智能材料(09級).ppt

1,智能材料 Intelligent Materials,主講： 楊 建 Email: yangjian1976 Tel: 83587262 Mobil:2,參考書：,姚康德，成國祥智能材料北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002,楊大智智能材料與智能系統(tǒng)天津：天津大學(xué)出版社，2000 杜善義，冷勁松，王殿富智能材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)北京：科學(xué)出版社，2002 姜德生智能材料、器件、結(jié)構(gòu)與應(yīng)用武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，2000 陳莉智能高分子材料北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005 陶寶祺. 智能材料結(jié)構(gòu). 北京：國防工業(yè)出版社，1997,教 材：,3,課程內(nèi)容,第1章 智能材料概述 2學(xué)時(shí) 第2章 智能材料的仿生構(gòu)思 1學(xué)時(shí) 第3章 智能無機(jī)非金屬材料 6學(xué)時(shí) 第4章 智能金屬材料 5學(xué)時(shí) 第5章 智能高分子材料 5學(xué)時(shí) 第6章 電(磁)流變液 7學(xué)時(shí) 第7章 智能纖維 6學(xué)時(shí),4,第一章 智能材料概述,5,1.1引言,材料發(fā)展的總趨勢： 高性能化、多功能化、復(fù)合化、精細(xì)化、智能化 ,性能材料對外部作用的抵抗特性,功能從外部向材料輸入一種信號時(shí),材料內(nèi)部發(fā)生質(zhì)和量的變化而產(chǎn)生輸出另一種信號的特性,智能,能接受、感知信號，且能處理，進(jìn)而做出適時(shí)的響應(yīng)，即執(zhí)行.,一切生命體皆具備的對外界刺激的反應(yīng)能力. 動(dòng)物：蜥蜴皮膚、烏賊、貝殼、海參、貓眼的瞳孔; 植物：含羞草、向日葵；,6,l989年 日本 高木俊宜 智能材料(intelligent materials) 其它提法：smart materials; smart structures; intelligent structures，adaptive structures；機(jī)敏材料、聰敏材料、智能結(jié)構(gòu)、靈巧結(jié)構(gòu)、自適應(yīng)結(jié)構(gòu) “smart”：靈活、機(jī)敏、迅速感覺、機(jī)智、聰敏等；“intelligent”：學(xué)習(xí)、預(yù)測、建立關(guān)系、推理、決策等。 “intelligent materials”：更復(fù)雜和高級，是仿生命功 能的材料和結(jié)構(gòu)。,1992年 日本 第一屆國際智能材料會議.,7,智能材料來源于功能材料 功能材料是智能材料的基礎(chǔ),材料的聰明程度:,8,功能材料,驅(qū)動(dòng)材料：,感知材料：,可根據(jù)溫度、電場或磁場的變化改變自身的形狀、尺寸、位置、剛性、阻尼、內(nèi)耗或結(jié)構(gòu)等，對環(huán)境具有自適應(yīng)功能制成各種執(zhí)行器/驅(qū)動(dòng)器；,能夠感知來自外界或內(nèi)部的刺激強(qiáng)度及變化(如應(yīng)力、應(yīng)變、熱、光、電、磁、化學(xué)和輻射等) 制成各種傳感器。,(敏感材料/ 傳感材料),9,兼具敏感（傳感）材料與驅(qū)動(dòng)材料之特征，即同時(shí)具有感知與驅(qū)動(dòng)功能的材料。,機(jī)敏材料和控制系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，集傳感、控制和驅(qū)動(dòng)三種職能于一身，是傳感材料、驅(qū)動(dòng)材料和控制材料（系統(tǒng)）的有機(jī)合成。,自身不具備信息處理和反饋機(jī)制，不具備順應(yīng)環(huán)境的自適應(yīng)性。,可通過自身對信息進(jìn)行感知、處理并將指令反饋給驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行和完成相應(yīng)的動(dòng)作，對環(huán)境作出靈敏、恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。,智能材料,機(jī)敏材料,10,智能材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu),一個(gè)由多種材料組元通過有機(jī)的緊密復(fù)合或嚴(yán)格的科學(xué)組裝而構(gòu)成的材料系統(tǒng)，與結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，互為一體。,多學(xué)科高度發(fā)展和相互交叉的產(chǎn)物： 材料科學(xué)、人工智能、信息科學(xué)、機(jī)械科學(xué)、生物科 學(xué)、化學(xué)和物理。,本課程：側(cè)重于智能材料系統(tǒng)。,智能材料,11,1.2智能材料的內(nèi)涵、定義和特征,1.2.1智能材料的定義,高木俊宜教授: 能夠感知環(huán)境變化,并通過自我判斷和結(jié)論而實(shí)現(xiàn)指令和執(zhí)行的新材料。,楊大智等： 模仿生命系統(tǒng)，能感知環(huán)境變化，并能實(shí)時(shí)的改變自身的一種或多種性能參數(shù)，作出所期望的、能與變化后的環(huán)境相適應(yīng)的響應(yīng)的復(fù)合材料或材料的復(fù)合。,12,模仿生命系統(tǒng),能感知外界環(huán)境或內(nèi)部狀態(tài)所發(fā)生的變化,而且通過材料自身的或外界的某種反饋機(jī)制,能夠適時(shí)地將材料的一種或多種性質(zhì)改變,作出所期望的某種響應(yīng)的材料。,師昌緒：,三要素：感知、反饋和響應(yīng)。,13,863新材料領(lǐng)域?qū)＜椅瘑T會： 對使用環(huán)境敏感而且能對環(huán)境變化作出靈活反應(yīng)的材料.更確切地說,智能材料是一類集傳感、控制、驅(qū)動(dòng)(執(zhí)行)等功能于一體的機(jī)敏或智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng),它能適時(shí)地感知與響應(yīng)外界環(huán)境的變化,實(shí)現(xiàn)自檢測、自診斷、自修復(fù)、自適應(yīng)等多種功能。,共同點(diǎn)：智能材料應(yīng)具有感知、判斷和響應(yīng)的功能。,14,1.2.2智能材料的內(nèi)涵,具有感知功能，能夠檢測并且可以識別外界（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；,具有驅(qū)動(dòng)功能，能夠響應(yīng)外界變化；,能夠按照設(shè)定的方式選擇和控制響應(yīng)；,反應(yīng)比較靈敏、及時(shí)和恰當(dāng)；,當(dāng)外部刺激消除后，能夠迅速恢復(fù)到原始狀態(tài)。,15,1.2.3智能材料的特征,(1)傳感功能：能感知自身所處的環(huán)境與條件，如負(fù)載、應(yīng)力、應(yīng)變、振動(dòng)、熱、光、電、磁、化學(xué)、核輻射等的強(qiáng)度及其變化。 (2)反饋功能：能通過傳感神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對系統(tǒng)的輸入和輸出信息進(jìn)行比較，并將結(jié)果提供給控制系統(tǒng)，從而獲得理想的功能。 (3)信息積累和識別功能：能積累信息，能識別和區(qū)分傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各種信息，并進(jìn)行分析和解釋。,從仿生學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，智能材料內(nèi)部應(yīng) 具有或部分具有以下生物功能：,16,(4)學(xué)習(xí)能力和預(yù)見性功能：能通過對過去經(jīng)驗(yàn)的收集，對外部刺激作出適當(dāng)反應(yīng)，并可預(yù)見未來并采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)。 (5)響應(yīng)性功能：能根據(jù)環(huán)境變化適時(shí)地動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)自身并作出反應(yīng)。 (6)自修復(fù)功能：能通過自生長或原位復(fù)合等再生機(jī)制來修補(bǔ)某些局部破損。 (7)自診斷功能：能對現(xiàn)在情況和過去情況作比較，從而能對諸如故障及判斷失誤等問題進(jìn)行自診斷和校正。 (8)自動(dòng)動(dòng)態(tài)平衡及自適應(yīng)功能：能根據(jù)動(dòng)態(tài)的外部環(huán)境條件不斷自動(dòng)調(diào)整自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而改變自已的行為以一種優(yōu)化的方式對環(huán)境變化作出響應(yīng)。,17,1.4智能材料的設(shè)計(jì),1.4.1智能材料的設(shè)計(jì)思路,以功能材料為基礎(chǔ),以仿生學(xué)、人工智能及系統(tǒng)控制為指導(dǎo),依據(jù)材料復(fù)合的非線性效應(yīng),用先進(jìn)的材料復(fù)合技術(shù),將感知材料、驅(qū)動(dòng)材料和基體材料進(jìn)行復(fù)合。,18,智能效應(yīng)的基本原理： 物質(zhì)和場之間的交互作用過程,19,智能材料設(shè)計(jì)的具體過程：,明確材料的應(yīng)用目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)思路,確定智能材料的輸入場和輸出場,選擇感知組元、驅(qū)動(dòng)組元和中間場,借助于中間場,通過幾個(gè)物理或化學(xué)效應(yīng)的耦合來實(shí)現(xiàn)所需的智能化效應(yīng),20,選擇傳感器和驅(qū)動(dòng)器時(shí)需把握的原則,（1）兼容性要求 （2）穩(wěn)定性要求 （3）響應(yīng)帶寬要求 （4）傳感器精度的要求 （5）驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)力的要求,21,1.4.2智能材料的構(gòu)成,（1）基體材料 作用和任務(wù)：承載材料其它三部分 種類：輕質(zhì)材料（高分子材料、輕質(zhì)有色合金）,（2）敏感材料 作用和任務(wù)：感知環(huán)境變化 種類：光纖材料、壓電材料、形狀記憶材料、 磁致伸縮材料、C纖維等,22,1.4.2智能材料的構(gòu)成,（3）驅(qū)動(dòng)材料 作用和任務(wù)：產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力響應(yīng)和控制。,（4）信息處理器,種類：壓電材料、形狀記憶材料、 電(磁)流變體、磁致伸縮材料、 刺激響應(yīng)性高分子凝膠等。,23,1.4.3智能材料的合成方法,（1）纖維及顆粒形式的復(fù)合,將一種機(jī)敏材料顆粒(或纖維)復(fù)合在異質(zhì)基體中可實(shí)現(xiàn)各組元性能的優(yōu)勢互補(bǔ)，獲得優(yōu)化的智能特性。,壓電陶瓷和壓電高分子以不同連接度復(fù)合 性能優(yōu)異的壓電智能材料； TiNi形狀記憶合金粒子或纖維復(fù)合在金屬或高分子中 改善機(jī)械性能及阻尼能力.,24,（2）多層薄膜復(fù)合,將兩種或多種機(jī)敏材料以多層m級的薄膜復(fù)合, 獲得優(yōu)化的綜合性能或多功能特性., PZT和BaTiO3薄膜沉積在TiNi記憶合金襯底上 良好的壓電和形狀記憶特性、傳感和驅(qū)動(dòng)功能、阻尼性能，可用于主動(dòng)控振。,25,（3）多孔架材料組裝,將具有光敏、壓敏和熱敏等不同功能特性的納米粒子原位復(fù)合在多孔道骨架內(nèi)，通過調(diào)控納米粒子的尺寸、間距及納米粒子與骨架之間的相互作用，有可能得到兼具光控、壓控、熱控及其他響應(yīng)性質(zhì)的智能材料.,納米多孔架材料：富勒烯(60 )、碳納米管 沸石分子篩 微米多孔架材料：多孔形狀記憶合金,26,（4）材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)周期的納米化,納米材料和納米復(fù)合材料將是智能材料設(shè)計(jì)的有效途徑之一。,在原子尺度上將具有不同功能的材料按特定的方式進(jìn)行操作組裝，可創(chuàng)造出新的具有多功能特性的材料。,（5）粒子復(fù)合組裝,27,1.5智能材料的類型,(1)金屬系智能材料,按材料基質(zhì)的不同分類：,強(qiáng)度比較大、耐熱性好、耐腐蝕性能好,航空、航天、原子能工業(yè)結(jié)構(gòu)材料。,檢測自身的損傷,且可將其抑制,具有自修復(fù)功能,從而確保使用過程中的穩(wěn)定性。,形狀記憶合金、磁致伸縮材料等。,特 點(diǎn)：,應(yīng)用領(lǐng)域：,智能效應(yīng)：,主要種類：,28,(2)無機(jī)非金屬系智能材料,最初的考慮：局部吸收外力以防止材料 整體破壞。,電(磁)流變液、壓電陶瓷、 光致變色和電致變色材料、 光纖等。,主要種類：,29,多重亞穩(wěn)態(tài)、多水平結(jié)構(gòu)層次、較弱的分子間作用力，側(cè)鏈易引入各種官能團(tuán) 利于感知和判斷環(huán)境，實(shí)現(xiàn)環(huán)境響應(yīng)。,(4)復(fù)合(composite)和雜化(hybrid)型智能材料,特 點(diǎn)：,主要種類：,(3)高分子系智能材料,刺激響應(yīng)性高分子凝膠 智能高分子膜材 智能藥物釋放體系 智能纖維與織物等,30,1.6智能材料的應(yīng)用,將微型傳感元件、微型計(jì)算機(jī)芯片、形狀記憶合金、電流變體及壓電材料等經(jīng)設(shè)計(jì)后復(fù)合在結(jié)構(gòu)體中，可研制出帶有感知及判斷能力，可自動(dòng)加固及防護(hù)的自適應(yīng)性智能結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測、自診斷、自預(yù)警、自修復(fù)，防止災(zāi)難性事故的發(fā)生。,(1) 建筑和結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域,自診斷混凝土 自愈合混凝土,31,自動(dòng)加固的直升飛機(jī)水平旋轉(zhuǎn)葉片：當(dāng)葉片在飛行中遇到疾風(fēng)而猛烈振動(dòng)時(shí),分布在葉片中的微小液滴變成固體自動(dòng)加固葉片。,（2）航空航天領(lǐng)域,能經(jīng)受惡劣環(huán)境,同時(shí)能對自己的狀況進(jìn)行自我診斷,并能阻止損壞和退化,能自動(dòng)加固或自動(dòng)修補(bǔ)裂紋,從而防止災(zāi)難性事故的發(fā)生。