并施加到压电块的执行器部分；陶瓷压电块突然膨胀变形，把金属球抛出压电块所在的孔，使球沿着螺旋轨道爬出，落入另一孔内，再盘旋上升，如此周而复始。,77,科学家最近研制成功一种压电晶体，如果将其放入壁纸中，就可以大大减小冰箱或空调机的噪声，给住户创造了一个安静的居住环境。,78

21、,7、光致变色玻璃光致变色玻璃是一种能在光的激发下发生变色反应的玻璃。,79,含卤化银的碱铝硼硅酸盐光色玻璃受到紫外光和可见光照射时，氯化银晶体分解为Ag和Cl原子，析出的银原子团簇使玻璃颜色变深，从而阻止阳光的透过。发生的光化学反应如下：,80,式中，h1为短波激活光能；h2为长波光源光能；为加热退色效应。,h1,玻璃变色过程中，发生的光化学反应如下：,81,在没有紫外线照射时，原来分解产生的银和卤素原子又重新结合恢复为无色的氯化银AgCl，原于团簇解体，玻璃(镜片)褪色。因此，变色眼镜在阳光下变深，在室内则恢复透明。,82,若配料中加入少量敏化剂，就能显著地提高敏感性，并增大光致变色的变暗

22、能力。如加入Cu2O时，Cu+是一种增感剂。,83,Cu+在氯化银晶体中作为空穴的捕获中心，它 的存在增加了光解银原子Ag0的浓度，使玻璃的变暗灵敏度大大提高。,h1,84,光致变色玻璃具有随光的波长和强度的变化而自动调节光的透过率的自适应特性，因而被称为光敏型智能玻璃，除用作变色眼镜外，还用作汽车防护玻璃、航天器窗口、激光防护、以及装饰等。,85,8、电致变色材料电致变色的原理是在外加电场作用下，材料由于电子、离子的双注入导致结构或价态发生可逆变化，进而调节材料的透过与反射特性，表现为材料颜色的变化。,86,电致变色器件通常由多层结构组成，即透明电极/电致变色薄膜/离子储备层/电极。当两组电

23、极之间建立电场时，离子由离子储备层经过离子导体在电致变色膜中发生注入和抽出，从而导致电致变色薄膜的光学性能发生变化。,87,无机电致变色材料有NiO、-WO3。近年来利用薄膜材料的电致变色特性制造了“电开关”自动控制灵巧窗，用于建筑采光等。,三、.智能材料的应用,在军事领域中的应用在飞机上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,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

24、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。,在机翼结构中使用磁致伸缩致动器，可使机翼阻力降低85%。,在飞机上的应用,固 定 翼 飞 机 在 起 飞 和 降 落 时 需 要 升 降 副 翼；在 遇 有阵 风 等 情 况 时，飞 机 翼 片 的 受

25、力 分 布 将 发 生 变 化，从 而不 能 始 终 保 持 最 佳 升 力/阻 力 比。这 些 显 而 易 见 的 事 实 都说 明 飞 机 在 不 同 的 飞 行 状 态 和 飞 行 条 件 下 需 要 不 同 的 机型 和 翼 型。,智能结构制成的自适应机翼（可变形机翼），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。如当飞机在飞行过程中遇到涡流或猛烈的逆风时，机翼中的智能材料就能够迅速变形，并带动机翼改变形状，从而消除涡流或逆风的影响，使飞机仍能平衡地飞行。,美国的一项研究表明，在机翼结构中使用磁致伸

26、缩致动器，可使机翼阻力降低85%。美国波音公司和麻省理工学院联合研究在桨叶中嵌入智能纤维、电致流变体时可使桨叶扭转变形达几度。美国陆军在开发直升机旋翼主动控制技术，将用于RAH-66武装直升机。美国防部和航空航天局也在研究自适应结构，包括翼片弯曲、弯曲造型/控制面造型等。相信在不久的将来我们用智能材料制成的飞机机翼，就可以像鱼尾巴一样行动自如，自行弯曲、自动改变形状，从而改进升力和阻力，使飞机飞得更高、更快。,将新型智能材料、新型驱动器、激励器、传感器无缝地综合应用于飞行器的一种新的设计概念。变形机翼通过应用灵敏的传感器和驱动器，光滑而持续地改变机翼的形状，对不断改变的飞行条件做出响应，从而可

