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1、智能材料智能材料Intelligent Materials主讲：刘秀奇主讲：刘秀奇智能材料智能材料智能材料功能展示智能材料功能展示记忆合金趣味实验记忆合金趣味实验智能太阳眼镜智能太阳眼镜智能玻璃智能玻璃智能垃圾桶智能垃圾桶智能家居智能家居3智能材料智能材料什么是材料？什么是材料？辞海辞海：人们把：人们把自然界经过开采而获得自然界经过开采而获得的的劳动对象称为原料。自然界自然存在而未经劳动对象称为原料。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。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，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。种

2、植出来的小麦是制造面粉的原料。 在加工工业中，一般把来在加工工业中，一般把来自自采掘工业和采掘工业和农业的劳动对象农业的劳动对象称为称为原料原料，把经过工业加工把经过工业加工的原料（如钢铁、水泥）称为材料的原料（如钢铁、水泥）称为材料。 材料和原料合成为原材料。材料和原料合成为原材料。4智能材料智能材料 阐明了原料和材料之间的联系和区别，但却没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。有指出材料在使用中本质的变化。辞海辞海定义可以总结为：定义可以总结为：经过人类劳动而取得的劳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。动对象称为原料，经过二次加

3、工的原料称为材料。使用这定义在实际中带来不便：使用这定义在实际中带来不便：化工品烧碱化工品烧碱(NaOH)？按定义应是材料，但类似不胜枚举的化工产品都是原料。按定义应是材料，但类似不胜枚举的化工产品都是原料。来自采掘工业的沙石、木材等等？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。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，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。原料在加工般都看作是化工原料。

4、原料在加工中一般均失去了原质。中一般均失去了原质。5智能材料智能材料6智能材料智能材料7材料的发展和应用历史：材料的发展和应用历史：智能材料智能材料 图图1 材料科学的发展演化过程材料科学的发展演化过程8智能材料智能材料9智能材料智能材料上世纪上世纪10智能材料智能材料11智能材料智能材料12智能材料智能材料13智能材料智能材料14智能材料智能材料第一章第一章 智能材料概述智能材料概述16智能材料智能材料材料发展的总趋势材料发展的总趋势 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，可这不必担心到敌

5、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，海参可以用”分身法分身法”逃命。逃命。 如果被敌人盯上了，而又无路如果被敌人盯上了，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！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，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

6、下的一段又会把失去的一段长出来。段被吃。留下的一段又会把失去的一段长出来。 17智能材料智能材料18智能材料智能材料19智能材料智能材料20智能材料智能材料21智能材料智能材料22智能材料需具备以下内涵：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）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、界（或者内部）的刺激强度，如电、光、 热、应力、应变、化学、核辐射等；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；）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；）能够按照设定的方式选择和控制响应；（4

7、）反应比较灵敏、及时和恰当；）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）当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始 状态。状态。 智能材料智能材料23智能材料必须具备智能材料必须具备感知、控制感知、控制和和驱动驱动三三个个基本要素。基本要素。 智能材料一般由两种或两种以上的材料复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。合构成一个智能材料系统。 智能材料智能材料24智能材料的基本结构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

8、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。种智能机构。 传感器传感器 执行器执行器 控制器控制器 智能机构智能机构材料自身材料自身能够探测能够探测到外部环到外部环境状态的境状态的变化变化能够自动能够自动地执行改地执行改变材料状变材料状态的指令态的指令能够对探测到的外部环境的变化作出判断，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并给出相应的改变材料状态的指令25智能材料的构成智能材料的构成 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。处理器四部分构成。 (1) 基体材料基体材料 基体

9、材料担负着承载的作用，一般宜选用轻质基体材料担负着承载的作用，一般宜选用轻质 材料。材料。 首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀。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。其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。 智能材料智能材料26(2) 敏感材料敏感材料 敏感材料担负着传感的任务，其主要作用是感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、知环境变化（包括压力、应力、温度、电磁场、pH值等）。值等）。常用敏感材料：形状记忆材料、压电材料、光纤常用敏感材料：形状记忆材料、压电材料、光纤 材料、磁致伸缩材料、电致变色

10、材料、磁致伸缩材料、电致变色 材料、电流变体、磁流变体和液材料、电流变体、磁流变体和液 晶材料等。晶材料等。 智能材料智能材料27(3) 驱动材料驱动材料 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。应力，所以它担负着响应和控制的任务。 常用有效驱动材料：形状记忆材料、压电材料、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。电流变体和磁致伸缩材料等。 (4) 其它功能材料其它功能材料 包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。 智能材料智能材料28