,機(jī)翼用智能材料：在高性能復(fù)合材料中嵌入細(xì)小的光纖, 光纖象神經(jīng)那樣感受機(jī)翼上承受的不同壓力, 光纖斷裂時(shí),光傳輸中斷,發(fā)出事故警告。,32,智能蒙皮:對于飛行器及潛水艇等，具有探測周圍環(huán)境以及隨外界條件變化而變化的能力的表皮(蒙皮)。,檢測飛行速度、溫度、濕度等各種條件,并能對變化的環(huán)境做出反應(yīng)，如抑制噪聲和振動(dòng)、維持座艙的通風(fēng)、溫度恒定、改變機(jī)翼形狀等。 對于材料內(nèi)部的缺陷和損傷, 能進(jìn)行自診斷，確定缺陷和損傷部位并進(jìn)行自修復(fù)、自適應(yīng)。,33,（3）抑制振動(dòng)和噪聲,傳感元件對結(jié)構(gòu)的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測,驅(qū)動(dòng)元件在微電子系統(tǒng)的控制下準(zhǔn)確地動(dòng)作以改變結(jié)構(gòu)的振動(dòng)狀態(tài) 具有振動(dòng)和噪聲主動(dòng)控制功能的智能結(jié)構(gòu).,成功應(yīng)用：減輕交通工具如汽車、飛機(jī)振動(dòng)和噪聲。,34,壓電材料 將壓電材料置于結(jié)構(gòu)表面或內(nèi)部用來感測振動(dòng),利用經(jīng)過放大的輸出功率去驅(qū)動(dòng)另一個(gè)粘貼于不同區(qū)域的壓電材料,來減小振動(dòng)反應(yīng)。已成功應(yīng)用于降低圓柱型衛(wèi)星天線桅桿的振動(dòng)。,電(磁)流變體 在復(fù)合材料懸臂梁的空腔內(nèi)注入電流變體,通過外加電場改變電流變體的狀態(tài),從而實(shí)時(shí)控制梁的剛度、阻尼,實(shí)現(xiàn)了對結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)的主動(dòng)控制.,35,（4）用于機(jī)器人,形狀記憶合金：能夠感知溫度或位移的變化,可將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能.如果控制加熱或冷卻,可獲得重復(fù)性很好的驅(qū)動(dòng)動(dòng)作. 刺激響應(yīng)性高分子凝膠,在機(jī)器人中的應(yīng)用：觸覺傳感器、機(jī)器人手足和筋骨動(dòng)作部分等.,36,（5）在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用,智能藥物釋放體系以智能材料為載體材料，根據(jù)病情所引起的化學(xué)物質(zhì)和物理量(信號)的變化自反饋控制藥物釋放的通/斷特性。,智能胰島素釋放體系： 可感知人體血糖濃度水平并做出反應(yīng)，有效地把糖尿病患者的血糖濃度維持在正常水平。,37, 靶向抗癌藥物：,與癌細(xì)胞有很好的相容性和親和性，能優(yōu)先與癌細(xì)胞結(jié)合即能識別癌細(xì)胞，從而只對癌細(xì)胞產(chǎn)生作用，而不會對正常細(xì)胞產(chǎn)生影響。,38,（6）用于日常生活,智能纖維做成的服裝：可隨人體和環(huán)境溫度的變化發(fā)生相變，起到空調(diào)的作用，使人體始終感受到適宜的溫度。 電致變色玻璃：在電場控制下，可以改變玻璃對同波長的光的透過能力，從而構(gòu)成智能窗。,39,第二章 智能材料的仿生構(gòu)思,40,信息,神經(jīng)系統(tǒng),大腦 脊髓,中樞神經(jīng)系統(tǒng),神經(jīng)系統(tǒng),身體的各種動(dòng)作,感覺,執(zhí)行,2.1 生物體的信息傳感、處理和執(zhí)行元件,41,生物體對環(huán)境的響應(yīng)源于細(xì)胞。 細(xì)胞本身就是具有傳感、處理和執(zhí)行三種功能的融合材料，可作為智能材料的藍(lán)本。,2.1 生物體的信息傳感、處理和執(zhí)行元件,42,（1）信息傳感,視覺視網(wǎng)膜中的視細(xì)胞 聽覺內(nèi)耳外毛細(xì)胞 味覺口腔粘膜中味蕾內(nèi)的味細(xì)胞 嗅覺鼻后隱窩的嗅覺上皮細(xì)胞 觸覺離表皮較淺的區(qū)域的傳感細(xì)胞， 即神經(jīng)末梢的觸覺細(xì)胞。 內(nèi)界感覺內(nèi)臟受體、血管壁內(nèi)皮細(xì)胞等,43,大腦神經(jīng)系統(tǒng)的控制中心,（2）信息處理,信息存貯、復(fù)制、計(jì)算、綜合、提取、響應(yīng)、預(yù)測； 腦和脊髓構(gòu)成中樞神經(jīng)系統(tǒng)，通過神經(jīng)系統(tǒng)控制身體的各種動(dòng)作； 大腦1012個(gè)神經(jīng)細(xì)胞構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)； 神經(jīng)系統(tǒng)傳遞信息過程涉及化學(xué)過程的膜電位的傳輸。,44,（3）執(zhí)行元件,膠原,一種蛋白纖維，在糖胺聚糖(GAGs)基質(zhì)內(nèi)穩(wěn)定, 從而形成膠原纖維增強(qiáng)GAGs復(fù)合材料。 隨膠原交聯(lián)鏈的變化,可在剛性材料和粘性液體兩種狀態(tài)間變化。 啟發(fā)：利用電(磁)流變液開發(fā)可控復(fù)合,45,（3）執(zhí)行元件,含有的大量疏水側(cè)鏈在低溫時(shí)水合溶脹，高溫時(shí)脫水收縮，能將熱直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功。 啟發(fā)：響應(yīng)其它變量如pH值、鹽濃度、壓力和電能并將其轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功的一系列彈性蛋白凝膠。,彈性蛋白,46,2.2材料仿生與智能材料,（1）骨智能生物材料的范例,以膠原為主要成分的有機(jī)物和羥基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2, HA)無機(jī)物組成的典型的有機(jī)物/無機(jī)物(質(zhì)量比約為3/7)納米復(fù)合功能材料。,自適應(yīng) 自愈合,骨的功能,47,“自愈合”纖維：它可感知混凝土中的裂紋和腐蝕并自動(dòng)將其修復(fù)。,啟發(fā)：仿生智能材料,利用氫氧化鈣懸浮液和含膠原的磷酸水溶液共沉淀制備磷灰石和膠原復(fù)合體，進(jìn)而靜壓成型制備復(fù)合材料。力學(xué)性能類似人骨。,48,(2)味細(xì)胞,能將外界的化學(xué)刺激變換為電信號。 甜味甜味物質(zhì)被羥基吸附，使膜電阻增大； 咸味咸味物質(zhì)使脂質(zhì)膜在水溶液中的電位發(fā) 生變化； 酸味酸味物質(zhì)與脂質(zhì)膜的親水基團(tuán)結(jié)合； 苦味苦味物質(zhì)被脂質(zhì)膜的疏水部分侵入，使 離子滲透性降低； 辣(鮮)味,49,啟發(fā)：味覺傳感器,在作為電極的聚丙烯酸酯板上貼8種脂質(zhì)膜，并用8根銀導(dǎo)線引出。用多通道電極和參比電極便可測定此電極與各脂質(zhì)膜間的電位味物質(zhì)與脂質(zhì)膜作用后會改變電位，所測數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)儲存，并進(jìn)行必要的處理和分析。 五味響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)誤差約1酒類及咖啡等分析。