形状记忆智能材料
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。
铁磁形状记忆合金
铁磁形状记忆合金
一、介绍
铁磁形状记忆合金是一种具有磁记忆能力的材料，它可以在外加磁场的作用下实现形状的记忆和变形的控制。这种材料的独特性质使得它在许多领域都有着广泛的应用。本文将对铁磁形状记忆合金的特点、原理及应用进行探讨。
二、特点
铁磁形状记忆合金具有以下几个显著的特点：
2.1 高形状记忆效应
铁磁形状记忆合金能够实现很高程度的形状记忆效应。当外加磁场作用于材料时，合金中的微观结构将发生变化，从而使得材料发生形状的改变。而当外加磁场移除后，材料又能够恢复到原来的形状。这种高效的形状记忆效应使得铁磁形状记忆合金在机械领域、智能材料领域等有着广泛的应用。
2.2 宽温度范围内的形状记忆效应
与其他形状记忆合金相比，铁磁形状记忆合金的形状记忆效应在较宽的温度范围内都能够发挥出较好的效果。这使得它在一些高温环境下的应用领域具有优势。
2.3 高变形能力
铁磁形状记忆合金具有较高的变形能力，能够在外加磁场的作用下产生较大的变形。这种高变形能力使得它在一些需要进行精确控制的机械系统中具备重要的应用前景。
三、原理
铁磁形状记忆合金的形状记忆效应是基于磁形状记忆效应和应变诱导逆磁形状记忆效应的共同作用。当外加磁场作用于合金时，合金中的磁畴结构会发生变化，从而导致材料发生形状的改变。当外加磁场移除后，合金中的磁畴结构又会重新排列，使得材料能够回到原来的形状。
四、应用
铁磁形状记忆合金在许多领域都有着广泛的应用，下面列举几个主要的应用领域。
4.1 智能材料
铁磁形状记忆合金是一种智能材料，它能够根据外界条件自动感知、记忆和响应。因此，在智能材料领域，铁磁形状记忆合金具有广泛的应用前景。例如，它可以应用于智能传感器、自适应材料等领域，实现智能化的功能。
智能材料在可穿戴设备中的应用
智能材料在可穿戴设备中的应用伴随着科技的快速发展，人们生活中的各个方面都得到了极大
的改善，尤其是在科技与服装的结合方面，如今已经出现了许多
实用性与时尚性都俱佳的可穿戴设备。其中一个重要的因素就是
智能材料的应用。智能材料可以根据外部变化做出相应的反应，
这让它们成为可穿戴设备的主要材料，从而提高了设备的便携性、功能性以及舒适度。
智能材料种类
智能材料种类多样，根据特性不同可以分为以下几种：
1. 压电智能材料
压电智能材料是一种重要的智能材料，它们可以根据电磁力变形。压电智能材料可在变场感应下让自身形态产生变化，有着很
大的应用潜力，被广泛应用在可穿戴设备、健康监测等领域。
2. 形状记忆合金智能材料
形状记忆合金智能材料可以实现在储能状态下合金的形状记忆效应，即在记忆区域快速变形后迅速返回原来的形状。这种材料可以应用于生产发动机、汽车零部件、医疗机器人等等。
3. 光致变色智能材料
光致变色智能材料可以根据光的强弱变化可变换颜色。通过控制光线照射的方式，便可以使智能材料对物质的敏感度增强，这种材料可以应用于制作实验室设备及光电子设备。
智能材料的应用
智能材料在可穿戴设备中的应用主要体现在以下几个方面：
1. 温度感应
有些智能材料可以根据温度变换形状，比如，可以将智能材料嵌入服装中，做成可以根据气温更改形态的服饰。
2. 健康监测
通过使用智能材料作为传感器，可穿戴设备可以监测血压、心率等健康指标，并实时将数据发送到手机等平台上，用户可随时掌握自己的身体状况，给出针对性的健康建议。
3. 运动监测
可穿戴设备可以利用智能材料实现运动监测，如监测用户的运动数据，包括跑步的卡路里消耗、心率变化、睡眠质量等，为用户提供更精准的运动指导。
智能材料的设计及应用
智能材料的设计及应用
随着科技的发展，智能材料被越来越广泛的应用于各个领域，从消费电子产品
到航空航天、医疗和军事等领域。智能材料具有感知、响应和适应环境的能力，能够根据外部环境的变化进行自动调节，增强材料的功能和性能。本文将探讨智能材料的设计及其应用领域。
一、智能材料的种类
智能材料可以根据其性质和响应机理分类。