11、如：将光导纤维、形状记忆合金和镓砷化合物半导体如：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。控制电路埋入复合材料中。光导纤维光导纤维传感元件传感元件(检测结构中的检测结构中的 应变和温度应变和温度)形状记忆合金形状记忆合金执行元件执行元件 (使结构动作使结构动作 改变性状改变性状)半导体控制电路半导体控制电路控制系统控制系统(根据传感元件的信根据传感元件的信 息驱动元件动作息驱动元件动作)智能材料智能材料29智能结构的动作流程图智能结构的动作流程图识别识别分析分析判断判断行动行动驱动元件驱动元件自适应地改变结构形状、刚度、自适应地改变结构形状、刚度、位置、应力状态、固

12、有频率等位置、应力状态、固有频率等智能材料智能材料30智能变色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，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。使材料呈现出不同的颜色。l光色玻璃光色玻璃l电致变色薄膜电致变色薄膜智能材料智能材料311、光色玻璃、光色玻璃(变色玻璃变色玻璃) 能够随照射光强的变化而改变颜色。能够随照射光强的变化而改变颜色。原因：原因：含有在光照下能发生可逆变化的亚稳态色心：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，

13、从在光波的照射下，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。而使光色玻璃表现出随光照而改变颜色的特性。l同相型光色玻璃同相型光色玻璃l异相型光色玻璃异相型光色玻璃智能材料智能材料32紫蓝光波紫蓝光波4f5d铈离子内电子跃迁铈离子内电子跃迁铈离子恢复电子状态铈离子恢复电子状态4f5d光减弱光减弱玻璃逐渐由高透明玻璃逐渐由高透明态转向深黄褐色态转向深黄褐色玻璃逐渐恢复高玻璃逐渐恢复高透明态透明态智能材料智能材料同相型光色玻璃同相型光色玻璃亚稳态色心与玻璃基质具有相同的相。亚稳态色心与玻璃基质具有相同的相。如：光学玻璃的组分中加入氧化铈（选择吸收）如：光学玻璃的组分中加入

14、氧化铈（选择吸收） 色心：能变价的铈离子色心：能变价的铈离子33异相型光色玻璃异相型光色玻璃亚稳态色心是玻璃基质不同的亚稳态色心是玻璃基质不同的 光敏晶相物质。光敏晶相物质。如：如：卤化银光色玻璃卤化银光色玻璃 色心：色心：卤化银晶体卤化银晶体玻璃组分中玻璃组分中加入卤化银加入卤化银光照光照(紫外到蓝紫波段紫外到蓝紫波段)析出游离态银离子析出游离态银离子对光散射强对光散射强(着色状态着色状态)光化学反应光化学反应高温熔融冷却高温熔融冷却析出亚微米尺析出亚微米尺度的卤化银度的卤化银对光散射很小对光散射很小(高透明状态高透明状态)无光照无光照银离子化合成卤化银银离子化合成卤化银去除光照去除光照室温

15、热激活室温热激活34光色玻璃的应用：光色玻璃的应用：图图2 变色太阳镜变色太阳镜汽车、飞机、船舶的前向玻璃或观察窗玻璃，起汽车、飞机、船舶的前向玻璃或观察窗玻璃，起防眩作用等。防眩作用等。智能材料智能材料352、电致变色薄膜、电致变色薄膜电致变色现象电致变色现象(Electrochromism)材料在电场作材料在电场作用下所引起的颜色变化，这种变化是可逆的、连续用下所引起的颜色变化，这种变化是可逆的、连续可调的可调的(透过率、吸收率、反射率三者比例关系可透过率、吸收率、反射率三者比例关系可调调）。）。应用：智能窗应用：智能窗(调节玻璃透光特性调节玻璃透光特性)机理：机理：一些氧化物薄膜在电场的

16、作用下能够发生一些氧化物薄膜在电场的作用下能够发生电子的交电子的交换换，导致颜色的改变。，导致颜色的改变。 智能材料智能材料36图图3 法拉利首款自动硬顶敞篷车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，可技术，可对透过率进行对透过率进行5级调整级调整。 智能窗的应用：智能窗的应用：智能材料智能材料37汽车防眩目后视镜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，后视镜上产生的眩目光程度，自动控制后视镜的透光度，以自动

