第十一章_智能材料与结构
智能材料的结构及应用
智能材料的结构及应用智能材料是一种能够对外界环境做出反应、产生特定功能的物质，其内部结构和组分具有一定的特殊性质。
智能材料主要包括聚合物、金属合金、陶瓷材料和复合材料等，这些材料具有响应外部刺激的能力，可以实现形变、形状记忆、传感、自修复等功能，具有广泛的应用前景。
智能材料的结构可以根据其不同的功能进行分类，主要可分为以下几种：1. 形变材料：形变材料主要包括压电材料、电致伸缩材料和磁致伸缩材料等，其结构可呈现不同形态，根据外部电场、磁场或应力的刺激而产生形变。
这类材料在航空航天、汽车制造、医疗设备等领域有着广泛的应用，如用于制造智能变形机构、智能阀门等。
2. 形状记忆材料：形状记忆材料能够在外界条件变化时回复其预设的形状，具有记忆性和形变性能，主要包括铁-钛合金、镍钛合金等。
这类材料在医疗器械、纺织品、航空航天等领域有着广泛的应用，如用于制造支架、导管、折叠式太阳帆等。
3. 智能传感材料：智能传感材料能够对外界环境的变化产生敏感反应，并将这种信号转化为相应的物理、化学信号。
常见的智能传感材料包括压阻传感器、光纤传感器和水凝胶等。
这类材料在环境监测、健康管理、机器人技术等领域有着广泛的应用，如用于制造智能健康监测设备、智能控制系统等。
4. 自修复材料：自修复材料具有自愈合能力，能够在受到破坏后自动进行修复，主要包括聚合物、陶瓷和金属材料等。
这类材料在建筑材料、航空航天、电子设备等领域有着广泛的应用，如用于制造自修复混凝土、自修复涂料等。
智能材料在各个领域都有着广泛的应用，具有巨大的市场潜力。
以医疗器械行业为例，智能材料可以用于制造智能假肢、智能矫形器件、智能药物释放系统等，帮助提高患者的生活质量；在航空航天领域，智能材料可以用于制造智能结构件、智能控制系统、智能航空器件等，提高航空器的性能和安全性。
此外，智能材料还可以用于环境监测、能源领域、信息技术等诸多领域，为人类社会带来更多的便利和创新。
总的来说，智能材料具有奇特的结构和功能，具有广泛的应用前景。
第十一章 智能材料与结构
• 压电陶瓷还可以象制作玻璃纤维一样制 作压电陶瓷纤维。这种压电陶瓷纤维可 与聚氨脂复合制成热释电复合材料、电 光复合材料以及半导体铁电纤维，压电 纤维的主要应用就是制成压电复合材料， 集传感与驱动于一体。
23
3.2 形状记忆材料及性能
• 形状记忆合金是智能材料结构中最先应 用的一种驱动元件,它集感知和驱动于一 体。该元件在高温下定形后冷却到低温 并施加变形，从而形成残余形变。当材 料加热时，材料的残余形变消失，并回 复到高温下所固有的形状。
1.1智能材料的概念及其特点
• 智能材料系统和结构的有关名称定义目 前尚不统一，但一般智能材料系统都应 该具有敏感、处理、执行三个主要部分。 一般来说，智能材料是能够感知环境变 化(传感或发现的功能)，通过自我判断 和自我结构(思考和处理的功能)，实现 自我指令和自我执行(执行功能)的新型 材料。
28
• 此外还有一些合金称为全方位形状记忆 合金，在冷却到更低的温度，可以出现 与高温时取向相反，形状相同的现象。 NiTi合金的全方位记忆薄片的模式图见 图11-3。将试样在钢管中成型后，在 400～500C进行时效处理，去除约束后 的形状如图11-3(a)所示；
29
• 当试件冷却到Mf’时，形状接近直线状 态，如图11-3(b)；冷却到Mf以下时，试 件的形状发生180C翻转，如11-3(c)所 示；加热到Af和 Af’以上时，试件就反 向变化成图11-3(d)和(e)的形状。高于Af’ 的形状(a)和低于Mf 的形状(f)之间是可 逆的。
15
• （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。
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。
智能材料与结构专业认识
智能材料与结构专业认识引言智能材料与结构是一门前沿的学科，结合了材料科学和工程学的知识，致力于研究可以感知、响应和适应外界环境变化的材料和结构。
本文将介绍智能材料与结构的基本概念、应用领域以及相关的研究方向。
智能材料的概念和分类智能材料是指具有感知、响应和适应能力的材料，能够根据外界刺激做出相应的变化。
根据材料的响应特性，智能材料可以分为以下几类：1.响应型材料：能够对外界刺激做出机械、热、电、光等方面的响应。
常见的响应型材料包括形状记忆合金、压电材料和磁致伸缩材料等。
2.控制型材料：能够通过外界刺激改变其物理、化学性质从而实现对材料行为的控制。