1. 依据响应机理：智能材料可以响应各种物理和化学刺激，例如温度、光线、
磁场、电场、声波、压力等，分别对应热敏材料、光敏材料、磁敏材料、电敏材料、声敏材料和压敏材料。
2. 依据性质分类：智能材料可以分为形状记忆材料、自修复材料、智能涂料、
光学调节材料、传感器材料等。
二、智能材料的设计
智能材料的设计涉及到物理、化学、材料学等多个领域的知识。下面以形状记
忆材料为例，介绍智能材料的设计过程。
1. 准备合适的材料：形状记忆材料通常由聚合物、合金、复合材料等制成，得
到合适的成分和结构的材料是成功设计智能材料的关键。
2. 研究形状记忆机理：形状记忆材料的最重要的特性是它们的形状记忆机理。
了解其原理和机理，可以帮助我们更好地设计材料。例如，聚合物形状记忆材料的形状记忆是由于其具有晶体形态和橡胶形态两种结构，温度变化会导致结构之间的转变，进而实现形状记忆的功能。
3. 主动和被动形状记忆材料设计：主动形状记忆材料是指，需要外部刺激才能
实现形状记忆，如温度变化等。被动形状记忆材料是自动可逆变形材料，例如水凝胶和氢化苯乙烯，它们可以通过内部能量释放实现自动的形状记忆。
三、智能材料的应用
智能材料在工业、医疗、环保、航空航天等众多领域得到了广泛应用。
智能材料成型加工中的形状记忆控制与优化技术
智能材料成型加工中的形状记忆控制与优化
技术
智能材料是指能够根据外界环境或刺激条件改变其形状、性能或功能的材料。
其中，形状记忆材料是一类具有特殊性能的智能材料，其最大的特点是能够在受到外界刺激时恢复到其原始形状。这一特性使得形状记忆材料在许多领域具有广泛的应用前景，如医疗器械、航空航天、机械工程等。而在智能材料的成型加工过程中，形状记忆控制与优化技术起着至关重要的作用。
形状记忆控制技术是指通过外界刺激来操控智能材料的形状变化。目前常用的
刺激方式有温度、电场、磁场等。其中，温度是最常用的刺激方式，也是最容易实现的一种方式。通过控制智能材料的温度，可以使其在不同形状之间进行转换。这种转换是可逆的，即在刺激消失后，智能材料会恢复到其原始形状。除了温度刺激外，电场和磁场刺激也被广泛应用于形状记忆控制技术中。通过改变电场或磁场的强度和方向，可以实现对智能材料形状的精确控制。
形状记忆优化技术是指通过优化智能材料的成型加工过程，使其形状记忆性能
得到最大化。形状记忆优化技术主要包括两个方面的内容：一是优化智能材料的组织结构，二是优化智能材料的成型工艺。在优化智能材料的组织结构方面，可以通过调整材料的成分、晶体结构和晶粒尺寸等来改善其形状记忆性能。例如，通过合适的合金化处理，可以提高智能材料的形状记忆效应。在优化智能材料的成型工艺方面，可以通过改变成型温度、压力和速度等参数，来控制智能材料的形状记忆性能。同时，还可以通过改变成型模具的形状和尺寸，来改善智能材料的形状记忆效应。
形状记忆控制与优化技术在智能材料的成型加工中有着重要的应用价值。首先，形状记忆控制技术可以使智能材料在不同的工况下实现形状的转换，从而满足不同应用需求。例如，在医疗器械领域，可以利用形状记忆控制技术来制造可植入人体
智能材料有哪些
智能材料有哪些
智能材料是指通过改变外部环境来改变物质的性能和功能的一类新型材料。智能材料具有自感知、自适应和自响应的能力，能够根据环境的变化主动调整自身状态，具有广阔的应用前景。下面将介绍几种常见的智能材料。
1. 形状记忆合金：形状记忆合金是一种特殊的合金材料，具有记忆自身形状的能力。在受到外力变形后，可以通过升温而恢复原始形状，这种材料在飞机、汽车、医疗器械等领域有广泛的应用。
2. 光敏材料：光敏材料是指对光线具有敏感性的材料。根据光照的强弱、光的波长等特征，可以改变其电导率、电阻率、折射率等性质。光敏材料在光电子器件、光通信、传感器等领域有重要应用。
3. 压电材料：压电材料是具有压电效应的材料，即在受到机械应力作用时可以产生电荷和电势的变化。压电材料能够将机械能转化为电能，具有广泛的应用，如声波发射器、压电陶瓷换能器等。
