第11章 機敏材料與智能材料

1、第十一章第十一章 機敏材料和智能材料機敏材料和智能材料11.1 機敏材料和智能材料的概念機敏材料和智能材料的概念 智能材料是指對環(huán)境可感知、響應和處理后，能適應環(huán)境的材料。它是一種融材料技術(shù)和信息技術(shù)于一體的新概念功能材料。 智能材料應同時具備傳感(sensing)、處理(processing)和執(zhí)行(actuation)三種基本功能。 （1）傳感功能。首先是對所處環(huán)境條件及其變化的感知，環(huán)境條件包括力、光、電、聲、磁、熱等物理、化學和生物條件。其次是把環(huán)境條件及其變化轉(zhuǎn)化為某種訊號傳導給處理器。 （2）處理功能。包括信息積累、識別、比較、診斷、綜合、判斷和作出相應的反應，然后把反應轉(zhuǎn)化為指令

2、，傳達給執(zhí)行器。 （3）執(zhí)行功能。包括報警、自檢測、自診斷、自監(jiān)控、自校正、自適應、自分解、自增殖、自修復、自凈化、自愈合和自學習等。 機敏材料的英文原名為smart material。對機敏材料也沒有統(tǒng)一的定義。有人認為機敏材料就是智能材料，兩者之間并無區(qū)別，只是名稱不同。有人認為機敏材料只有傳感和執(zhí)行兩種基本功能，比智能材料少一個處理功能。因而，從聰明程度來看，智能材料比機敏材料至少高出一個數(shù)量級，機敏材料是一種較低階段的智能材料，所以一般把機敏材料和智能材料統(tǒng)稱為智能材料。 理論上講，智能材料可以從宏觀到微觀各種層次上來實現(xiàn)。宏觀層次上，單一的一種材料很難同時具備傳單一的一種材料很難同時

3、具備傳感、處理和執(zhí)行三種基本功能感、處理和執(zhí)行三種基本功能。 往往要把幾種材料、元件或結(jié)構(gòu)組合在一起構(gòu)成一個結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)才能同時具備上述的三種基本功能。這種結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)稱為智能結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)，它是由多種結(jié)構(gòu)材料（結(jié)構(gòu)）、功能材料（元件或結(jié)構(gòu)）所構(gòu)成。在微觀層次上如在分子、原子水平上，則有可能在一種材料中實現(xiàn)上述三種基本功能。這種材料才符合智能材料的定義。 智能材料的基本功能隨著研究的進展正在逐步豐富和發(fā)展，它的智能也從低級（如機敏材料）發(fā)展到比較高級（如仿生智能材料），最終可能發(fā)展到具有類似人類的部分智能。 研究智能材料最早的國家是美國和日本。隨后英、意、澳等也開展了智能材料的研究。 我國對智能材料的

4、研究也很重視，從1991年起就把智能材料列為國家自然科學基金和國家863計劃的研究項目，并已取得了相當?shù)倪M展。 宏觀智能材料往往由結(jié)構(gòu)材料和具有傳感、處理或執(zhí)行功能的功能材料構(gòu)成。 本章介紹幾種以前各章未講到的有傳感或執(zhí)行功能的材料，即形狀記憶材料、電流變流體、機敏窗口、刺激響應型高聚物和高分子人工肌肉材料。有的文獻把這些材料也稱為智能材料，這不太確切。是是二十世紀二十世紀9090年代年代迅速發(fā)展起來的迅速發(fā)展起來的一類一類新型復合材料新型復合材料，將在，將在2121世紀得到廣泛研究和世紀得到廣泛研究和應用的材料。應用的材料。 是指具有是指具有（包括內(nèi)環(huán)境（包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境）和外環(huán)境），、，

5、并并的具有的具有智能特征智能特征材料材料。 目前，已經(jīng)實用化的智能材料包括：形狀記憶合目前，已經(jīng)實用化的智能材料包括：形狀記憶合金材料，如鎳金材料，如鎳鈦材料，可用來制作汽車易損件、鈦材料，可用來制作汽車易損件、人造衛(wèi)星的天線等人造衛(wèi)星的天線等； 電致、磁致變性材料等的應用電致、磁致變性材料等的應用 具體具體來說，來說，需具備以下需具備以下：(1)(1)具有具有，能夠檢測并且可以識別能夠檢測并且可以識別外外界界( (或者內(nèi)部或者內(nèi)部) )的的刺激強度刺激強度，如電、光、熱、應力、，如電、光、熱、應力、應變、化學、核輻射等；應變、化學、核輻射等；來源于仿生學，它的來源于仿生學，它的目標就是想目標

6、就是想研制出一種材料研制出一種材料，使它成為，使它成為的的“活活”的材料的材料。因此因此必須具備必須具備、和和這三個基本要素。這三個基本要素。但是但是現(xiàn)有的材料現(xiàn)有的材料一般比較一般比較，難以滿足難以滿足智能材料的要求智能材料的要求，所以，所以一般由一般由復合構(gòu)成一個復合構(gòu)成一個智能材料系統(tǒng)智能材料系統(tǒng)。均涉及到了均涉及到了材料學的最前沿領(lǐng)域材料學的最前沿領(lǐng)域，使智能材使智能材料代表了料代表了材料科學的最活躍方面和最先進的發(fā)材料科學的最活躍方面和最先進的發(fā)展方向展方向。 智能材料應用的簡單事例：智能材料應用的簡單事例：某些某些太陽鏡的鏡片當中太陽鏡的鏡片當中含有含有，這種智能材料能這種智能材料

7、能感知周圍的光感知周圍的光，并能夠，并能夠?qū)鈱獾膹娙踹M行判斷的強弱進行判斷，當光強時，它就變暗，當，當光強時，它就變暗，當光弱時，它就會變的透明。光弱時，它就會變的透明。 因為設(shè)計智能材料的兩個指導思想：因為設(shè)計智能材料的兩個指導思想：是是和和。 智能材料系統(tǒng)具有或部分具有如下的智能材料系統(tǒng)具有或部分具有如下的和和：能夠能夠外界或自身所處的環(huán)境條外界或自身所處的環(huán)境條件，如負載、應力、應變、振動、熱件，如負載、應力、應變、振動、熱、光、電、磁、化學、核輻射等的強、光、電、磁、化學、核輻射等的強度及其變化。度及其變化。可通過可通過，對系統(tǒng)，對系統(tǒng)輸入與輸出信輸入與輸出信息進行對比息進行對比，