例如，电致变色材料可以通过电场变色，从透明到不透明。
3.感知型材料：能够感知环境的变化，并将信号转化为可观测的物理量。
典型的感知型材料包括压力敏感材料和湿度敏感材料等。
智能结构的概念和应用领域智能结构是由智能材料构成的具有感知、控制和适应能力的结构。
智能结构可以在受到外界刺激时做出相应的变化，实现结构的自适应和优化。
智能结构在以下领域具有广泛的应用：1.航空航天领域：智能材料与结构可以应用于航空航天器的结构件、舵面控制和振动控制等方面，提高飞行器的性能和安全性。
2.建筑领域：智能材料与结构可以应用于建筑的隔热、噪音控制和自适应结构等方面，提高建筑的舒适性和环境适应性。
3.医疗领域：智能材料与结构可以应用于医疗器械、人工关节和生物传感器等方面，实现医学诊疗的精确度和安全性的提升。
智能材料与结构的研究方向智能材料与结构的研究方向包括但不限于以下几个方面：1.智能材料的设计与合成：研究新型智能材料的合成方法和结构设计，实现材料性能的优化和功能的多样化。
2.智能材料与结构的传感机理研究：探索智能材料与结构的感知机理，深入理解响应机制，为实际应用提供理论基础。
3.智能结构的设计与优化：研究智能结构的优化设计方法和控制策略，提高结构的自适应性和性能。
4.智能材料与结构在特定领域的应用研究：将智能材料与结构应用于具体领域，如航空航天、医疗和建筑等，探索其在实际应用中的效果和潜力。
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
感谢观看
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。
16
• （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。
17
• 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。
9
• 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：
智能材料与智能结构
智能材料与智能结构随着科技的不断进步，科学家们走出了一条发展智能材料与智能结构的新路。
智能材料和智能结构是现代科技的重要组成部分，它们可以通过独特的特性和特定的设计让一些看似不可能完成的工程成为现实。
一、智能材料的新进展智能材料是为特定任务开发而设计的一种高科技材料。
它们通过各种物理、化学、生物等因素的相互作用，实现了各种自动化功能。
这些功能包括变形、可感知、自适应、自修复等。
智能材料可以应用于机器制造、生命科学、移动设备、汽车等许多领域。
近年来，智能材料的技术不断发展。
作为智能材料的代表之一，DNA 水凝胶可以帮助设计出精准的纳米结构。
科技公司 Cytiva 正在开发一种具有记忆功能的 DNA 水凝胶，这种水凝胶可以通过受到的压力和温度的变化来改变其形状。
“神经元传感器”是另一种智能材料。
这种材料可以自主感知和响应外部压力，就像人类的神经元一样。
它可以应用于医疗和机器制造领域。
二、智能结构提高了建筑物的安全性智能结构是一种可以自主感知和响应外部变化的结构体系。
它可以通过集中控制和自我修复来保持它的稳定性，从而提高建筑物的安全性和稳定性。
在地震等自然灾害的情况下，智能结构可以自动迅速地进行反应，从而有效地保障建筑的安全。
智能结构的应用范围非常广泛。
在建筑领域，智能结构可以帮助我们开发更加稳定的建筑物。
在航空业，智能结构可以帮助我们开发更加安全和节能的飞行器。
在天文学领域，智能结构可以帮助我们更好地研究太空环境。
值得一提的是，智能结构还可以用于创造具有令人惊叹的美学价值的建筑。
例如，南澳大利亚芭蕾舞团剧院就是一个非常好的例子。
这个建筑物采用了智能结构技术，使得建筑物的外观可以自主改变，创造出美妙的视觉效果。
三、智能材料和智能结构的联合应用智能材料和智能结构的联合应用可以带来更加令人惊叹的效果。
例如，南澳大利亚芭蕾舞团剧院就是一个非常好的例子。
这个建筑物采用了智能材料和智能结构技术，使得整个建筑物可以自主改变，创造出美妙的视觉效果。
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。
智能材料与结构本科实验
智能材料与结构本科实验引言：智能材料与结构是一门涉及材料科学、力学和电子技术等多学科交叉的新兴学科。
它研究的是能够感知、响应和适应环境变化的智能材料和结构，将传感、控制和反馈等功能集成在材料和结构中，使其具备自适应、自修复、自感知等智能特性。
本文将介绍智能材料与结构本科实验的相关内容。
