材化智能无机非金属材料.ppt

无机材料 智能材料 智能材料 无机材料 材料科学的发展演化过程 材料发展的总趋势 3 普通材料 智能材料 功能材料 何谓智能材料 智能材料为一种新型材料 集传感 控制和驱动三种功能于一身 对环境做出灵敏 洽当的反应 4 来源与动机 智能材料的提出源自于 仿生构思 能接受 感知信号 且能处理并做出适当的反应而去执行 5 智能材料的原理图 智能材料的原理 智能材料系统由三个基本成分组成 一 是感觉系统 二 是传导与综合系统三 是执行系统 智能材料的特性 1 传感功能 2 反馈功能 3 讯息累积和识别功能 4 学习能力和预见性功能 5 响应性功能 6 自修复功能 7 自诊断功能 8 自动动态平衡及自适应功能 8 仿生构思 智能材料的组成 9 智能材料 智能材料的分类 介绍几种典型的智能材料 1 记忆合金2 无机非金属材料智能材料3 光导纤维4 电敏 磁敏材料材料5 压电陶瓷 压电聚合物 形状记忆合金 ShapeMemoryAlloy SMA 是金属系智能材料中最闪光的部分 是一种兼有感知和驱动功能的新型材料 形状记忆合金 形状记忆合金发展历史 国外60年代就开始了研究国内70年代开始研究 近年来 研究SMA性能并将其应用于智能材料与结构 引起了国内外研究工作者的广泛兴趣 形状记忆合金原理 形状记忆效应 在较低温度下受力发生塑性变形后 经过加热 又恢复到受力前的形状 即塑性变形因受热消失 材料似乎对初始形状有记忆性 故称这种特性为形状记忆效应 或 SME 具有形状记忆效应的合金 就是形状记忆合金 或 SMA 马氏体相变马氏体相变是产生形状记忆效应 ShapeMemoryEffect SME 的最根本的原因 原理图如下 母体 高温下稳定晶体结构 热诱发 马氏体 低温下稳定晶体结构 加热 具有形状记忆效应的合金必须满足下列条件 随着温度的变化 母相和马氏体相之间界面的移动是可逆的 合金中的异类原子必须为有序结构 无论它们是处于母相态还是马氏体态 母相 马氏体 相变 在晶体学上是可逆的 因此并非所有发生马氏体相变的合金都呈现SME 如 钢是发生马氏体相变的代表 但它们几乎不呈现SME 形状记忆合金智能材料的制备SMA材料的制备方法对其材料特性有着重要的影响 为了使SMA元件获得所需要的性能 除了选择适当的合金材料成分外 还必须选择合适的制备工艺 下面以Ni Ti合金为例对常用的几种制备方法作一简单的介绍 1 熔炼和铸造 Ti的化学活性较高 熔炼和铸造须在隔绝空气的条件下进行 使用无坩埚的氩弧熔化或电子束熔化制备 影响的工艺参数有 真空度 熔化时间 2 成形与热处理通常可采用螺旋弹簧来扩大SMA元件的动作行程 少量的螺旋弹簧可以在圆筒状固定夹具上绕制 大批量的螺旋弹簧则可以在自动卷绕机上成形 热处理作用 使合金材料记住成形后的形状 热处理方法 通常将材料在673K下经过数小时的保温处理 形状记忆合金的应用 广泛用于多种制动器 航天器天线 管道连接件 医疗外科的矫正器 医用材料 机器人肘关节等方面 让我们来看一段奇妙的记忆合金 观看视频 无机非金属材料 除了有机高分子材料与金属材料以外的几乎所有材料的统称 20 无机非金属材料 胶凝材料 天然材料 玻璃 陶瓷 气硬性凝胶材料 水硬性凝胶材料 普通玻璃 特种玻璃 普通陶瓷 特种陶瓷 智能无机非金属材料 无机非金属材料是指具有如高强 轻质 耐磨 抗腐 耐高温 抗氧化以及特殊的电 光 声 磁等一系列优异综合性能的新型材料 是其它材料难以替代的功能材料和结构材料 无机非金属新材料具有独特的性能 是高技术产业不可缺少的关键材料 21 典型的智能无机非金属材料 22 玻璃 水泥 陶瓷 磁砖 智能化 水泥基材料 自洁磁砖 变色玻璃 自诊断自愈合 水泥基材料中掺加一定形状 尺寸和掺量的短切碳纤维后 材料的电阻变化与其内部结构变化是相对应的 因此 该材料可以监测拉 弯 压等工况及静态和动态载荷作用下材料内部情况 在水泥净浆中0 5 体积 的碳纤维用做传感器 其灵敏度远远高于一般的电阻应变片 水泥基材料 自诊断 自修复陶瓷 1 高温下陶瓷涂层的自动成膜机制 2 微波辐射使陶瓷材料内部裂隙愈合的机制 24 变色玻璃 光致变色 电致变色 热致变色三种类型 25 光致变色玻璃 26 光致变色玻璃是一种能在光的激发下发生变色反应的玻璃 电致变色玻璃 NiO1 X 初始态 yM ye MyNi1 XO 漂白态 MyNi1 XO 漂白态 My 2Ni1 XO 显色 2M 2e 27 瓷砖的自清洁 根据自清洁的原理不同 自清洁涂料可以分为超疏水和超亲水2类 超疏水涂料是通过水滴的滚动带走污物 而超亲水涂料是通过在其表面形成水膜并带走或隔绝污染物而实现自清洁的作用 对于超亲水涂料的详细介绍 无机亲水性涂料是在基材表面沉积或涂覆纳米SiO2或纳米TiO2膜 此类超亲水自清洁涂膜常通过2种典型的特性发挥清洁性能 一是纳米SiO2或纳米TiO2的光催化特性 可以光降解有机污染物 二是纳米SiO2或纳米TiO2的光致超亲水特性 在基材上形成水膜 隔绝污染物的附着 而其中以纳米TiO2的应用最为广泛 本文将主要讨论无机TiO2超亲水自清洁涂料 无机非金属材料的优点 30 耐压强度高 耐高温 抗腐蚀性 硬度大 传统 新型 具电学特性 具光学特性 无机非金属材料的缺点 31 抗拉强度低 制作过程复杂 缺乏延展性 材料内部温度 压力 张力或其它物理 化学条件的变化能改变嵌入其中的光导纤维的性能 因而改变输出的光信号 这种光信号能构成关于材料内部状态的直接图象 光导纤维 智能服装和纺织品随着纤维状智能材料研发水平的提高 智能服装将成为未来纺织工业的弄潮儿 它主要类别有智能控温织物 抗浸透湿织物 形状记忆织物 导电织物 变色织物等 挪威一家公司宣布 他们正在开发一种智能布料 让衣服也可以像空调一样冬暖夏凉 电敏 磁敏材料 铅镁锐酸盐是一种电敏材料 在电场中形状发生改变 二氧化试是磁敏材料的一种 在磁场下改变形状 它们一可分别用于由电场或磁场触发的执行系统 按照这些智能材料的特有性质 它们可制造成不同的器件 分别承担感觉系统 传递与综合系统 执行系统等功能 在实际应用中 这些智能材料的器件必须制造的足够小 使它们能结合在普通的材料中而不影响整体强度 压电陶瓷 压电聚合物 铅错钦酸盐是一种压电陶瓷 聚偏二氟乙烯则是压电聚合物的一例 由于它们晶粒或分子结构的极电性 作用在这些物质上的机械力能迅速地转化为电流 反之 电流可以被迅速地转化为机械振动 这种材料可以用作压力感觉器或机械执行器 36