4. 磁致伸缩材料：磁致伸缩材料是指在磁场作用下会发生线性尺寸变化的材料。该材料具有较大的磁致伸缩效应，可以用于精密仪器、航空航天等领域中。
5. 阻变材料：阻变材料是一种具有电阻值随温度、电流和电压的改变而变化的特性的材料。阻变材料经过特定处理后，可以
实现电热控制、变阻器件等应用，如电热防雾、抗静电涂层等。
6. 智能涂料：智能涂料是一种能够根据外部环境的变化而改变颜色、光学特性的涂料。智能涂料广泛应用于建筑物外墙、汽车车身等领域，具有保温、防污、变色等功能。
总结起来，智能材料包括形状记忆合金、光敏材料、压电材料、磁致伸缩材料、阻变材料和智能涂料等。随着科技的不断发展，智能材料的研究与应用将会越来越广泛，为人类的生活和工作带来更多的便利和创新。
形状记忆材料与智能材料
Ti-Ni合金通过在1000℃左右固溶后，在400℃ 进行时效处理，再淬火得到马氏体。
形状记忆材料 (1) Ti-Ni基记忆合金中的基本相和相变 在Ti-Ni二元合金系中有TiNi、Ti2Ni和Ti3Ni三种金 属间化合物。 CsCl结构的体心立方晶体 高温相（母相TiNi ） 冷却 单斜晶体
包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。
智能材料 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。
光导纤维 半导体控制电路 形状记忆合金
传感元件 (检测结构中的 应变和温度)
控制系统 (根据传感元件的信 息驱动元件动作)
执行元件 (使结构动作 改变性状)
智能材料
识别
分析
4.2.2 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。
能够对探测到的外部环境的变化作出判断， 并给出相应的改变材料状态的指令
控制器
材料自身 能够探测 到外部环 境状态的 变化
传 感 器
智能机构
执 行 器
图2 双程形状记忆效应
形状记忆材料 全程形状记忆效应——当加热时恢复高温相形状，冷 却时变为形状相同而取向相反 的高温相形状的现象。只能在 富镍的Ti- Ni合金中出现。
形状记忆合金的特点和应用
形状记忆合金的特点和应用
什么是形状记忆合金？
形状记忆合金，也称记忆合金，是一种特殊的金属合金。其特殊之处在于在经历某些物理变化或力学应力的情况下能够“记忆”自己的原始形状，并还原成原来的形状。
形状记忆合金的特点
形状记忆合金具有以下特点：
1.记忆性：形状记忆合金在经历一定的变形后，能够回到原始形状。这
种特性被称为“形状记忆”。
2.弹性：形状记忆合金的弹性非常好，能够承受很大的变形。
3.耐腐蚀性：形状记忆合金具有很好的耐腐蚀性能。
4.高温稳定性：形状记忆合金在高温下也能保持稳定性。
形状记忆合金的应用
形状记忆合金被广泛应用于各个领域，以下是几个重要的应用：
医疗领域
形状记忆合金在医疗领域有着广泛的应用。它们可以被用于制造支架、手术器械和植入物等医疗设备。例如，在心脏手术中，医生使用形状记忆合金支架来扩张狭窄的心脏血管。
汽车和航空领域
形状记忆合金也被广泛地应用于汽车和航空领域。汽车发动机由于高温和高压的影响，对材料的性能要求很高，而形状记忆合金能够稳定地工作在高温和高压环境下，因此是理想的选择。在航空领域，一些形状记忆合金被用作机身、发动机和座椅支架等高强度部件。
家具领域
形状记忆合金在家具领域也有应用。例如，一些奢华的床垫上使用形状记忆合金弹簧，可以根据人体的不同形状来适应睡眠者的身体。此外，还有一些可以自动调节高度和角度的桌子和椅子等家具，其结构中也使用了形状记忆合金。
形状记忆合金的未来
虽然形状记忆合金已经被广泛应用，但其未来的发展仍有很多潜力。例如，科学家正在研究如何利用形状记忆合金制造更先进的机器人和人工肢体，以及如何运用于智能材料等方面。因此，我们期待着形状记忆合金在未来的广泛应用。
新型智能材料在机电系统中的应用
新型智能材料在机电系统中的应用
随着科技的不断发展，新型智能材料作为一种新兴的材料类型，正逐渐被广泛