一、实验目的智能材料与结构本科实验的目的是通过实际操作，使学生了解智能材料的基本特性、制备方法和应用领域，培养学生的实验操作能力和科学研究思维，提高学生的创新意识和解决问题的能力。
二、实验内容1. 智能材料的制备方法：学生将学习并掌握智能材料的制备方法，如溶胶凝胶法、电化学沉积法、溶液旋涂法等。
通过实验操作，学生可以了解每种制备方法的原理、优缺点以及适用范围。
2. 智能材料的性能测试：学生将学习并掌握智能材料的性能测试方法，如电阻测试、应力应变测试、形状记忆测试等。
通过实验操作，学生可以了解智能材料的力学性能、电学性能和热学性能等。
3. 智能材料的应用研究：学生将学习并掌握智能材料的应用研究方法，如智能传感器的制作、智能结构的设计等。
通过实验操作，学生可以了解智能材料在航空航天、医疗健康、智能家居等领域的应用情况。
三、实验步骤1. 实验前准备：学生需要了解实验的目的和要求，熟悉实验操作步骤，并准备好所需的实验材料和仪器设备。
2. 实验操作：学生按照实验指导书的要求，进行实验操作。
在操作过程中，要保持实验环境的洁净和安全，注意操作规范，防止实验材料和仪器设备的损坏或污染。
3. 数据记录与分析：学生需要准确记录实验数据，并对实验结果进行分析和总结。
通过数据分析，可以评估智能材料的性能和应用效果，并提出改进建议。
4. 实验报告：学生需要撰写实验报告，包括实验目的、实验原理、实验步骤、实验数据、数据分析和实验结论等内容。
实验报告要求格式规范整洁，语句通顺，用词准确，表达清晰。
四、实验成果与展示学生可以将实验结果制作成海报、展板或演示文稿等形式，展示在学校或学术会议上。
《智能材料与结构》课件
智能结构
1
传感器及其应用
传感器是用于检测和测量环境参数的智能材料，广泛应用于自动化、医疗和环境 监测领域。
2
智能材料在结构控制中的应用
智能材料在主动控制和从动控制中都发挥着重要作用，为结构提供更优异的性能 和响应。
智能材料与结构的发展
1 国内外发展状况
智能材料与结构领域在全球范围内得到了广 泛的研究和应用，中国也在该领域取得了重 要突破。
《智能材料与结构》PPT 课件
# 智能材料与结构
智能材料与结构是一个令人着迷的领域，通过使用具有特殊特性的材料和创 新的结构设计，我们可以开创全新的科技应用和解决方案。
定义及概述
智能材料的定义
智能材料是一种能够对外界环境作出反应并具备适应性的材料。
智能材料的分类
智能材料分为压电材料、形状记忆合金和智能聚合物等不同类型。
智能结构的概念
智能结构是将智能材料与工程结构相结合，实现更高级的功能和性能。
智能材料
压电材料
压电材料表现出压电效应，可 以转化机械能和电能之间的相 互转化。
形状记忆合金
形状记忆合金可以根据温度和 应力变化改变其形状，适用于 许多工艺和医疗应用。
智能聚合物
智能聚合物具有响应温度、pH 值和光照等外界刺激的特性， 可广泛应用于传感和控制系统。
2 发展趋势与展望
智能材料与结构将继续深入研智能材料与结构的意义
智能材料与结构的发展将推动科技和工程领域的创 新，为社会带来更安全、高效和可持续的解决方案。
继续探索智能材料与结构的发展可能性
我们应该继续深入研究智能材料与结构的潜力，探 索更多新的应用领域，为未来做出更多贡献。
智能材料与结构
智能材料与结构引言智能材料与结构是一种结合了材料科学和工程学的新兴领域，它致力于开发能够感知环境并做出相应响应的材料和结构。
这种材料和结构可以根据外部刺激进行形变、颜色变化、温度变化等，从而实现智能化的功能。
在本文中，我们将探讨智能材料与结构的基本概念、应用领域以及未来发展趋势。
智能材料的基本概念智能材料是指具有感知、响应和控制功能的材料，它可以根据外部环境的变化做出相应的反应。
智能材料可以分为多种类型，包括形状记忆合金、压电材料、磁致伸缩材料、光敏材料等。
这些材料在受到外部刺激时，可以产生形变、颜色变化、声音发出等不同的响应，从而实现智能化的功能。
智能结构的基本概念智能结构是指利用智能材料构建的具有感知、响应和控制功能的结构。
智能结构可以根据外部环境的变化做出相应的调整，从而实现自适应和自修复的功能。
智能结构广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域，为这些领域的发展带来了新的机遇和挑战。
智能材料与结构的应用领域智能材料与结构在诸多领域都有着广泛的应用，其中包括但不限于以下几个方面：1. 航空航天领域：智能材料与结构可以用于飞机的机翼、机身等部件，实现轻量化和自适应功能，提高飞行性能和安全性。
