智能材料1.智能材料1.一、什么是智能材料二、智能材料的主要分類三、智能材料的應(yīng)用

2.一、什么是智能材料2.材料的發(fā)展和應(yīng)用歷史：材料科學(xué)的發(fā)展演化過程智能材料是繼天然材料、人造材料、精細(xì)材料之后的第四代功能材料。3.材料的發(fā)展和應(yīng)用歷史：材料科學(xué)的發(fā)展演化過程智能材料是繼天然智能材料概念是美國和日本科學(xué)家首先提出的。1989年日本高木俊宜教授將信息科學(xué)融于材料的特性和功能，提出智能材料(Intelligentmaterials)概念，它是指對(duì)環(huán)境具有可感知可響應(yīng)等功能的新材料。美國的R．E．Newnhain教授提出了靈巧(Smart)材料的概念，這種材料具有傳感和執(zhí)行功能，他將靈巧材料分為被動(dòng)靈巧材料、主動(dòng)靈巧材料和很靈巧材料三類。

4.智能材料概念是美國和日本科學(xué)家首先提出的。4.智能材料是高技術(shù)新材料領(lǐng)域中正在形成的一門新的分支學(xué)科，是2l世紀(jì)的先進(jìn)材料，是當(dāng)前工程學(xué)科發(fā)展的國際前沿。智能材料是一門交叉學(xué)科，它的發(fā)展不僅是材料學(xué)科本身的需要，而且可以帶動(dòng)許多相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，如物理、化學(xué)、計(jì)算機(jī)、土木工程和航空航天的發(fā)展的。5.智能材料是高技術(shù)新材料領(lǐng)域中正在形成的一門新的分設(shè)想：混凝土能自己發(fā)現(xiàn)混凝土大壩里的裂縫；玻璃能根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)的變化而自行改變透光率，使進(jìn)入室內(nèi)的陽光變暗或變亮；墻紙可以變化顏色以適應(yīng)不同環(huán)境；空中飛行的飛機(jī)能自行診斷其損傷狀態(tài)并自行修復(fù)。材料具有了“智能”，這種類型的材料就稱為智能材料。6.設(shè)想：6.一、什么是智能材料？

材料一般分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類。對(duì)結(jié)構(gòu)材料主要要求其機(jī)械強(qiáng)度，而對(duì)功能材料側(cè)重于其特有的功能。功能材料對(duì)來自外界或內(nèi)部的各種信息具有感知能力的敏感材料在外界環(huán)境或內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)能對(duì)之作出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)并產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)材料7.一、什么是智能材料？材料一般分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類。對(duì)20世紀(jì)80年代，人們提出了智能材料的概念。如果能把感知、驅(qū)動(dòng)（執(zhí)行）和信息等三種功能材料有機(jī)地復(fù)合或集成于一體就可能實(shí)現(xiàn)材料的智能化。智能材料是繼天然材料、人造材料、精細(xì)材料之后的第四代功能材料。智能材料(Intelligentmaterial，Smartmaterial

)是一種能從自身的表層或內(nèi)部獲取關(guān)于環(huán)境條件及其變化的信息，并進(jìn)行判斷、處理和作出反應(yīng)，以改變自身的結(jié)構(gòu)與功能并使之很好地與外界相協(xié)調(diào)的具有自適應(yīng)性的材料系統(tǒng)。8.20世紀(jì)80年代，人們提出了智能材料的概念。如果能把感知1、智能材料需具備以下內(nèi)涵：

（1）具有感知功能，能夠檢測(cè)并且可以識(shí)別外界（或者內(nèi)部）的刺激強(qiáng)度，如電、光、熱、應(yīng)力、應(yīng)變、化學(xué)、核輻射等；

（2）具有驅(qū)動(dòng)功能，能夠響應(yīng)外界變化；

（3）能夠按照設(shè)定的方式選擇和控制響應(yīng)；

（4）反應(yīng)比較靈敏、及時(shí)和恰當(dāng)；

（5）當(dāng)外部刺激消除后，能夠迅速恢復(fù)到原始狀態(tài)。9.1、智能材料需具備以下內(nèi)涵：9.智能材料必須具備感知、控制和驅(qū)動(dòng)三個(gè)基本要素。智能材料一般由兩種或兩種以上的材料復(fù)合構(gòu)成一個(gè)智能材料系統(tǒng)。

智能材料10.智能材料必須具備感知、控制和驅(qū)動(dòng)三個(gè)基本要素。智能材料一般智能材料——在材料系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)中，可將傳感、控制和驅(qū)動(dòng)三種職能集于一身，通過自身對(duì)信息的感知、采集、轉(zhuǎn)換、傳輸和處理，發(fā)出指令并執(zhí)行和完成相應(yīng)的動(dòng)作，從而賦予材料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康自診斷、偏差自校正、損傷自修復(fù)與環(huán)境自適應(yīng)等智能功能和生物特征，以達(dá)到增強(qiáng)結(jié)構(gòu)安全、降低能量消耗和提高整體性能的目的的一種材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)。2.智能材料的特征11.智能材料——在材料系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)中，可將傳感、控制2.智能材料3.智能材料的基本結(jié)構(gòu)

智能材料不是一種單一的材料，而是一個(gè)由多種材料組元通過有機(jī)緊密復(fù)合或嚴(yán)格地科學(xué)組裝而構(gòu)成的材料系統(tǒng)，是一種智能機(jī)構(gòu)。

傳感器執(zhí)行器控制器智能機(jī)構(gòu)材料自身能夠探測(cè)到外部環(huán)境狀態(tài)的變化能夠自動(dòng)地執(zhí)行改變材料狀態(tài)的指令能夠?qū)μ綔y(cè)到的外部環(huán)境的變化作出判斷，并給出相應(yīng)的改變材料狀態(tài)的指令12.3.智能材料的基本結(jié)構(gòu)傳感器執(zhí)行器控4、智能材料的構(gòu)成

智能材料由基體材料、敏感材料、驅(qū)動(dòng)材料和信息處理器四部分構(gòu)成。(1)基體材料

基體材料擔(dān)負(fù)著承載的作用，一般宜選用輕質(zhì)材料。首選高分子材料，因?yàn)槠渲亓枯p、耐腐蝕。其次也可選用金屬材料，以輕質(zhì)有色合金為主。13.4、智能材料的構(gòu)成智能材料由基體材料、敏感材料、驅(qū)動(dòng)材料和(2)敏感材料

敏感材料擔(dān)負(fù)著傳感的任務(wù)，其主要作用是感知環(huán)境變化（包括壓力、應(yīng)力、溫度、電磁場(chǎng)、

PH值等）。常用敏感材料：形狀記憶材料、壓電材料、光纖材料、磁致伸縮材料、電致變色材料、電流變體、磁流變體和液晶材料等。14.(2)敏感材料

敏感材料擔(dān)負(fù)著傳感的任務(wù)，其主要作用是感知(3)驅(qū)動(dòng)材料

因?yàn)樵谝欢l件下驅(qū)動(dòng)材料可產(chǎn)生較大的應(yīng)變和應(yīng)力，所以它擔(dān)負(fù)著響應(yīng)和控制的任務(wù)。常用有效驅(qū)動(dòng)材料：形狀記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料等。(4)其它功能材料

包括導(dǎo)電材料、磁性材料、光纖和半導(dǎo)體材料等。15.(3)驅(qū)動(dòng)材料

因?yàn)樵谝欢l件下驅(qū)動(dòng)材料可產(chǎn)生較大的應(yīng)變和如：將光導(dǎo)纖維、形狀記憶合金和鎵砷化合物半導(dǎo)體控制電路埋入復(fù)合材料中。光導(dǎo)纖維傳感元件(檢測(cè)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變和溫度)形狀記憶合金執(zhí)行元件

(使結(jié)構(gòu)動(dòng)作改變性狀)半導(dǎo)體控制電路控制系統(tǒng)(根據(jù)傳感元件的信息驅(qū)動(dòng)元件動(dòng)作)智能材料16.如：將光導(dǎo)纖維、形狀記憶合金和鎵砷化合物半導(dǎo)體光導(dǎo)纖維傳感元智能結(jié)構(gòu)的動(dòng)作流程圖識(shí)別分析判斷行動(dòng)驅(qū)動(dòng)元件自適應(yīng)地改變結(jié)構(gòu)形狀、剛度、位置、應(yīng)力狀態(tài)、固有頻率等智能材料17.智能結(jié)構(gòu)的動(dòng)作流程圖識(shí)別分析判斷行動(dòng)驅(qū)動(dòng)元件自適應(yīng)地改變結(jié)構(gòu)智能變色材料由于光、電、熱等外界條件的作用，使料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化從而改變材料對(duì)光波吸收的特性，使材料呈現(xiàn)出不同的顏色。光色玻璃電致變色薄膜智能材料18.智能變色材料由于光、電、熱等外界條件的作用，使料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生光色玻璃(變色玻璃)