17、控制后视镜的透光度，以减少后视镜镜面的反射光强度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，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。视镜了解后面行驶车辆及行人的情况，又能安全驾驶汽车。 汽车防眩目后视镜是汽车防眩目后视镜是当前玻璃制造业前沿当前玻璃制造业前沿产品产品-电致变色玻璃电致变色玻璃在汽车上的应用。在汽车上的应用。智能材料智能材料38智能材料的应用智能材料的应用在军事领域中的应用在军事领域中的应用智能材料与住宅智能化智能材料与住宅智能化 与现代医学相联系的智能材料与现代医学相联系的智能材料 智能材料智能材料39（1）智能蒙皮）智能蒙皮 光纤

18、作为智能传感元件用于飞机机翼的智能蒙皮中，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、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。隐身和通信。 智能材料智能材料40（2）结构监测和寿命预测）结构监测和寿命预测 u采用光纤传感器和聚偏氟乙烯传感器的智能采用光纤传感器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、损伤评估和寿载器进行全寿命期实时监测、损伤评估和寿 命预测；

19、命预测；u空间站等大型在轨系统采用光纤智能结构，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，实其他原因引起的损伤，对损伤进行评估，实 施自诊断。施自诊断。 智能材料智能材料41（3）环境自适应结构）环境自适应结构 智能结构制成的自适应机翼，能够实时智能结构制成的自适应机翼，能够实时感知外感知外界环境的变化界环境的变化，并可以，并可以驱动机翼弯曲、扭转驱动机翼弯曲、扭转，从而从而改变翼型和攻角改变翼型和攻角，以获得最佳气动特性，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。降

20、低机翼阻力系数，延长机翼的疲劳寿命。 在机翼结构中使用在机翼结构中使用磁致伸缩致动器磁致伸缩致动器，可使机翼，可使机翼阻力降低阻力降低85%。智能材料智能材料42（1）多功能砖）多功能砖 具有变通性和智能性。具有变通性和智能性。主要由四个分层构成：主要由四个分层构成：第一层是功能层，能感受来自周围的声能、热能、光能，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；并能控制这些能量的输出；第二层是通讯层，能为居住者提供内外通信联系的通道；第二层是通讯层，能为居住者提供内外通信联系的通道；第三层是输送通道，可以用来输送水和其它材料；第三层是输送通道，可以用来输送水和其它材

21、料；第四层面膜是砖材的最上层，也具有多功能性。如壁膜可第四层面膜是砖材的最上层，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；传感膜可以接收声波、以使墙壁产生不同的色彩和图案；传感膜可以接收声波、热能和可见光并予以减弱或增强；地膜可产生耐久的色彩热能和可见光并予以减弱或增强；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。和图案；界面膜可连接内外通信线路。 智能材料智能材料43（2）食物器皿）食物器皿 在在毫微塑料毫微塑料的桌面上旋转的碗不仅能测知食物的存在，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行形成各种形状的碟子，供准而且可以根据用户的需要自行形成各种

22、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。和在不使用冰箱的情况下保鲜的功能。 智能材料智能材料44 毫微技术：毫微技术：亦称纳米技术，是以毫微米（亦称纳米技术，是以毫微米（1毫微米等于十亿分一米）为测量单位的产品的技毫微米等于十亿分一米）为测量单位的产品的技术，也就是用单个原子、分子制造物质的科学技术，也就是用单个原子、分子制造物质的科学技术，即在单个原子、分子层次上对物质存在的种术，即在单个原子、分子层次上对物质存在的种类、数量和结构形态等进行精确的观测、识别与类、数量和结构形态等进行

23、精确的观测、识别与控制技术的研究与应用。控制技术的研究与应用。 45（3）座椅）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。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。各种型式的椅座面。毫微塑料可以形成所需的任何图案或结构，还能改变座椅毫微塑料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。本身的结构。由于不同年龄段的人对温度舒适性的要求有很大区别，座由于不同年龄段的人对温度舒适性的要求有很大区别，座椅还可以随心所欲地升温和降温，

24、甚至对人们喜爱的舒适椅还可以随心所欲地升温和降温，甚至对人们喜爱的舒适温度具有记忆功能。温度具有记忆功能。 智能材料智能材料46（1）人造肌肉）人造肌肉 生物弹性材料能模拟活体生物，而且其力量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。和反应速度均接近于人体的肌肉。 生物弹性材料可以应用于人体组织的修复，生物弹性材料可以应用于人体组织的修复， 具有与生物体的相容性，随着伤口的愈合，这种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。聚合物就会在体内逐渐降解，最后将会消失。 智能材料智能材料47（2）人造皮肤）人造皮肤意大利比萨大学的科

