陶瓷基复合材料分类及应用智能(复合)材料

陶瓷基复合材料分类及应用
智 能（复合）材 料
主要内容 1、什么是智能材料 2、智能材料的特征 3、智能材料的构成 4、智能材料的分类与应用
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ、什么是智能材料？
智能材料是二十世纪90年代迅速发展 起来的一类新型复合材料。
智能材料目前还没有统一的定义，不 过，现有的智能材料的多种定义仍然是大 同小异。
一般来说，智能复合材料结构是以传统的复合材 料结构为基体，通过复合或附加一系列智能化元件， 如传感器、驱动器与控制器等，而形成的新型复合 材料结构。
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智能材料的构想来源于仿生学，它的 目标就是想研制出一种材料，使它成为具 有类似于生物的各种功能的“活”的材料。
因此智能材料必须具备感知、驱动和 控制这三个基本要素。
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现有的材料一般比较单一，难以满足 智能材料的要求，所以智能材料一般由两 种或两种以上的材料复合构成一个智能材 料系统。
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智能复合材料结构的内涵非常丰富，涉及的材料 从无机到有机，结构层次从宏观到微观，它模糊了材 料与结构之间的界限。
与材料科学、信息科学、仿生学和生命科学等诸多 前沿科学及高技术密切相关。
可以看出，这些材料既是驱动材料又是敏感材 料，显然起到了身兼二职的作用，这也是智能材料 设计时可采用的一种思路。
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（4）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。
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图所示为智能材料的基本构成和工作原理。
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4、智能材料的分类
智能材料是继天然材料、人造材料、精细材料 之后的第四代功能材料。
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将电致变性现象与传感器结合起来，就可以 实现使复合梁随着负载的变化而改变其性质。这
因为现在可用于智能材料的材料种类不断扩大， 所以智能材料的分类也只能是粗浅的，分类方法也 有多种。
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按智能材料的来源来分，可以分为金属系智 能材料、无机非金属系智能材料和高分子系智能 材料。
按智能材料的功能来分，可以分为光导纤维、 形状记忆合金、压电、电流变体和电（磁）致伸 缩材料等。
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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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智能材料就是指具有感知环境（包括内 环境和外环境）刺激，对之进行判断、处 理、分析，并采取一定的措施进行适度响 应智能特征的材料。
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具体来说，智能材料需具备以下内涵： (1)具有感知功能，能够检测并且可以识 别外界(或者内部)的刺激强度，如电、光、 热、应力、应变、化学、辐射等；
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(2)具有驱动功能，能够响应外界变化； (3)能够按照设定的方式选择和控制响应； (4)反应比较灵敏、及时和恰当； (5)当外部刺激消除后，能够迅速恢复到 原始状态。
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2、智能材料的特征
因为设计智能材料的两个指导思想是材料 的多功能复合和材料的仿生设计，所以智能材 料系统具有或部分具有如下的智能功能和“生 命”特征：
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(1)传感功能（Sensor）
能够感知外界或自身所处的环境条件，如负 载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学、 核辐射等的强度及其变化。
敏感材料担负着传感的任务，其主要作用是 感知环境变化（包括压力、应力、温度、电磁场、 pH值等）。
常用敏感材料如形状记忆材料、压电材料、 光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色材料、电流 变体、磁流变体和液晶材料等。
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（3）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，担负着响应和控制的任务。常用有效驱动材 料如形状记忆材料、压电材料、电流变体和磁致伸 缩材料等。
无机非金属系智能材料在电流变体、压 电陶瓷、光致变色和电致变色材料等方面发 展较快；
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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。
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第二节 主要智能材料
1、电流变体和磁流变体； 2 、磁致伸缩材料； 3 、压电陶瓷； 4 、电致伸缩陶瓷； 5 、智能材料系统； 6 、光致变色玻璃； 7 、电致变色材料； 8 、形状记忆合金；
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(2)反馈功能（Feedback）
可通过传感网络，对系统输入与输出信息 进行对比，并将其结果提供给控制系统。
(3)信息识别与积累功能
能够识别传感网络得到的各类信息并 将其积累起来。
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(4) 响应功能
能够根据外界环境和内部条件变化， 适时动态地作出相应的反应，并采取必要 行动。
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(5) 自诊断能力（Self-diagnosis）
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这使得智能材料的设计、制造、加工 和性能结构特征均涉及到了材料学的最前 沿领域，使智能材料代表了材料科学的最 活跃方面和最先进的发展方向。
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智能材料应用的简单事例： 某些太阳镜的镜片当中含有智能材料， 这种智能材料能感知周围的光，并能够对光 的强弱进行判断，当光强时，它就变暗，当 光弱时，它就会变的透明。
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3、智能材料的构成
一般来说智能材料由基体材料、敏 感材料、驱动材料和信息处理器四部 分构成。
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（1）基体材料
基体材料担负着承载的作用，一般宜选用 轻质材料。
一般基体材料首选高分子材料，因为其重 量轻、耐腐蚀，尤其具有粘弹性的非线性特征。 其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。
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（2）敏感材料
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1、电流变体和磁流变体
电致、磁致变体智能材料大多是由陶瓷材 料或人工合成材料制成的，具有在电场或磁场 的作用下“性质” 发生变的能力，其变化的大 小与电场和磁场的强度有关。
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诸如目前研制成功的一种电致变性材料，这种 材料在接通电流时，可以从液体变为接近固体。
如果向空心复合梁中充入电流变性液体材料， 在外电场的作用下，这种液体材料就会变硬，从而 使梁变成僵硬状。
能通过分析比较系统目前的状况与过 去的情况，对诸如系统故障与判断失误等 问题进行自诊断并予以校正。
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（6）自修复能力（Self-recovery）
能通过自繁殖、自生长、原位复 合等再生机制，来修补某些局部损伤 或破坏。
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（7）自调节能力（Self-adjusting）
对不断变化的外部环境和条件，能及时 地自动调整自身结构和功能，并相应地改变 自己的状态和行为，从而使材料系统始终以 一种优化方式对外界变化作出恰如其分的响 应。