能夠隨照射光強(qiáng)的變化而改變顏色。原因：含有在光照下能發(fā)生可逆變化的亞穩(wěn)態(tài)色心：在光波的照射下，色心的光吸收特性發(fā)生改變，從而使光色玻璃表現(xiàn)出隨光照而改變顏色的特性。同相型光色玻璃異相型光色玻璃智能材料19.光色玻璃(變色玻璃)同相型光色玻璃智能材料19.同相型光色玻璃——亞穩(wěn)態(tài)色心與玻璃基質(zhì)具有相同的相。如：光學(xué)玻璃的組分中加入氧化鈰（選擇吸收）色心：能變價(jià)的鈰離子紫藍(lán)光波4f5d鈰離子內(nèi)電子躍遷鈰離子恢復(fù)電子狀態(tài)4f5d光減弱玻璃逐漸由高透明態(tài)轉(zhuǎn)向深黃褐色玻璃逐漸恢復(fù)高透明態(tài)20.同相型光色玻璃——亞穩(wěn)態(tài)色心與玻璃基質(zhì)具有相同紫藍(lán)光波4f5異相型光色玻璃——亞穩(wěn)態(tài)色心是與玻璃基質(zhì)不同的光敏晶相物質(zhì)。如：鹵化銀光色玻璃色心：鹵化銀晶體玻璃組分中加入鹵化銀光照(紫外到藍(lán)紫波段)析出游離態(tài)銀離子對(duì)光散射強(qiáng)(著色狀態(tài))光化學(xué)反應(yīng)高溫熔融冷卻析出亞微米尺度的鹵化銀對(duì)光散射很小(高透明狀態(tài))無光照銀離子化合成鹵化銀去除光照室溫?zé)峒せ?1.異相型光色玻璃——亞穩(wěn)態(tài)色心是與玻璃基質(zhì)不同的玻璃組分中光照光色玻璃的應(yīng)用：圖18變色太陽鏡汽車、飛機(jī)、船舶的前向玻璃或觀察窗玻璃，起防眩作用等。智能材料22.光色玻璃的應(yīng)用：圖18變色太陽鏡汽車、飛機(jī)、船舶的前向電致變色薄膜電致變色現(xiàn)象(Electrochromism)——材料在電場(chǎng)作用下所引起的顏色變化，這種變化是可逆的、連續(xù)可調(diào)的(透過率、吸收率、反射率三者比例關(guān)系可調(diào)）。應(yīng)用：智能窗(調(diào)節(jié)玻璃透光特性)機(jī)理：一些氧化物薄膜在電場(chǎng)的作用下能夠發(fā)生電子的交換，導(dǎo)致顏色的改變。

智能材料23.電致變色薄膜應(yīng)用：智能窗(調(diào)節(jié)玻璃透光特性)機(jī)理：智能材料2

智能窗結(jié)構(gòu)示意圖著色和退色的電化學(xué)反應(yīng)如下：

Ni1-xO(初始態(tài))+yM++ye-→MyNi1-xO(著色態(tài))MyNil-xO(著色態(tài))→My-2N1-xO(退色態(tài))+2M++2e-氧化還原的電化學(xué)反應(yīng)玻璃基片透明電極(氧化銦錫膜)離子注入膜快離子導(dǎo)體隔膜電致變色膜(α-WO3、NiO薄膜)

藍(lán)色、灰色24.智能窗結(jié)構(gòu)示意圖著色和退色的電化學(xué)反應(yīng)如下：氧化還原的電化法拉利首款自動(dòng)硬頂敞篷車玻璃車頂采用了利用電場(chǎng)變化來改變顏色的電致變色技術(shù)，可對(duì)透過率進(jìn)行5級(jí)調(diào)整。智能窗的應(yīng)用：智能材料25.法拉利首款自動(dòng)硬頂敞篷車玻璃車頂采用了利用電場(chǎng)變化來改變顏色汽車防眩目后視鏡汽車夜間行駛時(shí)根據(jù)后面行駛車輛前大燈射出的光線照射到后視鏡上產(chǎn)生的眩目光程度，自動(dòng)控制后視鏡的透光度，以減少后視鏡鏡面的反射光強(qiáng)度，使駕駛員既能舒服的通過后視鏡了解后面行駛車輛及行人的情況，又能安全駕駛汽車。汽車防眩目后視鏡是當(dāng)前玻璃制造業(yè)前沿產(chǎn)品-電致變色玻璃在汽車上的應(yīng)用。智能材料26.汽車防眩目后視鏡汽車夜間行駛時(shí)根據(jù)后面行駛車輛前大燈射出的光二、智能材料的主要種類1、形狀記憶合金；2、電流變體和磁流變體；3、磁致伸縮材料；4、壓電陶瓷；5、電致伸縮陶瓷；6、智能材料系統(tǒng)；7、光致變色玻璃；8、電致變色材料；27.二、智能材料的主要種類27.1、形狀記憶合金

一般金屬材料受到外力作用后，首先發(fā)生彈性變形，達(dá)到屈服點(diǎn)，就產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力消除后留下永久變形。28.1、形狀記憶合金28.但有些材料，在發(fā)生了塑性變形后，經(jīng)過合適的熱過程，能夠回復(fù)到變形前的形狀，這種現(xiàn)象叫做形狀記憶效應(yīng)（SME）。29.但有些材料，在發(fā)生了塑性變形后，經(jīng)過合適的熱過程，能夠回具有形狀記憶效應(yīng)的材料，一般是兩種以上金屬元素組成的合金，稱為形狀記憶合金（SMA）。

形狀記憶合金可以分為三種：30.具有形狀記憶效應(yīng)的材料，一般是兩種以上金屬元素組成的合金2、電流變體和磁流變體

電致、磁致變體智能材料大多是由合成材料或陶瓷材料制成的，具有在電場(chǎng)或磁場(chǎng)的作用下發(fā)生變性的能力，其變化的大小與電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度有關(guān)。31.2、電流變體和磁流變體31.科學(xué)家研制成功一種電致變性材料，這種材料在接通電流時(shí)，可以從液體變?yōu)榻咏腆w。如果向空心復(fù)合梁中充入電流變性液體材料，在外電場(chǎng)的作用下，這種液體材料就會(huì)變硬，從而使梁變成僵硬狀。32.科學(xué)家研制成功一種電致變性材料，這種材料在接通電流時(shí)，可將電致變性現(xiàn)象與傳感器結(jié)合起來，就可以實(shí)現(xiàn)使復(fù)合梁隨著負(fù)載的變化而改變其性質(zhì)。這將是裝配結(jié)構(gòu)智能化的一個(gè)突破性的新起點(diǎn)。33.將電致變性現(xiàn)象與傳感器結(jié)合起來，就可以實(shí)現(xiàn)使復(fù)合梁隨著負(fù)電致變性材料還可以用作在地震時(shí)能自動(dòng)加固建筑物的基礎(chǔ)。此外，磁致變性材料在機(jī)電工業(yè)中也有廣泛的用途。34.電致變性材料還可以用作在地震時(shí)能自動(dòng)加固建筑物的基礎(chǔ)。33、磁致伸縮材料

目前磁致伸縮智能材料的主流是稀土磁致伸縮材料，稀土超磁致伸縮材料是近期才發(fā)展起來的一種新型功能材料。35.3、磁致伸縮材料35.磁致伸縮材料在電磁場(chǎng)的作用下可以產(chǎn)生微變形或聲能，也可以將微變形或聲能轉(zhuǎn)化為電磁能。36.磁致伸縮材料在電磁場(chǎng)的作用下可以產(chǎn)生微變形或聲能，也可以

磁致伸縮智能材料具有磁致伸縮值大、機(jī)械響應(yīng)速度快和功率密度高特點(diǎn)，在國防、航空航天和高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。37.磁致伸縮智能材料具有磁致伸縮值大、機(jī)械響應(yīng)速度快和功率密磁致伸縮智能材料的主要用途（1）由于稀土超大磁致伸縮材料比傳統(tǒng)材料在性能上有了驚人的提高，所以在電器、家電、通訊器材、電腦等生產(chǎn)領(lǐng)域，稀土磁致伸縮材料逐漸取代了傳統(tǒng)的磁致伸縮材料和電致伸縮材料，使產(chǎn)品升級(jí)和更新?lián)Q代更加容易。38.磁致伸縮智能材料的主要用途（1）由于稀土超大磁致伸縮材料（2）由于稀土超大磁致伸縮材料的獨(dú)特的性能，可被用于開發(fā)新一代的元器件，如精密控制系統(tǒng)（如油料控制、導(dǎo)彈發(fā)射控制裝置等），聲光發(fā)射系統(tǒng)（如信號(hào)處理、聲納掃描、超聲、水聲等），以及換能器、驅(qū)動(dòng)器等的開發(fā)。39.（2）由于稀土超大磁致伸縮材料的獨(dú)特的性能，可被用于開發(fā)對(duì)于磁致伸縮智能材料的應(yīng)用，目前，美國位居各國之首，其成功標(biāo)志在于開發(fā)出了一系列用于軍事目的的尖端產(chǎn)品，如艦艇水下聲納探測(cè)系統(tǒng)以及導(dǎo)彈發(fā)射控制裝置等。40.對(duì)于磁致伸縮智能材料的應(yīng)用，目前，美國位居各國之首，其成我國對(duì)磁致伸縮智能材料新產(chǎn)品的開發(fā)也呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢(shì)頭。如開發(fā)出的大功率巖體聲波探測(cè)器，應(yīng)用于三峽工程和地球物理勘探；開發(fā)出的井下物理法采油裝置；41.我國對(duì)磁致伸縮智能材料新產(chǎn)品的開發(fā)也呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢(shì)頭4、壓電陶瓷⑴壓電效應(yīng)⑵陶瓷的壓電機(jī)理⑶壓電陶瓷材料的組成與種類42.4、壓電陶瓷⑴壓電效應(yīng)42.⑴壓電效應(yīng)在某些晶體材料上施加機(jī)械力時(shí)，晶體表面會(huì)產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱正壓電效應(yīng)。在一定范圍內(nèi)，電荷密度與作用力成正比。相反，在晶體上施加電場(chǎng)時(shí)，晶體會(huì)產(chǎn)生幾何變形，稱逆壓電效應(yīng)。43.⑴壓電效應(yīng)43.