25、研人员为了使机器人与意大利比萨大学的科研人员为了使机器人与真人更接近，让它的皮肤具有感觉功能，研真人更接近，让它的皮肤具有感觉功能，研制成功一种人造皮肤智能材料。制成功一种人造皮肤智能材料。 材料可以感知温度、热流的变化以及各种应材料可以感知温度、热流的变化以及各种应 力的大小，并且有良好的空间分辨力。力的大小，并且有良好的空间分辨力。 这种智能材料还可以分辨表面状况，例如，这种智能材料还可以分辨表面状况，例如，粗糙度、摩擦力等。粗糙度、摩擦力等。 智能材料智能材料48（3）在药物自动投入系统上的应用）在药物自动投入系统上的应用 科学家正在研制一种能科学家正在研制一种能根据血液中的葡萄糖根据血

26、液中的葡萄糖浓度而扩张收缩的聚合物浓度而扩张收缩的聚合物，这种聚合物可制成人，这种聚合物可制成人造胰细胞，将它注入糖尿病患者的血液中，小球造胰细胞，将它注入糖尿病患者的血液中，小球就可模拟胰细胞工作，使病人的血糖浓度始终保就可模拟胰细胞工作，使病人的血糖浓度始终保持在平常的水平上。持在平常的水平上。 智能材料智能材料49 6060年代初的一天，美国海军军械实验室的研究人员领来年代初的一天，美国海军军械实验室的研究人员领来了一批镍钛合金丝，也许是制造过程中处理不当，合金丝被了一批镍钛合金丝，也许是制造过程中处理不当，合金丝被弄弯了，他们只能一根一根地将合金丝校直。有人顺手把校弄弯了，他们只能一根

27、一根地将合金丝校直。有人顺手把校直的合金丝堆放在炉子的旁边。这时意外的事情发生了，一直的合金丝堆放在炉子的旁边。这时意外的事情发生了，一些校直的的合金丝在炉温的烘烤下，不一会儿就恢复到原来些校直的的合金丝在炉温的烘烤下，不一会儿就恢复到原来弯曲的形状。于是不得不重新校直合金丝。起初，他们没有弯曲的形状。于是不得不重新校直合金丝。起初，他们没有在意，还是把校直的合金丝堆放在炉旁，结果合金丝又弯曲在意，还是把校直的合金丝堆放在炉旁，结果合金丝又弯曲了，这种现象重复出现了多次，直到人们把校直的合金丝换了，这种现象重复出现了多次，直到人们把校直的合金丝换了一地方堆放，不再受到炉温的烘烤以后，合金丝才继

28、续保了一地方堆放，不再受到炉温的烘烤以后，合金丝才继续保持挺直的形状。持挺直的形状。 军械实验室的研究人员紧紧地抓住了上述的意外的事情，军械实验室的研究人员紧紧地抓住了上述的意外的事情，开展反复的实验研究，终于发现含开展反复的实验研究，终于发现含50%50%镍和镍和50%50%钛的合金在温钛的合金在温度升高度升高4040以上时，能以上时，能“记住记住”自己原来的形状。自己原来的形状。科学家把这种现象叫做形状记忆效应，具有记忆功能的合金称为形状记忆合金。科学家把这种现象叫做形状记忆效应，具有记忆功能的合金称为形状记忆合金。阅读材料阅读材料有记忆的金属有记忆的金属50 51科学家早在科学家早在60

29、60年代就发现了钛镍合金是有年代就发现了钛镍合金是有“记忆记忆”的。这种的。这种“记忆金属记忆金属”制成的卫制成的卫星自展天线在升空前只有巴掌大小，到了星自展天线在升空前只有巴掌大小，到了太空加热后就会展开到四五米！太空加热后就会展开到四五米！ 52形状记忆合金形状记忆合金 形状记忆效应形状记忆效应(Shape Memory Effect):一一旦取消外力或改变温度旦取消外力或改变温度,使发生塑性变形后的使发生塑性变形后的合金又能恢复原来的形状。合金又能恢复原来的形状。 形状记忆效应有三种形式形状记忆效应有三种形式:单向形状记忆单向形状记忆效应、双向形状记忆效应和全方位形状记忆效应、双向形状记