8、并將其結(jié)果提供給，并將其結(jié)果提供給控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)。能夠識別能夠識別傳感網(wǎng)絡得到的各類信息傳感網(wǎng)絡得到的各類信息并將其積累起來。并將其積累起來。能夠根據(jù)能夠根據(jù)外界環(huán)境和內(nèi)部條件變化外界環(huán)境和內(nèi)部條件變化，作出相應的反應，并采取作出相應的反應，并采取必要必要行動。行動。能通過能通過系統(tǒng)目前的狀況與過系統(tǒng)目前的狀況與過去去的情況，對諸如的情況，對諸如與與等等問題進行自診斷并予以校正。問題進行自診斷并予以校正。能通過能通過、等等再生機制再生機制，來修補某些，來修補某些局部損傷局部損傷或破壞或破壞。對不斷變化的對不斷變化的外部環(huán)境和條件外部環(huán)境和條件，能，能自身結(jié)構(gòu)和功能，并相應地自身結(jié)構(gòu)和功能，并

9、相應地改變自己的狀態(tài)和行為改變自己的狀態(tài)和行為，從而使，從而使材料系統(tǒng)材料系統(tǒng)始終始終對外界變化作出恰如對外界變化作出恰如其分的響應。其分的響應。一般來說一般來說由由、和和四部四部分構(gòu)成。分構(gòu)成。基體材料擔負著基體材料擔負著，一般宜，一般宜選用選用。一般基體材料一般基體材料，因為，因為其其重量輕重量輕、耐腐蝕耐腐蝕，尤其具有粘彈性的非，尤其具有粘彈性的非線性特征。線性特征。也也，以，以輕輕質(zhì)有色合金質(zhì)有色合金為主。為主。擔負著擔負著傳感的任務傳感的任務，其主要作，其主要作用是用是（包括（包括壓力壓力、應力應力、溫度溫度、電磁場電磁場、pH值值等）。等）。常用敏感材料常用敏感材料:如如、和和等。

10、等。因為在一定條件下，因為在一定條件下，可產(chǎn)生可產(chǎn)生較大較大的的，所以它擔負著，所以它擔負著。常用有效驅(qū)動材料如。常用有效驅(qū)動材料如、和和等。等。可以看出，這些材料既是可以看出，這些材料既是，顯然起到了身兼二職的作用，這，顯然起到了身兼二職的作用，這也是也是智能材料設(shè)計時可采用的一種思路智能材料設(shè)計時可采用的一種思路。包括包括、等。等。是繼是繼、之后的之后的第四代功能材料第四代功能材料。因為現(xiàn)在因為現(xiàn)在可用于智能材料的材料種類不可用于智能材料的材料種類不斷擴大斷擴大，所以，所以智能材料的分類智能材料的分類也只能是粗淺也只能是粗淺的，分類方法有多種。的，分類方法有多種。若按若按來分，可以分為來分

11、，可以分為、和和等。等。若按若按來分，可以分來分，可以分為為、和和。目前研究開發(fā)的目前研究開發(fā)的主要有主要有和和兩大類；兩大類；在在、和和材料等方面材料等方面發(fā)展較快；發(fā)展較快；受到外力作用后，首先受到外力作用后，首先發(fā)生發(fā)生彈性變形彈性變形，達到屈服點，就產(chǎn)生，達到屈服點，就產(chǎn)生塑性塑性變形變形，應力消除后應力消除后留下留下。但有些材料，在但有些材料，在發(fā)生了塑性變形發(fā)生了塑性變形后后，經(jīng)過，經(jīng)過，這種現(xiàn)象叫做，這種現(xiàn)象叫做（SME）。）。兼有兼有和和的的雙重功能，可以實現(xiàn)雙重功能，可以實現(xiàn)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的的，如機器人、毫米級超微，如機器人、毫米級超微型機械手等。型機械手等。21世紀將成為

12、世紀將成為的時代。的時代。的的機器人的動作機器人的動作，除了除了外，外，不受任何環(huán)境條件的影響不受任何環(huán)境條件的影響，可望，可望在在、等高技等高技術(shù)領(lǐng)域大顯身手。術(shù)領(lǐng)域大顯身手。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，其變化的變化的大小大小與與電場和磁場的強度電場和磁場的強度有關(guān)。有關(guān)?？茖W家研制成功一種科學家研制成功一種，這種材料這種材料在接通電流時在接通電流時，可以，可以。 電流變體：電流變體：19471947年，一個叫溫斯洛的美國年，一個叫溫斯洛的美國人發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的現(xiàn)象。他把石膏、石灰人發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的現(xiàn)象。他把石膏、石灰和炭

13、粉加在橄欖油中，然后加水攪成一種懸和炭粉加在橄欖油中，然后加水攪成一種懸浮液，想看看這種懸浮液能不能導電。浮液，想看看這種懸浮液能不能導電。 結(jié)果：這種懸浮液沒有加上電場時，結(jié)果：這種懸浮液沒有加上電場時，可以像可以像水或油一樣自由地流動；可是一加上電場，水或油一樣自由地流動；可是一加上電場，自由流動的液體變成固體，而且隨著電場強自由流動的液體變成固體，而且隨著電場強度的增加，固體的強度也在增加。度的增加，固體的強度也在增加。當撤消電當撤消電場時，它又能立即由固體變回液體。場時，它又能立即由固體變回液體。 由于這種懸浮液可以用電場來控制，因此科學家由于這種懸浮液可以用電場來控制，因此科學家們就

