新材料科学导论：第八章 智 能 材 料

123是是二十世纪二十世纪90年代年代迅速发展迅速发展起来的一类起来的一类新型复合材料新型复合材料。智能材料目前智能材料目前还没有统一的定义还没有统一的定义，不，不过，现有的过，现有的智能材料的多种定义智能材料的多种定义仍然是大仍然是大同小异。同小异。4大体来说，大体来说，就是指具有就是指具有（包括内环境和外环境）（包括内环境和外环境），、，并，并的的智能特征的材料智能特征的材料。 5具体来说，具体来说，需具备以下需具备以下：(1)具有具有，能够检测并且可以识能够检测并且可以识别别外界外界(或者内部或者内部)的的刺激强度刺激强度，如电、光、，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；6(2)具有具有，能够，能够响应外界变化响应外界变化； (3)能够能够按照设定的方式按照设定的方式；(4)反应比较反应比较、和和；(5)当外部刺激消除后当外部刺激消除后，能够，能够。7又可以称为又可以称为，常用，常用的有以下几种：的有以下几种：Intelligent material、Intelligent material and structure、Smart material、Smart material and structure、Adaptive material and structure等。等。 8来源于仿生学，它的来源于仿生学，它的目标就是想目标就是想研制出一种材料研制出一种材料，使它成为，使它成为的的“活活”的材料的材料。因此因此必须具备必须具备、和和这三个基本要素。这三个基本要素。9但是但是现有的材料现有的材料一般比较一般比较，难以难以满足智能材料的要求满足智能材料的要求，所以，所以一般一般由由复合构成一个复合构成一个智智能材料系统能材料系统。10这就使得这就使得均涉及到了均涉及到了材料学的最材料学的最前沿领域前沿领域，使智能材料代表了，使智能材料代表了材料科学的材料科学的最活跃方面和最先进的发展方向最活跃方面和最先进的发展方向。 11智能材料应用的简单事例：智能材料应用的简单事例：某些某些太阳镜的镜片当中太阳镜的镜片当中含有含有，这种智能材料能这种智能材料能感知周围的光感知周围的光，并能够，并能够对光对光的强弱进行判断的强弱进行判断，当光强时，它就变暗，当，当光强时，它就变暗，当光弱时，它就会变的透明。光弱时，它就会变的透明。 12因为因为设计智能材料的两个指导思想设计智能材料的两个指导思想是是和和，所，所以以智能材料系统智能材料系统具有或部分具有如下的具有或部分具有如下的和和：13能够能够外界或自身所处的环境条外界或自身所处的环境条件件，如负载、应力、应变、振动、热、，如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学、核辐射等的强度光、电、磁、化学、核辐射等的强度及其变化。及其变化。14可通过可通过，对系统，对系统输入与输出信输入与输出信息进行对比息进行对比，并将其结果提供给，并将其结果提供给控制系统控制系统。能够识别能够识别传感网络得到的各类信息传感网络得到的各类信息并将其积累起来。并将其积累起来。15能够根据能够根据外界环境和内部条件变化外界环境和内部条件变化，作出相应的反应作出相应的反应，并采取必要并采取必要行动行动。16能通过能通过系统目前的状况与过系统目前的状况与过去的情况去的情况，对诸如，对诸如与与等等问题问题进行自诊断并予以校正。进行自诊断并予以校正。17能通过能通过、等等再生机制再生机制，来修补某些，来修补某些局部损伤局部损伤或破坏或破坏。18对不断变化的对不断变化的外部环境和条件外部环境和条件，能，能自身结构和功能，并相应地自身结构和功能，并相应地改变自己的状态和行为改变自己的状态和行为，从而使，从而使材料系统材料系统始终始终对外界变化作出恰如对外界变化作出恰如其分的响应。其分的响应。19一般来说一般来说由由、和和四部四部分构成。分构成。20基体材料担负着基体材料担负着，一般宜，一般宜选用选用。一般基体材料一般基体材料，因为，因为其其重量轻重量轻、耐腐蚀耐腐蚀，尤其具有粘弹性的非，尤其具有粘弹性的非线性特征。线性特征。也也，以，以轻轻质有色合金质有色合金为主。为主。21担负着担负着传感的任务传感的任务，其主要作，其主要作用是用是（包括（包括压力压力、应力应力、温度温度、电磁场电磁场、pH值值等）。等）。常用敏感材料常用敏感材料如如、和和等。等。22因为因为在一定条件下在一定条件下，可产生较大可产生较大的的，所以它担负着，所以它担负着。常用有效驱动材料常用有效驱动材料如如、和和等。等。可以看出，这些材料既是可以看出，这些材料既是，显然起到了身兼二职的作用，这，显然起到了身兼二职的作用，这也是也是智能材料设计时可采用的一种思路智能材料设计时可采用的一种思路。23包括包括、等。等。24图所示为智能材料的图所示为智能材料的。25是继是继、之后的之后的第四代功能材料第四代功能材料。