智能材料的发展
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智能材料的发展
河北工业大学材料系( 天津 300130) 谷南驹 吕玉申 马志红 彭会芬
摘要 智 能材料的研制是一个迅速发展的新领域, 它吸引着诸 如医学、生物材料、航空航天、材料科学以及计算机工程等 众多 学科研究者的关注。智能材料也是一种由传感器、信息 处理器和驱动器构成的新型复合材料, 它能够感知外 界的刺激并改变自 身的特性来适应环境的变化。从概念上, 智能材料的基 础是材料科学和计算机工程先进成就的结合, 它使人 们去探索利用材料 复合的非线性效应来创造新型材料。本文讨论了几类智能材料的构成模式及其工程应用前景。 关键词: 智能材料 自适应材料
[ 例 2] 形状记忆合金电磁 驱动智能材料 在形状记忆合金丝的表 面涂上 一层高 效磁性薄 膜, 则在 一定的电磁感应下可使记忆合金发热而产生变形起到要求的 驱动作用。这一系统的能量流的传递与转换如图 3 所示。该 体系的输入 为电磁能, 输出为 机械能, 感知 材料为 磁性合 金, 驱动组元为 形状记忆合 金, 中 间场是 温度场, 通过 电磁感 应、 电热效应以及形状记忆效应三者的耦合实现智能驱动。
图 1 智能材料设计原理
为进一步说明上述 原理, 举例如下: [ 例 1] 压电智能阻尼材料 将压电材料、导电材料复合于基体材料中, 并构成导电回 路。当振动作用于该材 料时, 其中 的压电材 料感知 外界的 振 动, 产生相应的极化电荷( 电场) , 在导电回 路中产生电流并以
谷南驹: 教授, 长期从事相变和新材料的教学和科研工作, 发表研究论 文 150 余篇, 其中 35 篇被收入三大索引, 获省、部 级科技进 步二、三、 四等奖各一项, 获国家专利两项。收稿日期: 1998 年 1 月 13 日
1 前言
智能材料是 90 年代迅速发展的一类新型复合材料 , 它是 将传感器、信息处理器和驱动器等复合于基体材料之中 , 使之 既能承载又具有对 环境 的 自 适应 功能 的人 工智 能型 新材 料[ 1, 2, 3, 5] 。与传统材料不同, 智能 材料必 须依赖 创造性 的构 思与设计, 即根据材料科学研究的先进成果, 依据材料复合的 非线性效应等新原理, 选择不同的敏感材料、驱动材料和信息 处理器等组 元并按照恰当 的工艺和 方法进 行复合 制备, 从而 达到创造新材料的目的[ 4] 。可以 说, 智 能材料 的问世 开创了 人类主动设计和创造新 材料的 新纪元。尤 其应指 出的是, 智 能材料的设 计及研制紧密 围绕市场 需求, 产业 化和商 品化迅 速。据美国 一家市场预测 机构估计 2000 年 智能 材料产 品年 利润可达 4 亿美元。又据美国能源部预测, 到 2010 年智能材 料的市场可达 650 亿美元, 前景极为广阔。
Development of Intelligent Materials
Gu N anju, Lu Y ushen, M a Zhihong, Peng Huifen( Hebei U niv ersity of T echno logy, T ianjin 300130)
Abstract T he study on intelligent mater ials is a new and r apidly ev olving field w hich is bring together r esearchers from many diverse fields, such as medicine, biomaterials, aeronautics, material science and computer engineer ing T he intelligent materials are also a new kind of composite material constitut ed o f the sensor , pro cessor and actuator and they can sense the external stimuli and alter their ow n properties to adapt to the changes of environment T he co ceptual background of intelligent materials is a combination of advanced achiev ments of mater ial science and co mputer eng ineering w hich seeks to create the new type of materials, ut ilizing t he nonlinear effect of materials composite Several constitut ed models of intelligent mater ials are discussed as well as t heir prospective applicat ion in en gin eeri ng Key words: intelligent mater ials ( smar t materials) , adaptive mater ials