14、把它叫做們就把它叫做“電流變體電流變體”，并把這種現(xiàn)象稱為，并把這種現(xiàn)象稱為“溫斯洛現(xiàn)象溫斯洛現(xiàn)象”。 軟體遙控器軟體遙控器 ：采用了軟體的設(shè)計，看上去就像是：采用了軟體的設(shè)計，看上去就像是癱死在那里一樣。不過一旦遙控器啟動，它就會變癱死在那里一樣。不過一旦遙控器啟動，它就會變得堅硬起來，就像是復活了一樣。不僅如此，啟動得堅硬起來，就像是復活了一樣。不僅如此，啟動后，遙控器內(nèi)還會發(fā)出光亮，非常漂亮。后，遙控器內(nèi)還會發(fā)出光亮，非常漂亮。 如果向如果向空心復合梁空心復合梁中中充入充入，在外電場的作用下在外電場的作用下，這種，這種液體材料就會液體材料就會變硬變硬，從而使梁變成僵硬狀。，從而使梁變成僵

15、硬狀。還可以用作還可以用作在地震時在地震時能能自動自動加固建筑物加固建筑物的基礎(chǔ)的基礎(chǔ)。目前目前智能材料的主流是智能材料的主流是，是近是近期才發(fā)展起來的一種新型功能材料。期才發(fā)展起來的一種新型功能材料。 物質(zhì)有熱脹冷縮的現(xiàn)象。除了加熱外，磁物質(zhì)有熱脹冷縮的現(xiàn)象。除了加熱外，磁場和電場也會導致物體尺寸的伸長或縮短場和電場也會導致物體尺寸的伸長或縮短 發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的磁致伸縮效應后，人們就一直發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的磁致伸縮效應后，人們就一直想利用這一物理效應來制造有用的功能器件想利用這一物理效應來制造有用的功能器件與設(shè)備。與設(shè)備。 研究和發(fā)展了一系列磁致伸縮材料，主研究和發(fā)展了一系列磁致伸縮材料，主要有三大類：即：

16、磁致伸縮的金屬與合金，要有三大類：即：磁致伸縮的金屬與合金，如鎳基合金（如鎳基合金（NiNi， NiNiCoCo合金，合金， NiNiCoCoCrCr合金）和鐵基合金（如合金）和鐵基合金（如 F eF eNiNi合金，合金， FeFeAlAl合金，合金， FeFe CoCoV V合金等）和鐵氧體磁合金等）和鐵氧體磁致伸縮材料。致伸縮材料。 稀土超磁致伸縮材料稀土超磁致伸縮材料 指的是對指的是對軟磁體軟磁體進行進行磁化磁化后，其后，其形狀、大小會發(fā)生變化的物理現(xiàn)象。形狀、大小會發(fā)生變化的物理現(xiàn)象。 磁致伸縮現(xiàn)象具有磁致伸縮現(xiàn)象具有各向異性各向異性。當長度為。當長度為l l的磁的磁性材料在磁化方向

17、上的長度變化為性材料在磁化方向上的長度變化為LL時，磁時，磁致伸縮率可表示為：致伸縮率可表示為：=L/l=L/l。由于磁致伸。由于磁致伸縮率一般在縮率一般在1010-5-5以下，所以對磁致伸縮效應的以下，所以對磁致伸縮效應的應用遠不如對應用遠不如對壓電效應壓電效應的應用廣泛。的應用廣泛。 到到2020世紀世紀6060、7070年代后，發(fā)現(xiàn)了伸縮率在年代后，發(fā)現(xiàn)了伸縮率在1010-3-3的的超磁致伸縮材料超磁致伸縮材料。磁致伸縮效應才重新受。磁致伸縮效應才重新受到重視。到重視。 在電磁場的作用在電磁場的作用下下可以產(chǎn)生可以產(chǎn)生，也可以，也可以轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為電磁能電磁能。 聲波儀：聲波儀：發(fā)射機是一

18、種聲源訊號的發(fā)射器，發(fā)射機是一種聲源訊號的發(fā)射器，由它向電致材料（或磁制）制成的換能器輸送由它向電致材料（或磁制）制成的換能器輸送電脈沖，激勵換能器的晶片，使電脈沖，激勵換能器的晶片，使之振動而產(chǎn)生之振動而產(chǎn)生聲波聲波，向巖體發(fā)射。，向巖體發(fā)射。 聲波在巖體中以彈性波形式傳播，然后由接聲波在巖體中以彈性波形式傳播，然后由接收換能器加以接收，該換能器將聲能轉(zhuǎn)換成電收換能器加以接收，該換能器將聲能轉(zhuǎn)換成電子訊號送到接收機，經(jīng)放大后在接收機的示波子訊號送到接收機，經(jīng)放大后在接收機的示波管屏幕上顯示波形。若將接收機與微機連接，管屏幕上顯示波形。若將接收機與微機連接，則可對聲波訊號進行數(shù)字處理。則可對聲

19、波訊號進行數(shù)字處理。具有具有磁磁、等特點等特點，在國，在國防、航空航天和高技術(shù)領(lǐng)域應用極為防、航空航天和高技術(shù)領(lǐng)域應用極為廣泛。廣泛。（1）由于）由于比比傳傳統(tǒng)材料統(tǒng)材料在性能上有了驚人的提高，所以在在性能上有了驚人的提高，所以在電器、家電、通訊器材、電腦電器、家電、通訊器材、電腦等生產(chǎn)領(lǐng)域等生產(chǎn)領(lǐng)域，逐漸取代了逐漸取代了傳統(tǒng)的磁傳統(tǒng)的磁致伸縮材料和電致伸縮材料致伸縮材料和電致伸縮材料，使產(chǎn)品升級使產(chǎn)品升級和更新?lián)Q代更加容易。和更新?lián)Q代更加容易。對于對于的應用，目前的應用，目前，美國位居各國之首美國位居各國之首，其成功標志在于開，其成功標志在于開發(fā)出了一系列發(fā)出了一系列，如如以及以及等。等。我