2. 汽车领域：智能材料与结构可以用于汽车的车身、发动机等部件，实现节能减排和安全性能的提升。
3. 建筑领域：智能材料与结构可以用于建筑的墙体、屋顶等部件，实现节能环保和自适应功能，提高建筑的舒适性和可持续性。
4. 医疗领域：智能材料与结构可以用于医疗器械、假肢等产品，实现功能性和舒适性的提升，改善患者的生活质量。
未来发展趋势随着科学技术的不断进步，智能材料与结构领域也在不断发展和创新。
未来，智能材料与结构有望在以下几个方面取得进展：1. 多功能性：未来的智能材料与结构将具有更多的功能，可以实现多种响应和控制，从而满足不同领域的需求。
2. 高性能：未来的智能材料与结构将具有更高的性能，可以实现更大的形变、更快的响应速度等，从而提高产品的竞争力。
智能材料结构
2、传感材料
传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）。
常用传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、磁流变体和晶材料等。
66
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 用有效驱动材料如形状记忆材料、压电材料、电 流变体和磁致伸缩材料等。
99
二、智能材料结构的应用现状和未来发展方向
1、应用现状
建筑和结构工程领域
医学领域
航空航天领域
10 10
1、建筑和结构工程领域
（1）自诊断、自愈合混凝 土 （2）具有振动和噪声主动 控制功能的智能结构。 （3） 抗震建筑物
利用镍钛诺形状记忆合金（SMA）制成 的缆索能够有助于抵御地震或者飓风
11 11
33
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。
44
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。
19 19
2、智能材料结构的未来研究方向
1、新型智能复合材料的研发。开发出能耗低、应变大、 频带宽、力学性能优越、稳定性和寿命高的新型智能材 料。
2、系统集成技术的研究。目前，大多数智能结构仅具有 传感功能，其处理和控制功能还需外接，往往是一个包 含众多功放、滤波、AID、D／A等的庞大系统，这对于 实际的应用而言是不便的。因此开发高精度的传感器以 及研究有效的信号采集和处理技术也显得至关重要。
智能材料与结构
智能材料与结构智能材料与结构是一种能够根据外部条件自动调节其性能和功能的先进材料和结构系统。
智能材料与结构的研究领域涉及材料科学、机械工程、电子工程等多个学科，其应用广泛，包括航空航天、汽车工业、建筑工程等领域。
智能材料的核心是其具有响应外部刺激的能力。
这些材料可以通过改变其形状、结构、光学、电磁等性质来对外部刺激做出反应。
例如，形状记忆合金材料可以根据温度变化自动改变其形状，可以用于隔热材料、纳米器件等领域；压电材料可以通过施加电场来改变其形状和大小，常用于声波传感器、精确定位装置等设备中。
智能结构则是指能够根据外部条件自动调节其形状和性能的结构系统。
智能结构可以根据外部压力、力矩或电磁场等变化来调节其形状和刚度，从而实现自适应功能。
例如，自适应隔振系统可以根据外部震动频率和幅度来调节结构的振动模态，从而实现对外部震动的减振效果。
智能结构的应用领域很广泛，可以用于建筑结构的抗震设计、飞机和船舶的减振系统等。
智能材料和结构的研究和应用可以极大地提升材料和结构系统的性能和功能。
智能材料和结构具有自适应、自修复、自感知等特点，能够根据外部环境和条件的变化来自动调节其性能和功能，从而实现更高的效率、更好的安全性和更长的寿命。
然而，智能材料和结构的研究和应用面临着一些挑战。
首先，智能材料和结构需要具备高度灵敏的感知和反应能力，这对材料和结构的设计和制备提出了更高的要求。
其次，智能材料和结构的制备和成本较高，限制了其在一些应用领域的推广和应用。
最后，智能材料和结构的稳定性和可靠性也是一个重要的问题，对于一些关键应用领域，如航空航天等，需要更高的可靠性和寿命。
总之，智能材料和结构是一种具有自适应、自修复和自感知等特点的先进材料和结构系统。
其研究和应用能够极大地提升材料和结构的性能和功能，广泛应用于航空航天、汽车工业、建筑工程等领域。
然而，智能材料和结构的研究和应用面临着一些挑战，如灵敏度、成本和稳定性等。
希望在未来的研究中能够进一步解决这些问题，推动智能材料和结构的发展和应用。
智能材料与结构
智能材料与结构智能材料与结构是一种具有自感知、自诊断、自修复、自适应等智能功能的新型材料和结构体系。
