智能材料与智能结构讲稿
智能材料和智能结构——形状记忆材料
磁（ 电）致流变流 体和 某些功 能聚合物 。集成和 混合高等 材料是可获 得具有传 感 、控 制和 多值 响应本征 机理
的复合材料 。
Ｉ
ｌ
二 、形 状 记 忆 材 料
形状记忆材料 （ Ｓ ＭＭ）是智 能复合材 料的主要 组成部分之 一 。由于材料 内部的可逆相 变 ，Ｓ ＭＭ 具有 某些特殊 的性质 ，例 如形状记 忆效应 （Ｓ ＭＥ） 、准确性 或较大 的可恢复冲 击应变 、高阻尼 性和 自适应 性。
形状记忆 、超弹性等 ，可 用于各种智 能系统 。形状 记忆材料 中的激励 感应相变 导致了材 料的许多独 特的
性能 ，支配 着材 料性质 的显著变化 。讨论了改进 目前材料 系统和研发 新的形状 记忆材料 所面 临的 技术障
碍和挑 战。
关键词 ：形状记忆材 料 ；合金 ；陶瓷 ；聚 合物 ；激 励感应相 变 ；智 能系统 中图分类 号 ：Ｔ ３ １ 文献标 识码 ：Ａ 文章编号 ： ０ ６ ８ ３ ２ １）９ ０ ０ — ７ Ｂ８ １ ０ — ８ Ｘ（ ０ — ０ ６ ０ ００
特性 、形状记忆特 性和其 它性质影 响很大，在２ 元 合金中 ， ２ 由立方 晶系到单斜 晶系 ［ ９］的一级相变 改变为 由立方 晶 Ｂ１
系 ［ ２ 到斜 方 晶 体 系 ［ ９ 以及 由 Ｂ１ Ｂ］ Ｂ１ ］ ９到 Ｂ１ （ ｕ取 代 Ｎｉ ９ Ｃ
纤维 丝 、颗 粒和 多孔材 料 ，可与其 他材料 一起 形成 复合材
（） ７ 、阻尼 ：Ｓ ＭＭ 的阻尼特 性来源 于其特征 微结构和 相变 ，大 部分 Ｓ ＭＭ 都具 有较高 的固有 阻尼 性 。
ｉ
０跨露 ： ０
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到 目前 为 止 已发 现 各 种 合 金 （ Ｓ ＭＡ） 陶 瓷 （Ｓ ） 、 ＭＣ 、 聚合物 （ 状记忆 Ｓ ） 凝胶 （Ｓ 形 ＭＰ 和 ＭＧ） 胶 呈 现 出 Ｓ 凝 ＭＥ， 其 中 有 些 材 料 已 商 品 化 ，特 别 是 某 些 Ｓ Ｍ 易于 制 成 薄 膜 、 Ｍ
智能材料与智能结构分类
智能材料(Smart Materils 或者Intelligent Material System) 是20 世纪80 年代中期提出的概念。
智能材料是模仿生命系统,能感知环境变化并能实时地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。
智能材料是一种集材料与结构、智能处理、执行系统、控制系统和传感系统于一体的复杂的材料体系。
它的设计与合成几乎横跨所有的高技术学科领域。
磁流变液电流变体压电材料、形状记忆合金磁致伸缩材料电致伸缩材料光纤材料聚合物胶体形状记忆聚合物(SMP)疲劳寿命丝（箔）磁流变体：通常由以下三种成分组成：（1）具有高磁导率、低矫顽力的微小磁性微粒，如铁钴合金、铁镍合金、羰基铁等软磁材料。
由Jolly 和Ginder等人[4]建立的磁流变液理论剪切屈服强度的计算公式可知，磁流变液的极限剪切屈服强度与磁性颗粒的饱和磁化强度的平方成正比。
（2）母液，又称溶媒，是磁性微粒悬浮的载体。
为了保证磁流变液具有稳定的理化特性，母液应具有低粘度、高沸点、低凝固点、较高密度和极高“击穿磁场”等特性。
目前，较为常用的母液是硅油。
另外，一些高沸点的合成油、水以及优质煤油等也可作为磁流变液的母液；（3）表面活性剂，其主要作用是包覆磁性微粒并阻止其相互聚集而产生凝聚，减少或消除沉降。
功能：这种材料具有4种主要功能:(1)对环境参数的敏感;(2)对敏感信息的传输;(3)对敏感信息的分析、判断;(4)智能反应。
具体的有：传感功能反馈功能信息识别与积累功能相应功能自诊断功能自修复功能自调节功能智能结构( Intelligent Construction)是将驱动器、传感器、乃至处理器等微电子元器件集成在复合材料之中而成型的结构它对所处环境，具有主动感知和主动响应的功能。
智能结构是在智能材料的基础上提出的,是当前结构设计与结构力学方面正在迅速发展的一种崭新领域,也称为自适应结构。
智能材料与智能结构讲
政策支持
各国政府对智能材料和智能结构 的研发和应用给予政策支持，鼓 励企业加大投入，推动产业发展。
THANKS
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02
自适应结构的特性包括自适应性、自修复性和自优 化性等。
03
自适应结构的应用领域包括航空航天、汽车、建筑 和机器人等。
智能复合材料结构
智能复合材料结构是指由两种或两种以上材料组成，并具有感知、响应和 自适应等智能特性的结构。
智能复合材料结构的特性包括传感性、驱动性、信息处理和自适应性等。
智能复合材料结构的应用领域包括航空航天、汽车、船舶和土木工程等。
药物控制释放