2 智能材料的构成与设计原理
2 1 智能材料的构成 通常智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处
2 1 3 其它功能材料 包 括导电 材料、磁性材 料、光纤和 半 导体材料等。
2 1 4 基体材料 基体材料主要起承载作用, 一般选用 轻质 材料。其中高分子材料重量轻、耐腐蚀, 尤 其具有粘弹性的非 线性特征为首选的 基体材 料。其次也 可选用 金属材 料, 尤 其 以轻质有色合金为主。 2 2 智能材料的设计原理[ 4]
图 4 形状记忆合 金的力学特性( t 的关系)
16
金属热处理 1998 年第 7 期
图 5 N i T i 记忆合金的刚度( E) 和强 度( s) 随温度( t) 的变化[ 8]
记忆合金施加应力时, 首先产生一般的弹性应变( 0a) , 继 续提 高应力, 产生相变引起的 应变( ab) , 也称 为伪弹 性变 形, 当 外 力去除后, 应变回复 到 d 点, 保持 一 定的 残余 应变 ( re) 。随 后, 如将材料加热到奥氏 体转变 开始温 度 As 以 上时, 残余 应 变开始回复, 至奥氏体转变结束温度 Af 可完全回复到原 来状 态( 即 re= 0) , 因此 re又称为可 记忆应变。形 状记忆效 应的 全过程如图 4 的曲线 0abcdef 所示。当有约束时, 即不允 许材 料自由变形时, 其内部产生很大 的回复 力 r( 相变 应力) 。当 温度达到 A f 时, r 达到极 大值。这时, 材料 的刚度 也将产 生 突变, 如图 5 所示。利用形状 记忆合 金随温 度而变 化的应 变 特征, 可制成不同的智能 驱动器。 利用形状 记忆合 金的回 复 力及刚度随温度的异常 改变, 可制成主动型减振器。
3 几类智能复合材料的构成和应用
3 1 压电陶瓷智能材料[ 1, 6, 7]
压电陶瓷可将应力信号 转变为 电压, 反之也 可把电 压信
号转变为应变。应力( ij ) 、应 变( ij ) 、电位 移( D i ) 、电 场强度
( j ) 以及电极化强度( Pi) 之间存在以下关系:
Pi = dijk jk
热的形式输出。振动越强, 产生的电场越强, 发热也 越多。通 过上述能量的传递 与转换, 从而 达到了 智能阻 尼的效 果。其 物 场的交互作用如图 2 所示。
金属热处理 1998 年第 7 期
15
上述智能材料体系的输入为机械能, 输出为热能, 中间场 为 电场 。该体系是通过压电效应和电热效应的耦合来实现 阻尼的自适应控制。其中压电材料既是感知组元又是起抑制 振动作用的驱动组元。
智能材料功能的实 现为信 息流( 能量 流) 的传递、转换 和 控制。其基本原理是物质和场( 物理场或化学场) 之间的交互 作用。首先明确材料的 应用目 标, 随之分析 控制目 标的具 体 要求, 确定智能复合材料控制输入和输出的形式( 表现为物理 场或化学场) 。这里最关键 的问题 是为了 实现系 统的自 适应 控制, 必须运用材料科学的成就和知识以及自动控制原理, 根 据物 场相互作用的原则, 构想中间能量传递形式, 选择中间 场。借助于中间场, 通过几 个物理 ( 化 学) 效应的 耦合来实 现 控制目标。其原理如图 1 所示。
现出非线性复合 的特征, 即组元 1 和组元 2 复合以后 可产生
组元 1 和组元 2 均不具备的特性, 称为材料复合的 相乘性 。
它是创造智能材料的最主要依据。表 1 列出了根据材料复合
的相乘效应实现复合材料智能化的途径。
表 1 利用材料复合的相乘效应实现智能化的途径
组元 1
压电材料 压电材料 光电材料 pH 致伸缩材料 形状记忆材料
理器构成。
2 1 1 敏感材料 敏 感材 料主 要起 感知 环 境变 化( 包 括温
度、压力、应力、电磁场、和酸 碱度等) 的 作用。如 形状记 忆材 料、压电材料、光纤、磁致伸缩材料、pH 致伸缩材料、电致变色
材料、电致粘流体、磁致粘流体和液晶材料等。 2 1 2 驱动材料 驱动材 料在一 定条件 下可产 生较大 的应 变和应力, 从而起到响 应和控 制的作 用。最有效 的如形 状记 忆材料、压电材料、电致流变体和磁致伸缩材料等。可见它们 既是驱动材料又是敏感材料, 通过恰当的设计, 一种材料可同 时起两个组元的作用。
(1)
式中, dijk 为压电系数。