它们能够根据外界环境的变化做出相应的反应和调整，具有广阔的应用前景和发展潜力。
智能材料与结构的研究和应用已经成为当今材料科学和工程领域的热点之一。
智能材料与结构的研究范围涉及材料科学、结构工程、控制工程、信息技术等多个学科领域。
其中，智能材料的研究主要包括形状记忆合金、压电材料、磁致伸缩材料、光致变色材料等；智能结构的研究主要包括智能传感器、智能执行器、智能控制系统等。
这些材料和结构的研究旨在实现材料和结构的自主感知、自主诊断、自主修复和自主适应，从而提高材料和结构的性能和可靠性。
智能材料与结构的应用领域非常广泛，涵盖了航空航天、汽车工程、建筑工程、医疗器械、智能机器人等诸多领域。
例如，智能材料可以应用于飞机机翼的变形控制，以提高飞行性能和燃油效率；智能结构可以应用于建筑物的结构健康监测与维护，以确保建筑物的安全性和稳定性。
另外，在医疗器械领域，智能材料与结构也可以用于仿生器械的设计与制造，以实现更好的生物相容性和功能性。
随着科学技术的不断进步和发展，智能材料与结构将会迎来更广阔的发展空间和应用前景。
未来，智能材料与结构有望在能源领域、环境保护领域、信息通信领域等方面发挥重要作用，为人类社会的可持续发展和进步做出积极贡献。
总的来说，智能材料与结构是一种具有自主感知、自主诊断、自主修复和自主适应功能的新型材料和结构体系，具有广泛的应用前景和发展潜力。
它们的研究和应用将会为航空航天、汽车工程、建筑工程、医疗器械、智能机器人等领域带来新的突破和进展，为人类社会的可持续发展和进步做出积极贡献。
希望通过本文的介绍，能够增进大家对智能材料与结构的了解，促进相关领域的研究和应用。
材料力学中的智能材料与结构研究
材料力学中的智能材料与结构研究材料力学是研究材料的性能和行为的学科，而智能材料是近年来快速发展和引起广泛关注的研究领域。
智能材料指的是能够对外界环境作出响应，并根据相应的信号产生特定效应的材料。
本文将讨论材料力学中的智能材料与结构研究。
智能材料的研究旨在利用材料的特殊性质，使其能够实现一些特定的功能，如形状记忆、感应应变、自修复等能力。
这些材料可以应用于多个领域，如航空航天、机械工程、医学等。
一、形状记忆材料形状记忆材料是一种具有记忆能力的智能材料。
它们能够在外界条件改变时恢复到特定的形状或结构。
这种材料的应用非常广泛，比如在航空航天领域中，可以用来制造具有自修复功能的飞机翼，从而提高飞机的安全性和可靠性。
二、感应应变材料感应应变材料是一类能够感知和响应外界应变的智能材料。
它们可以通过改变形状和结构来适应外界的应力变化。
感应应变材料在机械工程领域中具有广泛的应用，比如用于开发智能机械臂、智能传感器等。
三、自修复材料自修复材料是一种能够自动修复损伤的智能材料。
它们具有自愈合能力，可以在遭受外界破坏后自行修复，恢复原有的性能和结构。
这些材料在医学领域中具有重要的应用，比如用于制造人工血管、人工关节等。
四、智能结构智能结构是由智能材料组成的结构系统。
它们能够根据外界的条件和要求，实现自动控制和调整功能。
智能结构在工程结构中有很大的应用潜力，比如用于制造具有自适应减震功能的建筑物、智能桥梁等。
总结：材料力学中的智能材料与结构研究是一个正在快速发展的领域。
通过研究智能材料的特性和行为，我们可以设计制造出具有特殊功能和性能的材料和结构。
这些智能材料和结构对于提高工程结构的安全性、可靠性和可持续发展具有重要意义。
随着科技的不断进步和创新，智能材料与结构的研究将会得到更广泛的应用和发展。
智能材料与结构培养方案
智能材料与结构培养方案智能材料和结构是当今科学技术领域中备受关注的研究方向。
随着科技的不断进步，人们对于材料和结构的需求也越来越高，因此如何培养出具有智能特性的材料和结构成为了一个重要的课题。
在这篇文章中，我们将探讨一些智能材料与结构的培养方案以及其在未来的应用前景。
首先，智能材料与结构的培养需要跨学科的合作。
这涉及到材料科学、机械工程、电子工程等多个学科领域的知识。
在培养方案中，需要建立起一支跨学科的研究团队，集成各个领域的专业知识，共同致力于智能材料与结构的研究和开发。
其次，智能材料与结构的培养需要注重创新和实践。
在研究过程中，需要不断进行创新性的思考和实验，探索新的材料和结构设计方案。
同时，需要进行大量的实验验证，以确保所培养出的材料和结构具有可靠的性能和稳定的特性。
另外，智能材料与结构的培养还需要注重工程应用的需求。
在研究过程中，需要充分考虑工程应用的实际需求，将研究成果转化为实际的产品和技术。
这需要与工程领域的专家进行密切的合作，共同推动智能材料与结构的应用和推广。
最后，智能材料与结构的培养方案还需要注重人才培养。