20、國對我國對新產(chǎn)品的開新產(chǎn)品的開發(fā)發(fā)也呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭。也呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭。如開發(fā)出的大功率如開發(fā)出的大功率，應用于應用于三峽工程和地球物理勘探三峽工程和地球物理勘探；開發(fā)出；開發(fā)出的的；是一種能是一種能在光的激在光的激發(fā)下發(fā)下的玻璃。的玻璃。含含鹵化銀鹵化銀的的光色玻璃受到光色玻璃受到照射時，照射時，氯化銀晶體分解為氯化銀晶體分解為Ag和和Cl原子，析出的原子，析出的使玻璃顏色使玻璃顏色變深，從而變深，從而阻止陽光的透過阻止陽光的透過。發(fā)生的光化學反應如下：發(fā)生的光化學反應如下： 式中，式中，h 1為為短波激活光能短波激活光能；h 2為為長長波光源光能波光源光能；為；為加熱退色效應加熱

21、退色效應。),(),(0000,2IBrClAgIBrClAh h1玻璃變色過程中，發(fā)生的光化學反應如下：玻璃變色過程中，發(fā)生的光化學反應如下：在沒有紫外線照射時，原來分解產(chǎn)生的在沒有紫外線照射時，原來分解產(chǎn)生的又又重新結(jié)合重新結(jié)合恢復為恢復為無色的無色的氯化銀氯化銀AgCl，玻璃，玻璃(鏡片鏡片)褪色。褪色。因此，變色眼鏡因此，變色眼鏡在陽光下在陽光下，在室內(nèi)在室內(nèi)則恢復則恢復。 若若配料中加入少量配料中加入少量，就能顯著地，就能顯著地提高敏感性提高敏感性，并，并。如加入如加入Cu2O時，時， 是一種增感劑是一種增感劑在氯化銀晶體中在氯化銀晶體中作為作為，它，它 的存在增加了光解銀原子的存在

22、增加了光解銀原子Ag0的濃度，使玻璃的變暗靈敏度大大的濃度，使玻璃的變暗靈敏度大大提高。提高。h1 20,2CuAgCuAgh具有具有隨光的波長和強度的隨光的波長和強度的變化而自動調(diào)節(jié)光的透過率變化而自動調(diào)節(jié)光的透過率的自適應特性，的自適應特性，因而被稱為因而被稱為，除用作，除用作外，還用作外，還用作、以及、以及等。等。 高分子智能材料高分子智能材料：成分是水和一種聚合物的混：成分是水和一種聚合物的混合物合物, ,低溫下是透明的膠狀半流體低溫下是透明的膠狀半流體, ,當天氣變曖當天氣變曖時時, ,它就變成白色它就變成白色, ,這一變化過程是可逆的這一變化過程是可逆的. . 聚合物的一部分是油質(zhì)

23、成分聚合物的一部分是油質(zhì)成分, ,在低溫時油質(zhì)在低溫時油質(zhì)成分把水分子以一種冰凍的方式聚集在這種聚成分把水分子以一種冰凍的方式聚集在這種聚合物纖維的周圍合物纖維的周圍, ,就像就像 一件冰茄克衫一件冰茄克衫,這種像這種像繩子似的聚合物是成串排列起來的繩子似的聚合物是成串排列起來的, ,呈透明狀呈透明狀, ,可以透過可以透過90%90%的光線的光線. . 當它被加熱時當它被加熱時, ,這種聚合物分子就像這種聚合物分子就像 面面條在沸水里條在沸水里 那樣翻滾那樣翻滾, ,并拋棄它們的像冰并拋棄它們的像冰似的似的 冰茄克衫冰茄克衫,使聚合物纖維得以聚在一使聚合物纖維得以聚在一起起, ,此時此時,云膠

24、云膠 又從清澈透明變成為白色又從清澈透明變成為白色, ,可阻擋可阻擋90%90%的光的光. .這種變化可在兩三度溫差這種變化可在兩三度溫差范圍內(nèi)完成范圍內(nèi)完成. . 建筑物如果具有像這樣的建筑物如果具有像這樣的 皮膚皮膚,就就可以適應周圍的環(huán)境可以適應周圍的環(huán)境. .當天氣寒冷時當天氣寒冷時, ,它它就變成透明的就變成透明的, ,讓陽光照射進來讓陽光照射進來; ;當天氣當天氣暖和且必須把陽光擋住時暖和且必須把陽光擋住時, ,它就變得半它就變得半透明透明. . 充滿云膠的多層玻璃充滿云膠的多層玻璃, ,不僅可用不僅可用作天花板作天花板, ,而且可用作墻壁而且可用作墻壁. . 11.2 形狀記憶材

25、料形狀記憶材料 一、一、形狀記憶材料的概念形狀記憶材料的概念 形狀記憶材料是指具有一定初始形狀的材料經(jīng)形變并固定成另一種形狀后，通過熱、光、電等物理刺激或化學刺激的處理又可恢復成初始形狀的材料。 二、形狀記憶合金二、形狀記憶合金 形狀記憶合金：通過熱彈性與馬氏體相變及其反轉(zhuǎn)而具有形狀記憶效應的由兩種以上金屬元素所構(gòu)成的材料。 （一）形狀記憶合金的基本原理 （二）形狀記憶合金的種類和發(fā)展 （三）形狀記憶合金的應用 三、三、形狀記憶高聚物形狀記憶高聚物 形狀記憶高聚物是由固定相（硬相）和軟化硬化可逆相（軟相）構(gòu)成，通過可逆相的可逆變化而具有形狀記憶效應。 （一）形狀記憶高聚物的基本原理 （二）形狀

26、記憶高聚物的種類 （三）形狀記憶高聚物的應用 一、一、形狀記憶效應形狀記憶效應 二、形狀記憶效應的機理二、形狀記憶效應的機理(Mechanism) 三、相變超彈性三、相變超彈性(Pseudoelasticity) 四、形狀記憶合金材料四、形狀記憶合金材料(SMA Materials) 五、形狀記憶合金的應用五、形狀記憶合金的應用(Applications) 六、材料學方面的問題六、材料學方面的問題(Problems) 形狀記憶合金 形狀記憶效應形狀記憶效應: : 19611961年美國海軍軍械實驗室首先研究了年美國海軍軍械實驗室首先研究了Ni-TiNi-Ti合金的形狀記憶效應。合金的形狀記憶效