晶體的對(duì)稱性決定了材料能否產(chǎn)生壓電性。顯然，壓電效應(yīng)只存在于沒有對(duì)稱中心的晶體中。44.晶體的對(duì)稱性決定了材料能否產(chǎn)生壓電性。44.壓電效應(yīng)的本質(zhì)機(jī)械作用(應(yīng)力與應(yīng)變)引起了晶體的極化，從而導(dǎo)致介質(zhì)兩端表面出現(xiàn)相反的束縛電荷。

45.壓電效應(yīng)的本質(zhì)45.(2)

BaTiO3陶瓷的壓電機(jī)理BaTiO3晶體中，氧形成八面體，Ti位于氧八面體的中心，Ca處于八個(gè)八面體的間隙。

BaOTi46.(2)BaTiO3陶瓷的壓電機(jī)理BaTiO3晶體中，氧①陶瓷由許多排列無序的小晶粒構(gòu)成，具有各向同性，不顯示壓電性。經(jīng)電場(chǎng)處理后，陶瓷存在剩余極化強(qiáng)度，它是以束縛電荷的形式表現(xiàn)出來，且由各向同性變成各向異性，從而具有壓電性。47.①陶瓷由許多排列無序的小晶粒構(gòu)成，具有各向同性，不顯示壓

由于束縛電荷的作用，在陶瓷片兩極板上吸附了一層表面電荷（如圖所示），這些吸附電荷與片內(nèi)束縛電荷數(shù)量相等，符號(hào)相反，起屏蔽和抵消片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。Ti電場(chǎng)處理后的陶瓷片48.由于束縛電荷的作用，在陶瓷片兩極板上吸附了一層表面電荷（

②當(dāng)在瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的外力時(shí)，在應(yīng)力的作用下瓷片發(fā)生形變，即極化方向c軸被壓縮，使Ti4+位移變小，片內(nèi)極化強(qiáng)度變小，因而釋放出部分原來被吸附的表面電荷，這就是被壓縮后出現(xiàn)的壓電效應(yīng)(正壓電)。其過程示意所示：49.②當(dāng)在瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的外力時(shí)，在應(yīng)力的作用下Ti電場(chǎng)處理后的陶瓷片外力的作用陶瓷的正壓電效應(yīng)示意圖50.Ti電場(chǎng)處理后的陶瓷片外力的作用陶瓷的正壓電效應(yīng)示意圖50.

當(dāng)壓力撤去后，陶瓷片恢復(fù)原狀(膨脹過程)，這時(shí)c軸變長，Ti4+位移增大，陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度也變大，因此，電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。51.當(dāng)壓力撤去后，陶瓷片恢復(fù)原狀(膨脹過程)，這時(shí)c軸變長，

③當(dāng)在瓷片上施加與極化方向相同的電場(chǎng)時(shí)，此時(shí)增大了極化強(qiáng)度，表示Ti4+位移增大，晶胞c軸變長，瓷片發(fā)生伸長形變，此時(shí)，電能變?yōu)闄C(jī)械能(逆壓電)。此過程示意如下：52.③當(dāng)在瓷片上施加與極化方向相同的電場(chǎng)時(shí)，此時(shí)增大了極化強(qiáng)Ti電場(chǎng)處理后的陶瓷片電場(chǎng)的作用陶瓷的逆壓電效應(yīng)示意圖53.Ti電場(chǎng)處理后的陶瓷片電場(chǎng)的作用陶瓷的逆壓電效應(yīng)示意圖53.

另外，對(duì)于鐵電晶體來說，它不僅具有自發(fā)極化的性質(zhì)，而且這種自發(fā)極化的方向會(huì)因外電場(chǎng)的方向而產(chǎn)生反向。54.另外，對(duì)于鐵電晶體來說，它不僅具有自發(fā)極化的性質(zhì)，而且這⑶壓電陶瓷材料的組成與種類

無機(jī)壓電材料共有兩種：

壓電晶體(如石英SiO2)；

壓電陶瓷。55.⑶壓電陶瓷材料的組成與種類無機(jī)壓電材料共有兩種：55.

壓電陶瓷材料的組成與種類十分廣泛，壓電陶瓷在組成上可以是二元、三元和四元系統(tǒng)；在結(jié)構(gòu)上可以有ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)或鎢青銅結(jié)構(gòu)。56.壓電陶瓷材料的組成與種類十分廣泛，壓電陶瓷在組成上可以是

最常用的壓電陶瓷有鈦酸鉛PbTiO3(PT)、鋯鈦酸鉛Pb(Ti1-xZrx)O3(PZT)、改性鋯鈦酸鉛及三元系壓電陶瓷。所謂三元系是指在PZT二元系基礎(chǔ)上添加第三組元化合物。57.最常用的壓電陶瓷有鈦酸鉛PbTiO3(PT)、鋯鈦酸鉛一般第三組元化合物大都是A(B‘B“)O3型復(fù)合鈣鈦礦型化合物。如鈮鎂鋯鈦酸鉛Pb(Mgl/3Nb2/3)xZryTizO3、鈮鋅鋯鈦酸鉛Pb(Znl/3Nb2/3)xZryTizO3等。58.一般第三組元化合物大都是A(B‘B“)O3型復(fù)合鈣鈦礦型

三元、四元系壓電陶瓷具有在更寬廣范圍內(nèi)調(diào)整組成和性能的優(yōu)點(diǎn)，有利于制備高性能的壓電陶瓷。59.三元、四元系壓電陶瓷具有在更寬廣范圍內(nèi)調(diào)整組成和性能的優(yōu)5、電致伸縮陶瓷

壓電材料加上電場(chǎng)之后，不僅存在逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)變，而且還存在一般電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的應(yīng)變，并且該應(yīng)變與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，后一效應(yīng)稱為電致伸縮效應(yīng)。60.5、電致伸縮陶瓷壓電材料加上電場(chǎng)之后，不僅存在逆壓電效應(yīng)

即電致伸縮效應(yīng)是一種高階非線性機(jī)電耦合效應(yīng)，外加電場(chǎng)所產(chǎn)生的應(yīng)變s可表示為S=dE+ME2+NE3+…式中，dE是一階的線性耦合效應(yīng)，即壓電效應(yīng)；系數(shù)d稱為壓電常數(shù)；ME2，NE3，…為高階的非線性耦合效應(yīng)，或電致伸縮效應(yīng)；系數(shù)M、N等為電致伸縮常數(shù)。61.即電致伸縮效應(yīng)是一種高階非線性機(jī)電耦合效應(yīng)，外加電場(chǎng)所產(chǎn)

電致伸縮陶瓷是利用電致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生微小應(yīng)變，并能由電場(chǎng)非常精確地加以控制的陶瓷。62.電致伸縮陶瓷是利用電致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生微小應(yīng)變，并能由電場(chǎng)非

由于高階耦合效應(yīng)非常微弱，通常電致伸縮效應(yīng)是指二階效應(yīng)。大多數(shù)材料的電致伸縮效應(yīng)都非常小，而在電致伸縮陶瓷中，此效應(yīng)為應(yīng)變的主體。63.由于高階耦合效應(yīng)非常微弱，通常電致伸縮效應(yīng)是指二階效應(yīng)。6、智能材料系統(tǒng)

兼具傳感與驅(qū)動(dòng)性能的壓電陶瓷，在構(gòu)筑智能系統(tǒng)的功能材料中，是重要的材料之一。64.6、智能材料系統(tǒng)64.

壓電材料具有機(jī)電、聲、光、熱、彈等多種功能及其耦合效應(yīng)，可用作壓力、溫度、光等多種傳感器。

壓電驅(qū)動(dòng)器又具有位移控制精度高(0.01m)、響應(yīng)快(10s)、推動(dòng)力大(40MPa)、驅(qū)動(dòng)功率低和工作頻率寬等優(yōu)點(diǎn)。65.壓電材料具有機(jī)電、聲、光、熱、彈等多種功能及其耦合效應(yīng)，一些實(shí)用化及正進(jìn)行研究的壓電類智能材料系統(tǒng)如下：66.一些實(shí)用化及正進(jìn)行研究的壓電類智能材料系統(tǒng)如下：66.(1)智能雨刷

這是利用BaTiO3陶瓷的壓電效應(yīng)制成的，它可以自動(dòng)感覺雨量并自動(dòng)調(diào)節(jié)擋風(fēng)玻璃上的雨刷至最佳速度。67.(1)智能雨刷67.(2)高級(jí)轎車中的減震裝置

這是利用正壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)的疊合研制成的智能減震器，這套智能系統(tǒng)具有識(shí)別路面(粗糙度)并進(jìn)行自我調(diào)節(jié)的功能，可以使粗糙路面產(chǎn)生的振動(dòng)減至最低，從而提高乘坐舒適性。68.(2)高級(jí)轎車中的減震裝置68.(3)有源消聲

用于振動(dòng)頻率低于500Hz的消聲，是由壓電陶瓷拾音器、諧振器、模擬聲線圈和數(shù)字信號(hào)處理集成電路組成。(4)智能安全系統(tǒng)及智能傳輸系統(tǒng)69.(3)有源消聲(4)智能安全系統(tǒng)及智能傳輸系統(tǒng)69.(5)利用組合功能效應(yīng)來設(shè)計(jì)和制備新型智能材料和器件

這類智能材料系統(tǒng)，是由兩種或兩種以上功能陶瓷進(jìn)行組合后形成的一種新型復(fù)合陶瓷功能塊，這種復(fù)合功能塊會(huì)呈現(xiàn)一些新效應(yīng)，稱為組合功能效應(yīng)。70.(5)利用組合功能效應(yīng)來設(shè)計(jì)和制備新型智能材料和器件70(6)用壓電陶瓷制備仿生物

模仿自然界生物具有的特性構(gòu)思仿生物，研究像尾鰭和鳥翼那樣柔軟，能折疊又很結(jié)實(shí)的智能材料用作智能機(jī)翼，并有效利用自然界的波浪和風(fēng)能。71.(6)用壓電陶瓷制備仿生物71.(7)壓電陶瓷馬達(dá)

它是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，直接把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能輸出，而不需要通常使用的電磁線圈。72.(7)壓電陶瓷馬達(dá)72.這種新型壓電陶瓷馬達(dá)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、起動(dòng)快、轉(zhuǎn)矩大、體積小、功耗低等特點(diǎn)，主要用作自動(dòng)控制、機(jī)器人等的致動(dòng)器。73.這種新型壓電陶瓷馬達(dá)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、起動(dòng)快、轉(zhuǎn)矩大、體積(8)壓電陶瓷Pachinkom游戲機(jī)它是由若干層鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷塊構(gòu)成的，壓電塊既作為傳感器又作為執(zhí)行器。74.(8)壓電陶瓷Pachinkom游戲機(jī)它是由若干層鋯鈦酸壓電陶瓷Pachinkom游戲機(jī)

75.壓電陶瓷Pachinkom游戲機(jī)75.①當(dāng)金屬球落到陶瓷壓電塊上時(shí)，球的沖擊力產(chǎn)生壓電電壓；②電壓脈沖通過反饋系統(tǒng)加以放大和調(diào)整，然后返回并施加到壓電塊的執(zhí)行器部分；③陶瓷壓電塊突然膨脹變形，把金屬球拋出壓電塊所在的孔，使球沿著螺旋軌道爬出，落入另一孔內(nèi)，再盤旋上升，如此周而復(fù)始。76.①當(dāng)金屬球落到陶瓷壓電塊上時(shí)，球的沖擊力產(chǎn)生壓電電壓；7科學(xué)家最近研制成功一種壓電晶體，如果將其放入壁紙中，就可以大大減小冰箱或空調(diào)機(jī)的噪聲，給住戶創(chuàng)造了一個(gè)安靜的居住環(huán)境。77.科學(xué)家最近研制成功一種壓電晶體，如果將其放入壁紙中，就可7、光致變色玻璃

光致變色玻璃是一種能在光的激發(fā)下發(fā)生變色反應(yīng)的玻璃。78.7、光致變色玻璃78.

