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智能材料
Intelligent Materials
智能材料功能展示
智能材料
智能家居
记忆合金趣味实验 智能太阳眼镜
智能玻璃
智能垃圾桶
2
智能材料
什么是材料？
《辞海》：人们把自然界经过开采而获得的 劳动对象称为原料。自然界自然存在而未经 过人类任何劳动输入的就不能称为原料。
例如：开采出来的矿物是冶金的原料， 种植出来的小麦是制造面粉的原料。
材料自身 能够探测 到外部环 境状态的 变化
控制器
智能机构
执行器 传感器
能够自动 地执行改 变材料状 态的指令
智能材料
智能材料的构成
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。
(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。 首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀。 其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。
智能材料
(2) 敏感材料 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：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。
智能材料 (3) 驱动材料 因为在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和 应力，所以它担负着响应和控制的任务。
使用这定义在实际中带来不便： ①化工品烧碱(NaOH)？ 按定义应是材料，但类似不胜枚举的化工产品都是原料。 ②来自采掘工业的沙石、木材等等？ 按定义似乎应是原料，习惯上将其归入建筑材料。 思考？食盐在加工中失去了其原质。烧碱在应用于其它化工加工过程时， 也要失去原质。所以，食盐和烧碱一 般都看作是化工原料。原料在加工 中一般均失去了原质。
智能材料
智能材料的应用
➢在军事领域中的应用 ➢智能材料与住宅智能化 ➢与现代医学相联系的智能材料
智能材料 （1）智能蒙皮
光纤作为智能传感元件用于飞机机翼的智能蒙皮中， 或者在武器平台的蒙皮中植入传感元件、驱动元件 和微处理控制系统制成的智能蒙皮，可用于预警、 隐身和通信。
智能材料
1、光色玻璃(变色玻璃) 能够随照射光强的变化而改变颜色。
原因： 含有在光照下能发生可逆变化的亚稳态色心： 在光波的照射下，色心的光吸收特性发生改变，从 而使光色玻璃表现出随光照而改变颜色的特性。
同相型光色玻璃 异相型光色玻璃
智能材料 光色玻璃的应用：
图2 变色太阳镜 汽车、飞机、船舶的前向玻璃或观察窗玻璃，起 防眩作用等。
状态。
智能材料
智能材料必须具备感知、控制和驱动三 个基本要素。
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。
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
智能材料
智能材料
智能材料 材料的发展和应用历史：
图1 材料科学的发展演化过程
智能材料
智能材料 上世纪
智能材料
智能材料
智能材料
智能材料
智能材料
第一章 智能材料概述
15
智能材料 材料发展的总趋势
海参是一种防御能力很差的棘皮动物，在海底它会经常遇 到敌人。它行动起来很迟缓，身体又绵软无力，可这不必担心 ，海参可以用”分身法”逃命。 如果被敌人盯上了，而又无路 可逃，海参就把身体紧缩起来，然后用尽力气把内脏从肛门挤 出来，敌人会立即盯住它的内脏。这样海参还照样活着而且不 久又生出内脏来，它的再生能力真是太强啦！ 有一种管状海参 ，当它被敌人捕捉住时，身体会分裂成两段，一段留下，另一 段被吃。留下的一段又会把失去的一段长出来。
智能材料
2、电致变色薄膜 电致变色现象(Electrochromism)——材料在电场作 用下所引起的颜色变化，这种变化是可逆的、连续 可调的(透过率、吸收率、反射率三者比例关系可 调）。
机理： 一些氧化物薄膜在电场的作用下能够发生电子的交 换，导致颜色的改变。
应用：智能窗(调节玻璃透光特性)
智能材料 智能窗的应用：
图3 法拉利首款自动硬顶敞篷车
玻璃车顶采用了利用电场变化来改变颜色的电致变色 技术，可对透过率进行5级调整。
智能材料
汽车防眩目后视镜是 当前玻璃制造业前沿 产品-电致变色玻璃 在汽车上的应用。
汽车防眩目后视镜
汽车夜间行驶时根据后面行驶车辆前大灯射出的光线照射到 后视镜上产生的眩目光程度，自动控制后视镜的透光度，以 减少后视镜镜面的反射光强度，使驾驶员既能舒服的通过后 视镜了解后面行驶车辆及行人的情况，又能安全驾驶汽车。
在加工工业中，一般把来自采掘工业和 农业的劳动对象称为原料，把经过工业加工 的原料（如钢铁、水泥）称为材料。
材料和原料合成为原材料。
智能材料
《辞海》定义可以总结为：经过人类劳动而取得的劳
动对象称为原料，经过二次加工的原料称为材料。
阐明了原料和材料之间的联系和区别，但却没 有指出材料在使用中本质的变化。
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
判断
Baidu Nhomakorabea
行动
智能结构的动作流程图
自适应地改变结构形状、刚度、 位置、应力状态、固有频率等
驱动元件
智能材料
智能变色材料
由于光、电、热等外界条件的作用，使材料内部 结构发生变化从而改变材料对光波吸收的特性， 使材料呈现出不同的颜色。
光色玻璃 电致变色薄膜
常用有效驱动材料：形状记忆材料、压电材料、 电流变体和磁致伸缩材料等。
(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。
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
智能材料
智能材料
智能材料
智能材料
智能材料
智能材料
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、核辐射等；