30、忆效应和全方位形状记忆效应。效应。53冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却变形变形变形变形变形变形加热加热加热加热加热加热高温时形状高温时形状 (a) (b) (c)54 科普展览会上有一种神奇的金属花，科普展览会上有一种神奇的金属花，记记忆合金忆合金”花朵花朵”，它的花瓣是用记忆合金制，它的花瓣是用记忆合金制成的，具有记忆能力，灯光一照会绽开。成的，具有记忆能力，灯光一照会绽开。55双程双程CuZnAl记忆合金花记忆合金花 采用采用CuZnAl记记忆合金片，以热水或忆合金片，以热水或热风为热源，开放温热风为热源，开放温度为度为6585，闭，闭合温度为室温。花蕾合温度为室温。花蕾直径直径8

31、0mm,展开直径展开直径200mm。动作幅度为。动作幅度为1800。另外，可据用。另外，可据用户要求订做。户要求订做。56 工业常用形状记忆合金作开关，用于火工业常用形状记忆合金作开关，用于火警探测系统等。警探测系统等。 由于生物相容性好，由于生物相容性好，Ti-Ni合金是目前医合金是目前医学领域使用的唯一的形状记忆合金。学领域使用的唯一的形状记忆合金。 形状记忆合金更多的潜在应用是埋置在形状记忆合金更多的潜在应用是埋置在材料里组成智能复合材料。材料里组成智能复合材料。57记忆钉子记忆钉子菲力浦公司研制了一种由“记忆金属”制成的钉子,把它安在汽车外胎上，当气温降低、公路结冰时，钉子会“自动”从

32、外胎里伸出来，防止车轮打滑。 “记忆金属”食道架能在喉部膨胀成新的食道。必要时只要向食道里加上冰块，“食道”又会遇冷收缩，从而可轻易取出，使失去进食功能的食道癌患者提高了生活质量。 记忆食道支架记忆食道支架 用这种“记忆金属”造出汽车，万一被撞瘪，只要浇上一桶热水就可恢复到原来的形状。汽车58人们盖上用记忆合金丝混合羊毛织成的毛毯后，如毛毯温度过热，它就会自动掀开一部分，适当降低温度，使人睡得更安稳。记忆毛毯记忆毛毯记忆照明灯记忆照明灯 法国巴黎用形状记忆合金制造的城市照明灯，有两瓣随着灯的亮灭而逐渐张开或合上的金属叶片。白天，路灯熄灭，叶片合上；傍晚，路灯亮起灯泡发热，叶片受热而逐渐张开，使

33、灯泡显露出来。59形状记忆合金的特点 形状记忆合金材料是一形状记忆合金材料是一种新型的功能材料，其种新型的功能材料，其特点是在一定的外力作特点是在一定的外力作用下可以改变其形态用下可以改变其形态(形状和体积形状和体积)，但当温，但当温度升高到某一定值时，度升高到某一定值时，它又可完全恢复原来的它又可完全恢复原来的形态。形态。 通过形状记忆合金模仿肌肉的收缩来实现人工肌肉的功能。用背部的金属纤维振动翅膀60形状记忆合金的用途（一）在航空上的应用月球上的“奇葩”在室温下用形状记忆合金制在室温下用形状记忆合金制成抛物面天线，然后把它揉成抛物面天线，然后把它揉成直径成直径5厘米以下的小团，放厘米以下的

34、小团，放入阿波罗入阿波罗11号的舱内，在月号的舱内，在月面上经太阳光的照射加热使面上经太阳光的照射加热使它恢复到原来的抛物面形状。它恢复到原来的抛物面形状。这样就能用空间有限的火箭这样就能用空间有限的火箭舱运送体积庞大的天线了。舱运送体积庞大的天线了。 61宇宙飞船登月的月面天线宇宙飞船登月的月面天线 宇宙飞船登月之后，为了将月球上收集到的各种信息发回地球，必须在月球上架设直径为好几米的半月面天线。要把这个庞然大物直接放入宇宙飞船的船舱中几乎是不可能。科研人员先用硬度和刚性非常好的镍钛合金在40以上制成半球面的月面天线，再让天线冷却到28以下。这时合金内部发生了结晶构造转变，变得非常柔软，很容

35、易把天线折叠成小球似的一团，放进宇宙飞船的船舱里。到达月球以后，宇航员把变软的天线放在月面上，借助于太阳光照射或其它热源的烘烤使环境温度超过40，这时天线像一把折叠伞自动张开，迅速投入正常的工作。 阅读材料阅读材料6263形状记忆合金的用途（二）在医学上的应用在医学上的应用 合金作为驱动元件，具有可动的肩、肘、合金作为驱动元件，具有可动的肩、肘、腕及手指的微型机械手。手指和手腕靠腕及手指的微型机械手。手指和手腕靠TiNiTiNi合金合金螺旋弹簧的伸缩实现螺旋弹簧的伸缩实现开闭和弯曲开闭和弯曲动作，肘和肩是动作，肘和肩是靠直线状的靠直线状的TiNiTiNi合金丝的伸缩做弯曲动作，各个合金丝的伸缩