含鹵化銀的堿鋁硼硅酸鹽光色玻璃受到紫外光和可見光照射時(shí)，氯化銀晶體分解為Ag和Cl原子，析出的銀原子團(tuán)簇使玻璃顏色變深，從而阻止陽光的透過。發(fā)生的光化學(xué)反應(yīng)如下：

79.含鹵化銀的堿鋁硼硅酸鹽光色玻璃受到紫外光和可見光照射時(shí)，式中，h1為短波激活光能；h2為長波光源光能；△為加熱退色效應(yīng)。h1玻璃變色過程中，發(fā)生的光化學(xué)反應(yīng)如下：80.式中，h1為短波激活光能；h2為長波光源光能；△為加在沒有紫外線照射時(shí)，原來分解產(chǎn)生的銀和鹵素原子又重新結(jié)合恢復(fù)為無色的氯化銀AgCl，原于團(tuán)簇解體，玻璃(鏡片)褪色。因此，變色眼鏡在陽光下變深，在室內(nèi)則恢復(fù)透明。

81.在沒有紫外線照射時(shí)，原來分解產(chǎn)生的銀和鹵素原子又重新結(jié)合若配料中加入少量敏化劑，就能顯著地提高敏感性，并增大光致變色的變暗能力。如加入Cu2O時(shí)，Cu+

是一種增感劑。82.若配料中加入少量敏化劑，就能顯著地提高敏感性，并增大光致

Cu+在氯化銀晶體中作為空穴的捕獲中心，它的存在增加了光解銀原子Ag0的濃度，使玻璃的變暗靈敏度大大提高。h183.Cu+在氯化銀晶體中作為空穴的捕獲中心，它的存在增加了

光致變色玻璃具有隨光的波長和強(qiáng)度的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)光的透過率的自適應(yīng)特性，因而被稱為光敏型智能玻璃，除用作變色眼鏡外，還用作汽車防護(hù)玻璃、航天器窗口、激光防護(hù)、以及裝飾等。84.光致變色玻璃具有隨光的波長和強(qiáng)度的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)光的透過8、電致變色材料

電致變色的原理是在外加電場(chǎng)作用下，材料由于電子、離子的雙注入導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或價(jià)態(tài)發(fā)生可逆變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)材料的透過與反射特性，表現(xiàn)為材料顏色的變化。85.8、電致變色材料85.

電致變色器件通常由多層結(jié)構(gòu)組成，即透明電極/電致變色薄膜/離子儲(chǔ)備層/電極。當(dāng)兩組電極之間建立電場(chǎng)時(shí)，離子由離子儲(chǔ)備層經(jīng)過離子導(dǎo)體在電致變色膜中發(fā)生注入和抽出，從而導(dǎo)致電致變色薄膜的光學(xué)性能發(fā)生變化。86.電致變色器件通常由多層結(jié)構(gòu)組成，即透明電極/電致變色薄膜

無機(jī)電致變色材料有NiO、--WO3。近年來利用薄膜材料的電致變色特性制造了“電開關(guān)”自動(dòng)控制靈巧窗，用于建筑采光等。87.無機(jī)電致變色材料有NiO、--WO3。87.三、.智能材料的應(yīng)用在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用在飛機(jī)上的應(yīng)用智能材料與住宅智能化與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相聯(lián)系的智能材料

智能材料88.三、.智能材料的應(yīng)用在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用智能材料88.在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用89.在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用89.（1）智能蒙皮光纖作為智能傳感元件用于飛機(jī)機(jī)翼的智能蒙皮中，或者在武器平臺(tái)的蒙皮中植入傳感元件、驅(qū)動(dòng)元件和微處理控制系統(tǒng)制成的智能蒙皮，可用于預(yù)警、隱身和通信。90.（1）智能蒙皮光纖作為智能傳感元件用于飛機(jī)機(jī)翼的智能蒙皮中（2）結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)和壽命預(yù)測(cè)采用光纖傳感器和聚偏氟乙烯傳感器的智能結(jié)構(gòu)可對(duì)機(jī)翼、機(jī)架以及可重復(fù)使用航天運(yùn)載器進(jìn)行全壽命期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、損傷評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)；空間站等大型在軌系統(tǒng)采用光纖智能結(jié)構(gòu)，可實(shí)時(shí)探測(cè)由于交會(huì)對(duì)接碰撞、隕石撞擊或其他原因引起的損傷，對(duì)損傷進(jìn)行評(píng)估，實(shí)施自診斷。

91.（2）結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)和壽命預(yù)測(cè)采用光纖傳感器和聚偏氟乙烯傳感器的（3）環(huán)境自適應(yīng)結(jié)構(gòu)

智能結(jié)構(gòu)制成的自適應(yīng)機(jī)翼，能夠?qū)崟r(shí)感知外界環(huán)境的變化，并可以驅(qū)動(dòng)機(jī)翼彎曲、扭轉(zhuǎn)，從而改變翼型和攻角，以獲得最佳氣動(dòng)特性，降低機(jī)翼阻力系數(shù)，延長機(jī)翼的疲勞壽命。在機(jī)翼結(jié)構(gòu)中使用磁致伸縮致動(dòng)器，可使機(jī)翼阻力降低85%。92.（3）環(huán)境自適應(yīng)結(jié)構(gòu)智能結(jié)構(gòu)制成的自適應(yīng)機(jī)翼，能夠?qū)崟r(shí)感知在飛機(jī)上的應(yīng)用93.在飛機(jī)上的應(yīng)用93.

固定翼飛機(jī)在起飛和降落時(shí)需要升降副翼；在遇有陣風(fēng)等情況時(shí)，飛機(jī)翼片的受力分布將發(fā)生變化，從而不能始終保持最佳升力/阻力比。這些顯而易見的事實(shí)都說明飛機(jī)在不同的飛行狀態(tài)和飛行條件下需要不同的機(jī)型和翼型。94.

固定翼飛機(jī)在起飛和降落智能結(jié)構(gòu)制成的自適應(yīng)機(jī)翼（可變形機(jī)翼），能夠?qū)崟r(shí)感知外界環(huán)境的變化，并可以驅(qū)動(dòng)機(jī)翼彎曲、扭轉(zhuǎn)，從而改變翼型和攻角，以獲得最佳氣動(dòng)特性，降低機(jī)翼阻力系數(shù)，延長機(jī)翼的疲勞壽命。如當(dāng)飛機(jī)在飛行過程中遇到渦流或猛烈的逆風(fēng)時(shí)，機(jī)翼中的智能材料就能夠迅速變形，并帶動(dòng)機(jī)翼改變形狀，從而消除渦流或逆風(fēng)的影響，使飛機(jī)仍能平衡地飛行。95.智能結(jié)構(gòu)制成的自適應(yīng)機(jī)翼（可變形機(jī)翼），能夠?qū)崟r(shí)感知外界

美國的一項(xiàng)研究表明，在機(jī)翼結(jié)構(gòu)中使用磁致伸縮致動(dòng)器，可使機(jī)翼阻力降低85%。美國波音公司和麻省理工學(xué)院聯(lián)合研究在槳葉中嵌入智能纖維、電致流變體時(shí)可使槳葉扭轉(zhuǎn)變形達(dá)幾度。美國陸軍在開發(fā)直升機(jī)旋翼主動(dòng)控制技術(shù)，將用于RAH-66武裝直升機(jī)。美國防部和航空航天局也在研究自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，包括翼片彎曲、彎曲造型/控制面造型等。

相信在不久的將來我們用智能材料制成的飛機(jī)機(jī)翼，就可以像魚尾巴一樣行動(dòng)自如，自行彎曲、自動(dòng)改變形狀，從而改進(jìn)升力和阻力，使飛機(jī)飛得更高、更快。96.美國的一項(xiàng)研究表明，在機(jī)翼結(jié)構(gòu)中使用磁致伸縮

將新型智能材料、新型驅(qū)動(dòng)器、激勵(lì)器、傳感器無縫地綜合應(yīng)用于飛行器的一種新的設(shè)計(jì)概念。變形機(jī)翼通過應(yīng)用靈敏的傳感器和驅(qū)動(dòng)器，光滑而持續(xù)地改變機(jī)翼的形狀，對(duì)不斷改變的飛行條件做出響應(yīng)，從而可使飛機(jī)像鳥一樣隨意地在空中進(jìn)行盤旋、倒飛和側(cè)向滑行。