27、應。 在一次試驗中他們將試驗用彎曲的鎳在一次試驗中他們將試驗用彎曲的鎳- -鈦合金鈦合金絲拉直后升溫試驗時，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)被拉直的鎳絲拉直后升溫試驗時，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)被拉直的鎳- -鈦合金絲突然又全部恢復到原來彎曲的形狀鈦合金絲突然又全部恢復到原來彎曲的形狀, , 而且和原來一模一樣而且和原來一模一樣, , 具有良好的形狀記憶效具有良好的形狀記憶效應。應。合金的這種記憶效應是由合金的合金的這種記憶效應是由合金的 “相變相變化化”來實現(xiàn)的，隨著溫度的改變，合金的來實現(xiàn)的，隨著溫度的改變，合金的結(jié)構(gòu)從一相轉(zhuǎn)變到另一相。結(jié)構(gòu)從一相轉(zhuǎn)變到另一相。記憶合金的開發(fā)迄今不過記憶合金的開發(fā)迄今不過20余年，但由余年，但由

28、于其在各領(lǐng)域的特效應用，正廣為世人所于其在各領(lǐng)域的特效應用，正廣為世人所矚目，被譽為矚目，被譽為神奇的功能材料神奇的功能材料。形狀記憶效應形狀記憶效應 形狀記憶合金形狀記憶合金在較低的溫度下在較低的溫度下變形，變形，加熱加熱后后可恢復變形前的形狀，這種可恢復變形前的形狀，這種稱為稱為。 某些合金某些合金，稱為，稱為。，稱為，稱為。三種三種如下圖所示。如下圖所示。 目前，已開發(fā)成功的形狀記憶合金有目前，已開發(fā)成功的形狀記憶合金有形狀記憶合金、形狀記憶合金、形狀記憶合金、形狀記憶合金、形形狀記憶合金等。狀記憶合金等。 鋼淬火變硬的現(xiàn)象鋼淬火變硬的現(xiàn)象圖圖11.1馬氏體相變晶體學模型馬氏體相變晶體學

29、模型f.c.c. b.c.c馬氏體相變馬氏體相變二、形狀記憶效應的機理二、形狀記憶效應的機理馬氏體相變平面示意圖馬氏體相變平面示意圖馬氏體相變的基本特征馬氏體相變的基本特征無擴散切變型相變無擴散切變型相變點陣不變平面應變點陣不變平面應變固定取向關(guān)系固定取向關(guān)系馬氏體片內(nèi)具有亞結(jié)構(gòu)馬氏體片內(nèi)具有亞結(jié)構(gòu)相變具有可逆性相變具有可逆性臨界轉(zhuǎn)變溫度臨界轉(zhuǎn)變溫度馬氏體相變與其他相變一樣，具有可逆馬氏體相變與其他相變一樣，具有可逆性。當冷卻時，由高溫母相變?yōu)轳R氏體相，性。當冷卻時，由高溫母相變?yōu)轳R氏體相，稱為冷卻相變，用稱為冷卻相變，用Ms、Mf分別表示馬氏分別表示馬氏體相變開始與終了的溫度。體相變開始與終

30、了的溫度。加熱時發(fā)生馬氏體逆變?yōu)槟赶嗟倪^程。加熱時發(fā)生馬氏體逆變?yōu)槟赶嗟倪^程。該逆相變的起始和終止溫度分別用該逆相變的起始和終止溫度分別用As與與Af表示。表示。 馬氏體相變的一些臨界溫度馬氏體相變的一些臨界溫度一般材料的相變溫度滯后（一般材料的相變溫度滯后（As-Ms）非）非常大，例如常大，例如Fe-Ni合金約合金約400。各個馬氏。各個馬氏體片幾乎在瞬間就達到最終尺寸，一般不體片幾乎在瞬間就達到最終尺寸，一般不會隨溫度降低而再長大。會隨溫度降低而再長大。在記憶合金中，相變滯后程度小，例如在記憶合金中，相變滯后程度小，例如Au-47.5%Cd（原子分數(shù)）合金的相變滯（原子分數(shù)）合金的相變滯后

31、僅為后僅為15。冷卻過程中形成的馬氏體會。冷卻過程中形成的馬氏體會隨著溫度變化而繼續(xù)長大或收縮，母相與隨著溫度變化而繼續(xù)長大或收縮，母相與馬氏體相的界面隨之進行彈性式的推移。馬氏體相的界面隨之進行彈性式的推移。 形狀記憶效應與其組織變化有關(guān)，這種組織形狀記憶效應與其組織變化有關(guān)，這種組織變化就是馬氏體相變。形狀記憶合金應具備以變化就是馬氏體相變。形狀記憶合金應具備以下三個條件：下三個條件：l馬氏體相變是熱彈性類型的；馬氏體相變是熱彈性類型的；l馬氏體相變通過孿生馬氏體相變通過孿生(切變切變)完成，而不是通完成，而不是通過滑移產(chǎn)生；過滑移產(chǎn)生；l母相和馬氏體相均屬有序結(jié)構(gòu)。母相和馬氏體相均屬有序

32、結(jié)構(gòu)。 由母相中形成馬氏體時，產(chǎn)生一定的應變。由母相中形成馬氏體時，產(chǎn)生一定的應變。顯然，不同取向的馬氏體變體的應變在母相中顯然，不同取向的馬氏體變體的應變在母相中的方向是不同的。的方向是不同的。 當某一變體在母相中形成時，產(chǎn)生某一方當某一變體在母相中形成時，產(chǎn)生某一方向的應變場，隨變體的長大，應變能不斷增加，向的應變場，隨變體的長大，應變能不斷增加，變體的長大越來越困難。為降低應變能，在已變體的長大越來越困難。為降低應變能，在已形成的變體周圍會形成新的變體，新變體的應形成的變體周圍會形成新的變體，新變體的應變方向與已形成的變體的應變場互相抵消或部變方向與已形成的變體的應變場互相抵消或部分抵消

