仿生智能材料

1、第3 章 智能材料3.1 形狀記憶材料形狀記憶材料 1、基本概念、基本概念 2、形狀記憶高分子材料、形狀記憶高分子材料 3、形狀記憶合金材料、形狀記憶合金材料 4、形狀記憶陶瓷、形狀記憶陶瓷3.2 3.2 智能高分子凝膠智能高分子凝膠 1、智能高分子凝膠的概念、智能高分子凝膠的概念 2、凝膠分類及其刺激響應性、凝膠分類及其刺激響應性 3、智能高分子凝膠的應用、智能高分子凝膠的應用3.3 磁流變液磁流變液 1、基本概念、基本概念 第3 章 智能材料 2、磁流變液的組成、磁流變液的組成 3、磁流變液的應用、磁流變液的應用3.4 “自修復自修復”智能材料智能材料 1、自修復自愈合陶瓷、自修復自愈合陶

2、瓷 3、自愈合混凝土、自愈合混凝土3.5 3.5 響應性仿生納米孔道響應性仿生納米孔道 1、生物孔道、生物孔道 2、響應性仿生納米孔道、響應性仿生納米孔道 3、人工納米孔道的應用、人工納米孔道的應用3.1 3.1 形狀形狀記憶材料（記憶材料（shape memory materialshape memory material) )1、基本概念、基本概念第3 章 智能材料形狀記憶效應：形狀記憶效應： 將材料在一定條件下進行一定限度范圍內(nèi)的變形后，再對材料施加適當?shù)耐饨鐥l件，材料的變形隨即消失而回復到變形前的形狀的現(xiàn)象。有形狀記憶高分子材料、形狀記憶合金、形狀記憶陶瓷第3 章 智能材料高分子材料高

3、分子材料：macromolecular material，以高分子化合物為基礎的材料。高分子材料是由相對分子質(zhì)量較高的化合物構成的材料。2、形狀記憶高分子材料（、形狀記憶高分子材料（SMP）分子量可高達幾十萬，鏈狀結構 第3 章 智能材料形狀記憶高分子材料（形狀記憶高分子材料（SMP）:具有形狀記憶效應特性的高分子材料。 對通用高分子材料進行分子組合和改性，對應一定的外部條件完成“起始態(tài)-固定變形態(tài)-恢復起始態(tài)”的循環(huán)。第3 章 智能材料外部條件：熱、光、聲、電、酸堿度、相轉變、 螯合反應等。形狀記憶高分子材料分類：形狀記憶高分子材料分類：熱致熱致SMP：在室溫以上變形，并能在室溫固定形變且可

4、長期存放，當再升溫至某一特定響應溫度時，制件能很快回復初始形狀的聚合物。廣泛用于醫(yī)用器械、泡沫塑料、座墊、光信息記錄介質(zhì)及報警器等。 電致電致SMP:是熱致形狀記憶功能高分子材料與具有導電性能物質(zhì)（如導電炭黑、金屬粉末及導電高分子等）的復合材料。該復合材料通過電流產(chǎn)生的熱量使體系溫度升高，致使形狀回復，所以既具有導電性能，又具有良好的形狀記憶功能主要用于電子通訊及儀器儀表等領域，如電子集束管、電磁屏蔽材料等。第3 章 智能材料光致光致SMP：是將某些特定的光致變色基團是將某些特定的光致變色基團（PCGPCG）引入高分子主鏈和側鏈中，當受到紫外）引入高分子主鏈和側鏈中，當受到紫外光照射時，光照射

5、時，PCGPCG發(fā)生光異構化反應，使分子鏈的發(fā)生光異構化反應，使分子鏈的狀態(tài)發(fā)生顯著變化，材料在宏觀上表現(xiàn)為光致狀態(tài)發(fā)生顯著變化，材料在宏觀上表現(xiàn)為光致形變；光照停止時，形變；光照停止時，PCGPCG發(fā)生可逆的光異構化反發(fā)生可逆的光異構化反應，分子鏈的狀態(tài)回復，材料也回復原狀。應，分子鏈的狀態(tài)回復，材料也回復原狀。該材料用作印刷材料、光記錄材料、光驅(qū)動分子閥和藥物緩釋劑等。第3 章 智能材料化學化學SMP:利用材料周圍介質(zhì)性質(zhì)的變化來激發(fā)利用材料周圍介質(zhì)性質(zhì)的變化來激發(fā)材料變形的形狀回復。材料變形的形狀回復。常見的化學感應方式有pH值變化、平衡離子置換、螯合反應、相轉變反應和氧化還原反應等。該