在培养过程中，需要培养出一批具有跨学科知识和创新能力的研究人才，他们将成为未来智能材料与结构领域的领军人物，推动该领域的不断发展和进步。
总的来说，智能材料与结构的培养方案需要跨学科合作、创新实践、工程应用和人才培养四个方面的综合考量。
只有这样，才能培养出具有智能特性的材料和结构，推动科技领域的不断发展和进步。
相信随着我们不断的努力和探索，智能材料与结构必将在未来发挥越来越重要的作用。
仿生学中的智能材料和结构设计
仿生学中的智能材料和结构设计随着科技的不断发展，人们对于科技领域的探索也愈发深入。
其中，仿生学这门学科所带来的技术和创新让人们惊叹不已。
在仿生学中，智能材料和结构设计可谓是其中极为重要的一部分。
这些智能材料和结构设计以仿生学原理为基础，融合了生物学、物理学、材料学、机械学等不同学科，能够产生极为优异的性能。
本文将对仿生学中的智能材料和结构设计进行探讨。
I.首先，让我们来了解一下智能材料。
智能材料是一种可以自动感应和响应外部环境，完成某种预设任务的材料。
其中，最常见的智能材料是智能合金材料、敏感材料、智能陶瓷材料、智能生物材料、智能聚合物材料等。
这些材料自身能够对物理量、化学量或生物量作出感应反应，从而实现预设的任务。
以智能合金材料为例，当其受到外界刺激时，会发生晶格变化，从而使得材料产生自动变形的效应。
这种变形效应可以被应用于制造高效的电机、执行机构等设备中，是一种技术含量极高的材料。
II.在智能材料的基础之上，智能结构的设计也成为了实现工程应用的重要手段。
智能结构是通过材料的智能特性，结合特定的结构设计，实现结构的自动感应、自适应、自修复等功能。
例如恒温材料，当其受到外界温度变化时，可以通过不同结构的设计实现材料的自动温度调节。
这样的结构可以被广泛应用于一些高温、低温、高压、高湿度等特殊环境下的设备中。
同时，智能材料和结构的设计也为制造轻量化设备提供了可能。
通过智能材料和结构的组合，不仅可以实现结构的自动感应和自适应，而且能够减轻结构的重量，提高材料的利用率并节省能源等。
III.另外，智能材料和结构的设计也能够被应用于人工智能领域中。
人工智能系统通常需要经历大量的数据输入、处理和分析，这时，利用智能材料和结构的特性，可以实现智能感应和响应的效果。
例如，在智能机器人、人工智能控制系统中，利用智能材料的特性和智能结构的设计，可以实现机器人的自动控制、自动感应、自动定位等功能。
这样，智能材料和结构的设计不仅可以在工业中得到应用，同时也可以为人类带来更加智能化的未来。
智能材料与结构
智能材料与结构引言智能材料与结构是近年来日益受到关注的研究领域，它涵盖了材料科学、机械工程、电子工程等多个学科的交叉。
智能材料与结构的研究旨在开发具有响应性能的材料和结构，以适应不同环境条件的变化，并能够完成预定的功能。
智能材料的分类智能材料按照其响应特性可以分为多种类型，包括形状记忆材料、压电材料、磁敏材料等等。
其中，形状记忆材料是一种能够根据外界刺激发生形状改变的材料，在医疗领域和航天领域有着广泛的应用。
压电材料是一类能够在施加电场或机械应力时表现出机械变形的材料，其在传感器和执行器等领域有着重要的应用。
磁敏材料则是能够对外界磁场产生响应的材料，其应用范围涵盖了电子器件、磁传感器等领域。
智能结构的应用智能结构是指利用智能材料构造的具有响应性能的结构，可以根据外界刺激发生形状或性能的改变。
智能结构的应用非常广泛，例如在航空航天领域，智能结构可以用于改善飞机的气动性能和减轻飞机重量。
此外，智能结构也被应用于建筑领域，用于改善建筑物的抗震性能和节能性能。
在医疗领域，智能结构可以用于设计和制造人工器官和医疗器械等。
智能材料与结构的开发智能材料与结构的开发涉及到多个方面的研究和技术。
首先，需要对智能材料的性能和响应机制进行深入的理解和研究。
其次，需要开发适用于智能结构的制备工艺和加工技术。
例如，对于形状记忆材料，需要开发具有形状记忆效应的合金材料，并研究其相变机制。
对于压电材料，需要开发制备优质压电薄膜的技术，并实现对薄膜的可控加工。
此外，还需要关注智能材料与结构在不同环境条件下的稳定性和可靠性，以确保其在实际应用中的可靠性和安全性。
智能材料与结构的展望智能材料与结构的研究和应用在未来有着广阔的发展前景。
随着人们对功能性材料和结构需求的不断增加，智能材料与结构将在诸多领域得到更广泛的应用。
例如，在智能家居领域，智能材料与结构可以用于设计和制造智能家居设备，提升居民的生活质量。