智能药物载体能够在特定环境下按需 释放药物，提高治疗效果并降低副作
用。
个性化医疗
利用智能材料制成的生物传感器可实 时监测患者的生理参数，为个性化治 疗提供依据。
生物医学诊断
智能材料能够用于生物标志物的检测 和识别，为疾病诊断提供快速、准确 的方法。
在建筑领域的应用
总结词
智能材料与智能结构在建筑 领域的应用主要涉及结构健 康监测、节能减排和灾害防 控等方面。
仿生结构
01
仿生结构是指模仿生物体的形态、结构和功能等特性而设计的 结构。
02
仿生结构的特性包括生物相容性、生物可降解性和仿生功能性
等。
仿生结构的应用领域包括医疗器械、生物工程和机器人等。
03
柔性可展开结构
01 柔性可展开结构是指能够在弯曲的表面上展开并 形成所需形状和尺寸的结构。
02 柔性可展开结构的特性包括轻质、高强、可折叠 和自适应性等。
压电材料
总结词
压电材料是指在外加压力的作用下，能够产生电压的智能材 料。
详细描述
智能材料与结构
• 该材料具有模仿生物体的自增值性、自 修复性、自诊断性、自学习性和环境适 应性。将具有仿生命功能的材料融合于 基体材料中，使制成的构件具有人们期 望的智能功能，这种结构称为智能材料 结构。它是一个类似于人体的神经、肌 肉、大脑和骨骼组成的系统，而基体材 料就相当于人体的骨骼。
5
• 而智能材料是能够感知环境变化，通过 自我判断和结论，实现和执行指令的新 型材料。智能材料的研究就是将信息与 控制融入材料本身的物性和功能之中， 其研究成果波及了信息、电子、生命科 学、宇宙、海洋科学技术等领域。它的 研究开发孕育着新一代的技术革命。智 能化将成为21世纪高分子材料的重要发 展方向之一。
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• （1 ）提高驱动元件本身的性能，满足上 述六条要求； • （2） 改善驱动元件的激励方法； • （3） 研究多种激励元件组合使用的方法， 达到取长补短的目的； • （4） 研究新型的复合驱动元件； • （5 ）研究驱动元件在材料中的布置方案。
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• 传感器、致动器和控制器是智能结构的 重要部分。传感器要求有高度感受结构 力学状态的能力，在振动系统中即能把 位移、速度或加速度等信号转换成电信 号输出，它直接反应实时的振动状态， 所以它必须有足够的可靠性、敏感性和 较高的反应速度，以便能迅速、准确地 得到振动信息；另外，还要求其具有体 积小，易于集成的特点。
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• 无机非金属系智能材料的初步智能性是 考虑局部可吸收外力以防止材料整体变 坏。目前此类智能材料在电流变流体、 压电陶瓷光质变色和电质变色材料等方 面发展较快。 • 高分子系智能材料的范围很广泛。作为 智能材料的刺激响应性高分子凝胶的研 究和开发非常活跃，其次还有智能高分 子膜材、智能高分子粘合剂、智能型药 物释放体系和智能高分子基复合材料等。 • 根据结构来分，智能材料结构可以分成 10 两种类型，分述如下：
智能材料的概念及分类和结构
智能材料与普通功能材料的区别如图11
－1所示。
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1.2 智能材料分类
• 智能材料的分类方法很多。根据材料的 来源，智能材料包括金属智能材料无机 非金属系、智能材料及高分子系智能材 料。
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• 金属系智能材料由于其强度比较大耐热 性好且耐腐蚀性能好，常用在航空航天 和原子能工业中作为结构材料。金属材 料在使用过程中会产生疲劳龟裂及蠕变 变形而损伤，所以期盼金属系智能材料 不但可以检测自身的损伤，而且可将其 抑制，具有自修复功能，从而确保使用 过程中的稳定性。目前研究开发的金属 系智能材料主要有形状记忆合金和形状 记忆复合材料两大类。
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• 致动器是执行信息处理单元发出的控制 指令，并按照规定的方式对外界或内部 状态和特性变化作合理的反应，直接将 控制器输出的电信号转变为结构的应变 或位移，具有改变智能结构形状、位置 及其它机械特性的能力。控制器位于结 构之中，由具有控制功能的硬件电路或 电脑芯片与软件组成，是智能结构的神 经中枢。
6
• 例如光导纤维、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，
光导纤维是传感元件，能检测出结构中
的应变和温度，形状记忆合金能使结构
动作，改变性状，控制电路根据传感元