6、材料用于蛋白質(zhì)或酶的分離膜;“化學發(fā)動機等特殊領域。第3 章 智能材料SMP都具有兩相結構，即由記憶起始形狀的都具有兩相結構，即由記憶起始形狀的固固定相定相和隨溫度變化能可逆地固化和軟化的和隨溫度變化能可逆地固化和軟化的可逆可逆相相組成。組成。第3 章 智能材料固定相固定相:聚合物交聯(lián)結構或部分結晶結構，在工聚合物交聯(lián)結構或部分結晶結構，在工作溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，用以保持成型制品形狀，作溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，用以保持成型制品形狀，即即記憶起始態(tài)。記憶起始態(tài)?？赡嫦嗫赡嫦?能夠隨溫度變化在結晶與結晶熔融態(tài)或能夠隨溫度變化在結晶與結晶熔融態(tài)或玻璃態(tài)與橡膠態(tài)間可逆轉變，相應結構發(fā)生軟玻璃態(tài)與橡膠態(tài)間可

7、逆轉變，相應結構發(fā)生軟化、硬化可逆變化化、硬化可逆變化-保證成型制品可以改變形保證成型制品可以改變形狀。狀。高分子材料形狀記憶特性：高分子材料形狀記憶特性：第3 章 智能材料熱致形狀記憶過程如下：熱致形狀記憶過程如下：醫(yī)療器材醫(yī)療器材- -固定創(chuàng)傷部位的器材固定創(chuàng)傷部位的器材形狀記憶高分子材料的應用形狀記憶高分子材料的應用1第3 章 智能材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)石膏繃帶用于創(chuàng)傷部位的固定材料。將加工成創(chuàng)傷部位的形狀，用熱水或熱風使其軟化，施加外力為易裝配的形狀，冷卻后裝配到創(chuàng)傷部位，再加熱則恢復到原形狀，起到固定作用。醫(yī)療器材醫(yī)療器材- -手術縫合線手術縫合線形狀記憶高分子材料的應用形狀記憶高分子材料的應

8、用2第3 章 智能材料將具有生物降解性的形狀記憶纖維的形狀記憶纖維的形狀記憶溫度設置在人體體溫附近，用這種纖維制成的絲線可作為手術縫合線或醫(yī)療植入物。由于該材料具有記憶功能，它能以一個松散線團的形式切入傷口，當其被加熱到體溫時，材料“記憶”起事先設計好的形狀和大小，便會收縮拉緊傷口，待傷口愈合好后，材料自行分解，然后無害地為人體所吸收。 形狀記憶高分子的應用形狀記憶高分子的應用3異徑管接合材料異徑管接合材料-熱收縮管熱收縮管第3 章 智能材料包裝材料變形物的復原，如緊固鉚釘緊固鉚釘?shù)刃螤钣洃浉叻肿拥膽眯螤钣洃浉叻肿拥膽?第3 章 智能材料第3 章 智能材料3、形狀記憶合金材料、形狀記憶合金

9、材料形狀記憶合金形狀記憶合金:Shape Memory Alloys，SMA是具有形狀記憶效應的合金，在一定的外力作用下可以改變其形態(tài)(形狀和體積)，但當溫度升高到某一定值時，它又可完全恢復原來的形態(tài)。 這類合金可恢復的應變量達到7%-8%，對一般材料來說，發(fā)生這樣的大變形量早就發(fā)生永久變形了。第3 章 智能材料合金的形狀記憶效應實質(zhì)上是在溫度和應力的作在溫度和應力的作用下，合金內(nèi)部熱彈性馬氏體形成、變化、消失用下，合金內(nèi)部熱彈性馬氏體形成、變化、消失的相變過程的宏觀表現(xiàn)的相變過程的宏觀表現(xiàn)。 這種熱彈性馬氏體不像Fe-C合金中的馬氏體那樣，在加熱轉變成它的母相（奧氏體）之前即發(fā)生分解，而是加

10、熱時直接轉成它的母體加熱時直接轉成它的母體。 熱彈性馬氏體冷卻時馬氏體長大冷卻時馬氏體長大，加熱時馬氏體加熱時馬氏體收縮收縮，熱彈性馬氏體的相變是可逆的，且相變的過冷度很小。第3 章 智能材料SMA與熱致型與熱致型SMP部分性能比較部分性能比較（1）SMA的形變量形變量低，一般在10%以下，而SMP較高，形狀記憶聚氨酯高于400%；（2） SMP的形狀恢復溫度形狀恢復溫度可通過化學方法調(diào)整，具體品種的形狀記憶合金的形狀恢復溫度一般是固定的；（3） SMP的形狀恢復應力形狀恢復應力一般比較低，約為10-30，而SMA高于1471MPa；（4） SMA的重復形變次數(shù)重復形變次數(shù)可達到104數(shù)量級，