因为现在因为现在可用于智能材料的材料种类不可用于智能材料的材料种类不断扩大断扩大，所以，所以智能材料的分类智能材料的分类也只能是粗浅也只能是粗浅的，分类方法也有多种，的，分类方法也有多种，26若按若按来分，可以分为来分，可以分为、和和等。等。若按若按来分，可以分为来分，可以分为、和和。27目前研究开发的目前研究开发的主要有主要有和和两大类；两大类；在在、和和材料等方面发材料等方面发展较快；展较快；28的范围很广泛，作为的范围很广泛，作为智能材料的智能材料的的研究和的研究和开发非常活跃，开发非常活跃，其次还有其次还有、和和等。等。 291、30用于军事，是用于军事，是随着智能随着智能材料的发展材料的发展不断发展的一个领域。不断发展的一个领域。31因为因为不仅象不仅象一样可以一样可以，而且它还具有了，而且它还具有了其其他功能材料所不具备的功能他功能材料所不具备的功能，即能，即能，并能，并能，借此，借此。32所以，所以，在军事应用中在军事应用中具有很具有很大潜力，它的研究、开发和利用，对大潜力，它的研究、开发和利用，对将产生重大影响。将产生重大影响。 目前，在各种军事领域中，目前，在各种军事领域中，主要涉及到以下几个方面：主要涉及到以下几个方面：33例如，例如，作为智能传感元件的作为智能传感元件的用于用于飞机机翼的飞机机翼的中；中；在在植入植入、和和制成的制成的，可用于，可用于、和和。34目前美国在目前美国在包括：包括：美国美国弹道导弹防御局弹道导弹防御局为为研制研制含有多种传感器的智能蒙皮；含有多种传感器的智能蒙皮；美国海军则重点研究美国海军则重点研究，以提高以提高舰艇的隐身性能舰艇的隐身性能。 35可用于可用于结构内部的结构内部的应变、温度、裂纹，探测疲劳和受损伤情应变、温度、裂纹，探测疲劳和受损伤情况况，从而能够对结构进行，从而能够对结构进行。36例如，采用例如，采用和和的的可对可对机翼、机架机翼、机架以以及可重复使用及可重复使用航天运载器航天运载器进行进行、和和；37等大型等大型在轨系统在轨系统采用采用，可，可由于交会由于交会对接碰撞对接碰撞、陨石撞击陨石撞击或其他原因或其他原因，。38正在研究的正在研究的有：有：自诊断技术；自诊断技术；可以测量裂纹的可以测量裂纹的自诊断技自诊断技术；术；可可自诊断自诊断技术等。技术等。 39用于用于航空、航天系统航空、航天系统可以可以，。如美如美国防高级研究计划局国防高级研究计划局资助波音公司资助波音公司研制的研制的，可以改善，可以改善旋翼的空气动力学性能旋翼的空气动力学性能，减小振动和噪音减小振动和噪音。40用于用于，可以，可以抑制噪声传抑制噪声传播播，提高潜艇和军舰的声隐身性能提高潜艇和军舰的声隐身性能。用于用于，可以，可以提高军提高军用车辆的性能和乘坐的舒适度用车辆的性能和乘坐的舒适度。国外正在研究的具有国外正在研究的具有的的智能结构智能结构，主要由，主要由、和和等新材料制成。等新材料制成。41制成的制成的，能够，能够实实时感知外界环境的变化时感知外界环境的变化，并可以，并可以驱动机翼驱动机翼弯曲、扭转弯曲、扭转，从而，从而改变翼型和攻角改变翼型和攻角，以获，以获得得，。42如当飞机如当飞机在飞行过程中在飞行过程中遇到遇到或或猛烈的猛烈的时，机翼中的时，机翼中的就能就能够迅速够迅速，并，并，从，从而而消除涡流或逆风的影响消除涡流或逆风的影响，使飞机仍能，使飞机仍能平衡地飞行。平衡地飞行。43美国的一项研究表明，在美国的一项研究表明，在中中使用使用，可使，可使机翼阻力降低机翼阻力降低85%。美国美国波音公司波音公司和和麻省理工学院麻省理工学院联合研联合研究究，电致流变体时电致流变体时可可达几度。达几度。44美国陆军在开发美国陆军在开发，将用于，将用于RAH-66武装直升机。武装直升机。美国防部和航空航天局也在研究美国防部和航空航天局也在研究，包括，包括翼片弯曲翼片弯曲、弯曲造型弯曲造型/控控制面造型制面造型等。等。45相信在不久的将来，我们相信在不久的将来，我们用智能材料用智能材料制成的制成的，就可以，就可以行行动自如动自如、自行弯曲自行弯曲、自动改变形状自动改变形状，从而，从而，使飞机飞得更高、更快。，使飞机飞得更高、更快。 46可能是这样的：可能是这样的：可以随可以随心所欲的心所欲的变换颜色变换颜色；可以随人体不同的可以随人体不同的需要需要改变温度和形状改变温度和形状；一切的；一切的都是触摸都是触摸式的，永远不会再有触电的危险；式的，永远不会再有触电的危险；带有传感功能；带有传感功能；。47随着随着的发展，尤其是的发展，尤其是设想的提出，有可能设计出设想的提出，有可能设计出。虽然目前还处于虽然目前还处于设想阶段设想阶段，但是已经开，但是已经开始着手进行研究，并且必然将在不久的将来始着手进行研究，并且必然将在不久的将来成为现实。成为现实。几种几种如下：如下： 48用来用来构建整个房屋构建整个房屋的结构单元，的结构单元，这种结构单元这种结构单元具有具有和和。