智能材料課件

智能材料

IntelligentMaterials主講：劉秀奇智能材料

IntelligentMaterials智能材料智能材料功能展示記憶合金趣味實驗智能太陽眼鏡智能玻璃智能垃圾桶智能家居智能材料智能材料功能展示記憶合金趣味實驗智能太陽眼鏡智能玻璃3智能材料什么是材料？《辭?！罚喝藗儼炎匀唤缃?jīng)過開采而獲得的勞動對象稱為原料。自然界自然存在而未經(jīng)過人類任何勞動輸入的就不能稱為原料。例如：開采出來的礦物是冶金的原料，種植出來的小麥?zhǔn)侵圃烀娣鄣脑?。在加工工業(yè)中，一般把來自采掘工業(yè)和農(nóng)業(yè)的勞動對象稱為原料，把經(jīng)過工業(yè)加工的原料（如鋼鐵、水泥）稱為材料。

材料和原料合成為原材料。3智能材料什么是材料？《辭?！罚喝藗儼炎匀唤缃?jīng)過開采而獲得的4智能材料闡明了原料和材料之間的聯(lián)系和區(qū)別，但卻沒有指出材料在使用中本質(zhì)的變化?！掇o海》定義可以總結(jié)為：經(jīng)過人類勞動而取得的勞動對象稱為原料，經(jīng)過二次加工的原料稱為材料。使用這定義在實際中帶來不便：①化工品燒堿(NaOH)？按定義應(yīng)是材料，但類似不勝枚舉的化工產(chǎn)品都是原料。②來自采掘工業(yè)的沙石、木材等等？按定義似乎應(yīng)是原料，習(xí)慣上將其歸入建筑材料。思考？食鹽在加工中失去了其原質(zhì)。燒堿在應(yīng)用于其它化工加工過程時，也要失去原質(zhì)。所以，食鹽和燒堿一般都看作是化工原料。原料在加工中一般均失去了原質(zhì)。4智能材料闡明了原料和材料之間的聯(lián)系和區(qū)別，但卻沒有5智能材料5智能材料6智能材料6智能材料7材料的發(fā)展和應(yīng)用歷史：智能材料圖1材料科學(xué)的發(fā)展演化過程7材料的發(fā)展和應(yīng)用歷史：智能材料圖1材料8智能材料8智能材料9智能材料上世紀(jì)9智能材料上世紀(jì)10智能材料10智能材料11智能材料11智能材料12智能材料12智能材料13智能材料13智能材料14智能材料14智能材料第一章智能材料概述第一章智能材料概述16智能材料材料發(fā)展的總趨勢海參是一種防御能力很差的棘皮動物，在海底它會經(jīng)常遇到敵人。它行動起來很遲緩，身體又綿軟無力，可這不必?fù)?dān)心，海參可以用”分身法”逃命。如果被敵人盯上了，而又無路可逃，海參就把身體緊縮起來，然后用盡力氣把內(nèi)臟從肛門擠出來，敵人會立即盯住它的內(nèi)臟。這樣海參還照樣活著而且不久又生出內(nèi)臟來，它的再生能力真是太強(qiáng)啦！有一種管狀海參，當(dāng)它被敵人捕捉住時，身體會分裂成兩段，一段留下，另一段被吃。留下的一段又會把失去的一段長出來。16智能材料材料發(fā)展的總趨勢海參是一種防御能17智能材料17智能材料18智能材料18智能材料19智能材料19智能材料20智能材料20智能材料21智能材料21智能材料22智能材料需具備以下內(nèi)涵：

（1）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；

（2）具有驅(qū)動功能，能夠響應(yīng)外界變化；

（3）能夠按照設(shè)定的方式選擇和控制響應(yīng)；

（4）反應(yīng)比較靈敏、及時和恰當(dāng)；

（5）當(dāng)外部刺激消除后，能夠迅速恢復(fù)到原始狀態(tài)。智能材料22智能材料需具備以下內(nèi)涵：智能材料23智能材料必須具備感知、控制和驅(qū)動三個基本要素。

智能材料一般由兩種或兩種以上的材料復(fù)合構(gòu)成一個智能材料系統(tǒng)。智能材料23智能材料必須具備感知、控制和驅(qū)動三個基本要素。智能材料24智能材料的基本結(jié)構(gòu)