运用于机电系统中。新型智能材料的出现，将会对传统的机电系统带来深远的影响。本文将从机电系统的角度出发，探讨新型智能材料在机电系统中的应用。
一、新型智能材料简介
新型智能材料是指一类具有可控性、可响应性、可逆性、自适应性等特性的功
能材料。它们可以根据外界的刺激，如温度、电场、磁场、光等，发生结构、性质或形状的改变。新型智能材料通常可以分为以下几类：
1.形状记忆材料：根据温度或应力变化，可以自动恢复原来的形状。
2.流变材料：可以根据外力的大小和方向改变粘滞性质。
3.压电材料：可以将机械能转换成电能和反过来。
4.磁记忆材料：可以通过外加磁场来实现形状和性质的变化。
5.光致变色材料:可以根据光的强度和频率，在某些波长下发生颜色变化。
二、新型智能材料在机电系统中的应用
（一）形状记忆合金
形状记忆合金是一类具有形状记忆效应的材料。当在室温下形态复杂的形状记
忆合金被变形后，可以通过一系列的热处理使其退回原始形状。形状记忆合金的应用非常广泛，在汽车、电子、航空等领域都有涉及。在机械工业中，可以用形状记忆合金制造阀门、夹具、弹簧等零部件。在电器行业中，可以用形状记忆合金制造温控开关、自适应控制器等。
（二）压电陶瓷材料
压电陶瓷材料是一种将机械能转换为电能的材料。它在机电系统中的应用非常
广泛，如超声波发生器、无线电收发电路、振荡器等。此外，压电材料在医疗设备、计算机、通讯设备等领域也有广泛应用。
（三）流变体
流变体是一种科学的、高效的力传递材料。它由流体基质和固体颗粒组成，具
形状记忆材料
形状记忆材料
形状记忆材料是一种特殊材料，能够保持或恢复其原有形状。它具有很多优点，如具有较高的弹性和可塑性，能够经历多次形状改变而不损坏。这种材料可以应用于许多领域，如医疗、工程和电子等。
形状记忆材料的最重要的特性之一是其能够保持或恢复原有形状。这意味着当受到外力变形后，材料可以自动返回其最初的形状，而不需要外力的干预。这对于许多应用来说是非常有用的，例如，在心血管支架中使用形状记忆材料，可以将支架折叠成较小的直径，然后在患者体内展开，以减少手术切口的大小。
形状记忆材料还具有较高的弹性和可塑性。这使得材料能够经历多次形状改变而不损坏，同时能够保持其原有的特性。这种特性使得形状记忆材料成为制造智能材料和结构的理想选择。例如，在航天器的降落伞中使用形状记忆材料，可以使降落伞能够适应不同的速度和高度，并提供更好的控制和安全性。
形状记忆材料还具有较高的耐腐蚀性和耐磨损性。这使得它在恶劣环境下的应用很受欢迎，例如在海洋工程中使用形状记忆材料，可以抵抗海水的腐蚀和高压力的磨损。这种材料还可以在高温和低温环境下保持其性能，具有很大的应用潜力。
除了这些特性外，形状记忆材料还具有其他一些有趣的特点。例如，当形状记忆材料处于高温状态时，可以很容易地改变其形状，而当温度降低时，材料会恢复其原来的形状。这种性质
可以在制造机械臂和机械手等应用中发挥作用，使得它们能够在各种不同的环境条件下工作。
总的来说，形状记忆材料是一种具有很多优点的特殊材料。它的应用范围非常广泛，包括医疗、工程和电子等领域。随着技术的进步，形状记忆材料将会变得越来越普遍，并对人类的生活和工作产生积极的影响。
机器人中的形状记忆材料
机器人中的形状记忆材料
一.前言
形状记忆合金(SMA)不仅是一种具有潜在用途的智能材料，而且是一种新的功能材料, 其主要特征是具有形状记忆效应, 能感知温度或位移的变化, 可将热能转换为机械功，如果控制加热或冷却, 可获得重复性很好的设定的循环性动作。由于形状记忆合金可集传感、驱动及执行机构于一体, 因而是一种很好的智能材料。用形状记忆合金制作的机械动作元件具有独特的优点：如结构简单、体积小巧、成本低廉、控制方便等。
二.定义及原理
（1）定义：形状记忆合金是经过适当的加工热处理使其记忆所要求的形状后,即使再变形，只要再加热到一定的温度，即可恢复到变形前形状。由于具有形状记忆效应的金属一般是由两种以上金属元素组成的合金，称为形状记忆合金（SMA）。