这种这种主要由以下主要由以下三个分层三个分层构成：构成：49第一层是第一层是，能感受，能感受来自周围来自周围的的、，并能，并能控制这些能控制这些能量的输出量的输出，如果是，如果是内墙壁砖内墙壁砖，还能，还能；50第二层是第二层是，能为居住者提供，能为居住者提供；第三层是第三层是，可以用来，可以用来。51住户还可以挑选合适的住户还可以挑选合适的。另外，面膜的设置及其构形并不是一成另外，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。不变的，而是很容易剥离并换上新的面膜。52面膜面膜在砖材的最上层在砖材的最上层，它也，它也具有多具有多功能性功能性。如如可以可以使墙壁产生不同的色彩使墙壁产生不同的色彩和图案和图案；53可以可以接收声波、热能和可见光接收声波、热能和可见光并予以并予以减弱或增强减弱或增强；可产生可产生耐久的色彩和图案耐久的色彩和图案；可可连接内外通信线路连接内外通信线路。54在未来的在未来的不会看到传统的碗碟。不会看到传统的碗碟。在毫微在毫微塑料的桌面上，塑料的桌面上，旋转的碗不仅能旋转的碗不仅能，而且可以而且可以根据用户的需要根据用户的需要，供准备、烹调和上菜时使用。供准备、烹调和上菜时使用。并且，这种并且，这种还具有还具有和和在不使用在不使用冰箱的情况下冰箱的情况下的功能。的功能。 55用用制作的坐椅不仅制作的坐椅不仅将大大将大大，而且也将，而且也将。使用毫微塑料使用毫微塑料能改变椅座面的能改变椅座面的和和，也可以形成，也可以形成各种型式的椅座面各种型式的椅座面。56如果如果出于美学的考虑出于美学的考虑，或是便于人们，或是便于人们或从座椅中或从座椅中，毫微塑料也可以，毫微塑料也可以，还能，还能。57由于由于不同年龄段的人不同年龄段的人对对的的要求有很大区别，这种座椅还要求有很大区别，这种座椅还可以随心所可以随心所欲地欲地。它甚至还。它甚至还对人们喜爱的对人们喜爱的舒适温度舒适温度具有具有。58在卫生间里，常见设施是在卫生间里，常见设施是、和和。采用了智能结构的卫生间是这样的：采用了智能结构的卫生间是这样的：59在洗漱时在洗漱时，人们只要，人们只要接触洗脸盆支架接触洗脸盆支架表面的任何区域表面的任何区域，就能，就能、（集中喷射的水流或宽阔（集中喷射的水流或宽阔的水帘状等）供人们选择。的水帘状等）供人们选择。洗脸盆上方的洗脸盆上方的能照出人的正常能照出人的正常，还能照出真实的，还能照出真实的。60的的随使用者的随使用者的不同而自动变化；不同而自动变化；自动加热至舒适的温度，整个结自动加热至舒适的温度，整个结构十分轻便。构十分轻便。61在电脑住宅的在电脑住宅的里，安装了一台里，安装了一台，每当有人上厕所时，与马，每当有人上厕所时，与马桶相连的桶相连的即自动分析大小便的情况，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，以便及如发现异常，电脑会立即发出警报，以便及时到医院去看病。时到医院去看病。62只要和只要和相连接，相连接，上下上下水水、水温水温和和水流水流都能得到自动控制和调节。都能得到自动控制和调节。综上所述，未来的综上所述，未来的必将显著必将显著提高人们的生活质量提高人们的生活质量 。6364因为因为能能模拟活体生物模拟活体生物，而，而且其且其均接近于人体的肌肉。均接近于人体的肌肉。所以这种材料可以应用于所以这种材料可以应用于，而且它们还具有而且它们还具有与生物体的相容性与生物体的相容性，随着伤，随着伤口的愈合，这种聚合物就会在体内口的愈合，这种聚合物就会在体内逐渐降解逐渐降解，最后将会消失。，最后将会消失。 65，可以，可以、以及各种以及各种，并且有，并且有。这种智能材料还可以这种智能材料还可以，例如，例如，粗糙度粗糙度、摩擦力摩擦力等。等。66科学家正在研制一种能科学家正在研制一种能，这种聚合物，这种聚合物可制成可制成，将它，将它注入糖尿病患者的注入糖尿病患者的血液中血液中，小球就可，小球就可模拟胰细胞工作模拟胰细胞工作，使病人使病人的血糖浓度的血糖浓度始终保持在平常的水平上。始终保持在平常的水平上。 67、如图所示是一种有效的、如图所示是一种有效的，即，即。68图中的图中的疏水性疏水性形成了形成了“导弹导弹”的的疏水内核疏水内核，而，而则则在内核周围在内核周围形成了形成了一个一个。所形成的这种所形成的这种是一种是一种，它能，它能而而有效的到达癌细胞所在地有效的到达癌细胞所在地。69、90年代后期，研制出用年代后期，研制出用对电磁场对电磁场敏感的敏感的制成了制成了。70首先，首先，通过导管通过导管将这种针将这种针植入病人癌植入病人癌变部位变部位，由于，由于，这种针会发，这种针会发生生现象；现象；其次，在通过其次，在通过涡流效应产生涡流效应产生，形状记忆合金针形状记忆合金针将能够将能够而使而使癌变区得到萎缩癌变区得到萎缩。 71智能材料系统中智能材料系统中最成熟的应用领域最成熟的应用领域大大概就是概就是。采用智能结构进行采用智能结构进行是是的有效途径。