27、使飞机像鸟一样随意地在空中进行盘旋、倒飞和侧向滑行。,变形机翼技术,飞机在巡航时通常要求机翼具有高展弦比和大机翼面积，而要想保持飞行速度快，就要求低展弦比和小的机翼面积。变形机翼的概念就是把二者的特点结合在一起，使机翼面积能够在50%到150%之间变化。变形机翼能够从根本上改善飞机的巡航和冲刺能力，以及飞行机动能力。美国防部预先研究计划局2003年启动变形飞机结构（MAS）项目，旨在通过在飞行中改变飞机的气动外形使飞机在执行不同任务或在不同飞行包线时的飞机性能都保持在最佳状态，即通过变形飞,部件使新一代军用飞机能够用于执行多种形式的作战任务。其长远目标是设计一种续航能力比全球鹰无人机更强、机动

28、性比F/A-22战斗机更好的飞机。项目第一阶段的合同由三家主承包商承担，分别是洛克希德马丁公司的折叠机翼概念；Hypercomp公司/新一代航空技术公司提出的滑动蒙皮变形机翼概念，利用海军的火蜂无人机机体作为验证平台;以及雷声公司的压缩机翼概念，采用美军战斧巡航导弹作为试验平台。,形状记忆聚合物（SMP）新型材料在变形机翼设计中最重要的因素是一种称作形状记忆聚合物（SMP）的特殊材料，这种材料主要用作变形机翼的蒙皮。SMP具有一种特殊的记忆功能，当机翼被改变为不同形状布局后，SMP分子将会重新组构以恢复其初始形状（如图4所示）。SMP材料的初始形态，也就是它的“记忆”形状是一种刚性体即高模量形

29、态。当它受热、高频光或电激励后将变成一种低模量弹性体，从而可被驱动器和特殊的控制装置伸展成不同的形状，当它再次被激励后，它将恢复到它的原来的高模量形态。,智能材料与住宅智能化,(1)建筑方面,科学家正集中力量研制使桥梁、高大的建筑设施以及地下管道等能自诊其“健康”状况，并能自行“医治疾病”的材料。英国科学家已开发出了两种“自愈合”纤维。这两种纤维能分别感知混凝土中的裂纹和钢筋的腐蚀，并能自动粘合混凝土的裂纹或阻止钢筋的腐蚀。粘合裂纹的纤维是用玻璃丝和聚丙烯制成的多孔状中空纤维，将其掺入混凝土中后，在混凝土过度挠曲时，它会被撕裂，从而释放出一些化学物质，来充填和粘合混凝土中的裂缝。防腐蚀纤维则被

30、包在钢筋周围。当钢筋周围的酸度达到一定值时，纤维的涂层就会溶解，从纤维中释放出能阻止混凝土中的钢筋被腐蚀的物质。,（2）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。,（3）卫生间在卫生间里，常见设施是洗脸盆、抽水马桶和淋浴器。而采用了智能结构

31、后：在洗漱时，人们只要接触洗脸盆支架表面的任何区域，就能调节控制水温、水速和水流的状态（集中喷射的水流或宽阔的水帘状等）供人们选择。洗脸盆上方的镜子能照出人的正常反转象，还能照出真实的非反转象。,抽水马桶的形状和大小可随使用者的不同而自动变化，坐垫自动加热至舒适的温度，整个结构十分轻便。无论安装在室内的任何地方，都能和多功能砖牢固地砌合，从而解决上下水的问题。在电脑住宅的厕所里，安装了一台检查身体的电脑系统，每当有人上厕所时，与马桶相连的体检装置即自动分析大小便的情况，如发现异常，电脑会立即发出警报。淋浴设备只要和多功能砖相连接，上下水、水温和水流都能得到自动控制和调节。,（4）食物器皿,在毫

32、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还具有保温和在不使用冰箱的情况下保鲜的功能。,（5）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。,与现代医学相联系的智能材料,医疗方面,智能材料和结构可用来制造无需马达控制并有触觉响应的假肢。这