11、而SMP僅稍高于5000次，故其耐疲勞性不理想；（5） SMPSMP僅有單程記憶功能僅有單程記憶功能。(6)SMP的成本低。第3 章 智能材料形狀記憶合金形狀記憶合金鎳鎳- -鈦系鈦系銅系銅系鐵系鐵系目前用量最大目前用量最大優(yōu)點：抗拉強度高、疲勞優(yōu)點：抗拉強度高、疲勞強度高、耐蝕性好、密度強度高、耐蝕性好、密度小、與人體有生物相容性小、與人體有生物相容性缺點：成本高、加工困難缺點：成本高、加工困難缺點：功能不如鎳缺點：功能不如鎳- -鈦系鈦系優(yōu)點：成本低、加工容易優(yōu)點：成本低、加工容易缺點：功能不如銅系缺點：功能不如銅系優(yōu)點：具有價格競爭優(yōu)勢優(yōu)點：具有價格競爭優(yōu)勢常見的形狀記憶合金常見的形狀記

12、憶合金第3 章 智能材料（1 1）單程記憶效應）單程記憶效應 合金在高溫下制成某種形狀，在低溫相時將其任意變形，再加熱后可恢復變形前的形狀，而重新冷卻時卻不能恢復低溫相時的形狀，這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應。形狀記憶合金的記憶特性：形狀記憶合金的記憶特性：第3 章 智能材料（a）未拉長(b) 被拉長后(c)放入熱水后恢復原長單程TiNi記憶合金簧的動作變化情況 第3 章 智能材料在拉長后，隨著溫度的升高可自行回復原長的感溫驅(qū)動元件（2 2）雙程記憶效應）雙程記憶效應 某些合金加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時又能恢復低溫相形狀，即通過溫度的升降自發(fā)可逆地反復恢復高低溫相形狀的

13、現(xiàn)象。 第3 章 智能材料（a）沒放入熱水前 (b) 放入熱水后 (c)涼至室溫后雙程CuZnAl記憶合金花的動作變化情況 第3 章 智能材料 （a）沒放入熱水前 (b) 放入熱水后 (c)涼至室溫后高溫伸長的雙程CuZnAl記憶合金彈簧的動作變化情況第3 章 智能材料 （a）沒放入熱水前 (b) 放入熱水后 (c)涼至室溫后高溫縮短的雙程CuZnAl記憶合金彈簧的動作變化情況低溫（室溫）時為200mm，縮短狀態(tài)即高溫（65-85）時為100mm第3 章 智能材料（3 3）全程記憶效應）全程記憶效應 加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤?，稱為全程記憶效應（只能在富Ni

14、的Ti-Ni合金中出現(xiàn)）。 第3 章 智能材料全程記憶效應（全程記憶效應（Ti-Ni51%,400Ti-Ni51%,400時效時效100h100h） 四條互成四條互成 4545夾角的薄條帶，在夾角的薄條帶，在100100開水中呈現(xiàn)結扎點開水中呈現(xiàn)結扎點在上的圓球形在上的圓球形a a，從開水中緩慢提起來時的形狀，從開水中緩慢提起來時的形狀b b ，在室溫，在室溫時變成近似直線時變成近似直線c c，浸泡在冰水中，反方向彎曲，浸泡在冰水中，反方向彎曲d d，在干冰，在干冰- -酒精液中冷卻到酒精液中冷卻到-40-40時，形狀變成結扎點在圓球內(nèi)部下方時，形狀變成結扎點在圓球內(nèi)部下方的與的與a a相似的

15、圓球形相似的圓球形e e ，放入，放入 100100水中，則又恢復成形狀水中，則又恢復成形狀a a 。 第3 章 智能材料 已發(fā)現(xiàn)的形狀記憶合金種類很多，可以分為已發(fā)現(xiàn)的形狀記憶合金種類很多，可以分為Ti-NiTi-Ni系、銅系、鐵系合金系、銅系、鐵系合金三大類。目前已實用三大類。目前已實用化的形狀記憶合金只有化的形狀記憶合金只有Ti-NiTi-Ni系合金和銅系合金。系合金和銅系合金。 （1 1）工程應用）工程應用 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，最早的應用就是作各種的應用就是作各種結構件結構件，如緊固件、連接件、，如緊固件、連接件、密封墊等。另外，也可以用