的有效途径。72一般说来，可以采用一般说来，可以采用来实现来实现主动结构声控主动结构声控。一种是简单地一种是简单地，显然它可以显然它可以使声辐射降低到零使声辐射降低到零，这是一种，这是一种强制性的方法强制性的方法，往往也是办不到的。，往往也是办不到的。 73另一种就是采用另一种就是采用，它是，它是指指。该方法的效率取决于该方法的效率取决于和和。 74因为，并不是所有的因为，并不是所有的都辐射都辐射“”的声波，的声波，也同样是必须考虑的因素。也同样是必须考虑的因素。75因而最好的办法是因而最好的办法是“”辐射辐射“”的的，并使用，并使用分布分布在整个结构中的在整个结构中的（压电材料或电致（压电材料或电致流变体）对产生的流变体）对产生的该振动模进行控制该振动模进行控制。76美国军方提出采用美国军方提出采用进行进行，提高，提高潜艇主动隐身性能潜艇主动隐身性能。这。这项技术将使项技术将使噪声降低噪声降低60分贝分贝，并使，并使潜艇探潜艇探测目标的时间缩短测目标的时间缩短100倍。倍。这种这种将采用将采用和采用和采用的的主动消声贴片主动消声贴片。 77震动会极大地震动会极大地降低工程系统的性能降低工程系统的性能，如，如降低降低的的，减弱跟踪减弱跟踪和预警卫星跟踪目标的能力和预警卫星跟踪目标的能力，使制导武器性使制导武器性能下降能下降，导致系统金属结构的疲劳破坏导致系统金属结构的疲劳破坏，此，此外还会外还会干扰空间站的微重力环境干扰空间站的微重力环境等。等。78采用采用、或或的的均可均可实现振动的主动控制实现振动的主动控制，提高军用系统的性能。提高军用系统的性能。如如进行进行主动震动控制主动震动控制，可，可以及以及，提高直升机的有效载荷提高直升机的有效载荷，使速度使速度增加增加，戒备能力提高戒备能力提高。 79空间系统的空间系统的，主，主要采用要采用或或作为作动器。作为作动器。考虑的主要因素考虑的主要因素是是、等问题，同时等问题，同时还考虑还考虑。80可用可用和和。当系统结。当系统结构受到构受到外力作用振动外力作用振动并并产生形变产生形变时，时，可产生与压力成正比的可产生与压力成正比的表面电荷表面电荷，对传感器测量的信号进行处理后，对传感器测量的信号进行处理后，再给再给反馈一个适当的电压，使其反馈一个适当的电压，使其产生产生，从而产生，从而产生，使系统结构的振动随之迅速减弱使系统结构的振动随之迅速减弱。81的的主动振动控制主动振动控制，另一项主，另一项主要应用是可能要应用是可能。未来大型未来大型因其因其振动频率低振动频率低于控制系统的频率于控制系统的频率，会导致有害的控制结，会导致有害的控制结构干扰作用。必须从构干扰作用。必须从结构优化结构优化、阻尼减振阻尼减振方方面考虑。面考虑。82在在应用应用智能结构的建智能结构的建筑物筑物，将大大，将大大提高建筑提高建筑物的抗震性物的抗震性。 8384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。85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，经过，这种现象叫做，这种现象叫做（SME）。）。86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： 87 形状记忆合金形状记忆合金在较低的温度下在较低的温度下变变形，形，加热后加热后可恢复变形前的形状，这可恢复变形前的形状，这种种称为称为。88某些合金某些合金，称为称为。89，称为称为。90三种三种如下图所示。如下图所示。目前，已开发成功的形状记忆合金有目前，已开发成功的形状记忆合金有形状记忆合金、形状记忆合金、形状记忆合金、形状记忆合金、形形状记忆合金等。状记忆合金等。 91最早关于最早关于是由是由Chang及及Read等人等人在在1952年年作出的。他们作出的。他们观察到观察到相变的可逆性。相变的可逆性。后来在后来在也发现了同样的现也发现了同样的现象，但当时并未引起人们的广泛注意。象，但当时并未引起人们的广泛注意。92直到直到1962年，年，Buehler及其合作者在及其合作者在，观察到，观察到具有宏观形具有宏观形状变化的状变化的记忆效应，才引起了材料科学界记忆效应，才引起了材料科学界与工业界的重视。与工业界的重视。到到70年代初，年代初，、等合金中也发现了等合金中也发现了与马氏体相变有与马氏体相变有关的关的。93几十年来，有关几十年来，有关的研究的研究已逐渐成为国际已逐渐成为国际相变会议相变会议和和材料会议材料会议的重的重要议题，并为此召开了多次要议题，并为此召开了多次专题讨论会专题讨论会，不断丰富和完善了不断丰富和完善了。94在理论研究不断深入的同时，在理论研究不断深入的同时，也取得了长足进步，也取得了长足进步，其应用范围涉及其应用范围涉及机械机械、电子电子、化工化工、宇宇航航、能源能源和和医疗医疗等许多领域。等许多领域。95：（1）利用）利用的的单向形单向形状恢复状恢复。如管接头、天线、套环等。