（2）原理：大部分合金和陶瓷记忆材料是通过马氏体相变而呈现形状记忆效应的。马氏体相变具有可逆性，将马氏体向奥氏体的转变称为逆转变。形状记忆效应是热弹性马氏体相变产生的低温相在加热时向奥氏体进行可逆转变的结果。马氏相变是合金形状记忆效应与超塑性的基础。
三.形状记忆合金的分类
（1）单程记忆效应形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。
（2）双程记忆效应某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。
（3）全程记忆效应加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。
四.形状记忆合金的应用
记忆合金应用十分广泛。近年来, 随着形状记忆合金的逐渐进入工业化生产应用阶段, 在机器人的应用如在机器人元件控制、触觉传感器、机器人手足和筋骨动作部分的应用十分引人注目。日本在这方面的工作获得了很大成功, 在国际上处于领先水平。早在年在日本科学城筑波举行的博览会上, 日本展出的机器人中就有台使用了形状记忆合金。日本在海底机器人、微型机器人中采用的器件又取得了新进展。形状记忆合金主要用途：
镍钛合金双程形状记忆训练方法
一、镍钛合金双程形状记忆材料的介绍
镍钛合金是一种具有双程形状记忆特性的新型智能材料，它可以在特定的温度下发生形状记忆效应，即在被变形后，当再次加热至特定温度时能够恢复原来的形状。这种材料具有良好的可塑性和可变形性，可以被用于各种形状记忆应用中。目前，镍钛合金双程形状记忆材料已经被广泛应用于医疗、航空航天、汽车以及电子等领域。
二、镍钛合金双程形状记忆训练方法的意义
1. 提高形状记忆训练效率
镍钛合金双程形状记忆训练方法能够帮助个体更快速地掌握使用形状记忆材料进行变形和恢复的技能，从而提高形状记忆训练的效率，减少训练周期，提高形状记忆材料的应用水平。
2. 提高形状记忆材料的应用价值
通过镍钛合金双程形状记忆训练方法的实施，可以培养更多的形状记忆材料的专业人才，提升形状记忆材料在各行业中的应用价值，推动形状记忆材料技术的发展。
三、镍钛合金双程形状记忆训练方法的内容和步骤
1. 理论学习阶段
（1）介绍镍钛合金双程形状记忆材料的基本特性和应用领域；（2）讲解形状记忆训练的重要性和意义；
（3）学习形状记忆材料的基本工作原理和热力学原理。
2. 操作训练阶段
（1）模拟形状记忆材料的变形和恢复过程，分析变形和恢复的原因和条件；
（2）学习使用形状记忆材料进行手工制作和实际应用；
（3）进行形状记忆材料的模拟实验和实际操作训练。
3. 应用实践阶段
（1）参与形状记忆材料在医疗、航空航天、汽车、电子等领域的实际应用项目；
（2）参与形状记忆材料的新产品研发和应用推广，提高形状记忆材料的应用技术水平。
四、镍钛合金双程形状记忆训练方法的实施途径
主要的形状记忆聚合物
主要的形状记忆聚合物
形状记忆聚合物（Shape Memory Polymer，简称SMP）是一种智能响应性材料，具有记忆和恢复初始形状的特性。其主要应用领域包括医疗、纺织、机械和化工等。
SMP的材料特性包括：
1. 可恢复性：SMP在变形后能够在外部刺激下恢复到其初始形状。
2. 低密度：SMP相对于其他金属材料，具有较小的密度，有利于减轻结构重量。
3. 易加工：SMP加工性能良好，可以采用多种方法进行成型。
4. 形状转变温度可调：SMP的形状转变温度可以根据需要进行调整。
5. 良好的生物相容性：SMP在医疗领域具有广泛应用前景，因为它具有良好的生物相容性。
6. 智能响应：SMP可以根据外部环境条件（如温度、光照等）发生形状变化。
在我国，形状记忆聚合物研究取得了显著进展，包括构建本构方程、实验验证以及将其应用于医疗等领域。例如，已有的研究项目中，新型形状记忆聚合物技术获得了美国药监局（FDA）的研究设备豁免（IDE），开始试验以确定其在选择性血管内动脉瘤修复术（Evar）中的安全性和有效性。
此外，形状记忆聚合物在智能制造领域也具有潜力。例如，将SMP应用于机器人领域的驱动器，可以实现自适应变形，提高机器人的灵活性和适应性。