,50,(3)貝殼,由許多層狀的碳酸鈣組成，每層碳酸鈣之間夾著一層有機(jī)質(zhì)，把層層碳酸鈣粘在一起 中間柔軟的有機(jī)質(zhì)層可阻擋一層碳酸鈣中出現(xiàn)的裂紋擴(kuò)張到其他碳酸鈣層中去,51,52,啟發(fā)：不易破碎的陶瓷材料石墨層結(jié)合的碳化硅陶瓷,應(yīng)用：耐高溫而不需冷卻系統(tǒng)的陶瓷汽車發(fā)動(dòng)機(jī)。,將涂有石墨層的碳化硅陶瓷層層疊起來加熱擠壓燒結(jié),53,54,第三章 智能無機(jī)非金屬材料,55,3.1 陶瓷及非金屬材料的自診斷效應(yīng),自診斷：依靠材料內(nèi)部的組分或結(jié)構(gòu)的變化產(chǎn)生的信號而自行檢測、監(jiān)測和診斷材料內(nèi)部的缺陷或裂紋的發(fā)展的方法,診斷內(nèi)容：應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)變量、相變、缺陷或裂紋發(fā)展過程等。,56,自診斷功能來源：導(dǎo)電相(連續(xù)長纖維、分散增韌相)、光纖、晶界相、多層結(jié)構(gòu)、介電體、壓電體等的應(yīng)用。,理想的自診斷方法：增韌機(jī)制與自診斷功能同時(shí)并存。,57,3.1.1 陶瓷基復(fù)合材料的自診斷,電檢測技術(shù) 通過向絕緣的陶瓷基體中添加導(dǎo)電相從而制成具有一定導(dǎo)電性的陶瓷基復(fù)合材料的途徑來實(shí)現(xiàn)。,58,導(dǎo)電陶瓷基復(fù)合材料的導(dǎo)電機(jī)理,隧道導(dǎo)電：電子躍過顆粒間隙絕緣基體構(gòu)成的勢壘而形成電流通道. 粒子導(dǎo)電：當(dāng)導(dǎo)電顆粒含量增加到一定程度，顆粒間相互接觸而形成導(dǎo)電粒子鏈，復(fù)合材料通過顆粒網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電。,59,導(dǎo)電模型,(1) 分散分布（隧道導(dǎo)電機(jī)制） 材料電阻率與導(dǎo)電相之間的有效距離和溫度T之間的關(guān)系： B：電子穿透效應(yīng)的材料常數(shù)； E：電導(dǎo)勢壘(與基體性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)) (2) 網(wǎng)絡(luò)分布（粒子導(dǎo)電機(jī)理） r: 導(dǎo)電粒子間接觸面半徑；l: 表征粒子分散程度的特征長度； D: 導(dǎo)電相的有效尺寸。,利用應(yīng)變與電阻率的對應(yīng)變化關(guān)系實(shí)現(xiàn)對材料內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的診斷。,60,晶須復(fù)合陶瓷材料的電學(xué)檢測,（1）SiC晶須復(fù)合CaF2材料,當(dāng)形變量達(dá)到最大許可形變量的一半時(shí)，電阻值呈現(xiàn)急劇增加的趨勢，這是斷裂的前兆，由此可預(yù)測裂紋。,61,（2）SiC晶須復(fù)合Si3N4陶瓷材料,體電阻值隨拉力和應(yīng)變的增加而增大，并且是可逆的。據(jù)此可預(yù)測陶瓷內(nèi)部拉伸應(yīng)力的大小。,壓力載荷的循環(huán)不能引起電阻的明顯變化。 用電阻值變化不能檢測壓力破壞。,62,Si3N4陶瓷中加入TiN顆粒：,顆粒復(fù)合陶瓷材料的電學(xué)檢測,用抗拉強(qiáng)度50的拉力進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，在載荷除去后，殘余電阻仍較明顯。用殘余電阻值可估測材料的負(fù)載歷史。,63,層狀復(fù)合陶瓷材料的電學(xué)檢測,添加25-30導(dǎo)電TiN顆粒的Si3N4層與BN層相間疊層，經(jīng)壓制、除碳及燒結(jié)而成。,檢測其電阻值的變化 可靠地監(jiān)測和預(yù)報(bào)材料是否發(fā)生斷裂。,64,3.1.2添加碳纖維的混凝土材料的自診斷,利用碳纖維拉伸形變時(shí)電阻的變化檢測混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)。,在拉伸應(yīng)力下，隨加載增加，材料電阻逐漸升高，當(dāng)加載到材料強(qiáng)度的70或形變達(dá)到允許形變量的60左右時(shí)，碳纖維斷裂，電阻值出現(xiàn)急劇升高趨勢。,預(yù)測纖維束完全斷裂前的狀態(tài)，達(dá)到預(yù)警目的。,65,方法二：將剪成5mm左右的短碳纖維直接加入到混凝土中，起到增強(qiáng)增韌效果。,壓敏性：隨壓力的增大，材料電阻率先減小然后又逐漸增大，可很好的反映結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力場及裂紋的產(chǎn)生、閉合、張開和擴(kuò)展。,循環(huán)拉伸載荷：拉伸時(shí)電阻值升高，卸載時(shí)電阻值又下降回復(fù)到接近原始值。,66,3.1.3 利用線性電容的自診斷介電檢測,利用非導(dǎo)電材料的介電參數(shù)與應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行自檢測。,碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)交疊層合物,67,3.1.4添加光纖的混凝土結(jié)構(gòu)的自診斷,布設(shè)光纖網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)各部位的應(yīng)力和變形，實(shí)現(xiàn)分布式監(jiān)測，對裂縫進(jìn)行定位。,光纖機(jī)敏混凝土結(jié)構(gòu)一種具有強(qiáng)大自監(jiān)測和自診斷功能的智能結(jié)構(gòu)。,應(yīng)用：美國Schiessbergstrase大橋的橋面監(jiān)測。,68,陽邏長江大橋,69,3.2自修補(bǔ)自愈合材料,生物材料的自修復(fù)、自愈合：,人造材料的自修補(bǔ)、自愈合設(shè)計(jì)思路 在人造材料中加入一些易擴(kuò)散的物質(zhì)或修復(fù)劑，在材料出現(xiàn)損傷時(shí)，內(nèi)部組分向損傷部位遷移，聚集并結(jié)合成高硬度的新物質(zhì)；或者損傷部位的修復(fù)劑被釋放出來進(jìn)行修復(fù)，從而使損傷愈合。,樹木,貝殼,手繭,70,3.2.1 高溫下陶瓷涂層的自動(dòng)成膜機(jī)制,在高溫真空器件使用的不銹鋼中加入少量B和N元素； B和N元素在溫度和壓力作用下向表層遷移擴(kuò)散、聚集并結(jié)合成一層致密的BN高溫陶瓷保護(hù)層； 其成分和結(jié)構(gòu)與基體材料呈遞變過渡狀態(tài)，親和性和相容性好，結(jié)合牢固。,71,3.2.2 高溫陶瓷的高溫氧化自適應(yīng)性,陶瓷材料在高溫狀態(tài)下的破壞,自修復(fù)思路：加入某種物質(zhì)能夠在高溫下自動(dòng)“流入”裂紋并屏蔽內(nèi)部組織與氧氣的接觸,組分高溫氧化和表面裂紋縱深發(fā)展的相互促進(jìn)過程。,72,自適應(yīng)抗氧化機(jī)制：,實(shí) 例：在氮化硅陶瓷中加入少量NbN,Nb2O5,NbN,Nb2O3,NbO2,高溫下鈮在氮化硅表面形成Nb2O5-NbO2-Nb2O3-NbN的過渡氧化物層。,73,氧化層類似人“掌繭”的功能,這些氧化物為玻璃態(tài)，呈致密狀覆蓋在表面，隔斷氧氣向內(nèi)部侵入；,氧通過氧化層繼續(xù)向內(nèi)擴(kuò)散時(shí)，氧將依次與氧化層中價(jià)態(tài)較低的鈮的氧化物或氮化物反應(yīng)，生成更高價(jià)態(tài)的氧化物，從而有效地阻擋氧向深度擴(kuò)散；,Si3N4和NbN與氧反應(yīng)生成N2，形成局部還原環(huán)境，抑制氧化。