如管接头、天线、套环等。96（2）。即利。即利用用并并借助外力随温借助外力随温度升降做反复动作度升降做反复动作，如热敏元件、机，如热敏元件、机器人、接线柱等。器人、接线柱等。97（3）。即。即利用利用随温度升降做反复随温度升降做反复动作动作，如热机、热敏元件等。，如热机、热敏元件等。但这类应用但这类应用记忆衰减快记忆衰减快、可靠性可靠性差差，不，不常用常用。 98（4）。如弹簧、接。如弹簧、接线柱、眼镜架等。线柱、眼镜架等。 99TiNi合金的合金的很好，利用其很好，利用其和和的医学实例相当多。的医学实例相当多。如如血栓过滤器血栓过滤器、脊柱矫形棒脊柱矫形棒、牙齿矫形牙齿矫形丝丝、脑动脉瘤夹脑动脉瘤夹、接骨板接骨板、髓内针髓内针、人工关人工关节节、心脏修补元件心脏修补元件、人造肾脏用微型泵人造肾脏用微型泵等。等。10010110210310410510620世纪是世纪是的时代。的时代。是最典型的是最典型的机机械电子控制系统械电子控制系统，但复杂而庞大。，但复杂而庞大。107兼有兼有和和的的双重功能，可以实现双重功能，可以实现控制系统的控制系统的，如全息机器人、毫米级，如全息机器人、毫米级超微型机械手等。超微型机械手等。10821世纪将成为世纪将成为的时代。的时代。的的机器人的动作机器人的动作，除了，除了外，外，不受任何环境条件的影响不受任何环境条件的影响，可望，可望在在、等高技等高技术领域大显身手。术领域大显身手。109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。110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。111将将现象与现象与结合起结合起来，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。112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。113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。114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。115具有具有磁磁、和和特点，在国防、航空航天和高技术领特点，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。116（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。117（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、超声、水声等），以及等的开发。等的开发。 118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。119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；120121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。122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。123，从而导致，从而导致介质两端表面介质两端表面。 124(2)125由许多由许多排列无序的小晶粒排列无序的小晶粒构成，构成，具有具有，。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，且由各各向同性向同性变成变成各向异性各向异性，从而，从而。126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。 127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：128129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。130当在瓷片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：131132另外，对于另外，对于来说，它不来说，它不仅具有仅具有的性质，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而产生生。 133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)；。134十分十分广泛，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。135最常用的压电陶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。