16、于一些密封墊等。另外，也可以用于一些控制元件控制元件，如一些與溫度有關的傳感及自動控制。如一些與溫度有關的傳感及自動控制。形狀記憶合金應用形狀記憶合金應用第3 章 智能材料防燙傷閥 在家庭生活中，已開發(fā)的形狀記憶閥可用來防止洗滌槽中、浴盆和浴室的熱水意外燙傷；這些閥門也可用于旅館和其他適宜的地方。如果水龍頭流出的水溫達到可能燙傷人的溫度(大約 48)時，形狀記憶合金驅(qū)動閥門關閉，直到水溫降到安全溫度，閥門才重新打開。第3 章 智能材料飛機的空中加油飛機的空中加油的接口處就是利用了記憶合金-兩機油管套結后，利用電加熱改變溫度，接口處記憶合金變形，使接口緊密滴水（油）不漏。自動的消防龍頭-失火溫度

17、升高，記憶合金變形，使閥門開啟，噴水救火。第3 章 智能材料將記憶合金制成在將記憶合金制成在A Af f溫度以上具有（溫度以上具有（a a）所示形狀鉚釘，鉚接時先）所示形狀鉚釘，鉚接時先將其冷卻到將其冷卻到M Mf f溫度以下，這時合金處于完全的馬氏體態(tài)很容易變溫度以下，這時合金處于完全的馬氏體態(tài)很容易變形，略施加一點力將鉚釘扳成（形，略施加一點力將鉚釘扳成（b b）所示并插入鉚釘孔（）所示并插入鉚釘孔（c c），然），然后隨溫度回升到后隨溫度回升到A Af f以上，鉚釘回復到變形前的形狀達到鉚接的目以上，鉚釘回復到變形前的形狀達到鉚接的目的（的（d d）。）。TMs TMf TAs TAf馬

18、氏體開始形成溫度馬氏體開始形成溫度MsMs、終了溫度、終了溫度MfMf、母相轉變開始溫度、母相轉變開始溫度A As s 終了溫度終了溫度AfAf第3 章 智能材料 （2 2）醫(yī)學應用）醫(yī)學應用 利用利用Ti-NiTi-Ni合金與生物體良好的合金與生物體良好的相容性相容性，可，可制造醫(yī)學上的凝血過濾器、脊椎矯正棒、骨折制造醫(yī)學上的凝血過濾器、脊椎矯正棒、骨折固定板等。利用合金的超彈性可代替不銹鋼作固定板等。利用合金的超彈性可代替不銹鋼作齒形矯正用絲等。齒形矯正用絲等。第3 章 智能材料 NiTi合金絲制作了宇宙空間站的面積幾百平米的自展天線-先在地面上制成大面積的拋物線形或平面天線，折疊成一團，

19、用飛船帶到太空，溫度轉變，自展成原來的大面積和形狀。 12348765(3)(3)在宇航空間技術方面的應用在宇航空間技術方面的應用第3 章 智能材料4、 形狀記憶陶瓷形狀記憶陶瓷 20世紀60年底人們確認陶瓷材料也存在馬氏體相變，一個著名的例子就是ZrO2陶瓷中的馬氏體相變，這一相變現(xiàn)象可以使陶瓷材料具有形狀記憶效應。形狀記憶陶瓷的機理可分為：馬氏體形狀記憶馬氏體形狀記憶陶瓷陶瓷、鐵電形狀記憶陶瓷鐵電形狀記憶陶瓷、粘彈性形狀記憶陶粘彈性形狀記憶陶瓷瓷、鐵磁性形狀記憶陶瓷鐵磁性形狀記憶陶瓷等。第3 章 智能材料 隨溫度的變化純ZrO2有三種晶型：單斜晶系、四方晶系、立方晶系。 溫度改變溫度改變可

20、以使四方相和單斜相之間發(fā)生可逆馬氏體轉變，四方向單斜轉變有5的體積變化。而且應力也可誘發(fā)四方向單斜的轉的轉變變。形狀記憶陶瓷的應用：形狀記憶陶瓷的應用：制作金屬管的密封外接套。馬氏體形狀記憶陶瓷馬氏體形狀記憶陶瓷第3 章 智能材料形狀記憶陶瓷應變小，但響應速度快；而形狀記形狀記憶陶瓷應變小，但響應速度快；而形狀記憶合金應變大，但響應速度慢。二者復合可制成憶合金應變大，但響應速度慢。二者復合可制成形狀記憶復合材料。形狀記憶復合材料。鋯鈦酸鉛（Pb，La）（Zr，Ti）O3 ，PZT）陶瓷中添加稀土鑭而獲得的鋯鈦酸鉛鑭（PLZT）陶瓷，不但是一種優(yōu)良的電光陶瓷，而且因其具有形狀記憶功能，即體現(xiàn)出形