,74,3.2.3 微波輻射使陶瓷材料內(nèi)部裂紋愈合,微波加熱原理：電磁波導(dǎo)致材料內(nèi)部的可極化物質(zhì)(電子、離子、極化分子、空泛電荷等)發(fā)生頻繁反轉(zhuǎn)或摩擦而發(fā)熱,微波加熱的選擇性 不同材料內(nèi)部可極化物質(zhì)的種類和數(shù)量不同，微波誘導(dǎo)發(fā)熱的難易程度就不同。如果材料中含有不同類型的物質(zhì)，其中某些組元的升溫速度可能比周圍要快。,75,自愈合機(jī)制： 碳化物熱膨脹系數(shù)較大，晶粒也較大，受力時(shí)材料內(nèi)部的微細(xì)裂紋易沿著碳化物晶粒擴(kuò)展。 碳化物顆粒優(yōu)先加熱，溫度高于周圍基質(zhì)氮化硅和晶界，促使碳化物顆粒向周圍擴(kuò)散并愈合周圍的微細(xì)裂紋和孔隙。,實(shí)例：在氮化硅陶瓷中加入少量介電常數(shù)較大的碳化鈦和碳化鈮等顆粒。,76,3.2.4自愈合混凝土,將粘結(jié)劑填入中空玻璃纖維，埋入混凝土中，玻璃纖維使粘結(jié)劑在混凝土中可長期保持性能，直到結(jié)構(gòu)開裂致玻璃纖維斷裂時(shí)粘結(jié)劑被釋放出來，把裂紋修補(bǔ)好。,為防止玻璃纖維斷裂，將填充了粘結(jié)劑的玻璃纖維用水溶性膠粘結(jié)成束，然后平直地（無卷繞）加入混凝土中。在混合過程中，混凝土中的水將膠溶化，纖維分散開來，凝固后得到自愈合混凝土。,77,3.3氧化鋯增韌陶瓷,智能特征：利用氧化鋯的相變特性，能響應(yīng)外界環(huán)境的變化，吸收環(huán)境沖擊，具有自診斷和自修復(fù)功能。,ZrO2晶體的三種晶型,78,相變增韌應(yīng)力誘導(dǎo)的相變增韌,當(dāng)ZrO2顆粒彌散在陶瓷基體中時(shí)，燒結(jié)冷卻過程中ZrO2顆粒受到壓應(yīng)力，四方相向單斜相的轉(zhuǎn)變會受到抑制。壓應(yīng)力足夠大且顆粒足夠小時(shí)，相變溫度可降至室溫甚至室溫以下，即ZrO2以四方相形式在室溫存在。 當(dāng)材料受到外加應(yīng)力時(shí)，基體對ZrO2顆粒的壓應(yīng)力得到釋放，ZrO2顆粒發(fā)生四方相向單斜相的轉(zhuǎn)變，并在基體中引發(fā)微裂紋，從而吸收了主裂紋擴(kuò)展的能量，提高了材料的斷裂韌性。,79,相變發(fā)生處材料組成、結(jié)構(gòu)、尺寸發(fā)生變化，聲波傳播速率、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率等性能也隨之而變，以此作為材料受到外力作用的信號，對材料使用中的疲勞強(qiáng)度及膨脹情況等作出評價(jià)和診斷。,智能化機(jī)制自診斷、自愈合,當(dāng)外力作用達(dá)到一定程度后，它能迅速地作出反應(yīng)，發(fā)生四方相向單斜相的馬氏體相變，吸收外力作用能而阻礙裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，防止材料整體破壞，提高材料的強(qiáng)度和韌性。,80,應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌示意圖,81,3.4功能無機(jī)材料的智能化 3.4.1CuO/ZnO濕敏傳感器,傳統(tǒng)的濕敏傳感器,材料：多孔氧化物半導(dǎo)體陶瓷(氣孔率25-40),感濕機(jī)理： 接觸粒界勢壘理論低濕情況(40RH) 質(zhì)子導(dǎo)電理論 高濕情況(40RH),82,缺點(diǎn)：需要進(jìn)行高溫?zé)醿艋コ剿@得 新鮮表面,無自恢復(fù)性。,83,CuO/ZnO半導(dǎo)體陶瓷濕敏傳感器,濕敏機(jī)理： 利用CuO/ZnO兩者的p-n型接觸，在CuO和ZnO接觸點(diǎn)上吸附的水分子發(fā)生電解反應(yīng)，電荷在正向電壓作用下從p型到n型半導(dǎo)體電極間傳輸，通過測量傳感器元件的電壓電流特性曲線就可以測量空氣中的濕度。,84,吸附在接觸點(diǎn)上的水分子發(fā)生電解，從而使接觸點(diǎn)總是保持清潔新鮮，不需要熱凈化。 吸附水的電解、清潔過程就是CuO/ZnO濕敏傳感器本身的正向伏安特性測量過程。,智能特性：自清潔、自恢復(fù),85,從智能材料角度比較兩種濕敏傳感器,86,3.4.2正溫度系數(shù)熱敏陶瓷,PTC(positive temperature coefficient),體積電阻率在某一溫度(居里溫度，Tc)以上隨溫度升高而急劇變大(3-4個(gè)數(shù)量級)的陶瓷材料。,PTC熱敏陶瓷的電阻率溫度特性,典型代表： 摻雜BaTiO3系陶瓷,87,BaTiO3陶瓷,n型半導(dǎo)體,摻雜其它陽離子,替換Ba2+或Ti4+,Ba2+ ：La3+、Pr3+、Nd3+、Gd3+、Y3+等替換,Ti4+ ：Nb5+、Sb5+、Ta5+等替換,有顯著PTC效應(yīng)的BaTiO3陶瓷：,晶粒充分半導(dǎo)化 晶界具有適當(dāng)絕緣性,88,理論解釋 Heywang-Jonker(海望焦克)模型： n型半導(dǎo)體陶瓷的晶界上具有表面能級，此表面能級可以捕獲載流子，在兩邊晶粒內(nèi)產(chǎn)生一層電子耗散層，形成肖特基勢壘。勢壘高度與介電常數(shù)有關(guān)：在鐵電相范圍內(nèi)，介電系數(shù)大，勢壘低。當(dāng)溫度超過居里點(diǎn)，介電系數(shù)急劇減少，勢壘增高，引起電阻率的急劇增加。,89,恒溫發(fā)熱元件:,PTC熱敏陶瓷的應(yīng)用,溫度敏感元件： 家用電器的過熱報(bào)警和馬達(dá)的過熱保護(hù)、 非破壞“保險(xiǎn)絲”； 探測液面深度液面控制。,電流限流元件： 電子電路的過流保護(hù)、彩電的自動(dòng)消磁、 冰箱及空調(diào)機(jī)等的馬達(dá)起動(dòng)。,電飯鍋、電子卷發(fā)器、電烙鐵、衣物干燥器、餐具干燥器等。,90,3.4.3變色玻璃,當(dāng)作用在玻璃上的光強(qiáng)、光譜組成、溫度、熱量、電場或電流產(chǎn)生變化時(shí)，玻璃的光學(xué)性能將發(fā)生相應(yīng)的變化，從而使其在部分或全部太陽能光譜范圍內(nèi)的透光性發(fā)生變化(如從一個(gè)高透態(tài)變?yōu)椴糠址瓷浠蛭諔B(tài))，使玻璃發(fā)生變色反應(yīng),也可根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)地控制穿透玻璃的能量。,光致變色,類型:,電致變色,熱致變色等,91,（1）光致變色玻璃,在光的激發(fā)下發(fā)生變色反應(yīng)的玻璃,原理： 在某些玻璃組成中添加了很細(xì)的AgCl微晶。當(dāng)紫外線輻照時(shí)，離子Ag+還原成原子Ag。此時(shí)銀原子團(tuán)簇影響光的入射，產(chǎn)生深色效應(yīng);在沒有紫外線照射時(shí)，Ag原子轉(zhuǎn)變?yōu)殡x子Ag+，原子團(tuán)簇解體，鏡片褪色。,92,光通過介質(zhì)時(shí)的能量衰減,光在穿過介質(zhì)時(shí)引起介質(zhì)中的價(jià)電子躍遷，或使原子振動(dòng)而耗散能量； 介質(zhì)中的價(jià)電子吸收光子能量而激發(fā)，當(dāng)尚未退激而發(fā)出光子時(shí)，在運(yùn)動(dòng)中與其他分子碰撞，電子的能量轉(zhuǎn)變成分子的動(dòng)能亦即熱能，從而導(dǎo)致光能衰減。,93,不同物質(zhì)對可見光的吸收,金屬和半導(dǎo)體 吸收系數(shù)很大，光能衰減顯著；,電介質(zhì)（包括玻璃、陶瓷等無機(jī)材料的大部分） 吸收系數(shù)很小，有良好的透過性，光能衰減很小。,94,光致變色材料,有機(jī)化合物； Zn、Cd、Hg、Cu和Ag的一些無機(jī)化合物。