136一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。137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。 138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。139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 = dE + ME2 + NE3 + 式中，式中，dE是一阶的线性耦合效应，即压是一阶的线性耦合效应，即压电效应；系数电效应；系数d称为压电常数；称为压电常数；ME2，NE3，为高阶的非线性耦合效应，或电致伸缩效为高阶的非线性耦合效应，或电致伸缩效应；系数应；系数M、N等为电致伸缩常数。等为电致伸缩常数。140是利用是利用产生微小应变产生微小应变，并能，并能由电场非常精由电场非常精确地加以控制确地加以控制的陶瓷。的陶瓷。 141由于由于非常微弱非常微弱，通常，通常电致伸缩效应是指电致伸缩效应是指。大多数材料的电致伸缩效应都非常大多数材料的电致伸缩效应都非常小，而在小，而在中，此效应为中，此效应为应应变的主体变的主体。142兼具兼具的压电陶瓷，的压电陶瓷，在构筑在构筑智能系统的功能材料智能系统的功能材料中，是重要中，是重要的材料之一。的材料之一。143具有具有机电机电、声声、光光、热热、弹弹等等多种功能及其多种功能及其耦合效应耦合效应，可用作，可用作压力、温度压力、温度、光、光等多种等多种。又具有又具有位移控制精度高位移控制精度高(0.01 m)、响应快响应快(10 s)、推动力大推动力大(40MPa)、驱动功率低驱动功率低和和工作频率宽工作频率宽等优点。等优点。144一些实用化及正进行研究的一些实用化及正进行研究的如下：如下：145 这是利用这是利用制制成的，它可以成的，它可以自动感觉雨量自动感觉雨量并并自动调节挡自动调节挡风玻璃上的雨刷至最佳速度风玻璃上的雨刷至最佳速度。146 这是利用这是利用、和和的叠合的叠合研制成的研制成的，这套智能系统具有这套智能系统具有识别路面识别路面(粗糙度粗糙度)并进并进行行自我调节自我调节的功能，可以的功能，可以使粗糙路面产生使粗糙路面产生的振动减至最低的振动减至最低，从而，从而提高乘坐舒适性提高乘坐舒适性。147 用于用于振动频率低于振动频率低于500Hz的消声的消声，是，是由由、和和组成。组成。148 这类这类，是由，是由两种或两种以两种或两种以上功能陶瓷上功能陶瓷进行进行组合后组合后形成的一种形成的一种，这种，这种复合功能块复合功能块会呈现会呈现一些新一些新效应效应，称为，称为。149 模仿自然界生物具有的特性模仿自然界生物具有的特性构思仿生构思仿生物物，研究，研究像尾鳍和鸟翼那样柔软像尾鳍和鸟翼那样柔软，能折叠能折叠又很结实的又很结实的智能材料用作智能材料用作，并，并有有效利用自然界的波浪和风能效利用自然界的波浪和风能。 150它是利用压电陶瓷的它是利用压电陶瓷的，直接，直接把电能转换成机械能把电能转换成机械能输出，输出，而不需要而不需要通常使用的电磁线圈通常使用的电磁线圈。151这种新型这种新型，具有，具有结结构简单构简单、起动快起动快、转矩大转矩大、体积小体积小、功耗低功耗低等特点，主要用作等特点，主要用作自动控制、自动控制、机器人机器人等的致动器。等的致动器。152它是由若干层它是由若干层(PZT)压压电陶瓷块电陶瓷块构成的，构成的，既作为既作为又作为又作为。153 154当当落到落到上时，上时，球的冲击球的冲击力力产生产生； 电压脉冲电压脉冲通过通过加以加以放大和调整放大和调整，然后，然后返回并施加到返回并施加到压电块的压电块的；突然突然，把金属球抛出把金属球抛出压电块所在的孔压电块所在的孔，使球，使球爬出，落入爬出，落入另一孔内，再盘旋上升，如此周而复始。另一孔内，再盘旋上升，如此周而复始。155科学家最近研制成功一种科学家最近研制成功一种，如果将其如果将其放入壁纸中放入壁纸中，就可以大大，就可以大大减小冰减小冰箱或空调机的噪声箱或空调机的噪声，给住户创造了一个安，给住户创造了一个安静的居住环境。静的居住环境。 156是一种能是一种能在光的激在光的激发下发下的玻璃。的玻璃。157含卤化银含卤化银的的光色玻璃受到光色玻璃受到照射时，照射时，氯化银晶体分解为氯化银晶体分解为Ag和和Cl原子，析出的原子，析出的使玻璃颜色使玻璃颜色变深，从而变深，从而阻止阳光的透过阻止阳光的透过。发生的光化学反应如下：发生的光化学反应如下： 158式中，式中，h 1为为短波激活光能短波激活光能；h 2为为长长波光源光能波光源光能；为；为加热退色效应加热退色效应。),(),(0000,2IBrClAgIBrClAh h1玻璃变色过程中，发生的光化学反应如下：玻璃变色过程中，发生的光化学反应如下：159在没有紫外线照射时，原来分解产生的在没有紫外线照射时，原来分解产生的又又重新结合重新结合恢复为恢复为无色的氯化无色的氯化银银AgCl，玻璃，玻璃(镜片镜片)褪色。