36、做弯曲动作，各个形状记忆合金驱动元件都由直接通上的电流加以形状记忆合金驱动元件都由直接通上的电流加以控制。控制。 64 医疗上用镍钛形状记忆合金制造牙齿的矫正器、凝血过滤器，脑动脉瘤手术夹钳、人造心脏瓣膜、脊椎矫正器、骨折部位的定位夹具等，给病人带来福音。 将“记忆金属”做成“金属食道支架”，能在患者喉部膨胀成新的食道，必要时只要向食道里加冰块，“食道”又会遇冷收缩，从而可轻易取出。65 随着社会的发展，我们对金属的认识也在增随着社会的发展，我们对金属的认识也在增加。并且，也希望新的材料的诞生。也许在加。并且，也希望新的材料的诞生。也许在不远将来，我们都会拥有一辆由不远将来，我们都会拥有一辆由

37、“记忆金属记忆金属”制作的汽车，我们再也不怕把汽车碰撞的凹制作的汽车，我们再也不怕把汽车碰撞的凹凸不平而心痛惋惜了。这种凸不平而心痛惋惜了。这种“记忆金属记忆金属”即即是是镍钛合金镍钛合金。如把这样一块金属进行加热，。如把这样一块金属进行加热，它将形成一定的形态。冷却后，任意揉皱，它将形成一定的形态。冷却后，任意揉皱，或使它弯曲，再加热后，它又恢复了原状。或使它弯曲，再加热后，它又恢复了原状。变形汽车变形汽车66科学家还用记忆合金做科学家还用记忆合金做成食道支架，对失去进成食道支架，对失去进食功能的食道癌患者来食功能的食道癌患者来说，说，“记忆金属记忆金属”食道食道架能在喉部膨胀成新的架能在喉

38、部膨胀成新的食道，必要时只要向食食道，必要时只要向食道里加上冰块，道里加上冰块，“食道食道”又会遇冷收缩，从而可又会遇冷收缩，从而可轻易取出。轻易取出。人造食道人造食道67一般眼镜架于耳上，一般眼镜架于耳上，使人感到不自在。使人感到不自在。本设计引用记忆金本设计引用记忆金属，适合头部不同属，适合头部不同形状和大小，兼具形状和大小，兼具防滑作用，不佩戴防滑作用，不佩戴时，可置于头上，时，可置于头上，防止遗失。防止遗失。记忆眼镜记忆眼镜68防火烟灰缸防火烟灰缸 日本研制出用记忆金属制造的烟灰缸，可自动日本研制出用记忆金属制造的烟灰缸，可自动将吸烟者置于烟灰缸边上的香烟熄火。这种烟缸利将吸烟者置于烟

39、灰缸边上的香烟熄火。这种烟缸利用记忆金属随温度变形的特点，当香烟燃至一定的用记忆金属随温度变形的特点，当香烟燃至一定的程度，处于水平状态下的金属片外端就会自动抬起，程度，处于水平状态下的金属片外端就会自动抬起，使烟头倾斜落入缸内，这种烟灰缸能有效的避免吸使烟头倾斜落入缸内，这种烟灰缸能有效的避免吸烟者因忘记熄灭香烟而发生火灾，很受吸烟者欢迎。烟者因忘记熄灭香烟而发生火灾，很受吸烟者欢迎。 69法国巴黎用形状记忆合金制造的城市照法国巴黎用形状记忆合金制造的城市照明灯，有两瓣随着灯的亮、灭而逐渐张明灯，有两瓣随着灯的亮、灭而逐渐张开或合上的叶片。白天，路灯熄灭，叶开或合上的叶片。白天，路灯熄灭，叶

40、片合上，傍晚之后，叶片受灯泡热度的片合上，傍晚之后，叶片受灯泡热度的作用而逐渐张开，让灯泡显露出来。作用而逐渐张开，让灯泡显露出来。 记忆照明灯记忆照明灯用记忆金属制成的钉子安在汽车的外用记忆金属制成的钉子安在汽车的外胎上，当遇气温降低公路上结有冰霜胎上，当遇气温降低公路上结有冰霜时，钉子会自动从外胎里伸出来，防时，钉子会自动从外胎里伸出来，防此轮胎打滑。此轮胎打滑。 记忆钉子记忆钉子70 记忆合金管的接头记忆合金管的接头71记忆记忆铆钉铆钉72形状记忆合金的用途归纳形状记忆合金的用途归纳(1)汽车：后雾灯罩、手动变速箱的防噪音装置、燃料蒸发气体排出控制阀；(2)电子设备：电子炉灶换气门的开闭