总之，形状记忆聚合物是一种具有广泛应用前景的创新材料，其特性包括可恢复性、低密度、易加工、形状转变温度可调、良好的生物相容性和智能响应等。在我国，研究者正努力推动形状记忆聚合物技术的发展，并将其应用于医疗、智能制造等领域。
柔性智能材料的合成与应用研究
柔性智能材料的合成与应用研究
作为一种具有多种功能的新型材料，柔性智能材料在多个领域中展现出巨大的
应用潜力。柔性智能材料是指能够对外界刺激做出相应变化的材料，其具有柔韧性、可控性和适应性等特点，广泛应用于生物医学、机器人、航空航天等领域。
为了实现柔性智能材料的合成与应用，研究人员们着眼于两个主要方面：材料
合成和材料应用。
在材料合成方面，研究人员通过不断创新和改进合成方法，开发出了多种柔性
智能材料。其中最常见的一类是压电材料。压电材料是指在机械应力作用下，产生电荷分离与电位差的材料。通过改变压电材料的成分和结构，研究人员可以调控其性能，使其具有更多的应用场景。
另一类常见的柔性智能材料是形状记忆材料。形状记忆材料是一种能够在外界
刺激下改变形状并具有记忆性能的材料。通过改变形状记忆材料的组成和结构，研究人员可以调控其形状变化的速度和程度，从而实现更多样化的应用。
在材料应用方面，柔性智能材料展现出了广泛的应用前景。在生物医学领域，
柔性智能材料可以应用于人工心脏瓣膜、组织修复和医疗器械等方面。例如，通过将柔性智能材料应用于人工心脏瓣膜上，可以实现对心脏功能的调节和控制，从而提高手术治疗的效果。
在机器人领域，柔性智能材料可以用于制造柔软的机器人外骨骼，提供更好的
动作控制和灵活性。这些柔性智能材料可以模仿人体骨骼和肌肉的运动方式，实现更加自然和精准的机器人运动，拓展机器人的应用范围。
在航空航天领域，柔性智能材料可以用于制造柔性翼型，提供更好的飞行性能
和操控性。柔性翼型可以根据外界环境和飞行状态实时调整形状，从而提高飞机的升力和减小飞行噪音，使飞行更加安全和高效。
形状记忆高分子材料的发展及应用概况
形状记忆高分子材料的发展及应用概况
一、本文概述
形状记忆高分子材料（Shape Memory Polymers, SMPs）是一类具有独特形状记忆效应的智能材料，能够在受到外界刺激（如温度、光照、电场、磁场等）时，恢复其原始形状。自上世纪90年代开始，随着材料科学和工程技术的不断进步，形状记忆高分子材料得到了快速发展，并在航空航天、生物医疗、汽车制造、智能传感器等领域展现出广阔的应用前景。本文旨在全面概述形状记忆高分子材料的发展历程、基本原理、性能特点以及当前的应用概况，以期为相关领域的科研工作者和工程师提供参考和启示。
在发展历程方面，本文将介绍形状记忆高分子材料的起源、发展阶段和当前的研究热点。在基本原理方面，将重点阐述形状记忆高分子材料的形状记忆效应产生的机制，包括交联网络结构、可逆物理/化学交联、热膨胀系数等。在性能特点方面，将总结形状记忆高分子材料的优点和局限性，如形状恢复速度快、可重复性好、加工性能好等，以及其在高温、高湿等恶劣环境下的稳定性问题。在应用概况方面，将详细介绍形状记忆高分子材料在航空航天、生物医疗、汽车制造、智能传感器等领域的具体应用案例，并分析其未来的发展趋势和市场前景。
通过本文的综述，读者可以全面了解形状记忆高分子材料的最新研究进展和应用现状，为相关领域的科研和产业发展提供有益的参考。
二、形状记忆高分子材料的分类
形状记忆高分子材料（Shape Memory Polymers, SMPs）是一类
具有独特“记忆”形状功能的智能材料。它们能够在外部刺激（如温度、光照、电场、磁场或pH值变化等）的作用下，从临时形状恢复
化学物质的智能材料和仿生材料在机器人学中的应用有哪些
化学物质的智能材料和仿生材料在机器人学
中的应用有哪些
随着现代科技的飞速发展，智能材料和仿生材料已成为机器人
制造中的重要组成部分。这些具有特殊性质的材料能够实现对机
器人的自动调节和响应，从而使机器人变得更加智能化、灵活化
和高效化。本文将介绍化学物质的智能材料和仿生材料在机器人