智能材料不是一種單一的材料，而是一個由多種材料組元通過有機(jī)緊密復(fù)合或嚴(yán)格地科學(xué)組裝而構(gòu)成的材料系統(tǒng)，是一種智能機(jī)構(gòu)。

傳感器執(zhí)行器控制器智能機(jī)構(gòu)材料自身能夠探測到外部環(huán)境狀態(tài)的變化能夠自動地執(zhí)行改變材料狀態(tài)的指令能夠?qū)μ綔y到的外部環(huán)境的變化作出判斷，并給出相應(yīng)的改變材料狀態(tài)的指令24智能材料的基本結(jié)構(gòu)傳感器25智能材料的構(gòu)成智能材料由基體材料、敏感材料、驅(qū)動材料和信息處理器四部分構(gòu)成。(1)基體材料

基體材料擔(dān)負(fù)著承載的作用，一般宜選用輕質(zhì)材料。首選高分子材料，因為其重量輕、耐腐蝕。其次也可選用金屬材料，以輕質(zhì)有色合金為主。智能材料25智能材料的構(gòu)成智能材料由基體材料、敏感材料、驅(qū)動材料和26(2)敏感材料

敏感材料擔(dān)負(fù)著傳感的任務(wù)，其主要作用是感知環(huán)境變化（包括壓力、應(yīng)力、溫度、電磁場、pH值等）。常用敏感材料：形狀記憶材料、壓電材料、光纖材料、磁致伸縮材料、電致變色材料、電流變體、磁流變體和液晶材料等。智能材料26(2)敏感材料

敏感材料擔(dān)負(fù)著傳感的任務(wù)，其27(3)驅(qū)動材料

因為在一定條件下驅(qū)動材料可產(chǎn)生較大的應(yīng)變和應(yīng)力，所以它擔(dān)負(fù)著響應(yīng)和控制的任務(wù)。常用有效驅(qū)動材料：形狀記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料等。(4)其它功能材料

包括導(dǎo)電材料、磁性材料、光纖和半導(dǎo)體材料等。智能材料27(3)驅(qū)動材料

因為在一定條件下驅(qū)動材料可產(chǎn)生較大28如：將光導(dǎo)纖維、形狀記憶合金和鎵砷化合物半導(dǎo)體控制電路埋入復(fù)合材料中。光導(dǎo)纖維傳感元件(檢測結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變和溫度)形狀記憶合金執(zhí)行元件

(使結(jié)構(gòu)動作改變性狀)半導(dǎo)體控制電路控制系統(tǒng)(根據(jù)傳感元件的信息驅(qū)動元件動作)智能材料28如：將光導(dǎo)纖維、形狀記憶合金和鎵砷化合物半導(dǎo)體光導(dǎo)纖維傳29智能結(jié)構(gòu)的動作流程圖識別分析判斷行動驅(qū)動元件自適應(yīng)地改變結(jié)構(gòu)形狀、剛度、位置、應(yīng)力狀態(tài)、固有頻率等智能材料29智能結(jié)構(gòu)的動作流程圖識別分析判斷行動驅(qū)動元件自適應(yīng)地改變30智能變色材料由于光、電、熱等外界條件的作用，使材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化從而改變材料對光波吸收的特性，使材料呈現(xiàn)出不同的顏色。光色玻璃電致變色薄膜智能材料30智能變色材料由于光、電、熱等外界條件的作用，使材料內(nèi)部結(jié)311、光色玻璃(變色玻璃)