,變色機(jī)理： 這些材料的原子或分子有兩種狀態(tài)，這兩種狀態(tài)的分子或電子組態(tài)不同，對可見光的吸收系數(shù)不同，在不同光輻射條件下呈現(xiàn)出不同的顏色。,95,添加AgCl的光致變色玻璃,不吸收可見光, 呈透明態(tài),對可見光強(qiáng)烈吸收, 呈著色態(tài),著色過程：變暗與退色相互競爭達(dá)到穩(wěn)定著色程度,得到特定色調(diào)：引入著色劑：錳、鈣、鈷、鎳等的氧化物,添加Br或I，使敏感性移向長波長,添加敏化劑(CuO) ，提高著色靈敏度,96,光致變色玻璃的組成,基體：堿金屬硼硅酸鹽玻璃 Ag濃度：0.20.7(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)) 鹵素(Cl、Br和I或它們的結(jié)合)濃度：千分之幾 敏化劑濃度：0.01 典型情況: 鹵化銀粒子平均直徑：10nm 顆粒的平均間距：50-80nm 體積濃度：1015-1016個(gè)/cm3,97,（2）電致變色玻璃,電致變色現(xiàn)象(Electrochromism) 材料在電場或電流的作用下，對光的透射率和反射率發(fā)生可逆且連續(xù)可調(diào)變化而表現(xiàn)為顏色變化的現(xiàn)象。,利用電致變色材料特性由基礎(chǔ)玻璃和電致變色材料構(gòu)造的玻璃裝置，可通過“電開關(guān)”實(shí)現(xiàn)對通過光、熱的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。也稱為智能窗(Smart Window)或敏感窗。,電致變色玻璃,98,特性：,建筑物門窗、交通工具的擋風(fēng)玻璃 大面積顯示器,透光度可以在較大范圍內(nèi)隨意調(diào)節(jié)，多色連續(xù)變化； 存儲記憶功能； 驅(qū)動(dòng)變色電壓低、電源簡單、省電； 受環(huán)境影響小。,99,電致變色智能玻璃的結(jié)構(gòu)和工作原理,結(jié) 構(gòu) 由普通玻璃及沉積于玻璃上的五層薄膜材料組成，即“玻璃TC EC FIC CE TC玻璃” 。,GS玻璃基片 TC氧化銦錫(ITO)膜制成的透明電極 EC電致變色膜 FIC快離子導(dǎo)體隔膜 CE離子儲存層(或?qū)﹄姌OEC),100,工作原理,正向直流電壓： 離子貯存層中陽離子被抽出，通過離子導(dǎo)體層進(jìn)入電致變色層，引起變色層變色，材料的透射率減小“著色”；,在外電場作用下，由于電致變色層中離子的注入和抽出而使整個(gè)智能玻璃發(fā)生漂白和著色變化。,反向電壓： 電致變色層中離子被抽出后又進(jìn)入貯存層，整個(gè)裝置恢復(fù)透明原狀，材料的可見光透射率增加“漂白” 。,101,TC電極材料,向EC提供并接受電子，導(dǎo)電材料,要求：高電導(dǎo)率和可見光透過率。,材料：半透明金屬材料(如50-100的金膜) 透明導(dǎo)電材料(如ITO膜及含鎘的錫酸鹽)。ITO目前最好的一種導(dǎo)電材料。,102,FIC快離子導(dǎo)體,要求： 在工作波長范圍內(nèi)(0.351.5um)具有高的離子電導(dǎo)率(105S/m)和電子電阻率(1012cm)，以提高開關(guān)響應(yīng)速度，同時(shí)避免產(chǎn)生自放電而造成器件自行變色； 漂白狀態(tài)下，在工作光譜區(qū)域具有高的透射率； 好的化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性，易于成膜。,加快EC與CE之間的堿金屬離子傳輸。,103,材料：電解質(zhì),液體電解質(zhì)：如H2O,固體電解質(zhì)：,優(yōu)點(diǎn)：離子遷移運(yùn)動(dòng)受阻小，開關(guān)響應(yīng)時(shí)間快； 問題：漏液、界面間腐蝕及構(gòu)造復(fù)雜等。,快離子導(dǎo)體(如Na1+xZr2SixP3-XO12)； 具有隔熱性能的離子傳導(dǎo)型氧化物：SiO2, MgF2, CaF2, Ta2O3, ZrO2等； Li離子固體電解質(zhì)：Li3N、LiBO2、LiF、LiAlCl4、 LiAlF4、LiNbO3、LiTaO3等。,104,粘性有機(jī)聚合物：,可保證電解質(zhì)與電極的良好接觸，避免漏液問題，優(yōu)于液體電解質(zhì);,聚乙烯氧化物(PEO)及聚丙烯氧化物(PPO)粉末與Li+鹽（如LiClO4, LiCF3SO3或LiN(SO2CF3)2）溶解于乙睛中制得的復(fù)合物。,具有快離子導(dǎo)體特征，易制成薄膜，優(yōu)于固體電解質(zhì)。,105,EC電致變色材料,在負(fù)電壓下，隨著陽離子和電子的注入，形成著色物質(zhì)；,陰極電致變色材料：,陽極電致變色材料：,根據(jù)變色機(jī)理，可分為：,在正電壓下，隨著陰離子和空穴的同時(shí)注入或陽離子放出，空穴注入(而電子放出)，形成著色物質(zhì)。,106,EC電致變色材料,無機(jī)過渡族金屬氧化物: WO3, MoO3, TiO2, IrO, NiO等,有機(jī)化合物: 如紫精類化合物、聚苯胺(PANI)、聚環(huán)氧乙烷 (PEO)、鑭系酞化菁等)高粘度的液體,107,WO3和NiO 最有發(fā)展前途的電致變色材料,WO3(晶態(tài)和非晶態(tài))無色透明，陽離子注入時(shí)變色 陰極著色材料；,NiO有色，陽離子注入時(shí)變?yōu)闊o色陽極著色材料,M+：H+、Li+、Na+、K+等。,優(yōu)點(diǎn)：著色效率高、可逆性好、響應(yīng)時(shí)間短、壽命長、成本低。,108,WO3電致變色過程,109,原始狀態(tài)：整個(gè)系統(tǒng)透明，無顏色；,施加電場：電子(e-)與陽離子(M十)同時(shí)注入WO3膜，形成鎢青銅MxWO3，呈現(xiàn)藍(lán)色。,MxWO3在可見光到紅外光區(qū)有寬波段的光吸收，呈現(xiàn)藍(lán)色。 光吸收：在MxWO3中存在W5+和W6+混價(jià)離子,局域電子受光激活后在W5+和W6+位置之間躍遷而引起價(jià)間電荷遷移: W5+(A)+W6+(B)+hv W6+(A)+ W5+(B) A，B表示兩個(gè)不同的W晶格位置。,反向電場：電致變色層中陽離子(M+)和電子同時(shí)脫離MxWO3，藍(lán)色消失，回復(fù)到原始狀態(tài)。,為保持整個(gè)系統(tǒng)電的動(dòng)態(tài)平衡，離子貯存層作出相應(yīng)的變化。,110,改變著色狀態(tài)：,添加金屬Au和Pt到WO3膜中 Au-非晶態(tài)WO3復(fù)合材料：著色狀態(tài)紅色或粉紅色； Pt-晶態(tài)WO3復(fù)合材料：著色狀態(tài)呈黑藍(lán)色。,111,CE離子貯存層,又稱反向(可逆)電極。 要求：透明性、離子插入反應(yīng)的可逆性及快 的反應(yīng)速度。 材料：V2O5、TiO2、CeO2等氧化物。,112,互補(bǔ)型電致變色器件： 用另一種電致變色層材料作為離子貯存層(如變色層為陰極電致變色材料，則貯存層可用陽極電致變色材料)。,在外加電壓作用下，陰、陽極將同時(shí)著色或漂白，使著色態(tài)顏色加深而漂白態(tài)透光率更高。 所需電量較小，能耗更低。,113,(3)熱致變色玻璃,玻璃夾層填充型熱致透光率調(diào)控智能玻璃 在兩個(gè)玻璃層之間填入一種帶顏料的高分子微小顆粒。這種顆?？呻S溫度的變化改變自己的體積。當(dāng)溫度上升時(shí)，其體積變大，透明度降低，可把80%的光遮蔽掉；當(dāng)溫度降低后，又可恢復(fù)原狀，光的透過率又增大。,可隨環(huán)境溫度變化自主調(diào)節(jié)光波透反射特性的玻璃, 可機(jī)敏地調(diào)整室內(nèi)溫度, 實(shí)現(xiàn)冷熱雙向調(diào)節(jié), 達(dá)到冬天保暖, 夏天保冷的效果。