件得到的信息驱动元件动作。因此融合
于材料中的传感元件相当于人体的神经
系统，的大脑。
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• 该材料具有模仿生物体的自增值性、自 修复性、自诊断性、自学习性和环境适 应性。将具有仿生命功能的材料融合于 基体材料中，使制成的构件具有人们期 望的智能功能，这种结构称为智能材料 结构。它是一个类似于人体的神经、肌 肉、大脑和骨骼组成的系统，而基体材 料就相当于人体的骨骼。
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• 而智能材料是能够感知环境变化，通过 自我判断和结论，实现和执行指令的新 型材料。智能材料的研究就是将信息与 控制融入材料本身的物性和功能之中， 其研究成果波及了信息、电子、生命科 学、宇宙、海洋科学技术等领域。它的 研究开发孕育着新一代的技术革命。智 能化将成为21世纪高分子材料的重要发 展方向之一。
《智能材料》PPT课件
《智能材料》PPT课件•智能材料概述•智能材料的结构与性能•智能材料制备技术与方法•智能材料在传感器领域应用目录•智能材料在驱动器领域应用•智能材料在能源转换与存储领域应用•总结与展望01智能材料概述定义与发展历程定义智能材料是一种能够感知外部环境或内部状态变化，并作出相应响应或自适应调整的材料。
发展历程从传统的被动材料到主动材料，再到具有感知和响应功能的智能材料，经历了数十年的发展。
感知能力能够感知外部环境或内部状态的变化。
响应能力能够根据感知到的变化作出相应的响应。
•自适应性：能够自适应调整自身性能以适应环境变化。
优势提高材料的性能和功能。
增强材料的可靠性和稳定性。
拓展材料的应用范围。
01020304应用领域举例用于制造自适应机翼、智能蒙皮等，提高飞行器的性能和安全性。
用于制造智能轮胎、自适应悬挂系统等，提高汽车的舒适性和安全性。
用于制造智能医疗器械、药物传递系统等，提高医疗效果和患者体验。
用于制造智能电池、自适应太阳能板等，提高能源利用效率和环保性。
航空航天汽车工业生物医学能源领域02智能材料的结构与性能结构类型及特点晶体结构具有周期性排列的原子或分子，呈现出特定的物理和化学性质。
非晶体结构原子或分子排列无序，具有各向同性和良好的可塑性。
复合结构由两种或两种以上不同材料组成，具有协同效应和多功能性。
性能参数指标力学性能包括强度、硬度、韧性等，反映材料抵抗外力破坏的能力。
物理性能包括热学、电学、磁学等性能，决定材料在特定环境下的行为。
化学性能包括耐腐蚀性、抗氧化性等，影响材料的稳定性和耐久性。
结构与性能关系探讨结构决定性能材料的性能往往由其内部结构决定，如晶体结构影响材料的力学性能和物理性能。
性能反映结构通过对材料性能的测试和分析，可以推断出其内部结构的特点。
结构与性能的优化通过改变材料的内部结构，可以优化其性能，满足特定应用需求。
例如，通过合金化、热处理等手段改善金属材料的力学性能。
03智能材料制备技术与方法原料选择与预处理原料选择根据智能材料的性能要求，选择适当的原材料，如高分子材料、金属材料、陶瓷材料等。
智能材料和结构的研究与开发
智能材料和结构的研究与开发智能材料和结构是近年来备受瞩目的领域。
它们具有智能响应、自修复、形变等特性，已被广泛应用于军事、航空航天、医疗、建筑、能源等领域。
在未来，智能材料和结构的发展将成为人类技术进步的一个重要方向。
本文将探讨智能材料和结构的研究现状、应用前景和未来发展趋势。
一、智能材料的研究现状及应用智能材料是指在受到外部刺激（如温度、光、电磁场等）时能够自动或自主地产生变化，以实现对外界环境的感知和响应的一种新型材料。
目前，针对智能材料的研究主要包括形状记忆合金、电敏感材料、磁致伸缩材料、智能涂层材料、智能纳米材料等。
智能材料最常见的应用领域为军事和航空航天领域。
在军事上，利用智能材料制作的自主引导武器、自适应结构体等，可以大大提升作战能力；在航空航天领域，一些研究成果也被广泛应用，如利用智能材料制作的飞机翼和机身可以自行修复裂缝和减小空气阻力。
此外，智能材料还在医疗、建筑、能源等领域有广泛应用。
例如在医疗中，智能材料可用于人工心脏起搏器、智能体外循环等医疗设备制作；在建筑中，智能材料可用于建筑隔音、节能、抗震等领域；在能源中，智能材料可用于高效能源获取和储存。
二、智能结构的研究现状及应用智能结构是指能够自动感知和控制自身形变、强度、稳定性等性能的新型结构。
它包括智能陶瓷、纤维增强复合材料、智能混凝土、智能钢结构等。
智能结构最常见的应用领域为建筑和桥梁工程。
例如在建筑中，智能结构可用于减震、消音、防火、节能等领域；在桥梁工程中，智能结构可用于提高承载能力、抗震能力和延长使用寿命。
三、智能材料和结构未来发展趋势智能材料和结构的未来发展趋势可以从以下几个方面来展开：1.开发更为复杂的智能结构。