褪色。因此，变色眼镜因此，变色眼镜在阳光下在阳光下，在室内在室内则恢复则恢复。 160若配料中加入少量若配料中加入少量，就能显，就能显著地著地提高敏感性提高敏感性，并，并。如加入如加入Cu2O时，时， 是一种增感剂。是一种增感剂。161在氯化银晶体中在氯化银晶体中作为作为，它，它 的存在增加了光解银原子的存在增加了光解银原子Ag0的浓度，使玻璃的变暗灵敏度大大的浓度，使玻璃的变暗灵敏度大大提高。提高。h1 20,2CuAgCuAgh162具有具有随光的波长和强度的随光的波长和强度的变化而自动调节光的透过率变化而自动调节光的透过率的自适应特性，的自适应特性，因而被称为因而被称为，除用作，除用作外，还用作外，还用作、以及、以及等。等。 163是是在外加电场作用下在外加电场作用下，材料由于材料由于导致导致结构或价结构或价态发生可逆变化态发生可逆变化，进而，进而调节材料的透过与反调节材料的透过与反射特性射特性，表现为，表现为。164通常由通常由多层结构多层结构组成，即组成，即/。当当两组电极之间建立电场两组电极之间建立电场时，离子时，离子经过离子导体经过离子导体发生发生，从而导致，从而导致电致变色薄膜的光学电致变色薄膜的光学性能发生变化性能发生变化。165无机电致变色材料无机电致变色材料有有NiO、 -WO3。近年来利用近年来利用薄膜材料薄膜材料的的制造了制造了“电开关电开关”自动控制灵巧窗自动控制灵巧窗，用于，用于建筑采光建筑采光等。等。 1661、167“个人航空器个人航空器” 、“空中汽车空中汽车” 的核心的核心技术是技术是“智能智能”材料。这种物质具有神奇的材料。这种物质具有神奇的特性，它可以根据指令弯曲、可以特性，它可以根据指令弯曲、可以“感受感受”压力、当放入磁场中，还可以从液态变成固压力、当放入磁场中，还可以从液态变成固态。态。168现在有些飞机已经具有可调机翼，如挪威现在有些飞机已经具有可调机翼，如挪威的的F-14雄猫飞机和雄猫飞机和B-1超音速轰炸机。这些飞机超音速轰炸机。这些飞机将刚性的机翼通过巨大、沉重的曲轴安装在机将刚性的机翼通过巨大、沉重的曲轴安装在机身上。身上。作为对比，形态工程的科学家们所设想的作为对比，形态工程的科学家们所设想的机翼可以根据指令而展开。这种机翼是使用机翼可以根据指令而展开。这种机翼是使用“形态记忆形态记忆”合金或其他新颖的材料制成，可合金或其他新颖的材料制成，可以弯曲产生新的形状。以弯曲产生新的形状。“形态记忆形态记忆”合金具有独特的性能，当提合金具有独特的性能，当提供足够的热量后，它可以很快的恢复原有形状，供足够的热量后，它可以很快的恢复原有形状，任何形状都可以最终恢复成它原有的状态。任何形状都可以最终恢复成它原有的状态。169在形态工程研究的新型材料中，形态记忆合在形态工程研究的新型材料中，形态记忆合金相对比较普通。观察一颗子弹穿过一层自金相对比较普通。观察一颗子弹穿过一层自体愈合材料，材料被子弹穿射后便很快愈合体愈合材料，材料被子弹穿射后便很快愈合了！了！170科学家们同时研究可定制变化的压电材科学家们同时研究可定制变化的压电材料。这种物质随电压而变化，当扭曲这种压料。这种物质随电压而变化，当扭曲这种压电材料时就会有电压产生，相反，如果对其电材料时就会有电压产生，相反，如果对其提供电压则材料便会弯曲。提供电压则材料便会弯曲。利用这种特性，将其设计做应变传感器利用这种特性，将其设计做应变传感器或或“作动器作动器”，安装在机器中作为可产生微，安装在机器中作为可产生微小动作，例如移动飞机的副翼。结合微电子小动作，例如移动飞机的副翼。结合微电子技术，这些材料可以从根本上提高未来飞机技术，这些材料可以从根本上提高未来飞机的设计水平。的设计水平。171如果展望未来的如果展望未来的20年，我们认为飞机年，我们认为飞机已经可以随时进行分布式的自我评估和维已经可以随时进行分布式的自我评估和维修。要想达到这样的技术水平，需要在机修。要想达到这样的技术水平，需要在机翼中分布安装作动器和传感器，这如同人翼中分布安装作动器和传感器，这如同人体的工作，我们有遍布全身的肌肉和神经，体的工作，我们有遍布全身的肌肉和神经，所以我们能意识到身体发生的变化并通过所以我们能意识到身体发生的变化并通过一些途径对这些变化产生反应。一些途径对这些变化产生反应。 172“仿生学仿生学”这项从自然获取知识的实践，这项从自然获取知识的实践，已经导致骨头仿生品和其它多种仿生品已经导致骨头仿生品和其它多种仿生品的研究。的研究。骨头之所以轻，是因为它内部的多骨头之所以轻，是因为它内部的多孔结构，但它也非常坚固。兰利研究中孔结构，但它也非常坚固。兰利研究中心的科学家将聚合微球体注入到所期望心的科学家将聚合微球体注入到所期望形状的复合材料的壳体中，然后对这些形状的复合材料的壳体中，然后对这些球体进行加热，这样，这些微球体就如球体进行加热，这样，这些微球体就如同细小的肥皂泡一样溶合到一起。