,114,(3)熱致變色玻璃,玻璃薄膜型熱致紅外線調(diào)控智能玻璃,熱色玻璃：在玻璃上涂敷一層熱致變色材料, 它可隨著環(huán)境溫度的改變實(shí)現(xiàn)玻璃紅外線透光率的調(diào)節(jié)。 室外溫度升高時(shí)，僅使紅外線透過率下降而不使屋內(nèi)溫度升高過多； 室外溫度下降時(shí)，紅外線透過率升高，從而不使屋內(nèi)溫度下降過多。,115,熱致變色材料,機(jī)理： 存在一個(gè)相變溫度，在相變溫度之上或之下，材料表現(xiàn)出不同的光學(xué)性質(zhì)。,種類 熱光聚合物 手性劑添加型液晶 無機(jī)熱色薄膜VO2 相變前后光學(xué)性能的改變主要發(fā)生在紅外區(qū)域(波長 1000 nm )，可見光區(qū)域變化小，對視覺影響小,116,VO2 薄膜的變色機(jī)理,單斜晶系(M),絕緣體， 中等程度透明,四方金紅石型(R),金屬特性， 光、電、磁性質(zhì)的可逆轉(zhuǎn)變,低溫,高溫,68,金屬絕緣體轉(zhuǎn)變(MIT)特性,117,電阻率變化幅值：104 數(shù)量級,光譜透過率 可見光區(qū) ：變化不大 紅外光區(qū)： 低溫高度透過 高溫高度反射、阻隔,118,有待研究解決的問題,純相M/R VO2 的控制合成; 相變溫度的降低及其變化溫度范圍的調(diào)控; 提高VO2涂層的可見光透過率, 滿足建筑的采光要求; 廉價(jià)可重復(fù)制備方法的開發(fā)。,119,120,智能變色玻璃應(yīng)用實(shí)例,以WO3為電變色層，Li-Polymer為離子導(dǎo)電層和NiO為對電極的電致變色智能窗。,電致變色汽車天窗,121,電致變色窗,電致變色頭盔,122,熱致變色智能窗,123,124,3.5壓電、鐵電材料,1880年 居里兄弟發(fā)現(xiàn),正壓電效應(yīng)：在外力作用下產(chǎn)生電場，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能壓電傳感器,智能材料系統(tǒng)中的主導(dǎo)材料之一,壓電效應(yīng),逆壓電效應(yīng)：在電場作用下產(chǎn)生應(yīng)變，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能壓電驅(qū)動(dòng)器,125,壓電效應(yīng)本質(zhì),不受外力,施加壓力,施加拉力,-,+,-,+,126,壓電效應(yīng)與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系,鐵電體：極性晶體，熱電體，壓電體,32種點(diǎn)群,20種：有壓電性，是壓電晶體,10種：有固有電偶極矩，是極性晶體，有熱電性。,21種：不具有中心對稱,127,128,壓電陶瓷一般為鐵電體,鐵電陶瓷在強(qiáng)直流電場作用下，各晶粒的自發(fā)極化方向都擇優(yōu)取向成為有規(guī)則的排列。直流電場去除后，陶瓷內(nèi)仍能保留相當(dāng)?shù)氖Ｓ鄻O化強(qiáng)度，陶瓷材料宏觀具有極性，從而具有壓電性。故也稱鐵電、壓電陶瓷。,129,壓電效應(yīng)的表征,介質(zhì)電位移D（單位面積電荷）和應(yīng)力T以及應(yīng)變S和電場強(qiáng)度E之間的關(guān)系。 對于正壓電效應(yīng)： D=dT 對于逆壓電效應(yīng)： S=dE,兩式中的d在數(shù)值上相等,(1)壓電應(yīng)變常數(shù)d：,它描述作為驅(qū)動(dòng)材料運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)的能力。 高功率聲納高的d值。,130,壓電效應(yīng)的表征,應(yīng)力與所產(chǎn)生的電場強(qiáng)度，或應(yīng)變與所引起的電位移的關(guān)系。,(2)壓電電壓常數(shù)g：,由機(jī)械應(yīng)力而產(chǎn)生電壓的材料如留聲機(jī)、擴(kuò)音器高的g值。,g=d/E,131,綜合反映壓電材料性能的參數(shù)，表示電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能或者機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿姆謹(jǐn)?shù)。,*k和k2總小于1； *與結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的形狀和振動(dòng)方式有關(guān)。,(3)機(jī)電耦合系數(shù)k：,132,3.5.2壓電、鐵電材料,133,（1）壓電單晶,石英(天然、人工)晶體俗稱水晶。 居里點(diǎn)為573的六角晶系-石英。,壓電常數(shù)小，壓電常數(shù)和介電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好； 機(jī)械強(qiáng)度和品質(zhì)因素高； 無熱釋電性，且絕緣性、重復(fù)性均好。,性能特點(diǎn)：,134,鋰鹽類壓電和鐵電單晶,鈮酸鋰(LiNbO3)、鉭酸鋰(LiTaO3)、鍺酸鋰(LiGeO3)、 鎵酸鋰(LiGaO3)、鍺酸鉍(Bi2GeO20)等。,居里點(diǎn)高(1200)，高溫、強(qiáng)輻射條件下仍具有良好的壓電性； 性能的時(shí)間、溫度穩(wěn)定性好。 質(zhì)地脆、抗機(jī)械和熱沖擊性差。,鈮酸鋰：一種多疇單晶，須通過極化處理后才能成為單疇單晶，呈現(xiàn)類似單晶體的特點(diǎn)，即機(jī)械性能各向異性。,性能特點(diǎn)：,135,(2)壓電陶瓷,特點(diǎn)： 壓電常數(shù)大，靈敏度高； 制造工藝成熟，可通過控制合理配方和摻雜等達(dá)到所要求的性能； 成形工藝性好，成本低廉，利于廣泛應(yīng)用。 具有熱釋電性，會給壓電傳感器造成熱干擾，降低穩(wěn)定性。,136,a.一元系壓電陶瓷,BaTiO3：,PbTiO3：,居里溫度高(Tc=490)，能在高溫下使用； 自發(fā)極化強(qiáng)度在鈣鈦礦型晶體結(jié)構(gòu)的鐵電體中最高; 鑭系元素(La，Ce，Nd，Sm，Eu和Gd)的摻入對其晶格參數(shù)及介電、壓電性能的影響較大。,機(jī)電耦合系數(shù)大，最早的有實(shí)用價(jià)值的壓電陶瓷。,137,b.二元系壓電陶瓷,BaTiO3CaTiO3系 大大降低第二相變溫度，但不能提高居里點(diǎn),BaTiO3PbTiO3系 能提高居里點(diǎn)，同時(shí)降低第二相變點(diǎn),138,鋯鈦酸鉛,PbZrO3 和PbTiO3以任何比例形成的連續(xù)固溶體，化學(xué)式為Pb(ZrxTi1-x)O3，簡稱PZT。,高壓電活性和介電常數(shù)(壓電常數(shù)是BaTiO3的兩倍)，其它性能比BaTiO3好得多。 開辟了壓電陶瓷應(yīng)用(變壓器、濾波器、換能器、通訊、計(jì)測、引燃引爆裝置、超聲延遲線等)的新局面，具有劃時(shí)代意義。,改性方法： 改變Zr/Ti比； 等價(jià)離子及不等價(jià)離子置換或摻加雜質(zhì)、氧化物， 如Ba2+、Sr2+、Sn4+、La3+、Bi3+、Sn5+等。,139,C.