21、狀自我恢復的自調(diào)諧機制。 鐵電形狀記憶陶瓷鐵電形狀記憶陶瓷第3 章 智能材料思思 考考 題題1 1、概念：形狀記憶效應、概念：形狀記憶效應2 2、比較形狀記憶合金與熱致型形狀記憶高分子、比較形狀記憶合金與熱致型形狀記憶高分子材料、形狀記憶陶瓷材料之間的性能。材料、形狀記憶陶瓷材料之間的性能。3 3、根據(jù)記憶功能或化學組分的不同，形狀記憶、根據(jù)記憶功能或化學組分的不同，形狀記憶合金如何分類？合金如何分類？4 4、舉例說明、舉例說明形狀記憶高分子、形狀記憶合金、形狀記憶高分子、形狀記憶合金、ZrOZrO2 2形狀記憶形狀記憶陶瓷的應用。陶瓷的應用。第3 章 智能材料 海參有一個特性：如海參有一個特

22、性：如果有誰用手去碰一下果有誰用手去碰一下它柔軟的身體，它就它柔軟的身體，它就會一下變得象木頭一會一下變得象木頭一樣堅硬，但如果將它樣堅硬，但如果將它在手中緊捏一會，它在手中緊捏一會，它就會慢慢地溶變成滑就會慢慢地溶變成滑溜溜的液體從你手中溜溜的液體從你手中逃走。逃走。第3 章 智能材料3.2 3.2 智能高分子凝膠智能高分子凝膠1、智能高分子凝膠的概念、智能高分子凝膠的概念其體壁的原始器官由高分子水凝其體壁的原始器官由高分子水凝膠組成，受到外界刺激會吸附鈣膠組成，受到外界刺激會吸附鈣離子，體壁變成韌性結構。離子，體壁變成韌性結構。凝膠：凝膠：由三維網(wǎng)絡結構的高分子化合物與溶劑由三維網(wǎng)絡結構的

23、高分子化合物與溶劑組成的復合體系組成的復合體系。高分子在溶劑中溶脹并保持。高分子在溶劑中溶脹并保持大量溶劑而又不溶解。大量溶劑而又不溶解。 由于高分子化合物是一種三維網(wǎng)絡立體結構，由于高分子化合物是一種三維網(wǎng)絡立體結構，因此它不被溶劑溶解，但其親溶劑的基團部分因此它不被溶劑溶解，但其親溶劑的基團部分卻可以被溶劑作用而使高分子溶脹。卻可以被溶劑作用而使高分子溶脹。液體被高液體被高分子網(wǎng)絡封閉在里面，失去了流動性，因此凝分子網(wǎng)絡封閉在里面，失去了流動性，因此凝膠能象固體一樣顯示出一定的形狀。膠能象固體一樣顯示出一定的形狀。第3 章 智能材料第3 章 智能材料當外界條件發(fā)生微小變化時，凝膠體積 會隨

24、之發(fā)生數(shù)倍或數(shù)十倍的變化，當達到并超過某臨界區(qū)域時，甚至會發(fā)生不連續(xù)的突躍性可逆變化，即體積相轉變（體積相轉變（高分子凝膠的特點高分子凝膠的特點）。在高分子凝膠中出現(xiàn)相轉變，表現(xiàn)為網(wǎng)絡的網(wǎng)孔增大、網(wǎng)絡失去彈性、網(wǎng)絡的體積急劇變化（可變化幾百倍之多），甚至在三維網(wǎng)絡結構中不再存在凝膠相。而且這些變化是可逆的和不連續(xù)的。 l 內(nèi)因： 范德華力、氫鍵、疏水作用及靜電作用力-相互組合和競爭溶脹相收縮相外界環(huán)境因子的變化體積不連續(xù)變化高分子凝膠的體積相轉變高分子凝膠的體積相轉變第3 章 智能材料n智能高分子智能高分子凝膠凝膠是一類受外界環(huán)境微小的物是一類受外界環(huán)境微小的物理和化學刺激如溫度、光、電場等，