未来的智能结构将会更加复杂，并将整体结构化、模块化，以提高自身的智能性。
2.应用范围的扩展。
未来智能材料和结构的应用范围将会继续扩展，并进一步渗透至智能机器人领域。
3.发展基于智能材料和结构的新型技术。
未来将会发展出基于智能材料和结构的新型技术，如智能感知系统、智能控制系统等。
智能材料与结构力学特性解读
智能材料与结构力学特性解读智能材料是近年来材料科学领域的一个热门研究方向，它具有独特的响应能力和自适应性，可以根据外界环境改变形态和性能。
与传统材料相比，智能材料在结构力学特性上展现了别样的魅力。
本文将对智能材料的结构力学特性进行解读。
智能材料的结构力学特性主要包括力学性能和变形行为。
智能材料的力学性能可以通过应力-应变曲线来描述。
应力-应变曲线是一种反映材料在外力作用下应变变化的图形。
智能材料常见的力学性能指标有弹性模量、拉伸强度、屈服强度、韧性等。
这些指标可以反映智能材料在外力作用下的变形能力、承受能力以及抗断裂性能。
智能材料在变形行为方面表现出了与传统材料不同的特点。
智能材料可以通过外界刺激实现自愈合、自修复等特殊的修复能力。
例如，形状记忆合金可以在经历形变后回复成原始形状，可广泛应用于领域如医学、机械工程等。
此外，智能材料还可以实现自感知、自调节等自适应的功能。
通过内嵌传感器和控制器，智能材料能够感知周围环境的变化并自动调整其结构以适应新的环境状态。
在智能材料的力学性能中，弹性模量是一个重要的指标。
弹性模量描述了材料在受力后恢复到原始形状的能力。
与传统材料相比，智能材料的弹性模量通常表现为非线性的行为。
这是因为智能材料中常常存在着各种微观结构和相变现象，使其在应力作用下呈现出非线性的应变-应力关系。
这种非线性特性使得智能材料在应用时具有更大的可塑性和适应性。
智能材料中的多形态效应是其独特的力学特性之一。
多形态效应是指智能材料在不同温度、压力、电磁场等刺激下可以表现出不同的形态，如形状记忆效应和磁致伸缩效应等。
形状记忆效应是智能材料在经历形变后能够恢复成原始形状的能力。
这种记忆效应是由智能材料中的相变和位错等微观结构变化所导致的。
磁致伸缩效应是指智能材料在外加磁场作用下发生尺寸变化的能力。
这种效应常应用于控制和调节智能材料的尺寸和形态。
除了多形态效应，智能材料还可以表现出超弹性等特殊的机械性质。
智能材料结构
3
智能材料结构的概念：将具有仿生命功能的材料
融合于基体材料中，使制成的构件具有人们期望的 智能功能，这种结构称为智能材料结构。
智能材料的构成：一般来说智能材料由基体材料、 传感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。
4
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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。 一般基体材料首选高分子材料，因为其 重量轻、耐腐蚀，尤其具有粘弹性的非线性 特征。其次也可选用金属材料，以轻质有色 合金为主。
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2、医学领域
（1）人造皮肤
人造皮肤智能材料，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。
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（2）人工关节
（3）人造血管
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（4）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。 如：智能胰岛素释放体系。
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3、在航空航天领域中的应用
（1）智能蒙皮
例如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，可用于改善气动特性、预警、隐身和通信。
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（2）智能材料结构在变体飞行器中的应用
形状记忆聚合物展开蒙皮
形状记忆聚合物泡沫机翼夹心
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谢谢！
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用有效驱动材料如形状记忆材料、压电材料、电 流变体和磁致伸缩材料等。 可以看出，这些材料既是驱动材料又是传感 材料，显然起到了身兼二职的作用，这也是智能