變形機(jī)翼技術(shù)97.將新型智能材料、新型驅(qū)動(dòng)器、激勵(lì)器、傳感器無

飛機(jī)在巡航時(shí)通常要求機(jī)翼具有高展弦比和大機(jī)翼面積，而要想保持飛行速度快，就要求低展弦比和小的機(jī)翼面積。變形機(jī)翼的概念就是把二者的特點(diǎn)結(jié)合在一起，使機(jī)翼面積能夠在50%到150%之間變化。變形機(jī)翼能夠從根本上改善飛機(jī)的巡航和沖刺能力，以及飛行機(jī)動(dòng)能力。美國防部預(yù)先研究計(jì)劃局2003年啟動(dòng)"變形飛機(jī)結(jié)構(gòu)（MAS）"項(xiàng)目，旨在通過在飛行中改變飛機(jī)的氣動(dòng)外形使飛機(jī)在執(zhí)行不同任務(wù)或在不同飛行包線時(shí)的飛機(jī)性能都保持在最佳狀態(tài)，即通過變形飛98.飛機(jī)在巡航時(shí)通常要求機(jī)翼具有高展弦比和大機(jī)翼面部件使新一代軍用飛機(jī)能夠用于執(zhí)行多種形式的作戰(zhàn)任務(wù)。其長遠(yuǎn)目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種續(xù)航能力比"全球鷹"無人機(jī)更強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性比F/A-22戰(zhàn)斗機(jī)更好的飛機(jī)。項(xiàng)目第一階段的合同由三家主承包商承擔(dān)，分別是洛克希德·馬丁公司的折疊機(jī)翼概念；Hypercomp公司/新一代航空技術(shù)公司提出的"滑動(dòng)蒙皮"變形機(jī)翼概念，利用海軍的"火蜂"無人機(jī)機(jī)體作為驗(yàn)證平臺(tái);以及雷聲公司的壓縮機(jī)翼概念，采用美軍"戰(zhàn)斧"巡航導(dǎo)彈作為試驗(yàn)平臺(tái)。99.部件使新一代軍用飛機(jī)能夠用于執(zhí)行多種形式的作戰(zhàn)任務(wù)。其長遠(yuǎn)目100.100.形狀記憶聚合物（SMP）新型材料在變形機(jī)翼設(shè)計(jì)中最重要的因素是一種稱作形狀記憶聚合物（SMP）的特殊材料，這種材料主要用作變形機(jī)翼的蒙皮。SMP具有一種特殊的記憶功能，當(dāng)機(jī)翼被改變?yōu)椴煌螤畈季趾?，SMP分子將會(huì)重新組構(gòu)以恢復(fù)其初始形狀（如圖4所示）。SMP材料的初始形態(tài)，也就是它的“記憶”形狀是一種剛性體即高模量形態(tài)。當(dāng)它受熱、高頻光或電激勵(lì)后將變成一種低模量彈性體，從而可被驅(qū)動(dòng)器和特殊的控制裝置伸展成不同的形狀，當(dāng)它再次被激勵(lì)后，它將恢復(fù)到它的原來的高模量形態(tài)。101.形狀記憶聚合物（SMP）新型材料101.102.102.智能材料與住宅智能化103.智能材料與住宅智能化103.(1)建筑方面

科學(xué)家正集中力量研制使橋梁、高大的建筑設(shè)施以及地下管道等能自診其“健康”狀況，并能自行“醫(yī)治疾病”的材料。英國科學(xué)家已開發(fā)出了兩種“自愈合”纖維。這兩種纖維能分別感知混凝土中的裂紋和鋼筋的腐蝕，并能自動(dòng)粘合混凝土的裂紋或阻止鋼筋的腐蝕。粘合裂紋的纖維是用玻璃絲和聚丙烯制成的多孔狀中空纖維，將其摻入混凝土中后，在混凝土過度撓曲時(shí)，它會(huì)被撕裂，從而釋放出一些化學(xué)物質(zhì)，來充填和粘合混凝土中的裂縫。防腐蝕纖維則被包在鋼筋周圍。當(dāng)鋼筋周圍的酸度達(dá)到一定值時(shí)，纖維的涂層就會(huì)溶解，從纖維中釋放出能阻止混凝土中的鋼筋被腐蝕的物質(zhì)。104.(1)建筑方面科學(xué)家正集中力量研制使橋梁、高（2）多功能磚具有變通性和智能性。主要由四個(gè)分層構(gòu)成：第一層是功能層，能感受來自周圍的聲能、熱能、光能，并能控制這些能量的輸出；第二層是通訊層，能為居住者提供內(nèi)外通信聯(lián)系的通道；第三層是輸送通道，可以用來輸送水和其它材料；第四層面膜是磚材的最上層，也具有多功能性。如壁膜可以使墻壁產(chǎn)生不同的色彩和圖案；傳感膜可以接收聲波、熱能和可見光并予以減弱或增強(qiáng)；地膜可產(chǎn)生耐久的色彩和圖案；界面膜可連接內(nèi)外通信線路。105.（2）多功能磚具有變通性和智能性。105.（3）衛(wèi)生間

在衛(wèi)生間里，常見設(shè)施是洗臉盆、抽水馬桶和淋浴器。而采用了智能結(jié)構(gòu)后：

在洗漱時(shí)，人們只要接觸洗臉盆支架表面的任何區(qū)域，就能調(diào)節(jié)控制水溫、水速和水流的狀態(tài)（集中噴射的水流或?qū)掗煹乃煚畹龋┕┤藗冞x擇。洗臉盆上方的鏡子能照出人的正常反轉(zhuǎn)象，還能照出真實(shí)的非反轉(zhuǎn)象。

106.（3）衛(wèi)生間

在衛(wèi)生間里，常見設(shè)施是洗臉盆、抽水馬桶和

抽水馬桶的形狀和大小可隨使用者的不同而自動(dòng)變化，坐墊自動(dòng)加熱至舒適的溫度，整個(gè)結(jié)構(gòu)十分輕便。無論安裝在室內(nèi)的任何地方，都能和多功能磚牢固地砌合，從而解決上下水的問題。在電腦住宅的廁所里，安裝了一臺(tái)檢查身體的電腦系統(tǒng)，每當(dāng)有人上廁所時(shí)，與馬桶相連的體檢裝置即自動(dòng)分析大小便的情況，如發(fā)現(xiàn)異常，電腦會(huì)立即發(fā)出警報(bào)。

淋浴設(shè)備只要和多功能磚相連接，上下水、水溫和水流都能得到自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)。107.抽水馬桶的形狀和大小可隨使用者的不同而自動(dòng)變（4）食物器皿在毫微塑料的桌面上旋轉(zhuǎn)的碗不僅能測(cè)知食物的存在，而且可以根據(jù)用戶的需要自行形成各種形狀的碟子，供準(zhǔn)備、烹調(diào)和上菜時(shí)使用。并且這種盛食物的碗還具有保溫和在不使用冰箱的情況下保鮮的功能。108.（4）食物器皿在毫微塑料的桌面上旋轉(zhuǎn)的碗不僅能測(cè)知食物的存（5）座椅用毫微塑料制作的坐椅不僅功能將大大增加，而且也將增加舒適程度。使用毫微塑料能改變椅座面的柔韌性和彈性，也可以形成各種型式的椅座面。毫微塑料可以形成所需的任何圖案或結(jié)構(gòu)，還能改變座椅本身的結(jié)構(gòu)。由于不同年齡段的人對(duì)溫度舒適性的要求有很大區(qū)別，座椅還可以隨心所欲地升溫和降溫，甚至對(duì)人們喜愛的舒適溫度具有記憶功能。

109.（5）座椅用毫微塑料制作的坐椅不僅功能將大大增加，而且也將與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相聯(lián)系的智能材料

110.與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相聯(lián)系的智能材料110.醫(yī)療方面

智能材料和結(jié)構(gòu)可用來制造無需馬達(dá)控制并有觸覺響應(yīng)的假肢。這些假肢可模仿人體肌肉的平滑運(yùn)動(dòng)，利用其可控的形狀回復(fù)作用力，靈巧地抓起易碎物體，如盛滿水的紙杯等。藥物自動(dòng)投放系統(tǒng)也是智能材料一顯身手的領(lǐng)地。日本推出了一種能根據(jù)血液中的葡萄糖濃度而擴(kuò)張和收縮的聚合物。葡萄糖濃度低時(shí)，聚合物條帶會(huì)縮成小球，葡萄糖濃度高時(shí)，小球會(huì)伸展成帶。借助于這一特性，這種聚合物可制成人造胰細(xì)胞。將用這種聚合物包封的胰島素小球，注入糖尿病患者的血液中，小球就可以模擬胰細(xì)胞工作。血液中的血糖濃度高時(shí)，小球釋放出胰島素，血糖濃度低時(shí)，胰島素被密封。這樣，病人血糖濃度就會(huì)始終保持在正常的水平上。111.醫(yī)療方面

智能材料和結(jié)構(gòu)可用來制造無需馬達(dá)控制并有觸（1）人造肌肉

生物彈性材料能模擬活體生物，而且其力量和反應(yīng)速度均接近于人體的肌肉。生物彈性材料可以應(yīng)用于人體組織的修復(fù)，具有與生物體的相容性，隨著傷口的愈合，這種聚合物就會(huì)在體內(nèi)逐漸降解，最后將會(huì)消失。112.（1）人造肌肉

生物彈性材料能模擬活體生物，而且其力（2）人造皮膚

意大利比薩大學(xué)的科研人員為了使機(jī)器人與真人更接近，讓它的皮膚具有感覺功能，研制成功一種人造皮膚智能材料。

材料可以感知溫度、熱流的變化以及各種應(yīng)力的大小，并且有良好的空間分辨力。這種智能材料還可以分辨表面狀況，例如，粗糙度、摩擦力等。113.（2）人造皮膚

意大利比薩大學(xué)的科研人員為了使機(jī)器人與1（3）在藥物自動(dòng)投入系統(tǒng)上的應(yīng)用

科學(xué)家正在研制一種能根據(jù)血液中的葡萄糖濃度而擴(kuò)張收縮的聚合物，這種聚合物可制成人造胰細(xì)胞，將它注入糖尿病患者的血液中，小球就可模擬胰細(xì)胞工作，使病人的血糖濃度始終保持在平常的水平上。114.（3）在藥物自動(dòng)投入系統(tǒng)上的應(yīng)用

114.（4）智能材料的兩種抗癌應(yīng)用

Ⅰ、如圖一種有效的抗癌藥物膠囊，即藥物“導(dǎo)彈”。圖中的疏水性藥物載體形成了“導(dǎo)彈”的疏水內(nèi)核，而親水性部分則在內(nèi)核周圍形成了一個(gè)水化物外殼。所形成的這種高分子聚合物膠囊是一種智能型藥物載體，它能自動(dòng)避免被機(jī)體內(nèi)單核吞噬細(xì)胞捕獲而有效的到達(dá)癌細(xì)胞所在地。