25、其自身理和化學刺激如溫度、光、電場等，其自身性質(zhì)就會發(fā)生明顯改變的交聯(lián)聚合物。性質(zhì)就會發(fā)生明顯改變的交聯(lián)聚合物。第3 章 智能材料2、凝膠分類及其刺激響應性、凝膠分類及其刺激響應性（1）凝膠分類）凝膠分類按來源分天然凝膠和合成凝膠天然凝膠和合成凝膠按網(wǎng)絡中的液體分為水凝膠和有機凝膠水凝膠和有機凝膠按其交聯(lián)的方式分為化學凝膠和物理凝膠化學凝膠和物理凝膠按其響應刺激信號分為溫敏凝膠、光敏凝膠等溫敏凝膠、光敏凝膠等第3 章 智能材料（2 2）凝膠的）凝膠的刺激響應性刺激響應性熱響應性熱響應性：能響應溫度變化而發(fā)生溶脹或收縮即體積相轉變的凝膠。體積發(fā)生變化的臨界轉化溫度體積發(fā)生變化的臨界轉化溫度-低臨

26、界溶解溫低臨界溶解溫度（度（LCST)LCST)：高溫收縮型高溫收縮型 （疏水基團的作用）（疏水基團的作用）低溫收縮型（氫鍵的形成與斷裂）低溫收縮型（氫鍵的形成與斷裂）電場響應電場響應：在電場刺激下，凝膠產(chǎn)生溶脹或收縮，并將電能轉化為機械能。磁場響應磁場響應：在磁場刺激下，凝膠產(chǎn)生溶脹和收縮。 將鐵磁體“種植”在凝膠內(nèi)，當施加磁場時鐵磁體發(fā)熱，使周圍凝膠溫度升高誘發(fā)溶脹和收縮；去除磁場后，凝膠冷卻，恢復至原來的尺寸。第3 章 智能材料第3 章 智能材料復合磁性粒子的PDMS凝膠對機械力的各向異性箭頭為樣品中填充粒子的取向，右為凝膠彈性模量的各向箭頭為樣品中填充粒子的取向，右為凝膠彈性模量的各向

27、異性異性第3 章 智能材料光響應光響應：由于光輻射而發(fā)生凝膠溶脹或收縮。 通過特殊的感光分子，將光能轉化為熱能使材料局部溫度升高，誘發(fā)凝膠溶脹和收縮。 利用光敏分子遇光分解在凝膠內(nèi)部產(chǎn)生大量離子，使凝膠內(nèi)外離子濃度差改變，造成凝膠滲透壓突變，促使凝膠發(fā)生溶脹作出光響應。第3 章 智能材料 pHpH響應性凝膠響應性凝膠生化響應性凝膠生化響應性凝膠鹽敏凝膠鹽敏凝膠l溫度響應性凝膠溫度響應性凝膠l光響應性凝膠光響應性凝膠l壓力敏感性凝膠壓力敏感性凝膠l電場響應性凝膠電場響應性凝膠刺激響應性刺激響應性物理刺物理刺激激化學刺激化學刺激溫度溫度光光壓力壓力電場電場pH pH 生化生化鹽鹽 化學、相分離、形

28、狀、化學、相分離、形狀、表面、滲透性、機械強度表面、滲透性、機械強度光、電光、電刺激刺激響應響應分類分類第3 章 智能材料 具有三維網(wǎng)絡結構的高分子凝膠的溶脹行為還可以由于糖類的刺激而發(fā)生突變，這樣，高分子溶脹行為將受到葡萄糖濃度變化的指令。 葡萄糖濃度信息對于糖尿病患者是很重要的，如果以這種含葡萄糖的高分子凝膠作為負載胰島素的載體，表面用半透膜包覆，在此體系中隨著葡萄糖濃度的變化，高分子凝膠將作出響應，執(zhí)行釋放胰島素的命令，從而有效地維持糖尿病患者的血糖濃度處于正常。第3 章 智能材料3、智能高分子凝膠的應用、智能高分子凝膠的應用1-智能藥物釋放系統(tǒng)v葡萄糖響應高分子配合葡萄糖響應高分子配合

29、物形成的胰島素釋放微囊物形成的胰島素釋放微囊聚乙二醇聚乙二醇感知葡萄糖濃度交換鍵合釋放藥物患者的血糖濃度維持正常水平釋放機理釋放機理刺激響應脈沖釋放刺激響應脈沖釋放第3 章 智能材料應用應用2-2- -調(diào)光材料&組織培養(yǎng)高溫白濁化低溫透明調(diào)光材料第3 章 智能材料細胞組織培養(yǎng)凝膠表面疏水凝膠表面親水如PNIPA凝膠在32以下分子呈伸展構象，在32 以上呈壓縮線團構象，分子由于具有疏水性而相互聚集沉淀。應用應用3-3- -自振動凝膠作成毛狀傳動裝置Poly(NIPAAm-co-Ru(bpy)3)循環(huán)提供的動力第3 章 智能材料人造肌肉。人造肌肉。對人體內(nèi)對人體內(nèi)發(fā)出的某種化學信號發(fā)出的某