（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
Intelligent Materials
智能材料功能展示
智能材料
智能家居
记忆合金趣味实验 智能太阳眼镜
智能玻璃
智能垃圾桶
2
智能材料
什么是材料？
《辞海》：人们把自然界经过开采而获得的 劳动对象称为原料。自然界自然存在而未经 过人类任何劳动输入的就不能称为原料。
例如：开采出来的矿物是冶金的原料， 种植出来的小麦是制造面粉的原料。
材料自身 能够探测 到外部环 境状态的 变化
控制器
智能机构
执行器 传感器
能够自动 地执行改 变材料状 态的指令
智能材料
智能材料的构成
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。
(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。 首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀。 其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。
智能材料
(2) 敏感材料 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：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。
智能材料 (3) 驱动材料 因为在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和 应力，所以它担负着响应和控制的任务。
使用这定义在实际中带来不便： ①化工品烧碱(NaOH)？ 按定义应是材料，但类似不胜枚举的化工产品都是原料。 ②来自采掘工业的沙石、木材等等？ 按定义似乎应是原料，习惯上将其归入建筑材料。 思考？食盐在加工中失去了其原质。烧碱在应用于其它化工加工过程时， 也要失去原质。所以，食盐和烧碱一 般都看作是化工原料。原料在加工 中一般均失去了原质。
智能材料
智能材料的应用
➢在军事领域中的应用 ➢智能材料与住宅智能化 ➢与现代医学相联系的智能材料
智能材料 （1）智能蒙皮
光纤作为智能传感元件用于飞机机翼的智能蒙皮中， 或者在武器平台的蒙皮中植入传感元件、驱动元件 和微处理控制系统制成的智能蒙皮，可用于预警、 隐身和通信。
智能材料
1、光色玻璃(变色玻璃) 能够随照射光强的变化而改变颜色。
原因： 含有在光照下能发生可逆变化的亚稳态色心： 在光波的照射下，色心的光吸收特性发生改变，从 而使光色玻璃表现出随光照而改变颜色的特性。
同相型光色玻璃 异相型光色玻璃
智能材料 光色玻璃的应用：
图2 变色太阳镜 汽车、飞机、船舶的前向玻璃或观察窗玻璃，起 防眩作用等。
状态。
智能材料
智能材料必须具备感知、控制和驱动三 个基本要素。
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。
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
智能材料
智能材料
智能材料 材料的发展和应用历史：
图1 材料科学的发展演化过程
智能材料
智能材料 上世纪
智能材料
智能材料
智能材料
智能材料
智能材料
第一章 智能材料概述
15
智能材料 材料发展的总趋势
海参是一种防御能力很差的棘皮动物，在海底它会经常遇 到敌人。它行动起来很迟缓，身体又绵软无力，可这不必担心 ，海参可以用”分身法”逃命。 如果被敌人盯上了，而又无路 可逃，海参就把身体紧缩起来，然后用尽力气把内脏从肛门挤 出来，敌人会立即盯住它的内脏。这样海参还照样活着而且不 久又生出内脏来，它的再生能力真是太强啦！ 有一种管状海参 ，当它被敌人捕捉住时，身体会分裂成两段，一段留下，另一 段被吃。留下的一段又会把失去的一段长出来。
智能材料
2、电致变色薄膜 电致变色现象(Electrochromism)——材料在电场作 用下所引起的颜色变化，这种变化是可逆的、连续 可调的(透过率、吸收率、反射率三者比例关系可 调）。
机理： 一些氧化物薄膜在电场的作用下能够发生电子的交 换，导致颜色的改变。
应用：智能窗(调节玻璃透光特性)
智能材料 智能窗的应用：
图3 法拉利首款自动硬顶敞篷车
玻璃车顶采用了利用电场变化来改变颜色的电致变色 技术，可对透过率进行5级调整。
智能材料
汽车防眩目后视镜是 当前玻璃制造业前沿 产品-电致变色玻璃 在汽车上的应用。
汽车防眩目后视镜
汽车夜间行驶时根据后面行驶车辆前大灯射出的光线照射到 后视镜上产生的眩目光程度，自动控制后视镜的透光度，以 减少后视镜镜面的反射光强度，使驾驶员既能舒服的通过后 视镜了解后面行驶车辆及行人的情况，又能安全驾驶汽车。
在加工工业中，一般把来自采掘工业和 农业的劳动对象称为原料，把经过工业加工 的原料（如钢铁、水泥）称为材料。
材料和原料合成为原材料。
智能材料
《辞海》定义可以总结为：经过人类劳动而取得的劳
动对象称为原料，经过二次加工的原料称为材料。
阐明了原料和材料之间的联系和区别，但却没 有指出材料在使用中本质的变化。
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
判断
Baidu Nhomakorabea
行动
智能结构的动作流程图
自适应地改变结构形状、刚度、 位置、应力状态、固有频率等
驱动元件
智能材料
智能变色材料
由于光、电、热等外界条件的作用，使材料内部 结构发生变化从而改变材料对光波吸收的特性， 使材料呈现出不同的颜色。
光色玻璃 电致变色薄膜
常用有效驱动材料：形状记忆材料、压电材料、 电流变体和磁致伸缩材料等。
(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。
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
智能材料
智能材料
智能材料
智能材料
智能材料
智能材料
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、核辐射等；
（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