智能材料-形状记忆材料

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（4）卫生间
在卫生间里，常见设施是洗脸盆、 抽水马桶和淋浴器。
采用了智能结构的卫生间是这样的：
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在洗漱时，人们只要接触洗脸盆支架 表面的任何区域，就能调节控制水温、水 速和水流的状态（集中喷射的水流或宽阔 的水帘状等）供人们选择。
洗脸盆上方的镜子能照出人的正常反 转象，还能照出真实的非反转象。
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2、智能材料与住宅智能化
未来的住宅可能是这样的：墙壁可以随 心所欲的变换颜色；椅子可以随人体不同的 需要改变温度和形状；一切的电器都是触摸 式的，永远不会再有触电的危险；可视电话 带有传感功能；……。
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随着智能材料的发展，尤其是毫微塑料 设想的提出，有可能设计出智能化住宅。
虽然目前还处于设想阶段，但是已经开 始着手进行研究，并且必然将在不久的将来 成为现实。
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智能材料又可以称为敏感材料，常用 的有以下几种：
Intelligent material、 Intelligent material and structure、 Smart material、 Smart material and structure、 Adaptive material and structure等。
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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 智能材料的使用领域
1、在军事领域中的应用 2、智能材料与住宅智能化 3、与现代医学相联系的智能材料 4、主动结构声控 5、主动震动声控
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如当飞机在飞行过程中遇到涡流或 猛烈的逆风时，机翼中的智能材料就能 够迅速变形，并带动机翼改变形状，从 而消除涡流或逆风的影响，使飞机仍能 平衡地飞行。
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美国的一项研究表明，在机翼结构中使 用磁致伸缩致动器，可使机翼阻力降低85%。
美国波音公司和麻省理工学院联合研究 在桨叶中嵌入智能纤维，电致流变体时可使 桨叶扭转变形达几度。
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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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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源自文库分具有如下的智 能功能和生命特征：
第八章 智 能 材 料
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第一节 智能材料基本原理
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
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1、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。
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大体来说，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 进行分析、处理、判断，并采取一定的措 施进行适度响应的智能特征的材料。
几种未来的智能产品如下：
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（1）多功能砖
多功能砖用来构建整个房屋的结构单元， 这种结构单元具有变通性和智能性。
这种多功能砖主要由以下三个分层构成：
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第一层是功能层，能感受来自周围 的声能、热能、光能，并能控制这些能 量的输出，如果是内墙壁砖，还能控制 和改变墙的功能；
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第二层是通讯层，能为居住者提供 内外通信联系的通道；
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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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但是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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这就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。
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
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。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。
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。
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。
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3、智能材料的构成
地膜可产生耐久的色彩和图案； 界面膜可连接内外通信线路。
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（2）食物器皿
在未来的厨房里不会看到传统的碗碟。在毫微 塑料的桌面上，旋转的碗不仅能测知食物的存在， 而且可以根据用户的需要自动形成各种形状的碟子， 供准备、烹调和上菜时使用。
并且，这种盛食物的碗还具有保温和在不使用 冰箱的情况下保鲜的功能。
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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。
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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。
光纤传感器自诊断技术；
可以测量裂纹的“声音”传感器自诊断技
术；
可监测复合材料层裂的传感器自诊断
技术等。
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（3）减振降噪
智能结构用于航空、航天系统可以消除 系统的有害振动，减轻对电子系统的干扰， 提高系统的可靠性。
如美国防高级研究计划局资助波音公司 研制的直升机智能结构旋翼叶片，可以改善 旋翼的空气动力学性能，减小振动和噪音。
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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）
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）
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抽水马桶的形状和大小可随使用者的 不同而自动变化；
坐垫自动加热至舒适的温度，整个结 构十分轻便。