115.（4）智能材料的兩種抗癌應(yīng)用

Ⅰ、如圖一種有效的抗癌藥Ⅱ、90年代后期，研制出用對(duì)電磁場(chǎng)敏感的鐵氧體包覆Ti-Ni形狀記憶合金絲制成了癌癥溫?zé)岑煼ㄓ冕槨Ｊ紫龋ㄟ^導(dǎo)管將這種針植入病人癌變部位，由于形狀記憶作用，這種針會(huì)發(fā)生彎曲變形現(xiàn)象；其次，在通過渦流效應(yīng)產(chǎn)生高頻電磁場(chǎng)作用下，形狀記憶合金針將能夠產(chǎn)生一定的熱量而使癌變區(qū)得到萎縮。

116.Ⅱ、90年代后期，研制出用對(duì)電磁場(chǎng)敏感的鐵氧體包覆Ti-Ni主動(dòng)結(jié)構(gòu)聲控智能材料系統(tǒng)中最成熟的應(yīng)用領(lǐng)域大概就是主動(dòng)結(jié)構(gòu)聲控。采用智能結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)結(jié)構(gòu)聲控是降低軍用系統(tǒng)噪聲的有效途徑。117.主動(dòng)結(jié)構(gòu)聲控117.一般說來，可以采用兩種方法來實(shí)現(xiàn)主動(dòng)結(jié)構(gòu)聲控。

一種是簡(jiǎn)單地使結(jié)構(gòu)完全停止振動(dòng)，顯然它可以使聲輻射降低到零，這是一種強(qiáng)制性的方法，往往也是辦不到的。118.一般說來，可以采用兩種方法來實(shí)現(xiàn)主動(dòng)結(jié)構(gòu)聲控。

一種另一種就是采用智能控制方法，它是指有選擇地控制輻射振動(dòng)模。該方法的效率取決于對(duì)材料系統(tǒng)相互作用的基本物理現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和智能材料系統(tǒng)的自適應(yīng)能力。

119.另一種就是采用智能控制方法，它是指有選擇地控制輻射振動(dòng)模因?yàn)?，并不是所有的振?dòng)模都輻射“具有危險(xiǎn)性”的聲波，減少系統(tǒng)的質(zhì)量和功耗也同樣是必須考慮的因素。120.因?yàn)?，并不是所有的振?dòng)模都輻射“具有危險(xiǎn)性”的聲波，減少因而最好的辦法是“感覺”輻射“具有危險(xiǎn)性”的輻射波振動(dòng)模，并使用分布在整個(gè)結(jié)構(gòu)中的作動(dòng)器（壓電材料或電致流變體）對(duì)產(chǎn)生的該振動(dòng)模進(jìn)行控制。121.因而最好的辦法是“感覺”輻射“具有危險(xiǎn)性”的輻射波振動(dòng)模美國軍方提出采用主動(dòng)聲控涂層進(jìn)行聲信號(hào)抑制，提高潛艇主動(dòng)隱身性能。這項(xiàng)技術(shù)將使噪聲降低60分貝，并使?jié)撏綔y(cè)目標(biāo)的時(shí)間縮短100倍。這種主動(dòng)聲控涂層將采用壓電涂層材料和采用電致流變體技術(shù)的主動(dòng)消聲貼片。122.美國軍方提出采用主動(dòng)聲控涂層進(jìn)行聲信號(hào)抑制，提高潛艇主動(dòng)主動(dòng)震動(dòng)控制震動(dòng)會(huì)極大地降低工程系統(tǒng)的性能，如降低對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的傳感器精度，減弱跟蹤和預(yù)警衛(wèi)星跟蹤目標(biāo)的能力，使制導(dǎo)武器性能下降，導(dǎo)致系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，此外還會(huì)干擾空間站的微重力環(huán)境等。123.主動(dòng)震動(dòng)控制123.采用壓電材料、形狀記憶合金或電致流變體的智能結(jié)構(gòu)均可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的主動(dòng)控制，提高軍用系統(tǒng)的性能。如采用智能結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)震動(dòng)控制，可降低直升機(jī)旋翼的振動(dòng)振幅以及產(chǎn)生可控的扭曲形變，提高直升機(jī)的有效載荷，使速度增加，戒備能力提高。124.采用壓電材料、形狀記憶合金或電致流變體的智能結(jié)構(gòu)均可實(shí)現(xiàn)空間系統(tǒng)的主動(dòng)震動(dòng)控制智能結(jié)構(gòu)，主要采用壓電陶瓷或電致伸縮材料作為作動(dòng)器?？紤]的主要因素是低功耗、耐久性、疲勞特性、穩(wěn)定性和溫度／環(huán)境效應(yīng)等問題，同時(shí)還考慮控制器的小型化。125.空間系統(tǒng)的主動(dòng)震動(dòng)控制智能結(jié)構(gòu)，主要采用壓電陶瓷或電致伸

傳感器可用光纖和壓電材料。當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受到外力作用振動(dòng)并產(chǎn)生形變時(shí)，壓電應(yīng)變傳感器可產(chǎn)生與壓力成正比的表面電荷，控制系統(tǒng)對(duì)傳感器測(cè)量的信號(hào)進(jìn)行處理后，再給壓電作動(dòng)器反饋一個(gè)適當(dāng)?shù)碾妷?，使其產(chǎn)生反向變形力，從而產(chǎn)生對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的阻尼作用，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)隨之迅速減弱。126.傳感器可用光纖和壓電材料。當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受到外力作用振動(dòng)并產(chǎn)

自適應(yīng)結(jié)構(gòu)的主動(dòng)振動(dòng)控制，另一項(xiàng)主要應(yīng)用是可能消除航天器控制系統(tǒng)與柔性結(jié)構(gòu)的相互干擾作用。未來大型柔性航天結(jié)構(gòu)因其振動(dòng)頻率低于控制系統(tǒng)的頻率，會(huì)導(dǎo)致有害的控制／結(jié)構(gòu)干擾作用。必須從結(jié)構(gòu)優(yōu)化、阻尼減振方面考慮。127.自適應(yīng)結(jié)構(gòu)的主動(dòng)振動(dòng)控制，另一項(xiàng)主要應(yīng)用是可能消除航天器在地震多發(fā)區(qū)應(yīng)用智能結(jié)構(gòu)的建筑物通過振動(dòng)控制，將大大提高建筑物的抗震性。128.在地震多發(fā)區(qū)應(yīng)用智能結(jié)構(gòu)的建筑物通過振動(dòng)控制，將大大提高Classisover.

Bye-bye!129.Classisover.

Bye-bye!129.智能材料130.智能材料1.一、什么是智能材料二、智能材料的主要分類三、智能材料的應(yīng)用

131.一、什么是智能材料2.材料的發(fā)展和應(yīng)用歷史：材料科學(xué)的發(fā)展演化過程智能材料是繼天然材料、人造材料、精細(xì)材料之后的第四代功能材料。132.材料的發(fā)展和應(yīng)用歷史：材料科學(xué)的發(fā)展演化過程智能材料是繼天然智能材料概念是美國和日本科學(xué)家首先提出的。1989年日本高木俊宜教授將信息科學(xué)融于材料的特性和功能，提出智能材料(Intelligentmaterials)概念，它是指對(duì)環(huán)境具有可感知可響應(yīng)等功能的新材料。美國的R．E．Newnhain教授提出了靈巧(Smart)材料的概念，這種材料具有傳感和執(zhí)行功能，他將靈巧材料分為被動(dòng)靈巧材料、主動(dòng)靈巧材料和很靈巧材料三類。

133.智能材料概念是美國和日本科學(xué)家首先提出的。4.智能材料是高技術(shù)新材料領(lǐng)域中正在形成的一門新的分支學(xué)科，是2l世紀(jì)的先進(jìn)材料，是當(dāng)前工程學(xué)科發(fā)展的國際前沿。智能材料是一門交叉學(xué)科，它的發(fā)展不僅是材料學(xué)科本身的需要，而且可以帶動(dòng)許多相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，如物理、化學(xué)、計(jì)算機(jī)、土木工程和航空航天的發(fā)展的。134.智能材料是高技術(shù)新材料領(lǐng)域中正在形成的一門新的分設(shè)想：混凝土能自己發(fā)現(xiàn)混凝土大壩里的裂縫；玻璃能根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)的變化而自行改變透光率，使進(jìn)入室內(nèi)的陽光變暗或變亮；墻紙可以變化顏色以適應(yīng)不同環(huán)境；空中飛行的飛機(jī)能自行診斷其損傷狀態(tài)并自行修復(fù)。材料具有了“智能”，這種類型的材料就稱為智能材料。135.設(shè)想：6.一、什么是智能材料？

材料一般分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類。對(duì)結(jié)構(gòu)材料主要要求其機(jī)械強(qiáng)度，而對(duì)功能材料側(cè)重于其特有的功能。功能材料對(duì)來自外界或內(nèi)部的各種信息具有感知能力的敏感材料在外界環(huán)境或內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)能對(duì)之作出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)并產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)材料136.一、什么是智能材料？材料一般分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類。對(duì)20世紀(jì)80年代，人們提出了智能材料的概念。如果能把感知、驅(qū)動(dòng)（執(zhí)行）和信息等三種功能材料有機(jī)地復(fù)合或集成于一體就可能實(shí)現(xiàn)材料的智能化。智能材料是繼天然材料、人造材料、精細(xì)材料之后的第四代功能材料。智能材料(Intelligentmaterial，Smartmaterial

)是一種能從自身的表層或內(nèi)部獲取關(guān)于環(huán)境條件及其變化的信息，并進(jìn)行判斷、處理和作出反應(yīng)，以改變自身的結(jié)構(gòu)與功能并使之很好地與外界相協(xié)調(diào)的具有自適應(yīng)性的材料系統(tǒng)。137.20世紀(jì)80年代，人們提出了智能材料的概念。如果能把感知1、智能材料需具備以下內(nèi)涵：

（1）具有感知功能，能夠檢測(cè)并且可以識(shí)別外界（或者內(nèi)部）的刺激強(qiáng)度，如電、光、熱、應(yīng)力、應(yīng)變、化學(xué)、核輻射等；

