智能材料与形状记忆材料概述

因此，智能材料往往不是研制一种材料使之具备多种智能 特性，而是根据需要在所使用的基体材料中融入某种新的 材料和器件，这种融入的材料或器件一般具有某种或多种 智能特性，这样使智能材料的性能和应用得到了很大扩展。
（1） 敏感特性
融入材料使新的复合材料能感知环境的各种参数及其变化。
日本发明光纤传感器
新华网 （ 2003-02-11 16:48:57 ）
由于计算机技术的高度发展，智能材料与结构的智能特 性已经或正在逐步实现，问题的关键是如何将材料敏感的各 种信息通过神经网络传输到计算机系统。
两种方法：一种是在大型智能结构系统中，将智能材料敏感 到的各种参数传感到结构体系的普通计算机内；另一种是在
智能材料中埋入超小型电脑芯片。
（4）自适应特性
是由智能材料中的各种微型驱动系统来实现。该系统是 由超小型芯片控制并可作出各种动作，使智能材料自动适应 环境中应力、振动、温度等变化或自行修复各种构件的损伤。
日本东京大学工学系开发出了世界第一个用来检查核电 站、高速公路、隧道等是否存在裂纹的光纤传感器，灵敏度是 过去检测装置的千倍以上，价格也很便宜。
这种传感器使用简便，灵敏度高。只需将光纤制成的线圈 贴在大楼、桥梁等物体的表面，如果这些被检测物体存在裂纹 ，传感器就会感知到由此产生的微小声音和振动，光纤内传导 的光信号波长会发生变化，分析这些变化就能发现裂纹的位置 及开裂的程度。
第7章 智能材料与形状记忆材料
7.1 智能材料
智能材料是近年来在世界上兴起并迅速发展的材料技术的一个新领域。
7.1.1 基本概念
设想：
混凝土能自己发现混凝土大坝里的裂缝； 玻璃能根据环境光强的变化而自行改变透光率，使进入
室内的阳光变暗或变亮； 墙纸可以变化颜色以适应不同环境； 空中飞行的飞机能自行诊断其损伤状态并自行修复。
仿生 “活”的材料
美国和日本科学家首先提出的。 1989年日本高木俊宜教授将信息科学融于材料的特性和
功能，提出智能材料 (Intelligent materials) 概念，它是 指对环境具有可感知可响应等功能的新材料。
美国的R．E．Newnhain教授提出了灵巧 (Smart) 材料 的概念，这种材料具有传感和执行功能，他将灵巧材料 分为被动灵巧材料、主动灵巧材料和很灵巧材料三类。
智能材料是高技术新材料领域中正在形成 的一门新的分支学科，是2l世纪的先进材料， 是当前工程学科发展的国际前沿。
智能材料是一门交叉学科，它的发展不仅 是材料学科本身的需要，而且可以带动许多相 关学科的发展，如物理、化学、计算机、土木 工程和航空航天的发展的。
智能材料：
是指能模仿wenku.baidu.com物体，同时具有感知和控制等功能的材 料或结构。它既能感知环境状况又能传输、分析有关信息， 同时作出类似有生命物体的智能反应，如自诊断、自适应 或自修复等。
实验证明，不论裂纹位于建筑物表面、墙壁内部还是地下 深处，传感器都能准确地探测到。增加线圈的数量还能进一步 提高传感器的灵敏度。如果用玻璃纤维制成的光纤绕成线圈， 传感器的感知效果在600摄氏度的情况下仍然能够保持不变， 适合在核电站和高温化工厂使用。
形状记忆合金
机械手柔性三维运动
压电传感器
通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而 成的，这样的传感器也称为压电传感器。压电传感器主 要应用在加速度、压力和力等的测量中。
（2） 传输特性
智能材料不仅需要敏感环境的各种参数，而且需要在材 料与结构中传递各种信息，其信息传递类似人的神经网络， 不仅体积微小，而且传递信息量特大。目前用于智能材料中 信息传递的方法很多，最常用的是用光导纤维来传递信息。
（3） 智能特性
智能特性是智能材料的核心，也是智能材料与普通功能 材料的主要区别。要求能分析、判断其参数的性质与变化， 具有自学习、自适应等功能。
这种材料一般具有四种主要功能： 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。
早期的智能材料往往是一种材料集上述四种功能于一身， 因此种类极少，而且适应面很狭窄，功能单一。
现在对智能材料的四种功能分别进行处理，分别按需要进 行设计，制造多种性能优越的智能材料。
目前常用的微型驱动系统有形状记忆合金，磁致伸缩材 料，电流变体等，尤其是电流变体材料在自适应材料中的应 用特别引人注目。
电流变体
通常情况下，我们看到的液体变成固体或固体变成液体，只 与温度和压力有关。然而，你能想像出电流也有这样的作用 吗？
1947年，一个叫温斯洛的美国人发现了一个奇怪的现象。他 把石膏、石灰和炭粉加在橄榄油中，然后加水搅成一种悬浮 液，想看看这种悬浮液能不能导电。在试验中，他意外地发 现，这种悬浮液没有加上电场时，可以像水或油一样自由地 流动；可是一加上电场，就能立即由自由流动的液体变成固 体，而且随着电场强度的增加，固体的强度也在增加。当撤 消电场时，它又能立即由固体变回液体。由于这种悬浮液可 以用电场来控制，因此科学家们就把它叫做“电流变体”， 并把这种现象称为“温斯洛现象”。温斯洛还为此申请了专 利。
电流变体（续1）
那么，电流变体究竟有什么用处呢？
人们最先想到的是用它来制造汽车的离合器和刹车装置。汽 车司机都知道，改变行车速度要换挡，而换挡至少也需要几 秒钟的时间。遇到紧急情况刹车时，司机猛踩刹车让刹车片 紧紧“抱住”旋转的轮子，也要用1秒钟左右的时间。可在这 1秒钟之内，就有可能造成车毁人亡的惨剧。如果用电流变体 做成离合器或刹车装置，那么只需千分之几秒的时间，就可 以达到换挡或刹车的目的。因为不加电场时，电流变体为液 体，黏度很小，等于汽车挂不上挡；加上电场后，电流变体 的黏度随电场强度的增加而增大。当电流变体变成固体时， 主动轴就和滑动轮结合成一个整体，就相当于换上了挡，而 这个过程只需要千分之几秒的时间。用电流变体刹车的秘密 就在于此。
电流变体（续2）
近几年，科学界正在研究有“感觉”和有“知觉”的仿生智 能材料，它能随外界环境的变化而自动调节其功能，而电流 变体正好在此可以发挥作用。由于电流变体能随电压的不同 而改变自身的强度，所以能充当智能材料的“肌肉”。因为 一使劲（加上电压）肌肉就会变硬，肌肉一放松（撤掉电压） 身子就变软了。