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在电脑住宅的厕所里，安装了一台检查 身体的电脑系统，每当有人上厕所时，与马 桶相连的体检装置即自动分析大小便的情况， 如发现异常，电脑会立即发出警报，以便及 时到医院去看病。
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淋浴设备只要和多功能砖相连接，上下 水、水温和水流都能得到自动控制和调节。
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智能结构用于舰艇，可以抑制噪声传 播，提高潜艇和军舰的声隐身性能。
智能结构用于地面车辆，可以提高军 用车辆的性能和乘坐的舒适度。
国外正在研究的具有减振降噪功能的 智能结构，主要由压电陶瓷、形状记忆合 金和电致伸缩等新材料制成。
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（4）环境自适应结构
智能结构制成的自适应机翼，能够实 时感知外界环境的变化，并可以驱动机翼 弯曲、扭转，从而改变翼型和攻角，以获 得最佳气动特性，降低机翼阻力系数，延 长机翼的疲劳寿命。
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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。
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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若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。
若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。
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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；
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；
第三层是输送通道，可以用来输送 水和其它材料。
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住户还可以挑选合适的带“面膜”的砖 材。
另外，面膜的设置及其构形并不是一成 不变的，而是很容易剥离并换上新的面膜。
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面膜在砖材的最上层，它也具有多 功能性。
如壁膜可以使墙壁产生不同的色彩 和图案；
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传感膜可以接收声波、热能和可见光 并予以减弱或增强；
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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、核辐射等；
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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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美国陆军在开发直升机旋翼主动控 制技术，将用于RAH-66武装直升机。
美国防部和航空航天局也在研究自 适应结构，包括翼片弯曲、弯曲造型/控 制面造型等。
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相信在不久的将来，我们用智能材料 制成的飞机机翼，就可以像鱼尾巴一样行 动自如、自行弯曲、自动改变形状，从而 改进升力和阻力，使飞机飞得更高、更快。
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目前美国在智能蒙皮方面的研究包括： 美国弹道导弹防御局为导弹预警卫星研制含 有多种传感器的智能蒙皮；
美国海军则重点研究舰艇用智能蒙皮， 以提高舰艇的隐身性能。
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（2）结构监测和寿命预测
智能结构可用于实时测量结构内部的 应变、温度、裂纹，探测疲劳和受损伤情 况，从而能够对结构进行监测和寿命预测。
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
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）。
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所以，智能材料在军事应用中具有很 大潜力，它的研究、开发和利用，对未来 武器装备的发展将产生重大影响。
目前，在各种军事领域中，智能材料 的应用主要涉及到以下几个方面：
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（1）智能蒙皮
例如，作为智能传感元件的光纤用于 飞机机翼的智能蒙皮中；
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。
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例如，采用光纤传感器阵列和聚偏氟 乙烯传感器的智能结构可对机翼、机架以 及可重复使用航天运载器进行全寿命期实 时监测、损伤评估和寿命预测；
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空间站等大型在轨系统采用光纤智 能结构，可实时探测由于交会对接碰撞、 陨石撞击或其他原因引起的损伤，对损 伤进行评估，实施自诊断。
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正在研究的自诊断智能结构技术有：
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1、在军事领域中的应用
智能材料用于军事，是随着智能 材料的发展不断发展的一个领域。
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因为智能材料结构不仅象一般功能材 料一样可以承受载荷，而且它还具有了其 他功能材料所不具备的功能，即能感知所 处的内外部环境变化，并能通过改变其物 理性能或形状等做出响应，借此实现自诊 断、自适应、自修复等功能。
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（3）座椅
用毫微塑料制作的坐椅不仅功能将大大增 加，而且也将增加舒适程度。
使用毫微塑料能改变椅座面的柔韧性和弹 性，也可以形成各种型式的椅座面。
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如果出于美学的考虑，或是便于人们 入座或从座椅中站起，毫微塑料也可以形 成所需的任何图案或结构，还能改变座椅 本身的结构。
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由于不同年龄段的人对温度舒适性的 要求有很大区别，这种座椅还可以随心所 欲地升温和降温。它甚至还对人们喜爱的 舒适温度具有记忆功能。
综上所述，未来的智能化住宅必将显著 提高人们的生活质量 。
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3、与现代医学相联系的智能材料
（1）人造肌肉 （2）人造皮肤 （3）在药物自动投入系统上的应用 （4）智能材料的两种抗癌应用
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（1）人造肌肉
因为生物弹性材料能模拟活体生物，而 且其力量和反应速度均接近于人体的肌肉。 所以这种材料可以应用于人体组织的修复， 而且它们还具有与生物体的相容性，随着伤 口的愈合，这种聚合物就会在体内逐渐降解 ，最后将会消失。