2024版材料讲义第八章智能材料ppt课件
研究智能材料在不同环境下的性能表现，包括温度、湿度、光照、 辐射等环境因素的影响。
安全性评估
对智能材料的安全性进行评估，包括生物相容性、电磁辐射安全 性、化学稳定性等方面的考虑。
05
智能材料发展趋势与挑 战
跨学科交叉融合推动发展
材料科学与物理学、化学、生物 学等学科的交叉融合，为智能材 料的发展提供了新的理论基础和
特点
智能材料具有传感、反馈、信息识 别与积累、响应、自诊断、自修复 及自适应等多种功能。
智能材料发展历程
01
02
03
初级阶段
20世纪70年代，智能材料 的概念被提出，并开始进 行相关研究。
发展阶段
80年代至90年代，智能材 料的研究逐渐深入，多种 智能材料被研制出来。
成熟阶段
21世纪以来，智能材料的 应用领域不断扩大，技术 也日益成熟。
智能建筑材料
具有自修复、自适应、节能等功能的智能建筑材料，提高建筑物的 安全性和舒适性。
智能交通材料
应用于智能交通系统的智能材料，如智能交通信号灯、智能车辆识 别系统等，提高交通运行效率和安全性。
THANK YOU
材料讲义第八章智能材料 ppt课件
目录
• 智能材料概述 • 智能材料分类及功能 • 智能材料制备技术 • 智能材料性能表征与评价方法 • 智能材料发展趋势与挑战 • 案例分析：典型智能材料应用实例
01
智能材料概述
智能材料定义与特点
定义
智能材料是一种能感知外部刺激， 按照预设方式选择和控制自身响应， 并具有自诊断、自适应、自修复等 功能的新型材料。
技术手段。
纳米技术、生物技术、信息技术 等高新技术在智能材料领域的广 泛应用，推动了智能材料的性能
2024年智能材料课件
智能材料课件一、引言智能材料是一种能够对外界刺激做出响应并改变其性能的材料。
这些材料在许多领域都有广泛的应用，包括医疗、建筑、能源和交通运输等。
智能材料的研究和发展是一个跨学科的领域，涉及材料科学、化学、物理学、生物学和工程学等多个学科。
本课件旨在介绍智能材料的基本概念、分类和应用。
二、智能材料的基本概念智能材料是一类具有感知、处理和响应外部刺激能力的材料。
这些外部刺激可以是温度、压力、湿度、光线、电磁场等。
智能材料的响应可以是形状、颜色、硬度、电导率、磁导率等性能的改变。
这种响应是可逆的，即当外部刺激消失时，材料的原始性能可以恢复。
三、智能材料的分类智能材料可以根据其响应机制和性能特点进行分类。
常见的智能材料包括：1.形状记忆材料：这类材料可以在外部刺激的作用下改变形状，并在去除外部刺激后恢复原始形状。
形状记忆合金和形状记忆聚合物是其中的代表。
2.液晶材料：液晶材料具有各向异性的物理性质，可以通过外部刺激（如温度、压力、电磁场等）来改变其光学性质。
液晶显示器就是利用液晶材料的这种性质制成的。
3.酞菁化合物：酞菁化合物是一类具有特殊结构的有机化合物，可以通过外部刺激来改变其颜色和电导率。
酞菁化合物在传感器和显示技术等领域有广泛的应用。
4.磁性材料：磁性材料可以通过外部磁场来改变其磁导率和磁化强度。
这种材料在数据存储和信息处理等领域有重要应用。
四、智能材料的应用1.医疗领域：智能材料可以用于制造可植入的医疗器械和药物输送系统。
例如，智能支架可以通过感知血管内的压力来调节其直径，以保持血管通畅。
2.建筑领域：智能材料可以用于建筑结构的健康监测和修复。
例如，智能混凝土可以通过感知裂缝和损伤来发出警报，并自我修复。
3.能源领域：智能材料可以用于制造高效能源转换和存储设备。
例如，智能窗户可以通过感知外界光线来调节其透光性，以节约能源。
4.交通运输领域：智能材料可以用于制造智能交通工具和交通安全设施。
例如，智能轮胎可以通过感知路面状况来调整其硬度，以提高行驶安全。
智能材料系统与结构
智能材料系统和结构介绍摘要人类总是把自然作为工程的灵感，不论是在设计还是在执行上。
在智能材料系统与结构领域的构思上，其发展也不例外。
Zuk和Clark在《动力学体系》一书中写道：“生命本身是一种运动，从单个细胞到最复杂的组织——人类……正是运动、灵活、变化、适应这些特性将生命体置于比静态物质更高的进化程度上。
事实上，这些生物的生存依赖于它们的运动能力：自我强健，自我医疗，自我繁殖，适应变化和适应环境……”创造一种更高级的材料系统和结构，使它具有感知、激励、控制和智能这些“生命”功能，这种构思鼓舞和激励了在这个新领域努力的开始。
本文包括了关于智能材料系统与结构的一些较早的描述，并且介绍了与智能系统相关的各种概念、定义和分类。
本文对智能材料系统领域中应用的一些驱动和传感材料作了简单的调查，并以此来举例说明已取得的进步和研究中的构想。
引言“智能的”、“灵巧的”、“感知的”、“适应的”和许多其它的术语都用来描述或对材料和结构分类，这些材料和结构拥有它们自己的传感器、驱动器和计算控制能力或硬件。