33、。有均勻體積變化，無明顯形狀改變。分抵消。有均勻體積變化，無明顯形狀改變。馬氏體的自適應形成馬氏體的自適應形成 對組織為自適應馬氏體的樣品施加外力時，對組織為自適應馬氏體的樣品施加外力時，在較在較小的應力作用下，馬氏體變體以其應變方小的應力作用下，馬氏體變體以其應變方向與外加應力相適應而再取向。向與外加應力相適應而再取向。 即變體的應變方向與外加應力方向最接近的即變體的應變方向與外加應力方向最接近的變體通過吞并其它應變方向與外加應力不相適變體通過吞并其它應變方向與外加應力不相適應的變體而長大應的變體而長大，直至整個樣品內(nèi)的各個不同，直至整個樣品內(nèi)的各個不同取向的變體最終轉(zhuǎn)變成一個變體。取向的變

34、體最終轉(zhuǎn)變成一個變體。樣品顯示出樣品顯示出宏觀形狀的變化。卸去應力后，變形保持下來。宏觀形狀的變化。卸去應力后，變形保持下來。 馬氏體的再取向馬氏體的再取向 只有將其加熱到只有將其加熱到Af以上，由于熱彈性馬以上，由于熱彈性馬氏體在晶體學上可逆性，也就是在相變中形氏體在晶體學上可逆性，也就是在相變中形成的各個馬氏體變體和母相的特定位向的點成的各個馬氏體變體和母相的特定位向的點陣存在嚴格的對應關(guān)系，因此逆相變時，只陣存在嚴格的對應關(guān)系，因此逆相變時，只能回到原有的母相狀態(tài)，這樣也就回復到原能回到原有的母相狀態(tài)，這樣也就回復到原狀。狀。這就是形狀記憶的基本原理。這就是形狀記憶的基本原理。由上述討論

35、可知，具有形狀記憶效應的合金由上述討論可知，具有形狀記憶效應的合金應具備如下條件：應具備如下條件：馬氏體相變是熱彈性的；但只是必要條件馬氏體相變是熱彈性的；但只是必要條件馬氏體點陣的不變切變?yōu)閷\變，亞結(jié)構(gòu)為馬氏體點陣的不變切變?yōu)閷\變，亞結(jié)構(gòu)為孿晶或位錯；孿晶或位錯；母相和馬氏體均為有序點陣結(jié)構(gòu)；母相和馬氏體均為有序點陣結(jié)構(gòu)；相變時在晶體學上具有完全可逆性。相變時在晶體學上具有完全可逆性。必須指出的是：近來開發(fā)的鐵系等少必須指出的是：近來開發(fā)的鐵系等少量合金通過非熱彈性馬氏體相變也可顯量合金通過非熱彈性馬氏體相變也可顯示形狀記憶效應，因此熱彈性馬氏體并示形狀記憶效應，因此熱彈性馬氏體并不是具有形

36、狀記憶效應的必要條件。不是具有形狀記憶效應的必要條件。近年來，在陶瓷材料、高分子材料也近年來，在陶瓷材料、高分子材料也發(fā)現(xiàn)了記憶效應。發(fā)現(xiàn)了記憶效應。三、相變超彈性三、相變超彈性 馬氏體還可由應力誘發(fā)產(chǎn)生，馬氏體還可由應力誘發(fā)產(chǎn)生， 在高于在高于Ms的某的某一溫度（一溫度（Md）以下對合金施加外力引起馬氏體）以下對合金施加外力引起馬氏體相變所形成的馬氏體稱相變所形成的馬氏體稱應力應力誘發(fā)馬氏體誘發(fā)馬氏體。應力。應力去除后，變形馬氏去除后，變形馬氏體又變回該溫度下的穩(wěn)定母體又變回該溫度下的穩(wěn)定母相，恢復母相原來形狀，應變消失相，恢復母相原來形狀，應變消失,這種現(xiàn)象稱這種現(xiàn)象稱超彈或偽彈性超彈或偽

37、彈性應力誘發(fā)馬氏體相變的合金的馬氏體數(shù)量應力誘發(fā)馬氏體相變的合金的馬氏體數(shù)量為外加應力的函數(shù)，即當施加的外應力增加為外加應力的函數(shù)，即當施加的外應力增加時，母相轉(zhuǎn)變成馬氏體相的數(shù)量增加，當應時，母相轉(zhuǎn)變成馬氏體相的數(shù)量增加，當應力減少時則進行逆相變使母相增多。力減少時則進行逆相變使母相增多。 外應力對誘發(fā)相變的作用不僅與合金種類外應力對誘發(fā)相變的作用不僅與合金種類有關(guān)，而且受試驗溫度的影響。在有關(guān)，而且受試驗溫度的影響。在Ms以上，以上，某一定溫度以下，應力或形變會導致馬氏體某一定溫度以下，應力或形變會導致馬氏體的形成，將此溫度稱為的形成，將此溫度稱為Md溫度。溫度。 形狀記憶過程形狀記憶過程

38、馬氏體自適應形馬氏體自適應形（Ms Mf）宏觀均勻變形，宏觀均勻變形，無明顯形狀變化無明顯形狀變化馬氏體再取向馬氏體再取向（ Mf以下施以下施加一定限度內(nèi)加一定限度內(nèi)的應力），有的應力），有明顯形狀變化明顯形狀變化馬氏體逆轉(zhuǎn)變回馬氏體逆轉(zhuǎn)變回母相，形狀變化母相，形狀變化消失消失施加應力馬氏體沿施加應力馬氏體沿應力方向擇優(yōu)形成應力方向擇優(yōu)形成（Md以下），有明以下），有明顯形狀變化顯形狀變化卸除應力馬氏體卸除應力馬氏體逆轉(zhuǎn)變回母相逆轉(zhuǎn)變回母相（Af以上），形以上），形狀變化消失狀變化消失超彈性過程超彈性過程四、形狀記憶合金材料四、形狀記憶合金材料 已發(fā)現(xiàn)的形狀記憶合金種類很多，可以已發(fā)現(xiàn)的形狀記

