第十一章 智能材料与结构

• 图11-4（c）是合金母相在应力作用下诱 发马氏体，并发生形状变化，去除应力 后，除弹性部分外，形状并不回复原状， 但通过加热产生逆变，便能恢复原形。 这种现象叫作形状记忆效应（SME）。
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• 形状记忆效应是由于马氏体相变造成的。 除钢铁外，大多数合金中的马氏体相变 是可逆的，即冷却时由母相P转变为马 氏体相M，即PM，加热时马氏体相M 又逆向转变为母相P，即MP。根据热 力学观点，母相与马氏体的化学自由能 在T0温度时相等，不发生转变，必须温 度低于T0，母相才有转变为马氏体的趋 势，同时还必须克服非化学自由能增量 和相变时存在的相变阻力，即温度冷到 Ms马氏体相变才开始进行。 33
• 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。
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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。
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• 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。
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• 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。
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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 9 两种类型，分述如下：
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• 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；
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• 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。
• 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 材料科学与工程的热点之一，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 1 有良好的应用前景。
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。 2
• 随着温度下降，马氏体量会逐渐增多， 直到Mf温度时，马氏体转变才终止。同 样理由，马氏体要可逆的转为母相，加 热温度必须高于T0温度，而且要加热至 As温度时，母相才开始形成，直至Af温 度逆变才完成。
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• • • •
通常称： Ms 马氏体相变（PM）开始温度； Mf 马氏体相变（PM）终了温度； As 马氏体转变为母相（马氏体逆相 变MP）的开始温度； • Af 马氏体相变为母体（马氏体逆相变 MP）的终了温度。
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第二节 智能材料结构的信息处理方法 • 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。
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• 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；
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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• 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。 智能材料与普通功能材料的区别如图11 －1所示。 6
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• 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.)。
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• 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％。
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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。
• 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与发展，加 速了智能材料与结构的全面发展，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。
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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。
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• 图11-4（a）是一般金属材料的应力应变 曲线，当应力超过弹性极限，卸除应力 后，留下永久变形，不会回复原状；图 11-4（b）是超弹性材料的应力应变曲线， 超过弹性极限后应力诱发母相形成马氏 体，当应力继续增加时，马氏体相变也 继续进行，当应力降低时，相变按逆向 进行，即从马氏体转向母相，永久变形 消失这种现象叫超弹性记忆小效应 （PME）； 31
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• （ 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。
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• 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。
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• 智能结构的设计中首先要明确应用目标， 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。
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第三节 智能材料结构中的驱 动元件及形状记忆合金
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。
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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。
（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。
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（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。
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• 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 22 压电材料更适合制备智能材料。
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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。