一个已提出的智能材料的定义是：具有固有的或完整的智能性，能对外加负载或外界环境等外界激励产生自适应的材料。
这种材料的控制或智能是通过材料组成、加工处理、缺陷和微观结构来决定的，或者是适应不同等级激励的控制方式来实现的。
智能结构可能简单的由智能材料系统构筑而成，组成驱动器、传感器和一些更为离散的智能结构。
绝大部分早期的“灵巧材料”主要为嵌入式或分布式的压力和温度传感器。
但是，目前在材料、驱动器、传感器和控制器领域，智能材料系统的复杂性和效用每月都在迅速发展。
虽然智能材料系统和结构的观念可以应用到建筑、堤坝、桥梁、管道、船舶和各种运载工具的设计和落实上，但是目前的研究主要还是面向先进航空器、发射器和大型太空平台等航空航天领域的潜在应用。
为了对相关学科的概念和差异有所理解，这里提出两个明确的定义。
第一个定义是来自于Wada,Fanson和Crawley的一篇文章(1990)，在这篇文章中他们试图建立一个框架来对结构系统分类。
智能材料自我总结课件.doc
第一章机敏材料与智能结构一、智能材料的概念智能材料结构又称机敏结构（Smart/Intelligent Materials and Structure) 泛指将传感器和驱动器以及有关的信号处理和控制电路集成在材料结构中，通过机、热、光、化、电、磁等激励k 控制，不仅具有承受载荷的能力，而且具有识别、分析、处理及控制等多种功能。
能进行自诊断、自适应、自学习、自修理的材料结构智能材料指的是那些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一结构系统，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。
二、智能材料的分类1、将传感器集成在材料中构成被动机敏结构。
能够监测自身的状态（损伤，变形，振动）2、在被动机敏结构中集成驱动器就形成主动机敏结构（不仅能够感知，还能够修正自身满足多种要求）3、主动机敏结构中引入以神经网络为基础的自学习系统，构成智能材料系统（具有广泛的适应性，学习经验等）三、基础智能材料的研究.1 形状记忆基础智能材料.2 压电基础智能材料.3 电/磁流变液基础智能材料.4 磁致伸缩基础智能材料.5 智能凝胶材料.6 聚合物基“人工肌肉.7 自组装基础智能材料.8 光纤基础智能材料四、国外研究特点：1.十分重视对基本规律、特性、机理以及模拟计算方法等的研究，并且认为这是推进智能结构发展的关键。
2..基础研究与工程实际应用问题相结合，而且两者平行地进行3.综合结构力学、控制、材料、计算机及试验技术等不同学科交叉进行研究。
五、应用前景o 军事智能蒙皮减振降噪自主飞行监控o 工程应用结构健康监测和寿命预测自诊断智能结构实时测量汽车、船舶、土木工程和医学领域o 航空航天领域的应用、航空航天领域的应用1.形状控制2.损伤探测与修复3.振动控制4.分离机构o 飞行器上的应用o 数据通讯六、未来研究方向(1) 高模量、高疲劳寿命、大应变的智能材料的研制.(2) 传感器和致动器数量优化与位置优化列阵的最优数量选择与位置及其优化设计,如结构材料的最佳配置等.(3) 强鲁棒性的分层最优化智能控制算法,具有容错能力和局部反馈回路的分布式控制器的在线自适应学习算法.(4) 智能材料的表面处理工艺和自动埋入方法.(5) 智能结构中传感器与致动器的性能稳定性及其控制算法,智能结构的静动态的响应及其非线性动态过程与稳定性(慢变与时滞过程) 的研究.(6) 更加完善的智能材料与结构间的机电耦合理论模型的建立.(7) 边界元等方法在智能结构分析中的应用.由多种智能材料构成的网络式智能结构的分析和研究.七、需要解决的问题①研制低能耗、大应变量、宽频带动作、力学性能好、高稳定和高寿命的致动器材料②研制高稳定、耐温好、低成本、可单线多路复用且与基体易于融合的光纤传感器；③研制高性能可植入基体材料中的微型电子器件④进行深入结构的控制方法研究⑤继续进行集成方法研究⑥智能材料与结构的设计、制造、数据库、可靠性等研究第二章智能材料系统的功能机敏材料本章小结? 智能材料的构想来源于---仿生。
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- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1主动控制式机敏材料具有先进和复杂的功能，可自动检测材料的动力和
静力，在允许范围内比较测定结果，经过筛选确定适当的响应，控制
不希望出现的动态特性。
2被动控制式机敏材料只能传输传感器所感受到的信息（如位移、应变、
温度、压力、加速度等），这种机敏材料的结构简单，属于低级智能
材料。
能——电能的互相转换）耦合特性、热机耦合特性等】及
微电子技术、计算机技术的飞速发展，为智能材料所涉及
的材料的耦合特性的利用、信息处理和控制打下了基础。
.3. 军事需求与工业界的介入使智能材料与结构更具有挑战