30、種化學信號作出舒張和收縮反應。作出舒張和收縮反應。凝膠用于污泥脫水過程應用應用4-4-環(huán)境工程（吸附分離）環(huán)境工程（吸附分離）溶脹收縮循環(huán)第3 章 智能材料應用應用5 5智能高分子膜開關（擴散分離）智能高分子膜開關（擴散分離）第3 章 智能材料關 開聚異丙基丙烯酰胺聚異丙基丙烯酰胺聚苯乙烯聚苯乙烯施加磁場使MPS-PNIPA小球在PVA凝膠中取向成鏈狀TLCST,PNIPA收縮TLCST,PNIPA膨脹血清蛋白分子3.3 3.3 磁流變液磁流變液1、基本概念、基本概念第3 章 智能材料磁流變液（磁流變液（Magnetorheological Fluid） ： 在外加磁場作用下其粘性、塑性等流變

31、特性發(fā)生急劇變化的材料。第3 章 智能材料 在外加磁場作用下能瞬間( 毫秒級) 從自由流動的液體轉變?yōu)榘牍腆w。 磁流變液在磁場作用下的流變特性是瞬間、可逆、而且其流變后的剪切屈服強度與磁場強度具有穩(wěn)定的對應關系，整個過程具有可控性，能耗極小。特征：特征：第3 章 智能材料2、磁流變液的組成、磁流變液的組成鐵磁性易磁化顆粒、母液油和穩(wěn)定劑三種物質(zhì)鐵磁性易磁化顆粒、母液油和穩(wěn)定劑三種物質(zhì) 磁流變液是將微米尺寸的磁極化顆粒分散于非磁性液體（礦物油、硅油等）中形成的懸浮液。 羰基鐵粉、羰基鐵粉、純鐵粉或純鐵粉或鐵合金，鐵合金，3-53-5m m 礦物油、礦物油、硅油、硅油、合成油合成油等等 減緩或防止

32、磁性顆粒減緩或防止磁性顆粒沉降的產(chǎn)生：如表面沉降的產(chǎn)生：如表面活性劑、多孔硅膠活性劑、多孔硅膠 第3 章 智能材料例：例：直徑為.mm羰基鐵粉分散于硅油中，并用偶聯(lián)劑預先處理，改善液態(tài)相和固態(tài)相的相容性，有效防止粒子沉淀。 載液也可以是：磁性液體，用膠體狀的磁流體作載液，如鐵磁流體，磁流變效應較低。第3 章 智能材料3、磁流變液的應用、磁流變液的應用在建筑領域中的應用利用磁流變液可以制造阻尼力可調(diào)的阻尼器，以實現(xiàn)振動的半主動控制。第3 章 智能材料在汽車制造行業(yè)中的應用在汽車制造行業(yè)，利用磁流變阻尼技術制造的懸架減振器以及汽車座椅減振系統(tǒng)，可以提高汽車的安全性和舒適性。第3 章 智能材料在機械

33、工程中的應用利用磁流變液固化現(xiàn)象可以對工件表面進行拋光。 在高強度的梯度磁場中, 磁流變拋光液變硬, 成為具有粘塑性的Bingham介質(zhì)。當這種介質(zhì)通過工件與運動盤形成的很小空隙時, 對工件表面與之接觸的區(qū)域產(chǎn)生很大的剪切力, 從而使工件表面的材料被去除。第3 章 智能材料利用磁流變效應可開發(fā)各種流量控制閥和壓力控制閥。這些液壓元件沒有相對運動的閥芯，制造成本低，無磨損，壽命長，易于控制。1995年, Rochester大學的光學加工中心( COM) 對一批直徑小于50mm的球面和非球面光學元件進行了加工，結果是熔石英球面元件表面粗糙度降到018nm, 面形誤差為0109m。第3 章 智能材料

34、3、磁流變液的應用、磁流變液的應用在航空領域中的應用 美國 Pennsylvania 大學將磁流變阻尼器作為減擺器安裝在直升機的旋翼系統(tǒng)中，分別采用開關控制和線性反饋控制方法對其振動進行研究測試，結果表明在抑制直升機“地面共振”上，磁流變阻尼器能比同樣大小的粘彈性阻尼器提供更充足的阻尼力，兩種控制方法都能很好地抑制直升機“地面共振”的發(fā)生。3.4 3.4 “自修復自修復”智能材料智能材料1、自修復自愈合陶瓷、自修復自愈合陶瓷第3 章 智能材料自修復：自修復： 又稱自愈合，是生物的重要特征之一，人們把產(chǎn)生缺陷時在無外界作用的情況下，材料本身自我判斷、控制和恢復的能力稱為自修復。氧化鋯增韌陶瓷-微