能夠隨照射光強(qiáng)的變化而改變顏色。原因：含有在光照下能發(fā)生可逆變化的亞穩(wěn)態(tài)色心：在光波的照射下，色心的光吸收特性發(fā)生改變，從而使光色玻璃表現(xiàn)出隨光照而改變顏色的特性。同相型光色玻璃異相型光色玻璃智能材料311、光色玻璃(變色玻璃)同相型光色玻璃智能材料32紫藍(lán)光波4f5d鈰離子內(nèi)電子躍遷鈰離子恢復(fù)電子狀態(tài)4f5d光減弱玻璃逐漸由高透明態(tài)轉(zhuǎn)向深黃褐色玻璃逐漸恢復(fù)高透明態(tài)智能材料同相型光色玻璃——亞穩(wěn)態(tài)色心與玻璃基質(zhì)具有相同的相。如：光學(xué)玻璃的組分中加入氧化鈰（選擇吸收）色心：能變價的鈰離子32紫藍(lán)光波4f5d鈰離子內(nèi)電子躍遷鈰離子恢復(fù)電子狀態(tài)4f533異相型光色玻璃——亞穩(wěn)態(tài)色心是玻璃基質(zhì)不同的光敏晶相物質(zhì)。如：鹵化銀光色玻璃色心：鹵化銀晶體玻璃組分中加入鹵化銀光照(紫外到藍(lán)紫波段)析出游離態(tài)銀離子對光散射強(qiáng)(著色狀態(tài))光化學(xué)反應(yīng)高溫熔融冷卻析出亞微米尺度的鹵化銀對光散射很小(高透明狀態(tài))無光照銀離子化合成鹵化銀去除光照室溫?zé)峒せ?3異相型光色玻璃——亞穩(wěn)態(tài)色心是玻璃基質(zhì)不同的玻璃組分中光34光色玻璃的應(yīng)用：圖2變色太陽鏡汽車、飛機(jī)、船舶的前向玻璃或觀察窗玻璃，起防眩作用等。智能材料34光色玻璃的應(yīng)用：圖2變色太陽鏡汽車、飛機(jī)、船舶的前352、電致變色薄膜電致變色現(xiàn)象(Electrochromism)——材料在電場作用下所引起的顏色變化，這種變化是可逆的、連續(xù)可調(diào)的(透過率、吸收率、反射率三者比例關(guān)系可調(diào)）。應(yīng)用：智能窗(調(diào)節(jié)玻璃透光特性)機(jī)理：一些氧化物薄膜在電場的作用下能夠發(fā)生電子的交換，導(dǎo)致顏色的改變。

智能材料352、電致變色薄膜應(yīng)用：智能窗(調(diào)節(jié)玻璃透光特性)機(jī)理：智36圖3法拉利首款自動硬頂敞篷車玻璃車頂采用了利用電場變化來改變顏色的電致變色技術(shù)，可對透過率進(jìn)行5級調(diào)整。智能窗的應(yīng)用：智能材料36圖3法拉利首款自動硬頂敞篷車玻璃車頂采用了利用電場37汽車防眩目后視鏡汽車夜間行駛時根據(jù)后面行駛車輛前大燈射出的光線照射到后視鏡上產(chǎn)生的眩目光程度，自動控制后視鏡的透光度，以減少后視鏡鏡面的反射光強(qiáng)度，使駕駛員既能舒服的通過后視鏡了解后面行駛車輛及行人的情況，又能安全駕駛汽車。汽車防眩目后視鏡是當(dāng)前玻璃制造業(yè)前沿產(chǎn)品-電致變色玻璃在汽車上的應(yīng)用。智能材料37汽車防眩目后視鏡汽車夜間行駛時根據(jù)后面行駛車輛前大燈射出38智能材料的應(yīng)用在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用智能材料與住宅智能化與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相聯(lián)系的智能材料智能材料38智能材料的應(yīng)用在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用智能材料39（1）智能蒙皮光纖作為智能傳感元件用于飛機(jī)機(jī)翼的智能蒙皮中，或者在武器平臺的蒙皮中植入傳感元件、驅(qū)動元件和微處理控制系統(tǒng)制成的智能蒙皮，可用于預(yù)警、隱身和通信。智能材料39（1）智能蒙皮光纖作為智能傳感元件用于飛機(jī)機(jī)翼的智能蒙40（2）結(jié)構(gòu)監(jiān)測和壽命預(yù)測采用光纖傳感器和聚偏氟乙烯傳感器的智能結(jié)構(gòu)可對機(jī)翼、機(jī)架以及可重復(fù)使用航天運載器進(jìn)行全壽命期實時監(jiān)測、損傷評估和壽命預(yù)測；空間站等大型在軌系統(tǒng)采用光纖智能結(jié)構(gòu)，可實時探測由于交會對接碰撞、隕石撞擊或其他原因引起的損傷，對損傷進(jìn)行評估，實施自診斷。

