第1章 智能材料概述

师昌绪院士：
模仿生命系统，能感知外界环境或内部状态所发生的变 化，而且通过材料自身的或外界的某种反馈机制，能够适时 地将材料的一种或多种性质改变，作出所期望的某种响应的 材料。
三要素：感知、反馈和响应。
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863新材料领域专家委员会：
对使用环境敏感而且能对环境变化作出灵活反应的材 料。更确切地说，智能材料是一类集传感、控制、驱动(执 行)等功能于一体的机敏或智能材料—结构系统，它能适时 地感知与响应外界环境的变化，实现自检测、自诊断、自 修复、自适应等多种功能。
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(2)味细胞 能将外界的化学刺激变换为电信号。 甜味—甜味物质被羟基吸附，使膜电阻增大； 咸味—咸味物质使脂质膜在水溶液中的电位发 生变化； 酸味—酸味物质与脂质膜的亲水基团结合； 苦味—苦味物质被脂质膜的疏水部分侵入，使 离子渗透性降低； 辣味 —— 辣不叫味道，属于痛觉，化学物质（譬
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信息
感觉
神经系统
中枢神经系统 大脑 脊髓 神经系统 执行 身体的各种动作
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（1）信息传感 视觉——视网膜中的视细胞 听觉——内耳外毛细胞 味觉——口腔粘膜中味蕾内的味细胞 嗅觉——鼻后隐窝的嗅觉上皮细胞 触觉——离表皮较浅的区域的传感细胞， 即神经末梢的触觉细胞。
智能材料
武汉大学
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课程简介
• 教材：智能材料 姚康德，成国祥. • 内容：智能金属材料、智能非金属材料、智能高分子材料 • • • • • •

1. 学时∶ 36 2. 讲课∶ 刘兴海 Tel: 18995647232 Email: 36387348@qq.com QQ群：441698592 3. 安排∶ 讲课 讨论（展示） 4. 考核：出勤/20%+展示/30%+论文/50%
1.2.2 智能材料的内涵
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wk.baidu.com核辐射等；
具有驱动功能，能够响应外界变化； 能够按照设定的方式选择和控制响应； 反应比较灵敏、及时和恰当； 当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。
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1.2.3 智能材料工作原理
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1.2.3 智能材料的特征
(4)学习能力和预见性功能：能通过对过去经验的收集，对外部 刺激作出适当反应，并可预见未来并采取适当的行动。 (5)响应性功能：能根据环境变化适时地动态调节自身并作出反 应。 (6)自修复功能：能通过自生长或原位复合等再生机制来修补某 些局部破损。 (7)自诊断功能：能对现在情况和过去情况作比较，从而能对诸 如故障及判断失误等问题进行自诊断和校正。 (8)自动动态平衡及自适应功能：能根据动态的外部环境条件不 断自动调整自身的内部结构，从而改变自已的行为．以一种 优化的方式对环境变化作出响应。
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（3）执行元件
胶原
一种蛋白纤维，在糖胺聚糖(GAGs)基质内稳定, 从而形成胶原纤维增强GAGs复合材料。 随胶原交联链的变化,可在刚性材料和粘性液体 两种状态间变化。 启发：电(磁)流变液
弹性蛋白
含有的大量疏水侧链在低温时水合溶胀 , 高温 时脱水收缩，能将热直接转变为机械功。 启发：响应其它变量如 pH 值、盐浓度、压力 和电能并将其转变为机械功的一系列弹性蛋白 凝胶。 37
超疏水性自清洁涂料
防冰雪涂料
天然气管道内表面超疏水分子膜及其防腐性能
天然气管道表面经超疏水改性前后腐蚀液滴 的浸润形貌对比图
美国研发出一款举世无 双的“海豚潜艇”， 它不仅在外形上酷似 海豚，而且能像海豚 一样时而潜入水中， 时而跃出水面做出惊 险刺激的翻腾动作。
智能—一切生命体皆具备的对外界刺激的反应能力。 动物：变色龙皮肤、乌贼、贝壳、海参、猫眼的瞳孔； 植物：含羞草、向日葵； 能接受、感知信号，且能处理，进而做出适时的响应， 即执行。
如辣椒素、姜酮、姜醇等）刺激细胞，在大脑中形 成了类似于灼烧的微量刺激的感觉
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启发：味觉传感器
在作为电极的聚丙烯酸酯板上贴 8 种脂质膜，并 用8根银导线引出。用多通道电极和参比电极便可测 定此电极与各脂质膜间的电位。味物质与脂质膜作 用后会改变电位，所测数据由计算机储存，并进行 必要的处理和分析。 对五味响应的标准误差约为1％，可用于酒类及咖啡 等分析。