（2）具有驅(qū)動(dòng)功能，能夠響應(yīng)外界變化；

（3）能夠按照設(shè)定的方式選擇和控制響應(yīng)；

（4）反應(yīng)比較靈敏、及時(shí)和恰當(dāng)；

（5）當(dāng)外部刺激消除后，能夠迅速恢復(fù)到原始狀態(tài)。138.1、智能材料需具備以下內(nèi)涵：9.智能材料必須具備感知、控制和驅(qū)動(dòng)三個(gè)基本要素。智能材料一般由兩種或兩種以上的材料復(fù)合構(gòu)成一個(gè)智能材料系統(tǒng)。

智能材料139.智能材料必須具備感知、控制和驅(qū)動(dòng)三個(gè)基本要素。智能材料一般智能材料——在材料系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)中，可將傳感、控制和驅(qū)動(dòng)三種職能集于一身，通過自身對(duì)信息的感知、采集、轉(zhuǎn)換、傳輸和處理，發(fā)出指令并執(zhí)行和完成相應(yīng)的動(dòng)作，從而賦予材料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康自診斷、偏差自校正、損傷自修復(fù)與環(huán)境自適應(yīng)等智能功能和生物特征，以達(dá)到增強(qiáng)結(jié)構(gòu)安全、降低能量消耗和提高整體性能的目的的一種材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)。2.智能材料的特征140.智能材料——在材料系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)中，可將傳感、控制2.智能材料3.智能材料的基本結(jié)構(gòu)

智能材料不是一種單一的材料，而是一個(gè)由多種材料組元通過有機(jī)緊密復(fù)合或嚴(yán)格地科學(xué)組裝而構(gòu)成的材料系統(tǒng)，是一種智能機(jī)構(gòu)。

傳感器執(zhí)行器控制器智能機(jī)構(gòu)材料自身能夠探測(cè)到外部環(huán)境狀態(tài)的變化能夠自動(dòng)地執(zhí)行改變材料狀態(tài)的指令能夠?qū)μ綔y(cè)到的外部環(huán)境的變化作出判斷，并給出相應(yīng)的改變材料狀態(tài)的指令141.3.智能材料的基本結(jié)構(gòu)傳感器執(zhí)行器控4、智能材料的構(gòu)成

智能材料由基體材料、敏感材料、驅(qū)動(dòng)材料和信息處理器四部分構(gòu)成。(1)基體材料

基體材料擔(dān)負(fù)著承載的作用，一般宜選用輕質(zhì)材料。首選高分子材料，因?yàn)槠渲亓枯p、耐腐蝕。其次也可選用金屬材料，以輕質(zhì)有色合金為主。142.4、智能材料的構(gòu)成智能材料由基體材料、敏感材料、驅(qū)動(dòng)材料和(2)敏感材料

敏感材料擔(dān)負(fù)著傳感的任務(wù)，其主要作用是感知環(huán)境變化（包括壓力、應(yīng)力、溫度、電磁場(chǎng)、

PH值等）。常用敏感材料：形狀記憶材料、壓電材料、光纖材料、磁致伸縮材料、電致變色材料、電流變體、磁流變體和液晶材料等。143.(2)敏感材料

敏感材料擔(dān)負(fù)著傳感的任務(wù)，其主要作用是感知(3)驅(qū)動(dòng)材料

因?yàn)樵谝欢l件下驅(qū)動(dòng)材料可產(chǎn)生較大的應(yīng)變和應(yīng)力，所以它擔(dān)負(fù)著響應(yīng)和控制的任務(wù)。常用有效驅(qū)動(dòng)材料：形狀記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料等。(4)其它功能材料

包括導(dǎo)電材料、磁性材料、光纖和半導(dǎo)體材料等。144.(3)驅(qū)動(dòng)材料

因?yàn)樵谝欢l件下驅(qū)動(dòng)材料可產(chǎn)生較大的應(yīng)變和如：將光導(dǎo)纖維、形狀記憶合金和鎵砷化合物半導(dǎo)體控制電路埋入復(fù)合材料中。光導(dǎo)纖維傳感元件(檢測(cè)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變和溫度)形狀記憶合金執(zhí)行元件

(使結(jié)構(gòu)動(dòng)作改變性狀)半導(dǎo)體控制電路控制系統(tǒng)(根據(jù)傳感元件的信息驅(qū)動(dòng)元件動(dòng)作)智能材料145.如：將光導(dǎo)纖維、形狀記憶合金和鎵砷化合物半導(dǎo)體光導(dǎo)纖維傳感元智能結(jié)構(gòu)的動(dòng)作流程圖識(shí)別分析判斷行動(dòng)驅(qū)動(dòng)元件自適應(yīng)地改變結(jié)構(gòu)形狀、剛度、位置、應(yīng)力狀態(tài)、固有頻率等智能材料146.智能結(jié)構(gòu)的動(dòng)作流程圖識(shí)別分析判斷行動(dòng)驅(qū)動(dòng)元件自適應(yīng)地改變結(jié)構(gòu)智能變色材料由于光、電、熱等外界條件的作用，使料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化從而改變材料對(duì)光波吸收的特性，使材料呈現(xiàn)出不同的顏色。光色玻璃電致變色薄膜智能材料147.智能變色材料由于光、電、熱等外界條件的作用，使料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生光色玻璃(變色玻璃)

能夠隨照射光強(qiáng)的變化而改變顏色。原因：含有在光照下能發(fā)生可逆變化的亞穩(wěn)態(tài)色心：在光波的照射下，色心的光吸收特性發(fā)生改變，從而使光色玻璃表現(xiàn)出隨光照而改變顏色的特性。同相型光色玻璃異相型光色玻璃智能材料148.光色玻璃(變色玻璃)同相型光色玻璃智能材料19.同相型光色玻璃——亞穩(wěn)態(tài)色心與玻璃基質(zhì)具有相同的相。如：光學(xué)玻璃的組分中加入氧化鈰（選擇吸收）色心：能變價(jià)的鈰離子紫藍(lán)光波4f5d鈰離子內(nèi)電子躍遷鈰離子恢復(fù)電子狀態(tài)4f5d光減弱玻璃逐漸由高透明態(tài)轉(zhuǎn)向深黃褐色玻璃逐漸恢復(fù)高透明態(tài)149.同相型光色玻璃——亞穩(wěn)態(tài)色心與玻璃基質(zhì)具有相同紫藍(lán)光波4f5異相型光色玻璃——亞穩(wěn)態(tài)色心是與玻璃基質(zhì)不同的光敏晶相物質(zhì)。如：鹵化銀光色玻璃色心：鹵化銀晶體玻璃組分中加入鹵化銀光照(紫外到藍(lán)紫波段)析出游離態(tài)銀離子對(duì)光散射強(qiáng)(著色狀態(tài))光化學(xué)反應(yīng)高溫熔融冷卻析出亞微米尺度的鹵化銀對(duì)光散射很小(高透明狀態(tài))無光照銀離子化合成鹵化銀去除光照室溫?zé)峒せ?50.異相型光色玻璃——亞穩(wěn)態(tài)色心是與玻璃基質(zhì)不同的玻璃組分中光照光色玻璃的應(yīng)用：圖18變色太陽鏡汽車、飛機(jī)、船舶的前向玻璃或觀察窗玻璃，起防眩作用等。智能材料151.光色玻璃的應(yīng)用：圖18變色太陽鏡汽車、飛機(jī)、船舶的前向電致變色薄膜電致變色現(xiàn)象(Electrochromism)——材料在電場(chǎng)作用下所引起的顏色變化，這種變化是可逆的、連續(xù)可調(diào)的(透過率、吸收率、反射率三者比例關(guān)系可調(diào)）。應(yīng)用：智能窗(調(diào)節(jié)玻璃透光特性)機(jī)理：一些氧化物薄膜在電場(chǎng)的作用下能夠發(fā)生電子的交換，導(dǎo)致顏色的改變。

智能材料152.電致變色薄膜應(yīng)用：智能窗(調(diào)節(jié)玻璃透光特性)機(jī)理：智能材料2

智能窗結(jié)構(gòu)示意圖著色和退色的電化學(xué)反應(yīng)如下：

Ni1-xO(初始態(tài))+yM++ye-→MyNi1-xO(著色態(tài))MyNil-xO(著色態(tài))→My-2N1-xO(退色態(tài))+2M++2e-氧化還原的電化學(xué)反應(yīng)玻璃基片透明電極(氧化銦錫膜)離子注入膜快離子導(dǎo)體隔膜電致變色膜(α-WO3、NiO薄膜)

藍(lán)色、灰色153.智能窗結(jié)構(gòu)示意圖著色和退色的電化學(xué)反應(yīng)如下：氧化還原的電化法拉利首款自動(dòng)硬頂敞篷車玻璃車頂采用了利用電場(chǎng)變化來改變顏色的電致變色技術(shù)，可對(duì)透過率進(jìn)行5級(jí)調(diào)整。智能窗的應(yīng)用：智能材料154.法拉利首款自動(dòng)硬頂敞篷車玻璃車頂采用了利用電場(chǎng)變化來改變顏色汽車防眩目后視鏡汽車夜間行駛時(shí)根據(jù)后面行駛車輛前大燈射出的光線照射到后視鏡上產(chǎn)生的眩目光程度，自動(dòng)控制后視鏡的透光度，以減少后視鏡鏡面的反射光強(qiáng)度，使駕駛員既能舒服的通過后視鏡了解后面行駛車輛及行人的情況，又能安全駕駛汽車。汽車防眩目后視鏡是當(dāng)前玻璃制造業(yè)前沿產(chǎn)品-電致變色玻璃在汽車上的應(yīng)用。智能材料155.汽車防眩目后視鏡汽車夜間行駛時(shí)根據(jù)后面行駛車輛前大燈射出的光二、智能材料的主要種類1、形狀記憶合金；2、電流變體和磁流變體；3、磁致伸縮材料；4、壓電陶瓷；5、電致伸縮陶瓷；6、智能材料系統(tǒng)；7、光致變色玻璃；8、電致變色材料；156.二、智能材料的主要種類27.1、形狀記憶合金

