《智能材料应用》课件.ppt
- 【下载声明】
1. 本站全部试题类文档,若标题没写含答案,则无答案;标题注明含答案的文档,主观题也可能无答案。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
2. 本站全部PPT文档均不含视频和音频,PPT中出现的音频或视频标识(或文字)仅表示流程,实际无音频或视频文件。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
3. 本页资料《《智能材料应用》课件.ppt》由用户(晟晟文业)主动上传,其收益全归该用户。163文库仅提供信息存储空间,仅对该用户上传内容的表现方式做保护处理,对上传内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知163文库(点击联系客服),我们立即给予删除!
4. 请根据预览情况,自愿下载本文。本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
5. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007及以上版本和PDF阅读器,压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 智能材料应用 智能 材料 应用 课件
- 资源描述:
-
1、.1.2一、什么是智能材料一、什么是智能材料二、智能材料的主要分类二、智能材料的主要分类三、智能材料的应用三、智能材料的应用 .3材料的发展和应用历史材料的发展和应用历史:材料科学的发展演化过程材料科学的发展演化过程智能材料是继天智能材料是继天然材料、人造材然材料、人造材料、精细材料之料、精细材料之后的后的第四代功能第四代功能材料材料。.4 智能材料概念是美国和日本科学家首先提出的。1989年日本高木俊宜教授将信息科学融于材料的特性和功能,提出智能材料(Intelligent materials)概念,它是指对环境具有可感知可响应等功能的新材料。美国的RENewnhain教授提出了灵巧(Sma
2、rt)材料的概念,这种材料具有传感和执行功能,他将灵巧材料分为被动灵巧材料、主动灵巧材料和很灵巧材料三类。.5 智能材料是高技术新材料领域中正在形成的一门新的分支学科,是2l世纪的先进材料,是当前工程学科发展的国际前沿。智能材料是一门交叉学科,它的发展不仅是材料学科本身的需要,而且可以带动许多相关学科的发展,如物理、化学、计算机、土木工程和航空航天的发展的。.6设想:混凝土能自己发现混凝土大坝里的裂缝;玻璃能根据环境光强的变化而自行改变透光率,使进入室内的阳光变暗或变亮;墙纸可以变化颜色以适应不同环境;空中飞行的飞机能自行诊断其损伤状态并自行修复。材料具有了“智能”,这种类型的材料就称为智能材
3、料。.7一、什么是智能材料?材料一般分为结构材料和功能材料两大类。对结构材料主要要求其机械强度,而对功能材料侧重于其特有的功能。功能材料对来自外界或内部的各种信息具有感知能力的敏感材料在外界环境或内部状态发生变化时能对之作出适当的反应并产生相应动作的驱动材料.820世纪80年代,人们提出了智能材料的概念。如果能把感知、驱动(执行)和信息等三种功能材料有机地复合或集成于一体就可能实现材料的智能化。智能材料是继天然材料、人造材料、精细材料之后的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第四代功能材料。智能材料智能材料(Intelligent material,Smart mate
4、rial)是一种能从自身的表层或内部获取关于环境条件及是一种能从自身的表层或内部获取关于环境条件及其变化的信息,并进行判断、处理和作出反应,以其变化的信息,并进行判断、处理和作出反应,以改变自身的结构与功能并使之很好地与外界相协调改变自身的结构与功能并使之很好地与外界相协调的具有自适应性的材料系统。的具有自适应性的材料系统。.91、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
5、;(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)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。.10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个基本三个基本要素。要素。智能材料一般由两种或两种以上的材料复合构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。成一个智能材料系统。智能材料智能材料.11智能材料智能材料在材料系统或结构中,可将传感、控制在材料
6、系统或结构中,可将传感、控制 和驱动三种职能集于一身,通过自身对和驱动三种职能集于一身,通过自身对 信息的感知、采集、转换、传输和处信息的感知、采集、转换、传输和处 理,发出指令并执行和完成相应的动理,发出指令并执行和完成相应的动 作,从而赋予材料系统结构健康自诊作,从而赋予材料系统结构健康自诊 断、偏差自校正、损伤自修复与环境自断、偏差自校正、损伤自修复与环境自 适应等智能功能和生物特征,以达到增适应等智能功能和生物特征,以达到增 强结构安全、降低能量消耗和提高整体强结构安全、降低能量消耗和提高整体 性能的目的的一种材料系统和结构。性能的目的的一种材料系统和结构。2.智能材料的特征智能材料的