33、些假肢可模仿人体肌肉的平滑运 动，利用其可控的形状回复作用力，灵巧地抓起易碎物体，如盛满水的纸杯等。药物自动投放系统也是智能材料一显身手的领地。日本推出了一种能根据血液中的葡萄糖浓度而扩张和收缩的聚合物。葡萄糖浓度低时，聚合物条带会缩成小球，葡萄糖浓度高时，小球会伸展成带。借助于这一特性，这种聚合物可制成人造胰细胞。将用这种聚合物包封的胰岛素小球，注入糖尿病患者的血液中，小球就可以模拟胰细胞工作。血液中的血糖浓度高时，小球释放出胰岛素，血糖浓度低时，胰岛素被密封。这样，病人血糖浓度就会始终保持在正常的水平上。,（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

34、。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。,（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。,（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

35、上。,（4）智能材料的两种抗癌应用、如图一种有效的抗癌药物胶囊，即药物“导弹”。图中的疏水性药物载体形成了“导弹”的疏水内核，而亲水性部分则在内核周围形成了一个水化物外壳。所形成的这种高分子聚合物胶囊是一种智能型药物载体，它能自动避免被机体内单核吞噬细胞捕获而有效的到达癌细胞所在地。,、90年代后期，研制出用对电磁场敏感的铁氧体包覆Ti-Ni形状记忆合金丝制成了癌症温热疗法用针。首先，通过导管将这种针植入病人癌变部位，由于形状记忆作用，这种针会发生弯曲变形现象；其次，在通过涡流效应产生高频电磁场作用下，形状记忆合金针将能够产生一定的热量而使癌变区得到萎缩。,117,主动结构声控智能材料系统中最

36、成熟的应用领域大概就是主动结构声控。采用智能结构进行主动结构声控是降低军用系统噪声的有效途径。,118,一般说来，可以采用两种方法来实现主动结构声控。一种是简单地使结构完全停止振动，显然它可以使声辐射降低到零，这是一种强制性的方法，往往也是办不到的。,119,另一种就是采用智能控制方法，它是指有选择地控制辐射振动模。该方法的效率取决于对材料系统相互作用的基本物理现象的认识和智能材料系统的自适应能力。,120,因为，并不是所有的振动模都辐射“具有危险性”的声波，减少系统的质量和功耗也同样是必须考虑的因素。,121,因而最好的办法是“感觉”辐射“具有危险性”的辐射波振动模，并使用分布在整个结构中的

37、作动器（压电材料或电致流变体）对产生的该振动模进行控制。,122,美国军方提出采用主动声控涂层进行声信号抑制，提高潜艇主动隐身性能。这项技术将使噪声降低60分贝，并使潜艇探测目标的时间缩短100倍。这种主动声控涂层将采用压电涂层材料和采用电致流变体技术的主动消声贴片。,123,主动震动控制震动会极大地降低工程系统的性能，如降低对地观测卫星的传感器精度，减弱跟踪和预警卫星跟踪目标的能力，使制导武器性能下降，导致系统金属结构的疲劳破坏，此外还会干扰空间站的微重力环境等。,124,采用压电材料、形状记忆合金或电致流变体的智能结构均可实现振动的主动控制，提高军用系统的性能。如采用智能结构进行主动震动控

38、制，可降低直升机旋翼的振动振幅以及产生可控的扭曲形变，提高直升机的有效载荷，使速度增加，戒备能力提高。,125,空间系统的主动震动控制智能结构，主要采用压电陶瓷或电致伸缩材料作为作动器。考虑的主要因素是低功耗、耐久性、疲劳特性、稳定性和温度环境效应等问题，同时还考虑控制器的小型化。,126,传感器可用光纤和压电材料。当系统结构受到外力作用振动并产生形变时，压电应变传感器可产生与压力成正比的表面电荷，控制系统对传感器测量的信号进行处理后，再给压电作动器反馈一个适当的电压，使其产生反向变形力，从而产生对系统结构的阻尼作用，使系统结构的振动随之迅速减弱。,127,自适应结构的主动振动控制，另一项主要应用是可能消除航天器控制系统与柔性结构的相互干扰作用。未来大型柔性航天结构因其振动频率低于控制系统的频率，会导致有害的控制结构干扰作用。必须从结构优化、阻尼减振方面考虑。,128,在地震多发区应用智能结构的建筑物通过振动控制，将大大提高建筑物的抗震性。,Class is over.Bye-bye!,