学中的应用，希望对读者有所启发。
一、形状记忆材料
形状记忆材料是一种新型智能材料，具有记忆效应。在机器人
学中，形状记忆材料被广泛应用于机器人的柔性机构和变形机构。例如，利用形状记忆合金制作的弯曲传感器可以用于检测机器人
关节运动的角度变化，从而实现对机器人的远程控制。此外，形
状记忆泡沫材料还可用于制作柔性机械臂，从而使机器人的活动
范围更广泛，操作更灵活。
二、光敏材料
光敏材料是一种可响应光刺激的智能材料，通常由聚合物和光
敏剂组成。在机器人制造中，光敏材料的应用也十分广泛。例如，光敏聚合物可以制作光驱动机器人的驱动器件，从而让机器人具
有自主运动能力。此外，光敏材料还可用于机器人的激光扫描和
散射测量，从而提高机器人的感知和识别能力。
三、仿生材料
仿生材料是一种模拟生物体组织、结构或属性的新型材料，其
优点是与生物体的交互性更好，并且可以抵御各种外部干扰。在
机器人学中，仿生材料通常用于制造仿生机器人和仿生传感器。
例如，仿生材料可以用于制作机器人皮肤，从而让机器人产生“触觉”，实现对外部环境的感知和反馈。此外，仿生材料还可用于制
作仿生关节和仿生肌肉，实现机器人的仿生行动。
四、磁敏材料
磁敏材料是一种对磁场敏感的材料，可用于制造机器人的驱动
- 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)。
形状记忆智能材料
智能材料结构又称机敏结构(Smart/Intelligent Materials and Structures)，泛指将传感元件、驱动元件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、磁等激励和控制，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、自修复的材料结构。智能材料结构是一门交叉的前沿学科，所涉及的专业领域非常广泛。智能材料可以分为形状改变材料（SCM）和形状记忆材料（SMM）两类。SCM本身就是一个开关，在外部刺激的作用下，它陪伴着临时转换机制，即当移除外部触发器（刺激）时，转换后的实体便回到其原始形状。相反，SMM会适应触发的形状或临时形状，除非另一个触发器将变化推回其原始形式，并且材料能够追踪在刺激作用下自身经历的转换路径。具有形状记忆特性的材料分为形状记忆水凝胶（SMH）、形状记忆陶瓷（SMC）、形状记忆合金（SMA）、形状记忆复合材料（SMC）和聚合物（SMP），其中SMP是研究最多的类别。
1、形状记忆聚合物（SMP）
SMP是一组可以在有外部刺激（例如热或光）的情况下保持临时形状并恢复其初始形状的聚合物。由于其相对高的模量和刺激响应速度，形状记忆聚合物是最广泛使用的活性材
料。对于SMP实现形状转移行为，它需要一个编程步骤和一个恢复步骤。在编程步骤中，SMP首先在高于转变温度（Tt）的温度下变形（对于半结晶聚合物，其熔化温度为Tm，对于无定形聚合物的玻璃化转变温度为Tg），然后冷却至Tt 以下，SMP以变形形状编程（或固定）。通过恢复步骤实现形状转变，在恢复步骤中，SMP被加热到高于Tt的温度，并且由于熵弹性，SMP恢复到其原始形状。为了更好地协助SMP在4D打印领域的应用，应该通过适当的理论模型很好地描述上述形状记忆（SM）行为。在SMP现有模型中，基于热粘弹性模型和基于相位演变的模型已被广泛采用。然而，相对依赖于时间的形状演化，设计师更感兴趣的是如何通过材料建模和结构设计以实现期望的目标形状。
SMP对环境（刺激）敏感，因为它们的SME特征使尺寸可能发生变化，从而确保较低的成本（进料和加工）、重量因子、可用原料、转化温度边界和表面框架。它们为刺激下形状记忆的可逆性研究提供了空间，在4D打印材料研究中被广泛探索，得到了极大的利用，例如PLA、PC、丙烯酸酯、ABS等或它们的混合物极大地推动了其在飞机、纺织品、航空航天和其他领域的应用。根据诱导SME的刺激的类型，大多数的SMP分为热响应、光响应、电响应和化学反应性的SMP；根据其刺激相应机制可分为：热致型SMP、电致型SMP、光致型SMP、化学感应型SMP等。