41、器、空调风向自动调节器、咖啡牛奶沸腾感知器、电饭锅压力调节器、电磁调理器过热感知器、温泉浴池调理器等；(3)安全器具：过热报警器、火灾报警器、烟灰缸灭火栓等；(4)医疗方面：人工牙根、牙齿矫正丝、导线等；(5)生活用品：自动干燥库门开闭器、卫生间洗涤器水管转换开关、空调进出口风向调节器、浴池保温器、玩具、路标方向指示转换器、家庭换气门开闭器、防火挡板、净水器热水防止阀、恒温箱混合水栓温度调节阀、眼镜固定件、眼镜框架、胸罩丝、钓鱼线、便携电话天线、装饰品等。73非晶态合金和金属玻璃非晶态合金和金属玻璃1960年，美国科学家皮杜威等首先发现某些液态贵金属合金，如金硅合金等在冷却速度非常快的情况下，

42、当金属内部的原子来不及”理顺”位置，仍处于无序的紊乱状态时，便马上凝固了，成为非晶态金属非晶态金属。这些非晶态金属材料的结构与玻璃的结构极为相似,所以又称为“金属玻璃金属玻璃”非晶态合金制品可以由液体金属一次直接成型，省去了铸、锻等加工工序，而且边角余料可全部回收，能极大节省能源和材料。阅读材料阅读材料大块金属玻璃大块金属玻璃74Class is Class is over.over.Bye-bye!Bye-bye!75第二章第二章 智能无机非金智能无机非金属材料属材料76前前 言言 陶瓷材料：陶瓷材料：指氧化物、碳化物、氮化物以及硼化物等非金属类耐高温、高强度的材料。 特点：特点：性能多样性

43、。 缺点：缺点：脆性和使用可靠性低。 陶瓷材料智能化主要目的：陶瓷材料智能化主要目的：就是改善陶瓷的脆性，比较理想的方法就是增韧机制和自诊断同时进行。 在线诊断技术：在线诊断技术：主要测量应变、相变、裂纹萌生和扩展，其中测量应变主要有光导纤维、压电材料、磁致伸缩材料等。772.1 2.1 陶瓷及非金属材料的自诊断效应陶瓷及非金属材料的自诊断效应自诊断：依靠材料内部的组分或结构的变化产生自诊断：依靠材料内部的组分或结构的变化产生的信号而自行检测、监测和诊断材料内的信号而自行检测、监测和诊断材料内部的缺陷或裂纹的方法。部的缺陷或裂纹的方法。诊断内容：应力状态、应变量、相变、缺陷或裂纹诊断内容：应力

44、状态、应变量、相变、缺陷或裂纹发展过程等。发展过程等。自诊断功能来源：导电相自诊断功能来源：导电相( (连续长纤维、分散增连续长纤维、分散增韧相韧相) )、晶界相、多层结构、晶界相、多层结构、介电体、压电体等的应用。介电体、压电体等的应用。增韧机制：长纤维的复合、桥接、分散相的复合、增韧机制：长纤维的复合、桥接、分散相的复合、 相变增韧、晶体结构的微细化等。相变增韧、晶体结构的微细化等。理想的自诊断方法：增韧机制与自诊断功能同时并存。理想的自诊断方法：增韧机制与自诊断功能同时并存。78添加碳纤维的混凝土材料的自诊断添加碳纤维的混凝土材料的自诊断7980利用线性电容的自诊断利用线性电容的自诊断介

45、电检测介电检测81添加光纤的混凝土结构的自诊断添加光纤的混凝土结构的自诊断822.2 自修补自愈合材料自修补自愈合材料人造材料的自修补、自愈合设计思路人造材料的自修补、自愈合设计思路83高温下陶瓷涂层的自动成膜机制高温下陶瓷涂层的自动成膜机制84高温陶瓷的高温氧化自适应性高温陶瓷的高温氧化自适应性自修复思路：自修复思路：85Nb2O5-NbO2-Nb2O3-NbN实实 例：例：空气空气/O2Nb2O5NbNNb2O3NbO2Si3N4+NbN86 Si3N4和和NbN与氧反应生成与氧反应生成N2，形成局部还原，形成局部还原环境，抑制氧化。环境，抑制氧化。87微波辐射使陶瓷材料内部裂纹愈合微波辐