35、裂紋增韌和相變增韌 ZrO2顆粒分散在陶瓷基體中為避免燒結塊的開裂，常加入穩(wěn)定劑以保持氧化鋯的高溫形態(tài)。第3 章 智能材料微裂紋增韌：部分穩(wěn)定的ZrO2顆粒從燒結溫度冷卻到室溫由于相變體積膨脹導致陶瓷基體產(chǎn)生壓應力，形成微裂紋，可阻礙主裂紋的擴展，并使其偏轉，吸收了裂紋擴展的能量，提高材料的強度和韌性。第3 章 智能材料相變增韌：應力誘導的相變增韌，ZrO2顆粒與基體的熱膨脹系數(shù)不同，從燒結溫度冷卻到室溫過程中ZrO2顆粒受到不同的作用力，當受到壓應力時，相變會受到抑制，氧化鋯馬氏體相變溫度隨顆粒尺寸的減小而降低，因此此相變溫度可降低到室溫。當材料受到外加應力時，基體對ZrO2顆粒的壓壓力釋放

36、， ZrO2顆粒發(fā)生相變，并在陶瓷基體形成微裂紋，可阻礙主裂紋的擴展，吸收了裂紋擴展的能量，提高材料的強度和韌性。第3 章 智能材料 研究案例：多元增韌氧化鋯復合陶瓷柱塞及研究案例：多元增韌氧化鋯復合陶瓷柱塞及氧化鋯增韌陶瓷柱塞氧化鋯增韌陶瓷柱塞 高壓柱塞泵廣泛用于油田車輛及工程機械 氧化鋯增韌陶瓷柱塞在油田柱塞式往復泵上的試制與實際應用過程,安裝的陶瓷柱塞累計使用時間達到400天，壽命比普通鋼制柱塞提高5倍以上，標志著其工業(yè)一現(xiàn)場試驗取得成功。 陶瓷柱塞作為結構陶瓷產(chǎn)品的種成熟產(chǎn)品，具有超高耐熱性、高強度、高硬度、高耐磨性和優(yōu)良的耐腐蝕性等綜合特性特點。 第3 章 智能材料2、自愈合混凝土、

37、自愈合混凝土 在混凝土原有的組成基礎上摻加復合智能型組分， 使混凝土材料具有一定的自感知、自適應和損傷自修復等智能特性的多功能材料。 目前自診斷、自調(diào)節(jié)和損傷自修復等性能在一種混凝土結構中不能全部體現(xiàn)出來，只是初步具有某一種智能(確切的說是一種反應性能) 特性。 第3 章 智能材料 自診斷智能混凝土自診斷智能混凝土具有壓敏性和溫敏性等性能。普通的混凝土材料本身并不具有自感應功能，但在混凝土基材中摻入部分導電相組分制成的復合混凝土可具備自感應性能。 目前常用的導電組分可分為三類:聚合物類、碳類和金屬類， 而最常用的是碳類和金屬類。碳類導電組分包括石墨、碳纖維及碳黑;金屬類材料則有金屬微粉末、金屬

38、纖維、金屬片、金屬網(wǎng)等。 第3 章 智能材料 碳纖維水泥基材料在結構構件受力的彈性階碳纖維水泥基材料在結構構件受力的彈性階段其電阻變化率隨內(nèi)部應力線形增加段其電阻變化率隨內(nèi)部應力線形增加，當接近構件的極限荷載時，電阻率逐漸增大，預示構件即將破壞;而基準水泥基材料的導電性能幾乎無變化，直到臨近破壞時，電阻變化率劇烈增大，反應了混凝土內(nèi)部的應力應變關系。 碳纖維混凝土復合材料在受力時的電阻變化與所受荷載呈現(xiàn)的這種線性關系，反映了內(nèi)部損傷狀況的豐富信息;據(jù)此可以敏感有效的監(jiān)測拉、彎、壓等工況及靜態(tài)和動態(tài)荷載作用下結構的內(nèi)部情況。 第3 章 智能材料不同纖維摻量的混凝土的溫阻試驗表明，在初始階段，隨溫度的升高，均出現(xiàn)負溫度系數(shù)NTC(negative temperature coefficient) 效應，即電阻率隨溫度的提高而下降。當溫度達到某一臨界溫度時，不含碳纖維的混凝土其電阻率出現(xiàn)一個平臺，隨溫度無明顯改變， 而含有碳纖維的水泥基材料，則出現(xiàn)正溫度系數(shù)PTC(positive temperature coefficient) 效應，即電阻率隨溫