Pi = o x ij j
(2)
式中, o 为通用介电常数, x ij 为电 敏感度系数。
完整方程为: Pi = dik1 k1 + ox ij j
(3)
如以应变 代替( 3) 式中的 , 则: Pi = eijk jk+ ox ij j
(4)
式中, eijk为压电应变系数。
光纤
组元 2
电热材料 电致变色材料 电致变色材料
压电材料 结构材料 结构材料
来自百度文库
复合材料的新功能
压 热智能阻尼 压致变色( 报警) 光致变色( 智能玻璃) pH 致电( 生物材料) 智能减震、自修复
自诊断
( 3) 或( 4) 式可以电位移表示, 如: D = dik 1 k1 + K ik k
( 5)
式中, K ik 为介电常数张量。
2。目前, 对这类材料的研究方向主要集中 在结构形状的自适
应控制和结构噪声及振 动的主动控制。
对于压电陶磁智能传感器, 国外已进入实用化阶段, 已成
功地用于各种光跟踪系 统( 激光陀 螺补偿 器) 、机 器人的 定位
器、喷墨打印机以及噪声和振动的主动控制系统等[ 3] 。
表 2 压电材料智能传感器 与驱动器
图 2 压电阻尼材料的物 场的交互作用示意图
图 3 形状记忆合金电磁驱动智能材料的物
场的交互作用示意图
2 3 材料复合的非线性效应
相乘性
智能材料的创造, 离不开 材料复 合的 相 乘性
非线
性效应。对于复合结构材 料, 一 般为线 性复 合, 即 A/ 2+ B/ 2
可得到( A+ B) / 2 的性能。然而, 许多功能材料的复合往往呈
类型
压电效应 输入 输出
应用
PZ T ( Pb( Zr, Ti) O 3)
PV D F ( 亚乙烯氟)
正效应 逆效应
正效应
应力 电压 动态或静态 机械载荷 电压
电压 应变
电压
机械载荷传感器 变形控制驱动器 动、静载荷感受 器( 可用作被动
减振器)
逆效应
应变 应变速率控制器
3 2 形状记忆合金智能体系 如图 4 所示, 形状记忆 合金具 有独特 的力学 特性。当 对
在逆效应中, 将产生应变或应力: jk = dijk i
( 6)
jk = eijk i
( 7)
由于压电产生的应力 会使晶 体产生机 械反应, 于 是综合 应力
和应变: ij = Eijk1 k 1- ekij i
( 8)
ij = C ijk 1 k1 + dkij k
( 9)
式中, Eijk1 为弹性模量, Cijk1为 弹性柔顺系数张量。 根据上述关系, 可设计出不同用途的智能材料系统, 见表
河北工业大学材料系( 天津 300130) 谷南驹 吕玉申 马志红 彭会芬
摘要 智 能材料的研制是一个迅速发展的新领域, 它吸引着诸 如医学、生物材料、航空航天、材料科学以及计算机工程等 众多 学科研究者的关注。智能材料也是一种由传感器、信息 处理器和驱动器构成的新型复合材料, 它能够感知外 界的刺激并改变自 身的特性来适应环境的变化。从概念上, 智能材料的基 础是材料科学和计算机工程先进成就的结合, 它使人 们去探索利用材料 复合的非线性效应来创造新型材料。本文讨论了几类智能材料的构成模式及其工程应用前景。 关键词: 智能材料 自适应材料
[ 例 2] 形状记忆合金电磁 驱动智能材料 在形状记忆合金丝的表 面涂上 一层高 效磁性薄 膜, 则在 一定的电磁感应下可使记忆合金发热而产生变形起到要求的 驱动作用。这一系统的能量流的传递与转换如图 3 所示。该 体系的输入 为电磁能, 输出为 机械能, 感知 材料为 磁性合 金, 驱动组元为 形状记忆合 金, 中 间场是 温度场, 通过 电磁感 应、 电热效应以及形状记忆效应三者的耦合实现智能驱动。
图 1 智能材料设计原理
为进一步说明上述 原理, 举例如下: [ 例 1] 压电智能阻尼材料 将压电材料、导电材料复合于基体材料中, 并构成导电回 路。当振动作用于该材 料时, 其中 的压电材 料感知 外界的 振 动, 产生相应的极化电荷( 电场) , 在导电回 路中产生电流并以
谷南驹: 教授, 长期从事相变和新材料的教学和科研工作, 发表研究论 文 150 余篇, 其中 35 篇被收入三大索引, 获省、部 级科技进 步二、三、 四等奖各一项, 获国家专利两项。收稿日期: 1998 年 1 月 13 日
1 前言
智能材料是 90 年代迅速发展的一类新型复合材料 , 它是 将传感器、信息处理器和驱动器等复合于基体材料之中 , 使之 既能承载又具有对 环境 的 自 适应 功能 的人 工智 能型 新材 料[ 1, 2, 3, 5] 。与传统材料不同, 智能 材料必 须依赖 创造性 的构 思与设计, 即根据材料科学研究的先进成果, 依据材料复合的 非线性效应等新原理, 选择不同的敏感材料、驱动材料和信息 处理器等组 元并按照恰当 的工艺和 方法进 行复合 制备, 从而 达到创造新材料的目的[ 4] 。可以 说, 智 能材料 的问世 开创了 人类主动设计和创造新 材料的 新纪元。尤 其应指 出的是, 智 能材料的设 计及研制紧密 围绕市场 需求, 产业 化和商 品化迅 速。据美国 一家市场预测 机构估计 2000 年 智能 材料产 品年 利润可达 4 亿美元。又据美国能源部预测, 到 2010 年智能材 料的市场可达 650 亿美元, 前景极为广阔。