46、射使陶瓷材料内部裂纹愈合88 自愈合机制：自愈合机制：实例：实例：在氮化硅陶瓷中加入少量介电常数较大的在氮化硅陶瓷中加入少量介电常数较大的碳化钛和碳化铌等颗粒。碳化钛和碳化铌等颗粒。89自愈合混凝土自愈合混凝土90 压电陶瓷压电陶瓷 某些材料在机械力作用下产生变形，会引起表面带电某些材料在机械力作用下产生变形，会引起表面带电的现象，而且其表面电荷密度与应力成正比，这称为正压的现象，而且其表面电荷密度与应力成正比，这称为正压电效应（力电效应（力电）。电）。 反之，在某些材料上施加电场，会产生机械变形，而反之，在某些材料上施加电场，会产生机械变形，而且其应变与电场强度成正比，这称为逆压电效应（电且

47、其应变与电场强度成正比，这称为逆压电效应（电力）。力）。 压电材料是能够把机械能转变成电能，反之亦然的材压电材料是能够把机械能转变成电能，反之亦然的材料。料。 常用的压电陶瓷有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅以及三常用的压电陶瓷有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅以及三元系压电陶瓷等。元系压电陶瓷等。91 压电陶瓷的应用范围非常广泛，而且与人类的生压电陶瓷的应用范围非常广泛，而且与人类的生活密切相关。其应用大致可归纳为以下四方面。活密切相关。其应用大致可归纳为以下四方面。（1）能量转换能量转换。压电陶瓷可以将机械能转换为电能，。压电陶瓷可以将机械能转换为电能，故可用于制造故可用于制造压电打火机、压电点火机、移动

48、压电打火机、压电点火机、移动X光机电光机电源、炮弹引爆装置源、炮弹引爆装置等。用压电陶瓷也可以把电能转换为等。用压电陶瓷也可以把电能转换为超声振动，用于超声振动，用于探寻水下鱼群，对金属进行无损探伤，探寻水下鱼群，对金属进行无损探伤，以及超声清洗、超声医疗以及超声清洗、超声医疗等。等。（2）传感传感。用压电陶瓷制成的传感器可用来检测微弱。用压电陶瓷制成的传感器可用来检测微弱的机械振动并将其转换为电信号，可应用于的机械振动并将其转换为电信号，可应用于声纳系统、声纳系统、气象探测、遥感遥测、环境保护、家用电器等气象探测、遥感遥测、环境保护、家用电器等。92（3）驱动驱动。压电驱动器是利用压电陶瓷的

49、逆压电效应。压电驱动器是利用压电陶瓷的逆压电效应产生形变，以精确地控制位移，可用于产生形变，以精确地控制位移，可用于精密仪器与精密精密仪器与精密机械、微电子技术、光纤技术及生物工程机械、微电子技术、光纤技术及生物工程等领域。等领域。（4）频率控制频率控制。压电陶瓷还可以用来制造各种。压电陶瓷还可以用来制造各种滤波器滤波器和谐振器和谐振器。93自愈合陶瓷材料自愈合陶瓷材料 材料一旦产生缺陷，在无外界作用情况下，材料本身材料一旦产生缺陷，在无外界作用情况下，材料本身具有自我恢复的能力称为自愈合。具有自我恢复的能力称为自愈合。自愈合的途径：自愈合的途径：输入热能输入热能，当特制的具备愈合功能金属基复

50、合材料内部产，当特制的具备愈合功能金属基复合材料内部产生缺陷时，会导致预埋的的钢管纤维破裂，此时对材料简生缺陷时，会导致预埋的的钢管纤维破裂，此时对材料简单加热可令管内低熔点合金流出快速输运至缺陷处令其愈单加热可令管内低熔点合金流出快速输运至缺陷处令其愈合。合。输入电能输入电能，设想材料经一段疲劳试验后，内部产生一定的，设想材料经一段疲劳试验后，内部产生一定的微观缺陷，此时若能输入一定电能，或大电流脉冲处理，微观缺陷，此时若能输入一定电能，或大电流脉冲处理，均可令材料内部缺陷得以改善。均可令材料内部缺陷得以改善。94具有自愈合能力的材料有以下几部分组成具有自愈合能力的材料有以下几部分组成:1)