39、憶合金種類很多，可以分為分為Ti-Ni系、銅系、鐵系合金三大類。目系、銅系、鐵系合金三大類。目前已實用化的形狀記憶合金只有前已實用化的形狀記憶合金只有Ti-Ni系合系合金和銅系合金。金和銅系合金。1、Ni-Ti形狀記憶合金形狀記憶合金 基本特點：基本特點：具有良好的力學性能，抗疲勞，具有良好的力學性能，抗疲勞，耐磨損，抗腐蝕。耐磨損，抗腐蝕。記憶效應優(yōu)良、生物相容性記憶效應優(yōu)良、生物相容性好等一系列的優(yōu)點。但制造過程較復雜、價格好等一系列的優(yōu)點。但制造過程較復雜、價格高昂。高昂。 用極薄的記憶合金材料用極薄的記憶合金材料先在正常情況下按預定要先在正常情況下按預定要求做好，然后降低溫度把求做好，

40、然后降低溫度把它壓成一團，裝進登月艙它壓成一團，裝進登月艙帶上天去。放到艙面上以帶上天去。放到艙面上以后，在陽光照射下溫度升后，在陽光照射下溫度升高，當達到轉(zhuǎn)變溫度時，高，當達到轉(zhuǎn)變溫度時，天線又天線又“記記”起了自己的起了自己的本來面貌，變成一個巨大本來面貌，變成一個巨大的半球形。的半球形。 注意：實用成分的注意：實用成分的TiNi合金在固溶處理后，如果隨合金在固溶處理后，如果隨后的冷卻不夠快后的冷卻不夠快(如爐冷如爐冷)，就會產(chǎn)生，就會產(chǎn)生Ti2Ni和和Ni3Ti這三這三個金屬間化合物，由于這兩種相不具有可逆性，因而個金屬間化合物，由于這兩種相不具有可逆性，因而破壞了形狀記憶效果。需要盡量

41、避免該類相的產(chǎn)生。破壞了形狀記憶效果。需要盡量避免該類相的產(chǎn)生?；鞠嗷鞠?TiNi相：相： 表征材料記憶性能的主要參數(shù)：包括表征材料記憶性能的主要參數(shù)：包括記憶合金隨溫度變化所表現(xiàn)出的形狀回復記憶合金隨溫度變化所表現(xiàn)出的形狀回復程度，回復應力，使用中的疲勞壽命，也程度，回復應力，使用中的疲勞壽命，也就是經(jīng)歷一定熱循環(huán)或應力循環(huán)后記憶特就是經(jīng)歷一定熱循環(huán)或應力循環(huán)后記憶特性的衰減情況。此外，性的衰減情況。此外，相變溫度相變溫度及正、逆及正、逆相變的溫度滯后更是關(guān)鍵參數(shù)。相變的溫度滯后更是關(guān)鍵參數(shù)。影響記憶特性主要參數(shù)的因素有：合影響記憶特性主要參數(shù)的因素有：合金的成分、成材工藝、熱處理金的成

42、分、成材工藝、熱處理( (包括冷、包括冷、熱加工熱加工) )條件及其使用情況等。條件及其使用情況等。 1)1)成分：是最敏感因素之一：成分：是最敏感因素之一：NiNi含量每增加含量每增加0.10.1，相變溫度降低，相變溫度降低1010。2)2)第三元素第三元素: : Fe、Co可降低可降低Ms；Cu置換置換Ni可可減少相變滯后，節(jié)約合金成本；減少相變滯后，節(jié)約合金成本；Nb使相變使相變滯后明顯增加；開發(fā)的寬滯后記憶合金。滯后明顯增加；開發(fā)的寬滯后記憶合金。3)3)雜質(zhì)元素雜質(zhì)元素: :碳、氫、氧等降低碳、氫、氧等降低Ms。4)4)時效溫度、時效時間明顯影響相變溫度。時效溫度、時效時間明顯影響相

43、變溫度。 (2) 影響相變溫度的因素影響相變溫度的因素(3) 合金合金制備制備 由高純電介鎳與海綿鈦作原料，采用高由高純電介鎳與海綿鈦作原料，采用高頻感應爐與自耗爐頻感應爐與自耗爐(電弧熔煉法電弧熔煉法)或等離子或等離子體與電弧熔煉法獲得了體與電弧熔煉法獲得了TiNi合金鑄錠。合金鑄錠。隨后在隨后在700800進行熱加工，包括模進行熱加工，包括模鍛、擠壓及軋制。絲狀產(chǎn)品可通過冷拔，鍛、擠壓及軋制。絲狀產(chǎn)品可通過冷拔，每次加工率小于每次加工率小于20，為消除加工硬化，為消除加工硬化，冷加工期間可在冷加工期間可在700-800進行多次退火。進行多次退火。五、形狀記憶合金的應用五、形狀記憶合金的應用

44、(Applications)l 形狀記憶合金在工程上的應用很多，最早形狀記憶合金在工程上的應用很多，最早的應用就是的應用就是作各種結(jié)構(gòu)件，如緊固件、連接件、作各種結(jié)構(gòu)件，如緊固件、連接件、密封墊等。另外，也可以用于一些控制元件，密封墊等。另外，也可以用于一些控制元件，如一些與溫度有關(guān)的傳感及自動控制。如一些與溫度有關(guān)的傳感及自動控制。 1. 工業(yè)上的應用工業(yè)上的應用 連接件：用作連接件，是形狀記憶合金用量連接件：用作連接件，是形狀記憶合金用量最大的一項用途。連接方法是預先將管接頭內(nèi)最大的一項用途。連接方法是預先將管接頭內(nèi)徑做成比待接管外徑小徑做成比待接管外徑小4%，在，在Ms以下馬氏體非以下馬

45、氏體非常軟，可將接頭擴張插入管子，在高于常軟，可將接頭擴張插入管子，在高于As的使的使用溫度下，接頭內(nèi)徑將復原。用溫度下，接頭內(nèi)徑將復原。 (a)成型成型(TAf)Af)(b)彎曲應變彎曲應變(TM f) ) (c)插入插入(TAfAf工作溫度工作溫度) ) 形狀記憶合金鉚接件鉚接示意圖形狀記憶合金鉚接件鉚接示意圖 利用形狀記憶合金也可以利用形狀記憶合金也可以制作成制作成消防報警裝置及電器消防報警裝置及電器設(shè)備的保安裝置設(shè)備的保安裝置。當發(fā)生火。當發(fā)生火災時，記憶合金制成的彈災時，記憶合金制成的彈簧簧發(fā)生形變，啟動消防報警裝發(fā)生形變，啟動消防報警裝置，達到報警的目的。置，達到報警的目的。SMA