Development of Intelligent Materials
Gu N anju, Lu Y ushen, M a Zhihong, Peng Huifen( Hebei U niv ersity of T echno logy, T ianjin 300130)
Abstract T he study on intelligent mater ials is a new and r apidly ev olving field w hich is bring together r esearchers from many diverse fields, such as medicine, biomaterials, aeronautics, material science and computer engineer ing T he intelligent materials are also a new kind of composite material constitut ed o f the sensor , pro cessor and actuator and they can sense the external stimuli and alter their ow n properties to adapt to the changes of environment T he co ceptual background of intelligent materials is a combination of advanced achiev ments of mater ial science and co mputer eng ineering w hich seeks to create the new type of materials, ut ilizing t he nonlinear effect of materials composite Several constitut ed models of intelligent mater ials are discussed as well as t heir prospective applicat ion in en gin eeri ng Key words: intelligent mater ials ( smar t materials) , adaptive mater ials
2 智能材料的构成与设计原理
2 1 智能材料的构成 通常智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处
2 1 3 其它功能材料 包 括导电 材料、磁性材 料、光纤和 半 导体材料等。
2 1 4 基体材料 基体材料主要起承载作用, 一般选用 轻质 材料。其中高分子材料重量轻、耐腐蚀, 尤 其具有粘弹性的非 线性特征为首选的 基体材 料。其次也 可选用 金属材 料, 尤 其 以轻质有色合金为主。 2 2 智能材料的设计原理[ 4]
图 4 形状记忆合 金的力学特性( t 的关系)
16
金属热处理 1998 年第 7 期
图 5 N i T i 记忆合金的刚度( E) 和强 度( s) 随温度( t) 的变化[ 8]
记忆合金施加应力时, 首先产生一般的弹性应变( 0a) , 继 续提 高应力, 产生相变引起的 应变( ab) , 也称 为伪弹 性变 形, 当 外 力去除后, 应变回复 到 d 点, 保持 一 定的 残余 应变 ( re) 。随 后, 如将材料加热到奥氏 体转变 开始温 度 As 以 上时, 残余 应 变开始回复, 至奥氏体转变结束温度 Af 可完全回复到原 来状 态( 即 re= 0) , 因此 re又称为可 记忆应变。形 状记忆效 应的 全过程如图 4 的曲线 0abcdef 所示。当有约束时, 即不允 许材 料自由变形时, 其内部产生很大 的回复 力 r( 相变 应力) 。当 温度达到 A f 时, r 达到极 大值。这时, 材料 的刚度 也将产 生 突变, 如图 5 所示。利用形状 记忆合 金随温 度而变 化的应 变 特征, 可制成不同的智能 驱动器。 利用形状 记忆合 金的回 复 力及刚度随温度的异常 改变, 可制成主动型减振器。
3 几类智能复合材料的构成和应用
3 1 压电陶瓷智能材料[ 1, 6, 7]
压电陶瓷可将应力信号 转变为 电压, 反之也 可把电 压信