三元系及多元系壓電陶瓷,PZT-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 PZT-馳豫鐵電體固溶物,140,無鉛壓電陶瓷,BaTiO3 鈦酸鉍鈉(Na1/2Bi1/2) TiO3 (BNT) 系統(tǒng) 含鉍層狀結(jié)構(gòu) 鈮酸鹽,中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所,鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷系列 (1-x)Nal/2Bi1/2TiO3xBaTiO3 (x=0.06時(shí)壓電性能最好),141,（3）壓電聚合物,與壓電陶瓷和單晶相比 壓電應(yīng)變常數(shù)d比壓電陶瓷小，但壓電電壓常數(shù)g比壓電陶瓷高很多，是更好的傳感器材料。 材料輕質(zhì)、高韌性，適于大面積加工和可剪裁成為復(fù)雜形狀； 較高的介電擊穿電壓、顯著的低介電常數(shù)、低的聲阻抗和機(jī)械阻抗(對醫(yī)學(xué)和水下應(yīng)用至關(guān)重要) ,能夠承受更高的極化電場和工作電場。 可實(shí)現(xiàn)在薄膜表面形成電極和選擇性區(qū)域極化。,142,壓電聚合物種類,晶態(tài)聚合物： 目前唯一能夠商業(yè)化生產(chǎn)的壓電聚合物材料。 種類：滾延聚偏氟乙烯(PVDF) 和三氟乙烯(TrFE)的共聚物P(VDF-TrFE) 和四氟乙烯(TFE)的共聚物P(VDF-TFE) 奇數(shù)的尼龍等。,通常為非導(dǎo)電性高分子材料。,143,非晶態(tài)聚合物: 尚無具有商業(yè)應(yīng)用價(jià)值的壓電性能。 腈基取代高聚物： 聚丙烯腈(PAN) 聚(亞乙烯基氰/醋酸乙烯)(PVDCN/VAc) 聚苯基氰基醚(PPEN) 聚(1-環(huán)二丁腈) 最具前途：亞乙烯基氰共聚物（強(qiáng)的介電弛豫強(qiáng) 度和大的壓電效應(yīng)）。 其它：聚氯乙烯PVC,144,（4）壓電復(fù)合材料,壓電陶瓷：,壓電復(fù)合材料:克服了壓電陶瓷材料的脆性和壓電聚合物材料的溫度限制,壓電聚合物：,高介電性、較強(qiáng)的壓電性和大的機(jī)電耦合系數(shù)； 制備溫度較高、制備工藝較復(fù)雜; 不易制得薄膜材料、質(zhì)脆；,較高的介電性、較強(qiáng)的壓電性; 較高的機(jī)械強(qiáng)度、柔韌性好; 使用溫度較低。,智能材料系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)中最有前途的壓電材料。,145,壓電陶瓷/聚合物復(fù)合材料,將壓電陶瓷和壓電聚合物按一定的連通方式、一定的體積或質(zhì)量比例和一定的空間幾何分布復(fù)合而成。,組成成分各組份的比例 兩相材料的連通方式,性能影響因素：,146,壓電陶瓷/聚合物復(fù)合材料的十種基本類型,第一個(gè)數(shù)字代表陶瓷相的連通維數(shù)； 第二個(gè)數(shù)字代表聚合物相的連通維數(shù),空白區(qū)：壓電陶瓷 陰影區(qū)：聚合物,147,3.5.3壓電驅(qū)動(dòng)器,工作原理逆壓電效應(yīng),控制施加電壓的大?。嚎刂莆灰戚敵龃笮?施加交流電壓:交替地伸長和縮短;,施加電壓與其極化電壓極性相同:壓電陶瓷伸長；,施加電壓與其極化電壓極性相反:壓電陶瓷縮短；,148,(2)響應(yīng)速度快，約為10s，無機(jī)械吻合間隙，可實(shí)現(xiàn)電壓隨動(dòng)式位移控制。,壓電驅(qū)動(dòng)器特點(diǎn),(1)不需傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，位移控制精度高，可達(dá)0.01m；,(3)較大的力輸出，約為 3.9kN/cm2。,(4)功耗低(比電磁馬達(dá)式微位移器低1個(gè)數(shù)量級)，且當(dāng)物體保持一定位置(高度)時(shí)，器件幾乎無功耗。,(5)易與電源、測位傳感器、微機(jī)等實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。相對其它微位移器件體積小得多。,149,壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)類型,應(yīng)用最多：,雙片式彎曲型驅(qū)動(dòng)器,線性多層式驅(qū)動(dòng)器,150,線性多層式驅(qū)動(dòng)器,壓電陶瓷的變形量與厚度無關(guān),設(shè)計(jì)思路,多層壓電陶瓷薄片在電學(xué)上并聯(lián)、在位移和驅(qū)動(dòng)力方面串聯(lián)疊加，層疊燒結(jié)在一起制成多層結(jié)構(gòu)。,151,線性多層式驅(qū)動(dòng)器,根據(jù)制備方法不同可分為：,位移隨層數(shù)增加而增加； 工作電壓大幅度降低。,性能特點(diǎn),*多層共燒式,*膠粘接式,152,雙壓電晶片式彎曲型驅(qū)動(dòng)器,二個(gè)壓電陶瓷片粘在一起，其極化電壓極性相反；加上電壓使其中一片伸長，另一片收縮，形成彎曲位移。,設(shè)計(jì)思路,153,應(yīng) 用,(1)抑制振動(dòng)和噪聲,壓電智能材料應(yīng)用研究主要集中在:, 1991年 弗吉尼亞工學(xué)院 壓電陶瓷結(jié)構(gòu)聲主動(dòng)控制系統(tǒng)ASAC 可將110dB聲源的聲強(qiáng)降低29dB。,結(jié)構(gòu)的聲和振動(dòng)主動(dòng)控制； 結(jié)構(gòu)形狀的自適應(yīng)控制。,154,傳感器和驅(qū)動(dòng)器自成孤立系統(tǒng),傳感器直接裝在驅(qū)動(dòng)器頂部的機(jī)械耦合系統(tǒng),壓電材料與其它材料復(fù)合制成自適應(yīng)主動(dòng)控振結(jié)構(gòu)：,降低圓柱型衛(wèi)星天線桅桿的振動(dòng)；,具有自行調(diào)整外形功能的直升機(jī)推進(jìn)葉片；,智能蒙皮相當(dāng)于柔順材料，對于壓力的波動(dòng)，可獲得高于橡膠6倍的柔順性。,155,（2）減少應(yīng)力集中，延長疲勞壽命,壓電陶瓷誘發(fā)應(yīng)變驅(qū)動(dòng)器能夠主動(dòng)減少應(yīng)變集中，延長疲勞壽命。,其 它 軍事上：壓電陶瓷水聲換能器,核潛艇的“眼睛”,156,超聲清洗換能器,數(shù)碼聚焦驅(qū)動(dòng)器,燃油噴射器用壓電驅(qū)動(dòng)器,157,多層壓電揚(yáng)聲器,158,3.5.4壓電傳感器,壓電感知元件僅對應(yīng)力的變化作出反應(yīng)。壓電傳感器是交流器件，而不是直流器件，只能夠測量動(dòng)態(tài)的應(yīng)力，不能用于靜態(tài)測量。,結(jié)構(gòu) 壓電片通常是兩片（或兩片以上）粘結(jié)在一起，一般常用并聯(lián)接法。其總面積是單片的兩倍，極板上的總電荷Q并為單片電荷Q的兩倍。加上電極即構(gòu)成最簡單的壓電傳感器。,原理正壓電效應(yīng),159,應(yīng)用,(1)加速度和力的測量 制成力傳感器、加速度傳感器、壓力傳感器,壓電加速度傳感器：常用的加速度計(jì)。,常用材料：石英晶體和壓電陶瓷。,特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、使用壽命長。 應(yīng)用：飛機(jī)、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動(dòng)和沖擊測量，在航空和宇航領(lǐng)域中具有特殊地位。,160,應(yīng)用,(1)加速度和力的測量,壓電式壓力傳感器：測量壓力范圍廣。 應(yīng)用：發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒壓力與真空度的測量； 槍炮子彈在膛中擊發(fā)瞬間的膛壓的變化 炮口的沖擊波壓力測量。,161,（2）壓電式周界報(bào)警系統(tǒng)（用于重要位置出入口、 周界安全防護(hù)