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1.3 智能材料与结构的研究内容
(1)传感器和驱动器材料的研究 • 新型传感器和驱动器材料的研究，是智能材料系统和结构 研究的基础，它的研究进展很人程度上决定了智能材料系 统和和结构的实用化进程 （2）智能材料系统和结构的设计和模拟 • 包括智能材料与结构的优化设计、分析和性能模拟技术、 传感器和驱动器的优化铺放等 （3）信号处理方法及高速中央处理器的研究 • 包括神经网络、模糊控制、小波分析等人工智能信号处理 技术以及高速并行处理芯片的研究。
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智能
信息 软件系统
智能
性质
功能
性质
功能
结构材料和功能材料
智能
智能
智能材料
一般认为，智能是相对人和动物而言的，是一种能获取、存贮知识并运用知 识解决问题的能力。 所谓智能材料与结构即一种对所给的特别的激励能进行判别并按预定方式做 出反应的材料，可以是自然产生或由人工引入多种性能产生的智能系统。 智能材料在一定意义上具有感知功能、信息处理功能和执行功能，即具有获 取、识别、处理和执行信息之能力，并且可以自动调解并具有自诊断、自适应、 自修复、损伤抑制、寿命预报等能力，表现出动态的自适应性。
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展示具体安排
-----2013年7月第三次
顺序号 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 姓名 黄健 叶文坤 姚云鹏 陈平 李伟 丁方达 徐新平 高顺祖 纪晓超 蔡云鹏 王冬冬 顺序号 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 姓名 周贺龙 唐继博 杨桦 吴早明 付博生 范庆晨 林婉萍 黄英燕 韦标尤 加德拉.海拉提 刘明虎 顺序号 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 姓名 周明婷 刘天 袁圆 张帆 毛亚龙 赵志刚 王汉伟 何苗 何明涛 蒋俊博 李宇浩
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智能材料 材料的聪明程度: 功能材料 普通材料
智能材料来源于功能材料 功能材料是智能材料的基础
功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热 学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、 化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来 制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域 的高新技术材料。
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智能材料与结构的研究内容
（4）智能材料的集成制造技术研究
包括智能材料的传感器和驱动器的植入技术、组装及自动化生 产技术。
（5）智能结构系统的应用研究
智能复合材料成型工艺的在线监控技术 智能结构健康监控系统的研究 智能结构振动主动控制系统的研究 形状自适应改变智能结构的研究 智能蒙皮的研究
超疏水的荷叶表面
出淤泥而不染， 濯清涟而不妖。
--宋.周敦颐《爱莲说》
超疏水的荷叶和表面结构（a)球形的水滴滴在荷叶表面 （b)荷叶表面大面积的微结构（c)荷叶表面单个乳突 （d）荷叶表面的纳米结构
沙漠集水器
沙漠集水
轮船船底涂料
海洋生物会在船 底板生长，增加 船底粗糙度。
轮船底部的低表面能防污涂料
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展示具体安排
-----2013年7月第二次
顺序号 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 姓名 周垚尘 吴文天 阮剡嵋 王涵天 戴玉 謝瑋 张钊 谢天 毛轲 陆浩贤 艾迪 顺序号 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 姓名 汪飞 刘建玺 高雅 王治强 黄小龙 王建会 许祐玮 廖川为 张伟斌 曹倩 韩玉翀 顺序号 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 姓名 刘泽正 张佳音 杨坤 石申 刘泽源 陈建文 关天昊 高永航 丰圣祺 黄奕翼 杨园园
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1.2智能材料的内涵、定义、原理和特征
1.2.1智能材料的定义
高木俊宜:
能够感知环境变化，并通过自我判断和结论而实现指令 和执行的新材料。
杨大智：
模仿生命系统，能感知环境变化，并能实时的改变自 身的一种或多种性能参数，作出所期望的、能与变化后的 环境相适应的复合材料或材料的复合。