性、竞争性和保密性，使它成为高技术、多学科综合交叉
的研究热点，而且也加速了它的实用化进程。
能通过自繁殖、自生长、原位复合等再生机制，来修
补某些局部损伤或破坏。自我修复的桥梁、烟囱
（7）自调节能力（Self-adjusting）
对不断变化的外部环境和条件，能及时地自动调整自
身结构和功能，并相应地改变自己的状态和行为，从而使
材料系统始终以一种优化方式对外界变化作出恰如其分的
2.无机非金属系智能材料 ：电流变体；压电陶瓷；光致变色
材料；电致变色材料
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；智能高分子粘合剂 ；智能型药物释放体系 ； 智能
高分子基复合材料
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形状记忆合金
神奇的故事:
1.在一次新材料的研讨会上，一位教授手持一个盛有水的玻璃瓶，上面
声波传感器
.7．辐射传感器：X射线传感器、.射线传感器、.射线传感器
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化学量传感器
.离子传感器：酸度值传感器、离子活度传
感器、离子浓度传感器
.氧体传感器
.湿度传感器：湿度传感器、水分传感器、
露点传感器
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生物量传感器
.生理量传感器：生理化学量传感器（血液成份传
1
材料的分类
.按晶体结构分：晶体材料、非晶材料
.按成份分：金属材料、非金属材料、高分
子材料
.按导电性分：导体、半导体、绝缘体
.按尺寸分：纳米材料、薄膜材料、块体材
料
.按功能分：结构材料、功能材料（声、光、
电、磁）
2
21世纪初的材料科学技术
信息功能材料仍是最活跃的领域
调性的材料。对环境污染小、再生利用率高
3
21世纪初的材料科学技术
高性能结构材料的研究和开发是永恒的主题
高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀、抗磨损
纳米材料将成为21世纪初最为活跃的领域
生物材料将有很大的发展
人体的相容性，人体器官
4
21世纪是智能材料时代
应力、应变、化学、核辐射等；
小鸟感知到气流的变化，所以它的翅膀作出调整以适应这种变化，作为智能材料也必
须具有
２．具有信息传输功能，能够按照设定的优化方式选择和控制响应具有驱动功能，能够响
应外界变化；
小鸟的翅膀作出调整，是为了节能，作出的动作是对它有利的。同样，智能材料随着
和信息处理于一体，形成类似生物材料那样的具有智能属
性的材料。
.智能性材料应该满足下列条件：
（一）材料特性随着使用环境条件的变化而变化，其
变化方向对人类来说是有利的。
（二）材料特性变化之能源，不是来自于材料之外而
是来自于材料本身。
.智能材料是一个开放系统，它需要不断从外界环境输入能
激光传感器）
.4．力学量传感器：压力传感器（微压力传感器、差压力传感器、
静压力传感器、动压力传感器、负压力传感器），应变传感器，力
传感器（重力传感器、力矩传感器、应力传感器、强力传感器），
位置传感器，速度传感器（线速度传感器、角速度传感器、流速度
传感器），加速度传感器（角加速度传感器、冲击加速度传感器、
.4. 设计理念的变革，人类对安全性及舒适性的要求越来越
高，应用前景广阔。
5
智能材料定义
.智能材料就是指模仿生命系统，具有感知环境（包括内环
境和外环境）刺激，并能实时地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。智能材料要求材料体系集感知、驱动
那团杂乱无章的金属丝原本就是弯曲成“镍钛合金”字样的合金丝；
那件奇特衣服的纤维，是由五条尼龙线绕上一条镍钛合金丝织成的；
那台靠温水转动的发动机的动力部件，用的也是镍钛合金
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人的记忆与金属的记忆
.经历某一事件，在脑海里留下了印象——遗忘—
—（刺激：物、人、境）——重新记忆
感器、激素成份传感器），生理机械量传感器
（心律传感器、血压传感器、气管阻力传感器、
肌肉张力传感器），生化量传感器（血红蛋白传
感器、尿素蛋白传感器）
.生物量传感器：葡萄糖传感器，甲烷传感器，谷
氨酸传感器，头孢菌素传感器，耗氧量传感器
.组织传感器
.酶传感器
.免疫传感器
信息材料：信息获取、传输、转换、存储、显示或控制所需
材料
新能源材料的研究将加速可再生能源的开发
新能源材料：实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术
所需的关键材料（储氢电极合金、锂离子电池材料、太阳
能电池材料
环境材料将日益受到重视
