第十一章_智能材料与结构

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