在交通运输领域，智能材料与结构可以用于改善车辆的安全性能和减少能源消耗。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 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)。
第十一章智能材料和结构智能材料结构(Smart/Intelligent Materials and Structures)是一门新兴起的多学科交叉的综合科学。
80年代后期，随着材料技术和大规模集成电路的进展，美国军方提出了智能材料和结构的设想和概念，并开展了大规模的研究。
智能材料和智能结构系统是近年来飞速发展的一个领域，这一领域的研究也越来越受到人们的重视。
自1998年美国弗吉尼亚大学召开了关于“智能材料结构和数学问题”专题学术讨论会以来，智能材料系统的研究成为材料科学和工程的热点之一，有人甚至称21世纪是智能材料的世纪，目前美国已有几十家公司经营智能材料结构的产品。
人们之所以如此关注智能材料系统是因为它在建筑、桥梁、水坝、电站、飞行器、空间结构、潜艇等振动、噪声、形状自适应控制、损伤自愈合等方面具有良好的使用前景。
第一节智能材料的概念及分类智能材料结构的诞生有着一定的背景。
80年代末期，复合材料普遍使用，为解决它的强度和刚度变化等问题，使得驱动元件和传感件较为容易地融合进入材料，组成整体，从而具有多种用途，同时驱动元件和传感件材料的发展以及材料集成技术上的突破，也促进了智能材料结构的出现。
材料科学的发展，使得人们对机械、电子、动作等材料的多方面性能耦合进行研究，微电子技术、总线技术及计算机技术的飞速发展，解决了信息处理和快速控制等方面的难题，这些都为智能材料结构的出现提供了有利条件。
1.1智能材料的概念及其特点智能材料系统和结构的有关名称定义目前尚不统一，但一般智能材料系统都应该具有敏感、处理、执行三个主要部分。
一般来说，智能材料是能够感知环境变化(传感或发现的功能)，通过自我判断和自我结构(思考和处理的功能)，实现自我指令和自我执行(执行功能)的新型材料。
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。
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和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。
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，具有感官功能，驱动元件相当于人体的肌肉，控制系统相当于人的大脑。
智能材料和普通功能材料的区别如图11－1所示。
被动结构 控制结构 智能结构 扰动 反应 反应 扰动 反应图11-1 智能材料和普通功能材料的区别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。
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。
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两种类型，分述如下：（1）嵌入式智能材料在基本材料中嵌入具有传感、动作和控制处理功能的三种原始材料，传感元件采集和检测外界给予的信息，控制处理器指挥驱动元件执行相应的动作。
（2）材料本身具有一定的智能功能某些材料微结构本身具有智能功能，能够随着环境和时间改变自己的性能，例如自滤波玻璃和受辐射时能自衰减的InP 半导体等。
结构 结构 执行器 传感器控制器结构执行器传感器 控制器目前智能材料结构在英语中采用两种写法：一为INTELLIGENT MATERIAL STRUCTURE；另一为SNART MATERIAL STRUCTURE。
“INTELLEGENT”的中文翻译为“智能”，它的定义是具有智慧和智力，有思考和推理的本领；和具有敏捷的体会、解释和正确决定的本领。
“SMART”的中文翻译为“机敏”，他的定义为具有和显示出思维的机灵和感受的敏捷性，即具有联想及计算能力，敏捷快速有效的能动性和有生气的活度。
目前很多文章中也将“SMART”翻译成“智能”。
严格讲，“INTELLGENT MATERIAL STRUCTURE”比“SMART MATERIAL STRUCTURE”要复杂，要高级，前者是仿生命功能的材料，具有识别、分辨、判断、动作等额外功能；后者只能敏捷识别和动作，不具有分析判断的能力。
第二节智能材料结构的信息处理方法图11-2智能结构的动作流程图图11-2是智能结构的动作流程图。
首先识别外界参数，通过分析、判断，然后行动。