环境材料是具有满意的使用性能同时又被赋予优异的环境协
变短；
4.一台转个不停的发动机，它不烧油，不烧天然气，也不用电，靠的仅
仅是温水！
这些不是魔术，而是一种有“记忆能力”的合金在作怪。
原来在蝴蝶下面有一根所谓的“形状记忆”合金丝，这根丝随着水温
的升高和降低会突然伸长或缩短。(所谓形状记忆合金是指合金经变
形后，在一定的条件下，仍能恢复至原始形状的现象)。
使用环境条件的变化而变化，其变化方向对人类来说是有利的。小鸟是随着风而动，
由风的变化而变化，也就是说它的反应非常灵敏、及时、恰当。对于智能材料来说
也是这样
３．具有对环境变化作出响应及执行的功能
４．反应比较灵敏、及时和恰当
否则，就失去了其智能特性。
５．当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态
材料必须具备的两个要点，就是它的使用性和经济性，当外界的刺激消除后，智能材
料必须能够复原，否则它的造价将是非常昂贵，失去了作为材料的条件。所以
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智能材料的特征
（1）传感功能（Sensor）
能够感知外界或自身所处的环境条件，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）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）。常用敏感材料如形状记忆材
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
在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和应力，它担负着响应
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智能材料的分类
按功能来分为：
.光导纤维
.形状记忆合金
.压电材料
.电（磁）流变体
.电（磁）致伸缩材料
基本组元——机敏材料
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.敏感材料和传感器可感测非电量(环境参数)
的变化，并以电信号的形式输出，但是，
输出电信号还不能完全应答环境的刺激，
.再看一看这种金属：初始形状——另外一种形状
(低温)——（刺激：热、应力）——初始形状
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记忆合金的发现
.在1962年，在美国海军研究所军械研究室里，几个专家正致力于一种
新型武器的研究。在加工、制作一个部件时，冶金学家比勒需要一些
镍钛合金丝。于是他命令助手去取一些来。助手遵命来到仓库，只见
智能材料并非一定是专门研制的一种新型材料，大多是根
据需要选择两种或者多种不同的材料按照一定的比例以某
种特定的方式复合起来，或者是材料集成，即在所使用的
材料构件中埋入某种功能材料或器件，使这种新组合材料
具有某种或多种机敏特性甚至智能化。
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智能材料的内涵：
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、
（2）反馈功能（Feedback）
可通过传感网络，对系统输入与输出信息进行对比，并将其结果
提供给控制系统。
（3）信息识别与积累功能
能够识别传感网络得到的各类信息并将其积累起来。
（4）响应功能
能够根据外界环境和内部条件变化，适时动态地作出相应的反应，
并采取必要行动。用智能材料制成的飞机机翼，就可以像鱼尾巴一样
常常还需要执行一些动作，完成一些驱动，
这是驱动(执行)材料的任务。常用的驱动材
料有压电材料、形状记忆合金、电流变体
和磁流变体、磁致伸缩材料和电致伸缩材
料。
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智能材料的分类
按来源来分，智能材料可以分为金属系智能材料、无机非
金属系智能材料和高分子系智能材料：
1.金属系智能材料 ：形状记忆合金 ；形状记忆复合材料
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。
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智能材料的特征
（5）自诊断能力（Self-diagnosis）
能通过分析比较系统目前的状况与过去的情况，对诸
如系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予以校正。
（6）自修复能力（Self-recovery）