号转变为应变。应力( ij ) 、应 变( ij ) 、电位 移( D i ) 、电 场强度
( j ) 以及电极化强度( Pi) 之间存在以下关系:
Pi = dijk jk
热的形式输出。振动越强, 产生的电场越强, 发热也 越多。通 过上述能量的传递 与转换, 从而 达到了 智能阻 尼的效 果。其 物 场的交互作用如图 2 所示。
金属热处理 1998 年第 7 期
15
上述智能材料体系的输入为机械能, 输出为热能, 中间场 为 电场 。该体系是通过压电效应和电热效应的耦合来实现 阻尼的自适应控制。其中压电材料既是感知组元又是起抑制 振动作用的驱动组元。
智能材料功能的实 现为信 息流( 能量 流) 的传递、转换 和 控制。其基本原理是物质和场( 物理场或化学场) 之间的交互 作用。首先明确材料的 应用目 标, 随之分析 控制目 标的具 体 要求, 确定智能复合材料控制输入和输出的形式( 表现为物理 场或化学场) 。这里最关键 的问题 是为了 实现系 统的自 适应 控制, 必须运用材料科学的成就和知识以及自动控制原理, 根 据物 场相互作用的原则, 构想中间能量传递形式, 选择中间 场。借助于中间场, 通过几 个物理 ( 化 学) 效应的 耦合来实 现 控制目标。其原理如图 1 所示。
现出非线性复合 的特征, 即组元 1 和组元 2 复合以后 可产生
组元 1 和组元 2 均不具备的特性, 称为材料复合的 相乘性 。
它是创造智能材料的最主要依据。表 1 列出了根据材料复合
的相乘效应实现复合材料智能化的途径。
表 1 利用材料复合的相乘效应实现智能化的途径
组元 1
压电材料 压电材料 光电材料 pH 致伸缩材料 形状记忆材料
理器构成。
2 1 1 敏感材料 敏 感材 料主 要起 感知 环 境变 化( 包 括温
度、压力、应力、电磁场、和酸 碱度等) 的 作用。如 形状记 忆材 料、压电材料、光纤、磁致伸缩材料、pH 致伸缩材料、电致变色
材料、电致粘流体、磁致粘流体和液晶材料等。 2 1 2 驱动材料 驱动材 料在一 定条件 下可产 生较大 的应 变和应力, 从而起到响 应和控 制的作 用。最有效 的如形 状记 忆材料、压电材料、电致流变体和磁致伸缩材料等。可见它们 既是驱动材料又是敏感材料, 通过恰当的设计, 一种材料可同 时起两个组元的作用。
(1)
式中, dijk 为压电系数。
Pi = o x ij j
(2)
式中, o 为通用介电常数, x ij 为电 敏感度系数。
完整方程为: Pi = dik1 k1 + ox ij j
(3)
如以应变 代替( 3) 式中的 , 则: Pi = eijk jk+ ox ij j
(4)
式中, eijk为压电应变系数。
光纤
组元 2
电热材料 电致变色材料 电致变色材料
压电材料 结构材料 结构材料
来自百度文库
复合材料的新功能
压 热智能阻尼 压致变色( 报警) 光致变色( 智能玻璃) pH 致电( 生物材料) 智能减震、自修复
自诊断
( 3) 或( 4) 式可以电位移表示, 如: D = dik 1 k1 + K ik k
( 5)
式中, K ik 为介电常数张量。
2。目前, 对这类材料的研究方向主要集中 在结构形状的自适
应控制和结构噪声及振 动的主动控制。
对于压电陶磁智能传感器, 国外已进入实用化阶段, 已成
功地用于各种光跟踪系 统( 激光陀 螺补偿 器) 、机 器人的 定位
器、喷墨打印机以及噪声和振动的主动控制系统等[ 3] 。
表 2 压电材料智能传感器 与驱动器
图 2 压电阻尼材料的物 场的交互作用示意图
图 3 形状记忆合金电磁驱动智能材料的物
场的交互作用示意图
2 3 材料复合的非线性效应
相乘性
智能材料的创造, 离不开 材料复 合的 相 乘性
非线
性效应。对于复合结构材 料, 一 般为线 性复 合, 即 A/ 2+ B/ 2
可得到( A+ B) / 2 的性能。然而, 许多功能材料的复合往往呈
类型
压电效应 输入 输出
应用
PZ T ( Pb( Zr, Ti) O 3)
PV D F ( 亚乙烯氟)
正效应 逆效应
正效应
应力 电压 动态或静态 机械载荷 电压
电压 应变
电压
机械载荷传感器 变形控制驱动器 动、静载荷感受 器( 可用作被动
减振器)
逆效应
应变 应变速率控制器
3 2 形状记忆合金智能体系 如图 4 所示, 形状记忆 合金具 有独特 的力学 特性。当 对
在逆效应中, 将产生应变或应力: jk = dijk i
( 6)
jk = eijk i
( 7)
由于压电产生的应力 会使晶 体产生机 械反应, 于 是综合 应力
和应变: ij = Eijk1 k 1- ekij i
( 8)
ij = C ijk 1 k1 + dkij k
( 9)
式中, Eijk1 为弹性模量, Cijk1为 弹性柔顺系数张量。 根据上述关系, 可设计出不同用途的智能材料系统, 见表