其中行动是依靠埋入材料中的驱动元件来实现，它能够自适应的改变结构形状、刚度、位置、应力状态、固有频率、阻尼摩擦阻力等。
对驱动元件的要求是：（1）驱动元件应能和结构基体材料很好结合，具有高的结合强度；（2）驱动元件本身的静强度和疲劳强度要高；（3）激励驱动元件动作的方法要简单和安全，对结构基体材料无影响，激励的能量要小；（4）激励后的变形量要大，并能伴随着产生激励力，而且能够控制；（5）驱动元件在反复激励下，保持性能稳定；（6）驱动元件的频率响应要宽，响应速度快，并能控制。
正在研究和使用的驱动元件有形状记忆合金、压电元件、电流变材料、磁致伸缩材料、磁变流材料、胶体材料等。
当前的驱动元件还不能全部满足上述要求，只能在几个方面具有特点，也就是每种驱动元件都有他们的特色，但也存在问题。
（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。
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。
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和软件组成，是智能结构的神经中枢。
智能结构的设计中首先要明确使用目标，然后分析控制目标的具体要求，确定智能结构中复合材料的控制输入和输出的形式。
最关键的问题是必须运用已知材料的特性、振动理论以及自动控制理论，建立合理的数学模型，构建控制系统，并选择有效的控制策略。
第三节智能材料结构中的驱动元件及形状记忆合金20世纪90 年代以来，研究方向倾向民用，特别是智能土建结构的研究和发展，加速了智能材料和结构的全面发展，这一时期国际上各种学术研讨会也特别多，在美国、日本、法国、德国、意大利等国都召开了学术会议或是专题学术研究会。
3.1智能材料结构中的驱动元件目前研究投入较多的智能材料的驱动元件主要有作为执行器的开关记忆材料（含形状记忆合金、陶瓷、薄膜三个类型）；压电材料（含压电陶瓷、压电聚合物）、电致流变体磁致流变体；作为敏感器的光钎传感器等。
利用这些材料的功能，加上精细的复合设计和制作便得到聚传感、驱动和控制于一体的智能材料。
压电材料在受到应力作用时会产生电荷分布，同样在压电材料上外加电压时，会发生形变，成为逆压电效应，因此压电材料即可做传感材料又可做执行材料。
压电材料分为陶瓷压电材料如石英、钛酸钡等和有机聚合物压电材料如片聚二氟乙烯树脂（PVDF）。
在同样单位应力作用下，有机聚合物压电材料产生的电场强度要比陶瓷压电材料大若干倍。
同时具有较优良的加工性能，制备智能材料不受形状的限制，因此有机聚合物压电材料更适合制备智能材料。
压电陶瓷还可以象制作玻璃纤维一样制作压电陶瓷纤维。
这种压电陶瓷纤维可和聚氨脂复合制成热释电复合材料、电光复合材料以及半导体铁电纤维，压电纤维的主要使用就是制成压电复合材料，集传感和驱动于一体。
3.2形状记忆材料及性能形状记忆合金是智能材料结构中最先使用的一种驱动元件,它集感知和驱动于一体。
该元件在高温下定形后冷却到低温并施加变形，从而形成残余形变。
当材料加热时，材料的残余形变消失，并回复到高温下所固有的形状。
再进行加热或冷却时，形状保持不变，这就是所谓的形状记忆效应(Shape Memory Effect), 就象合金记住了高温状态的形状一样。
具有形状记忆效应的金属通常是两种以上金属的合金，称为形状记忆合金(Shape Memory Alloys, SMA.)。
材料在高温下制成特定形状，在低温任意变形，加热时再恢复为高温形状，重新冷却还保持高温时的形状时，我们称之为单程记忆效应。
例如目前国内商品化的NiTi形状记忆合金丝，在低温马氏体组织时，加外力使合金应变<8%后，对材料加热，温度超过马氏体相变点时，形状回复率可达100％。
但随着循环次数的增加，形状记忆特性会衰减，存在一个疲劳寿命。
当回复变形在2％以下时，疲劳寿命为105次，对于埋入构件基体材料中的形状记忆合金的初始变形很大，但回复量很小，因此它的疲劳寿命可达107次。
对材料进行特殊的处理，使材料能够记住高温和低温状态的两种形状，即加热时恢复高温形状，低温时恢复低温形状，我们称之为双程形状记忆效应或可逆形状记忆效应。
例如对NiTi合金经过一定的热处理训练，不仅在马氏体逆相变过程中能完全回复到变形前的状态，而且在马氏体相变过程中也会自发地发生形状变化，回复到马氏体状态的形状，而且反复加热冷却都会出现上述现象。
此外还有一些合金称为全方位形状记忆合金，在冷却到更低的温度，可以出现和高温时取向相反，形状相同的现象。
NiTi合金的全方位记忆薄片的模式图见图11-3。