这样同细小的肥皂泡一样溶合到一起。这样的结构与骨头一样。的结构与骨头一样。 173传感器（传感器（Sensor），），传统上一般指能够传统上一般指能够感知到某种物理量（如电、光、磁等）、化感知到某种物理量（如电、光、磁等）、化学量（如浓度、学量（如浓度、PH值等）、生物量（如细值等）、生物量（如细菌等）等的信息，并将该信息转化为有用信菌等）等的信息，并将该信息转化为有用信息的装置。息的装置。174传感器通常由敏感元件（感应传感器通常由敏感元件（感应变化）、转换元件（将变化转化为变化）、转换元件（将变化转化为有用信息）和其他辅助元件组成。有用信息）和其他辅助元件组成。175随着智能材料和人工智能技术特别是随着智能材料和人工智能技术特别是微计算机技术的迅猛发展，在许多智能化微计算机技术的迅猛发展，在许多智能化要求比较高的高新技术应用领域提出了智要求比较高的高新技术应用领域提出了智能传感器（能传感器（Intelligent Sensor or Smart Sensor）的要求。的要求。176智能传感器是一种将传感器与微型计算智能传感器是一种将传感器与微型计算机集成在一块芯片上的装置。它的主要特征机集成在一块芯片上的装置。它的主要特征是将敏感技术和信息处理技术相结合，使其是将敏感技术和信息处理技术相结合，使其除了具有感知的本能外，还具有认知的能力除了具有感知的本能外，还具有认知的能力。目前研制的智能材料传感器主要有光纤目前研制的智能材料传感器主要有光纤传感器、压电传感器和微芯片传感器等。传感器、压电传感器和微芯片传感器等。 177一般认为，智能传感器应具备以下条件：一般认为，智能传感器应具备以下条件： （1）由传感器自身能消除异常值和例外）由传感器自身能消除异常值和例外值，提供比传统传感器更全面、更真实的信息。值，提供比传统传感器更全面、更真实的信息。（2）具有信息处理功能，如自动补偿功）具有信息处理功能，如自动补偿功能。能。178（3）具有信息存贮及自诊断功能。）具有信息存贮及自诊断功能。（4）具有自适应和自调节功能。）具有自适应和自调节功能。（5）具有智能算法及自学习功能。）具有智能算法及自学习功能。（6）可以有数字通信接口，能实现网）可以有数字通信接口，能实现网络化或远程通信。络化或远程通信。179据美国国家宇航局官员发布消息称，据美国国家宇航局官员发布消息称，该局下属的一个研究机构目前正在对鸟类该局下属的一个研究机构目前正在对鸟类和昆虫的飞行技术进行研究，准备在此基和昆虫的飞行技术进行研究，准备在此基础上，利用一些最先研制的带有特殊属性础上，利用一些最先研制的带有特殊属性的的“智能智能”材料制造出全新的材料制造出全新的“空中轿车空中轿车”。180与当今这些坚硬的、无与当今这些坚硬的、无“知觉知觉”的笨的笨重材料制造的飞机相比，可以想象重材料制造的飞机相比，可以想象“智能智能”材料将会为航空设计带来多大的变化。材料将会为航空设计带来多大的变化。181据据4月月14日出版的英国新科学家杂志日出版的英国新科学家杂志报道，德国斯图加特大学电子物理研究所的马报道，德国斯图加特大学电子物理研究所的马丁丁罗扬纳及其同事正在发明一种以太阳能为能罗扬纳及其同事正在发明一种以太阳能为能源的新型化学纤维智能材料，可将手机和电子源的新型化学纤维智能材料，可将手机和电子记事本直接在衣服上接通。记事本直接在衣服上接通。182这种可与微电脑连接的高科技衣服现已研这种可与微电脑连接的高科技衣服现已研制出样品，也许很快就会正式上市。制出样品，也许很快就会正式上市。科技之光报道，这种新纤维和袖珍太阳能科技之光报道，这种新纤维和袖珍太阳能计算器一样，由计算器一样，由3层薄薄的硅酮材料组成，外层薄薄的硅酮材料组成，外层是阴阳两极导体。当构成光线的光子与含有层是阴阳两极导体。当构成光线的光子与含有大量电子的第一层材料接触时，电子会向电子大量电子的第一层材料接触时，电子会向电子量稍少的下两层材料里移动，形成电流。量稍少的下两层材料里移动，形成电流。183尽管这种科技三明治模式的材料早已为人尽管这种科技三明治模式的材料早已为人所知，但科学家这次采用了一种新技术，将非所知，但科学家这次采用了一种新技术，将非晶体状硅酮以圆筒形式合成，从而能很容易地晶体状硅酮以圆筒形式合成，从而能很容易地制成柔软的太阳能导线，并能织入任何质地的制成柔软的太阳能导线，并能织入任何质地的衣料。这种太阳能导线能抵卸紫外线，耐热，衣料。这种太阳能导线能抵卸紫外线，耐热，且可在洗衣机中洗涤。如果使用这种纤维做船且可在洗衣机中洗涤。如果使用这种纤维做船帆，甚至足以给一艘帆船上的器械充电。帆，甚至足以给一艘帆船上的器械充电。184不过，在产品实用化之前，科学家还不过，在产品实用化之前，科学家还面临其他挑战，其中之一是如何把分散在面临其他挑战，其中之一是如何把分散在衣料中的不同能量发射点的电流归成几个衣料中的不同能量发射点的电流归成几个点区，形成接头处，以便与外界连接，变点区，形成接头处，以便与外界连接，变成真正的电插头。成真正的电插头。