7、特征.123.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。料系统,是一种智能机构。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
8、态的指令.134、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。.14(2)敏感材料敏感材料敏感材料担负着传感的任务,其主要作用是感知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
9、磁场、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。.15(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
10、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。.16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.17智能结构的动作流程图智能
11、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、固有频率等位置、应力状态、固有频率等智能材料智能材料.18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,使料内部结由于光、电、热等外界条件的作用,使料内部结构发生变化从而改变材料对光波吸收的特性,使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。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.19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
12、: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,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.20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亚稳态色心与玻璃基质具有相同 的相。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:能变价的铈离子紫蓝光波紫蓝光波4f5d铈离子内电子
13、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.21异相型光色玻璃异相型光色玻璃亚稳态色心是与玻璃基质不同的亚稳态色心是与玻璃基质不同的 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
14、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热激活室温热激活.22光色玻璃的应用:光色玻璃的应用:图图18 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汽车、飞机、船舶的前向玻璃或观察窗玻璃,起防眩作用等。璃,起防眩作用等。智能材料智能材料.23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
15、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.24 智能窗结构示意图智能窗结构示意图着色和退色的电化学反应如下:着色和退色的电化学反应如下:Ni1-xO(初始态初始态)+yM+ye-MyNi1-xO(着色态着色态)MyNil-xO(着色态着色态)My-2N1-xO(退色态退色态)+2M+2e-氧化还原的电化学反应氧化还原的电化学反应玻璃基片玻璃基片透明电极透明电极(氧化铟锡膜氧化铟锡膜)离子注入膜
16、离子注入膜快离子导体隔膜快离子导体隔膜电致变色膜电致变色膜(-WO3、NiO薄膜薄膜)蓝色、灰色蓝色、灰色.25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技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.26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,以自动控制后视镜的透光度,以减
17、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。汽车防眩目后视汽车防眩目后视镜是当前玻璃制镜是当前玻璃制造业前沿产品造业前沿产品-电电致变色玻璃在汽致变色玻璃在汽车上的应用。车上的应用。智能材料智能材料.27.28受到外力作用后,受到外力作用后,首先发生首先发生弹性变形弹性变形,达到屈服点,就,达到屈服点,就产生产生塑性变形塑性变形,应力消除后应力消除后留下留下。.29但有些材料,在但有些材料,在发生了塑性变形发生了塑性变形后后,经过,经