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共同点：智能材料应当具有感知、判断和响应的功能。
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智能材料系统和结构
——智能材料
●一个由多种材料组元通过有机的紧密复合或严 格的科学组装而构成的材料系统，与结构密切 相关，互为一体。
●多学科高度发展和相互交叉的产物：
材料科学、人工智能、信息科学、机械科学、生物科 理。 学、化学和物
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明确材料的应用目标和实现思路 智能 材料 设计 具体 过程 确定智能材料的输入场和输出场 选择感知组元、驱动组元和中间场 借助于中间场,通过物理或化学效应 的耦合来实现所需的智能化效应
内界感觉——内脏受体、血管壁内皮细胞等
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（2）信息处理 大脑——神经系统的控制中心 信息存贮、复制、计算、综合、提取、响应、预 测； 脑和脊髓构成中枢神经系统，通过神经系统控制 身体的各种动作； 1012个神经细胞构成的网络； 神经系统传递信息过程涉及化学过程的膜电位的 传输。
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第一章 智能材料概况
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1.1 引言——智能材料的发展背景
自然界的启示
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壁虎脚趾的微观结构
壁虎的层次结构的脚趾头。 脚趾是由成千上万的丝绸和每一个丝绸包含的几百个细微 的铲子结构。 (a,b)扫描电子显微图和(c)特征的铲子。
蝉翼表面的超疏水结构
• 蝉翼表面由规则排列的纳米柱状结构组成．纳米柱的直径大约在80 nm，纳米柱的间距大约在180 nm,规则排列纳米突起所构建的粗糙 度使其表面稳定吸附了一层空气膜，诱导了其超疏水的性质，从而 确保了自清洁功能。
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展示具体安排
-----2013年7月第一次
顺序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 姓名 刘彬 尹泽成 杨春晓 吴剑寒 黄涛 汪方 周梦兰 李渊 林元培 王焕然 李燕 顺序号 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 姓名 谭添 罗藩 杨瑾诚 项进喜 占伟杰 李旭东 朱婧 徐亮 陈硕烁 刘伊科 赛娜 顺序号 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 姓名 熊智琪 井溢洋 刘留 林舒兰 蔡爱文 余冰娇 张布雨 田会姣 李坚松 王澄 戴羚颖
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1.4 智能材料的设计
1.4.1 智能材料的设计思路
以功能材料为基础，以仿生学、人工智能及系统控制为指 导，依据材料复合的非线性效应，用先进的材料复合技术， 将感知材料、驱动材料和基体材料进行复合。
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智能材料的仿生构思
1.生物体的信息传感、处理和执行元件
生物体对环境的响应源于细胞。 细胞本身就是具有传感、处理和执行三种功能 的融合材料，可作为智能材料的蓝本。
材料仿生与智能材料
（1）骨
以胶原为主要成分的有机物和羟基磷灰石 (Ca10(PO4)6(OH)2, HA) 无机物组成的典型的有机 物/无机物(质量比约为3/7)纳米复合功能材料。 骨的功能 自适应 自愈合
智能生物材料的范例
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启发：仿生智能材料
★ “自愈合”纤维：它可感知混凝土中的裂纹和腐 蚀并自动将其修复。 ★ 利用氢氧化钙悬浮液和含胶原的磷酸水溶液共 沉淀制备磷灰石和胶原复合体，进而静压成型 制备复合材料。力学性能类似人骨。
智能效应的基本原理：
——物质和场之间的交互作用过程
• 外界环境发生变化传感器收集变化信息通信 网络中央处理器分析处理发出指令作动器执 行指令结构状态发生变化适应环境
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1.2.4 智能材料的特征
从仿生学的观点出发，智能材料内部应 具有或部分具有以下生物功能——8大功能：
(1)传感功能：能感知自身所处的环境与条件，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。 (2)反馈功能：能通过传感神经网络，对系统的输入和输出信息 进行比较，并将结果提供给控制系统，从而获得理想的功 能。 (3)信息积累和识别功能：能积累信息，能识别和区分传感网络 得到的各种信息，并进行分析和解释。