一般金屬材料受到外力作用后，首先發(fā)生彈性變形，達(dá)到屈服點(diǎn)，就產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力消除后留下永久變形。157.1、形狀記憶合金28.但有些材料，在發(fā)生了塑性變形后，經(jīng)過合適的熱過程，能夠回復(fù)到變形前的形狀，這種現(xiàn)象叫做形狀記憶效應(yīng)（SME）。158.但有些材料，在發(fā)生了塑性變形后，經(jīng)過合適的熱過程，能夠回具有形狀記憶效應(yīng)的材料，一般是兩種以上金屬元素組成的合金，稱為形狀記憶合金（SMA）。

形狀記憶合金可以分為三種：159.具有形狀記憶效應(yīng)的材料，一般是兩種以上金屬元素組成的合金2、電流變體和磁流變體

電致、磁致變體智能材料大多是由合成材料或陶瓷材料制成的，具有在電場(chǎng)或磁場(chǎng)的作用下發(fā)生變性的能力，其變化的大小與電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度有關(guān)。160.2、電流變體和磁流變體31.科學(xué)家研制成功一種電致變性材料，這種材料在接通電流時(shí)，可以從液體變?yōu)榻咏腆w。如果向空心復(fù)合梁中充入電流變性液體材料，在外電場(chǎng)的作用下，這種液體材料就會(huì)變硬，從而使梁變成僵硬狀。161.科學(xué)家研制成功一種電致變性材料，這種材料在接通電流時(shí)，可將電致變性現(xiàn)象與傳感器結(jié)合起來，就可以實(shí)現(xiàn)使復(fù)合梁隨著負(fù)載的變化而改變其性質(zhì)。這將是裝配結(jié)構(gòu)智能化的一個(gè)突破性的新起點(diǎn)。162.將電致變性現(xiàn)象與傳感器結(jié)合起來，就可以實(shí)現(xiàn)使復(fù)合梁隨著負(fù)電致變性材料還可以用作在地震時(shí)能自動(dòng)加固建筑物的基礎(chǔ)。此外，磁致變性材料在機(jī)電工業(yè)中也有廣泛的用途。163.電致變性材料還可以用作在地震時(shí)能自動(dòng)加固建筑物的基礎(chǔ)。33、磁致伸縮材料

目前磁致伸縮智能材料的主流是稀土磁致伸縮材料，稀土超磁致伸縮材料是近期才發(fā)展起來的一種新型功能材料。164.3、磁致伸縮材料35.磁致伸縮材料在電磁場(chǎng)的作用下可以產(chǎn)生微變形或聲能，也可以將微變形或聲能轉(zhuǎn)化為電磁能。165.磁致伸縮材料在電磁場(chǎng)的作用下可以產(chǎn)生微變形或聲能，也可以

磁致伸縮智能材料具有磁致伸縮值大、機(jī)械響應(yīng)速度快和功率密度高特點(diǎn)，在國防、航空航天和高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。166.磁致伸縮智能材料具有磁致伸縮值大、機(jī)械響應(yīng)速度快和功率密磁致伸縮智能材料的主要用途（1）由于稀土超大磁致伸縮材料比傳統(tǒng)材料在性能上有了驚人的提高，所以在電器、家電、通訊器材、電腦等生產(chǎn)領(lǐng)域，稀土磁致伸縮材料逐漸取代了傳統(tǒng)的磁致伸縮材料和電致伸縮材料，使產(chǎn)品升級(jí)和更新?lián)Q代更加容易。167.磁致伸縮智能材料的主要用途（1）由于稀土超大磁致伸縮材料（2）由于稀土超大磁致伸縮材料的獨(dú)特的性能，可被用于開發(fā)新一代的元器件，如精密控制系統(tǒng)（如油料控制、導(dǎo)彈發(fā)射控制裝置等），聲光發(fā)射系統(tǒng)（如信號(hào)處理、聲納掃描、超聲、水聲等），以及換能器、驅(qū)動(dòng)器等的開發(fā)。168.（2）由于稀土超大磁致伸縮材料的獨(dú)特的性能，可被用于開發(fā)對(duì)于磁致伸縮智能材料的應(yīng)用，目前，美國位居各國之首，其成功標(biāo)志在于開發(fā)出了一系列用于軍事目的的尖端產(chǎn)品，如艦艇水下聲納探測(cè)系統(tǒng)以及導(dǎo)彈發(fā)射控制裝置等。169.對(duì)于磁致伸縮智能材料的應(yīng)用，目前，美國位居各國之首，其成我國對(duì)磁致伸縮智能材料新產(chǎn)品的開發(fā)也呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢(shì)頭。如開發(fā)出的大功率巖體聲波探測(cè)器，應(yīng)用于三峽工程和地球物理勘探；開發(fā)出的井下物理法采油裝置；170.我國對(duì)磁致伸縮智能材料新產(chǎn)品的開發(fā)也呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢(shì)頭4、壓電陶瓷⑴壓電效應(yīng)⑵陶瓷的壓電機(jī)理⑶壓電陶瓷材料的組成與種類171.4、壓電陶瓷⑴壓電效應(yīng)42.⑴壓電效應(yīng)在某些晶體材料上施加機(jī)械力時(shí)，晶體表面會(huì)產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱正壓電效應(yīng)。在一定范圍內(nèi)，電荷密度與作用力成正比。相反，在晶體上施加電場(chǎng)時(shí)，晶體會(huì)產(chǎn)生幾何變形，稱逆壓電效應(yīng)。172.⑴壓電效應(yīng)43.

晶體的對(duì)稱性決定了材料能否產(chǎn)生壓電性。顯然，壓電效應(yīng)只存在于沒有對(duì)稱中心的晶體中。173.晶體的對(duì)稱性決定了材料能否產(chǎn)生壓電性。44.壓電效應(yīng)的本質(zhì)機(jī)械作用(應(yīng)力與應(yīng)變)引起了晶體的極化，從而導(dǎo)致介質(zhì)兩端表面出現(xiàn)相反的束縛電荷。

174.壓電效應(yīng)的本質(zhì)45.(2)

BaTiO3陶瓷的壓電機(jī)理BaTiO3晶體中，氧形成八面體，Ti位于氧八面體的中心，Ca處于八個(gè)八面體的間隙。

BaOTi175.(2)BaTiO3陶瓷的壓電機(jī)理BaTiO3晶體中，氧①陶瓷由許多排列無序的小晶粒構(gòu)成，具有各向同性，不顯示壓電性。經(jīng)電場(chǎng)處理后，陶瓷存在剩余極化強(qiáng)度，它是以束縛電荷的形式表現(xiàn)出來，且由各向同性變成各向異性，從而具有壓電性。176.①陶瓷由許多排列無序的小晶粒構(gòu)成，具有各向同性，不顯示壓

由于束縛電荷的作用，在陶瓷片兩極板上吸附了一層表面電荷（如圖所示），這些吸附電荷與片內(nèi)束縛電荷數(shù)量相等，符號(hào)相反，起屏蔽和抵消片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。Ti電場(chǎng)處理后的陶瓷片177.由于束縛電荷的作用，在陶瓷片兩極板上吸附了一層表面電荷（

②當(dāng)在瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的外力時(shí)，在應(yīng)力的作用下瓷片發(fā)生形變，即極化方向c軸被壓縮，使Ti4+位移變小，片內(nèi)極化強(qiáng)度變小，因而釋放出部分原來被吸附的表面電荷，這就是被壓縮后出現(xiàn)的壓電效應(yīng)(正壓電)。其過程示意所示：178.②當(dāng)在瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的外力時(shí)，在應(yīng)力的作用下Ti電場(chǎng)處理后的陶瓷片外力的作用陶瓷的正壓電效應(yīng)示意圖179.Ti電場(chǎng)處理后的陶瓷片外力的作用陶瓷的正壓電效應(yīng)示意圖50.

當(dāng)壓力撤去后，陶瓷片恢復(fù)原狀(膨脹過程)，這時(shí)c軸變長，Ti4+位移增大，陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度也變大，因此，電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。180.當(dāng)壓力撤去后，陶瓷片恢復(fù)原狀(膨脹過程)，這時(shí)c軸變長，

③當(dāng)在瓷片上施加與極化方向相同的電場(chǎng)時(shí)，此時(shí)增大了極化強(qiáng)度，表示Ti4+位移增大，晶胞c軸變長，瓷片發(fā)生伸長形變，此時(shí)，電能變?yōu)闄C(jī)械能(逆壓電)。此過程示意如下：181.③當(dāng)在瓷片上施加與極化方向相同的電場(chǎng)時(shí)，此時(shí)增大了極化強(qiáng)Ti電場(chǎng)處理后的陶瓷片電場(chǎng)的作用陶瓷的逆壓電效應(yīng)示意圖182.Ti電場(chǎng)處理后的陶瓷片電場(chǎng)的作用陶瓷的逆壓電效應(yīng)示意圖53.

另外，對(duì)于鐵電晶體來說，它不僅具有自發(fā)極化的性質(zhì)，而且這種自發(fā)極化的方向會(huì)因外電場(chǎng)的方向而產(chǎn)生反向。183.另外，對(duì)于鐵電晶體來說，它不僅具有自發(fā)極化的性質(zhì)，而且這⑶壓電陶瓷材料的組成與種類

無機(jī)壓電材料共有兩種：

壓電晶體(如石英SiO2)；

壓電陶瓷。184.⑶壓電陶瓷材料的組成與種類無機(jī)壓電材料共有兩種：55.

壓電陶瓷材料的組成與種類十分廣泛，壓電陶瓷在組成上可以是二元、三元和四元系統(tǒng)；在結(jié)構(gòu)上可以有ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)或鎢青銅結(jié)構(gòu)。185.壓電陶瓷材料的組成與種類十分廣泛，壓電陶瓷在組成上可以是

最常用的壓電陶瓷有鈦酸鉛PbTiO3(PT)、鋯鈦酸鉛Pb(Ti1-xZrx)O3(PZT)、改性鋯鈦酸鉛及三元系壓電陶瓷。所謂三元系是指在PZT二元系基礎(chǔ)上添加第三組元化合物。186.最常用的壓電陶瓷有鈦酸鉛PbTiO3(PT)、鋯鈦酸鉛一般第三組元化合物大都是A(B‘B“)O3型復(fù)合鈣鈦礦型化合物。如鈮鎂鋯鈦酸鉛Pb(Mgl/3Nb2/3)xZryTizO3