18、过,这种现象叫做,这种现象叫做(SME)。)。.30具有具有的材料,一般是的材料,一般是,称为,称为。可以分为三种:可以分为三种:.31智能材料大多是由智能材料大多是由合合成材料成材料或或陶瓷材料陶瓷材料制成的,具有制成的,具有,其,其变化的变化的大小大小与与电场和磁场的强度电场和磁场的强度有关。有关。.32科学家研制成功一种科学家研制成功一种,这种材料这种材料在接通电流时在接通电流时,可以,可以。如果向如果向空心复合梁空心复合梁中充入中充入,在外电场的作用下在外电场的作用下,这种,这种液体材液体材料就会变硬料就会变硬,从而使梁变成僵硬状。,从而使梁变成僵硬状。.33将将现象与现象与结合起结合
19、起来,就可以实现使来,就可以实现使复合梁随着负载的复合梁随着负载的变化变化而而改变其性质改变其性质。这将是。这将是智能化的智能化的一个突破性的新起点。一个突破性的新起点。.34还可以用作还可以用作在地震在地震时时能能自动加固建筑物的基础自动加固建筑物的基础。此外,此外,在在机电工业机电工业中也有广泛的用途。中也有广泛的用途。.35目前目前智能材料的主流是智能材料的主流是,是近是近期才发展起来的一种新型功能材料。期才发展起来的一种新型功能材料。.36在电磁场的作用在电磁场的作用下下可以产生可以产生,也可以,也可以转化为转化为电磁能电磁能。.37具有具有磁磁、和和特点,在国防、航空航天和高技术领特
20、点,在国防、航空航天和高技术领域应用极为广泛。域应用极为广泛。.38(1)由于)由于比比传传统材料统材料在性能上有了惊人的提高,所以在在性能上有了惊人的提高,所以在电器、家电、通讯器材、电脑电器、家电、通讯器材、电脑等生产领域,等生产领域,逐渐取代了逐渐取代了传统的磁致传统的磁致伸缩材料和电致伸缩材料伸缩材料和电致伸缩材料,使产品升级和,使产品升级和更新换代更加容易。更新换代更加容易。.39(2)由于)由于的独的独特的性能,可被用于特的性能,可被用于,如如(如油料控制、导弹发射(如油料控制、导弹发射控制装置等),控制装置等),(如信号处(如信号处理、声纳扫描、超声、水声等),以及理、声纳扫描、
21、超声、水声等),以及等的开发。等的开发。.40对于对于的应用,目前,的应用,目前,美国位居各国之首美国位居各国之首,其成功标志在于开发,其成功标志在于开发出了一系列出了一系列,如,如以及以及等。等。.41我国对我国对新产品的开新产品的开发发也呈现出良好的发展势头。也呈现出良好的发展势头。如开发出的大功率如开发出的大功率,应用于应用于三峡工程和地球物理勘探三峡工程和地球物理勘探;开发出;开发出的的;.42.43在某些晶体材料上在某些晶体材料上施加机械力施加机械力时,晶体时,晶体表面会表面会产生电荷产生电荷,这种现象称,这种现象称。在一定范围内,在一定范围内,。相反,在晶体上相反,在晶体上施加电场
22、施加电场时,晶体会时,晶体会产产生几何变形生几何变形,称,称。.44决定了材料决定了材料能否产能否产生压电性生压电性。显然,压电效应只存在于显然,压电效应只存在于中。中。.45,从而导致,从而导致介质两端表面介质两端表面。.46(2).47由许多由许多排列无序的小晶粒排列无序的小晶粒构成,具构成,具有有,。经经电场处理电场处理后,陶瓷后,陶瓷,是以是以表现出来,且由表现出来,且由各向各向同性同性变成变成各向异性各向异性,从而,从而。.48由于束缚电荷的作用由于束缚电荷的作用,在陶瓷片两极板上,在陶瓷片两极板上吸吸附了一层表面电荷(如图所示)附了一层表面电荷(如图所示),这些,这些与片内与片内数
23、量相等数量相等,符号相反符号相反,起,起片内极化强度对外界的作用片内极化强度对外界的作用。.49当在瓷片上加一个当在瓷片上加一个与极化方向平行的与极化方向平行的外力时外力时,在应力的作用下在应力的作用下,即,即,使,使Ti4+位移变小,位移变小,因而,因而释放出部分原来被吸附释放出部分原来被吸附的表面电荷的表面电荷,这就是被压缩后出现的压电效,这就是被压缩后出现的压电效应应()。其过程示意所示:。其过程示意所示:.50.51当压力撤去后当压力撤去后,(膨胀膨胀过程过程),这时,这时c轴变长轴变长,Ti4+位移增大位移增大,因此,电极上,因此,电极上而出现充电现象。而出现充电现象。.52当在瓷片
24、上施加当在瓷片上施加与极化方向相同的与极化方向相同的时,此时时,此时,表示,表示Ti4+位移位移增大增大,晶胞晶胞c轴变长轴变长,瓷片发生,瓷片发生,此时,此时,电能变为机械能电能变为机械能(逆压电逆压电)。此过程示。此过程示意如下:意如下:.53.54另外,对于另外,对于来说,它不仅来说,它不仅具有具有的性质,而且这种的性质,而且这种会会因外电场的方向因外电场的方向而产生而产生。.55无机压电材料无机压电材料共有两种:共有两种:(如石英如石英SiO2);。.56十分十分广泛,压电陶瓷广泛,压电陶瓷在组成上在组成上可以是可以是;在结构上在结构上可以有可以有ABO3型型或或。.57最常用的压电陶
25、瓷最常用的压电陶瓷有有PbTiO3(PT)、Pb(Ti1-xZrx)O3(PZT)、及及三元系压电陶瓷三元系压电陶瓷。所谓所谓是指是指在在PZT二元系基础上二元系基础上。.58一般一般大都是大都是型型化合物。如化合物。如Pb(Mgl/3Nb2/3)xZryTizO3、Pb(Znl/3Nb2/3)xZryTizO3等。等。.59具有在具有在更更宽广范围内宽广范围内,有利于制备有利于制备。.60加上电场之后加上电场之后,不仅存在,不仅存在产生的应变,而且还存在产生的应变,而且还存在,并且,并且,后一效应称为,后一效应称为。.61即即是一种是一种,外加电场所产生的,外加电场所产生的可表示为可表示为S
展开阅读全文