2、形状记忆合金（SMA）
另一类显示记忆效应的智能材料是SMA，它可以证明金属/合金粉末到印刷成品的热机械能转化。通过激光扫描对金属或合金粉末进行加热，使之融合成致密、少孔的结构，并增强了机械性能。SMA最初研究的类别是镍钛（Ni-Ti），因为它与身体环境具有兼容性，而另一种是铜和铁基SMA，因为它们的成本低.热或磁刺激转变是两个主要的刺激过程，旨在实现奥氏体和马氏体边界之间的可逆性。SMA的增材制造存在一对矛盾，即足够高的能量输入可使粉末颗粒完全熔化，从而获得接近全密度的成分；而足够低的能量输入可使温度梯度和熔池与相邻粉末颗粒之间的残余应力最小化，从而避免裂纹倾向。
3、形状记忆水凝胶（SMH）
基于SMP的4D打印通过多种或可逆形状转换的复杂功能可响应温度而进行结构修改和恢复，然而，由于其在潮湿环境中的可持续性、刚性、材料渗透性和生物相容性所受到的限制，SMP无法完全替代亲水性软材料。因此，近几年人们对有机械活性的自成形水凝胶越来越感兴趣，SMH经过所需的可编程3D形状转换应用于软机器人执行机械任务。在软机器人中使用水凝胶系统具有设计简单、成本底、可以在低温和水性环境中加工以及可以模仿人类功能等明显优势。所有生物培养物都有自我修复的趋势，可补充小静脉和组织的健康，并在4D打印中重新出现。水凝胶是一种聚合物的自
我适应性大分子互连网络，其功能是捕获和释放水（提供刺激），通过收缩和膨胀促进结构的转变。
水凝胶材料具有快速，自主的自我修复和自我修复能力，可广泛用于各种应用中从软机器人到组织工程。基于N异丙基丙烯酰胺（NIPAM）的水凝胶是软致动器演示的最广泛使用的水凝胶，但是由于其机械强度低、响应和恢复过程较慢、LCST较窄以及自愈特性不足，在实际应用受到了一定限制。
4、形状记忆陶瓷（SMCrs）
陶瓷是刚性和硬质材料，能够在不利的环境下以极低的应变接受程度承受很高的工作温度。液体陶瓷悬浮液通过磁取，向官能化陶瓷的各向异性收缩或在热处理过程中，通过形状编程使用聚二甲基硅氧烷基纳米复合材料对陶瓷进行4D打印。SMCrs表现出更高的驱动力应力和应变，以及比典型的SMA合金更宽的转变温度。在当前可用SMCrs中，基于氧化锆（ZrO2）的陶瓷由于在可逆马氏体相变机理的机械热致动方面与SM合金相似，因此受到了广泛的关注。一些其它的陶瓷，例如多铁钙钛矿，还通过可逆马氏体相变过程表现出形状记忆行为（例如，菱形四方晶中的BiFeO3），但致动是由外部电场和热场触发的，其应用主要基于其铁电或压电特性。
在许多应用中，都需要使用经济高效的工艺将陶瓷成型为复杂的几何形状，但这仍然是一个挑战。Bargardi等受植物
中增强纤维素原纤维的组织的启发，通过对材料的微观结构进行编程以使其在热处理过程中发生局部各向异性收缩，可以在陶瓷中实现自整形。通过设计微结构实现自定形，在这种结构中，故意将氧化铝增强薄片排列以控制氧化铝纳米颗粒周围基质的局部收缩（Al2O3NP）。与目前用于生产复杂形状陶瓷的机械加工工艺和注射成型工艺相反，这种受生物启发的方法可将废料量降至最低，并且不需要昂贵的机械。另外，该方法使我们能够制造具有复杂几何形状的陶瓷零件，而这些零件不会出现弱的界面或结。
5、形状记忆复合材料（SMC）
与其他分类不同，SMC是SMM的重叠区域，其中至少一个SMM属于复合材料中的单体基团，其中每个单体均有助于其最终设计。例如，SMA和SMP显示出不同的形状恢复机制，并且由于其SME特性而在许多领域进行了研究。但是，这些形状记忆材料存在一些不足，如SMA成本高、应变恢复力低等。由于这些原因，很难单独使用SMA或SMP。因此，许多研究者结合了SMA和SMP制成了SMC。Kang等人使用3D打印技术，以尼龙12作为长丝形式的打印材料，通过可逆SMC 驱动来制造4D打印执行器。此外，他们改变了SMA与SM的体积分数，以找到良好的操作循环的最佳比率，可应用于增材制造的支架和瓣膜控制器。总之，已经有很多实验证明，复合材料可以在印刷设计中实现多种特性（收缩、预应变、