46、火災報警器火災報警器 在航天上在航天上，可用形狀記憶合金制作航天，可用形狀記憶合金制作航天用天線，將合金在母相狀態(tài)下焊成拋物面形，用天線，將合金在母相狀態(tài)下焊成拋物面形，在馬氏體狀態(tài)下壓成團，送上太空后在馬氏體狀態(tài)下壓成團，送上太空后, ,在陽在陽光加熱下又恢復拋物面形。此外，超彈性合光加熱下又恢復拋物面形。此外，超彈性合金作為機械儲能材料也很有前景。金作為機械儲能材料也很有前景。 利用超彈性可制作手機天線、眼鏡架、胸衣托利用超彈性可制作手機天線、眼鏡架、胸衣托架、耳機托架等。架、耳機托架等。用記憶合金制作的眼用記憶合金制作的眼鏡架。當這種眼鏡架鏡架。當這種眼鏡架彎曲時，只要將它放彎曲時，只要

47、將它放入入55。C的溫水中，即的溫水中，即可恢復到原來的形狀可恢復到原來的形狀 。各種醫(yī)用引導絲和支架各種醫(yī)用引導絲和支架六、材料學方面的問題六、材料學方面的問題 形狀記憶合金在應用上還存在不少材料學方面的問題形狀記憶合金在應用上還存在不少材料學方面的問題. 相變點調(diào)整：相變點調(diào)整：相變點與合金種類、成分及熱處理條件有相變點與合金種類、成分及熱處理條件有關(guān)關(guān), 尤其對成分非常敏感。如尤其對成分非常敏感。如Ti-Ni合金合金Ni含量含量(at)由由50%變變到到51%時，時，Ms點則由點則由60變到變到-30，As點由點由78變到變到-12。對。對Ti-Ni合金可用不同相變點粉末混合合金可用不同

48、相變點粉末混合, 使相變點控使相變點控制在制在2之內(nèi)。之內(nèi)。 淬透性：淬透性：合金緩冷時大多要發(fā)生共析分解，需要提高淬合金緩冷時大多要發(fā)生共析分解，需要提高淬透性透性, 可通過合金化解決。如在可通過合金化解決。如在Cu-Zn合金中加合金中加Al.11.3 電流變流體電流變流體 一、電流變流體的概念一、電流變流體的概念 在電場作用下，材料的流變性質(zhì)發(fā)生變化，稱之為電場致流變效應，簡稱電流變效應。 具有電流變效應的流體均可稱為電流變流體。 電流變流體是指一種含有兩相或兩相以上的懸浮體，在外加電場作用下，能在極短時間內(nèi)，其流變性能發(fā)生顯著變化，如表觀粘度和彈性模量劇增幾個數(shù)量級，由液體向固體轉(zhuǎn)變，這

49、種轉(zhuǎn)變是可逆的，電場除去后，固體很快變回成液體。 二、電流變效應的機理二、電流變效應的機理 三、電流變流體的組成和種類三、電流變流體的組成和種類 四、電流變流體的應用前景四、電流變流體的應用前景11.4 機敏窗口機敏窗口 一、機敏窗口的概念一、機敏窗口的概念 電色窗口是一種利用電致變色原理，由基體玻璃和電致變色系統(tǒng)構(gòu)成的一種窗口。這種窗口在外電場作用下，引起顏色的可逆變化，從而可調(diào)節(jié)其對光的吸收率、透過率和反射率三者的比例關(guān)系。因而是一種光、熱可調(diào)性窗口。由于具有調(diào)節(jié)執(zhí)行功能，又稱之為機敏窗口。 二、機敏窗口的特征值和對它的要求二、機敏窗口的特征值和對它的要求 三、機敏窗口的結(jié)構(gòu)三、機敏窗口的

50、結(jié)構(gòu) 四、機敏窗口的調(diào)光和調(diào)熱原理四、機敏窗口的調(diào)光和調(diào)熱原理 五、電致變色層五、電致變色層 （一）無機電致變色材料 （二）高聚物電致變色材料 （三）復合型電致變色材料 六、離子導體層六、離子導體層 七、離子儲存層七、離子儲存層 八、透明導電層八、透明導電層 九、機敏窗口的制備方法九、機敏窗口的制備方法 十、機敏窗口的種類、發(fā)展方向和應用前景十、機敏窗口的種類、發(fā)展方向和應用前景11.5 刺激效應型高聚物刺激效應型高聚物 一、刺激響應型高聚物的概念一、刺激響應型高聚物的概念 刺激響應型高聚物是一類對于外界環(huán)境微小物理或化學刺激能發(fā)生迅速響應，而使自身的某些物理或化學性質(zhì)發(fā)生相應突變的聚合物。

51、二、刺激響應水凝膠二、刺激響應水凝膠 （一）高聚物水凝膠的溶脹機理 （二）刺激響應水凝膠的種類 三、其他刺激響應型高聚物三、其他刺激響應型高聚物 （一）溫度響應高聚物 （二）刺激響應高聚物水溶液 （三）載體表面的刺激響應高聚物 （四）刺激響應高聚物膜 （五）刺激響應高聚物的應用11.6 高分子人工肌肉材料高分子人工肌肉材料 一、高分子人工肌肉材料的概念一、高分子人工肌肉材料的概念 天然肌肉的主要特征之一是將化學能等溫高效地直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。高分子人工肌肉材料：具有天然肌肉將化學能等溫高效地直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的特性的材料。(收縮性差距) 二、高分子人工肌肉的特征值和對它的要求二、高分子人工肌肉的特征值和對它的要求 三、高分子人工肌肉的種類、發(fā)展動向和應用前三、高分子人工肌肉的種類、發(fā)展動向和應用前景景 （一）MC型人工肌肉 （二）EMC型人工肌肉11.2 智能材料和結(jié)構(gòu)的研究及應用智能材料和結(jié)構(gòu)的研究及應用 智能材料的研究一開始就受到了國際上的普