智能材料40（2）結(jié)構(gòu)監(jiān)測和壽命預(yù)測采用光纖傳感器和聚偏氟乙烯傳感41（3）環(huán)境自適應(yīng)結(jié)構(gòu)

智能結(jié)構(gòu)制成的自適應(yīng)機(jī)翼，能夠?qū)崟r感知外界環(huán)境的變化，并可以驅(qū)動機(jī)翼彎曲、扭轉(zhuǎn)，從而改變翼型和攻角，以獲得最佳氣動特性，降低機(jī)翼阻力系數(shù)，延長機(jī)翼的疲勞壽命。在機(jī)翼結(jié)構(gòu)中使用磁致伸縮致動器，可使機(jī)翼阻力降低85%。智能材料41（3）環(huán)境自適應(yīng)結(jié)構(gòu)智能結(jié)構(gòu)制成的自適應(yīng)機(jī)翼，能夠?qū)崟r42（1）多功能磚具有變通性和智能性。主要由四個分層構(gòu)成：第一層是功能層，能感受來自周圍的聲能、熱能、光能，并能控制這些能量的輸出；第二層是通訊層，能為居住者提供內(nèi)外通信聯(lián)系的通道；第三層是輸送通道，可以用來輸送水和其它材料；第四層面膜是磚材的最上層，也具有多功能性。如壁膜可以使墻壁產(chǎn)生不同的色彩和圖案；傳感膜可以接收聲波、熱能和可見光并予以減弱或增強(qiáng)；地膜可產(chǎn)生耐久的色彩和圖案；界面膜可連接內(nèi)外通信線路。智能材料42（1）多功能磚具有變通性和智能性。智能材料43（2）食物器皿在毫微塑料的桌面上旋轉(zhuǎn)的碗不僅能測知食物的存在，而且可以根據(jù)用戶的需要自行形成各種形狀的碟子，供準(zhǔn)備、烹調(diào)和上菜時使用。并且這種盛食物的碗還具有保溫和在不使用冰箱的情況下保鮮的功能。智能材料43（2）食物器皿在毫微塑料的桌面上旋轉(zhuǎn)的44毫微技術(shù)：亦稱納米技術(shù)，是以毫微米（1毫微米等于十億分一米）為測量單位的產(chǎn)品的技術(shù)，也就是用單個原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)，即在單個原子、分子層次上對物質(zhì)存在的種類、數(shù)量和結(jié)構(gòu)形態(tài)等進(jìn)行精確的觀測、識別與控制技術(shù)的研究與應(yīng)用。

44毫微技術(shù)：亦稱納米技術(shù)，是以毫微米（1毫微米等于45（3）座椅用毫微塑料制作的坐椅不僅功能將大大增加，而且也將增加舒適程度。使用毫微塑料能改變椅座面的柔韌性和彈性，也可以形成各種型式的椅座面。毫微塑料可以形成所需的任何圖案或結(jié)構(gòu)，還能改變座椅本身的結(jié)構(gòu)。由于不同年齡段的人對溫度舒適性的要求有很大區(qū)別，座椅還可以隨心所欲地升溫和降溫，甚至對人們喜愛的舒適溫度具有記憶功能。

智能材料45（3）座椅用毫微塑料制作的坐椅不僅功能將大大增加，而且46（1）人造肌肉

生物彈性材料能模擬活體生物，而且其力量和反應(yīng)速度均接近于人體的肌肉。生物彈性材料可以應(yīng)用于人體組織的修復(fù)，具有與生物體的相容性，隨著傷口的愈合，這種聚合物就會在體內(nèi)逐漸降解，最后將會消失。智能材料46（1）人造肌肉

生物彈性材料能模擬活體生物，而且其47（2）人造皮膚

意大利比薩大學(xué)的科研人員為了使機(jī)器人與真人更接近，讓它的皮膚具有感覺功能，研制成功一種人造皮膚智能材料。

材料可以感知溫度、熱流的變化以及各種應(yīng)力的大小，并且有良好的空間分辨力。這種智能材料還可以分辨表面狀況，例如，粗糙度、摩擦力等。智能材料47（2）人造皮膚

意大利比薩大學(xué)的科研人員為了使機(jī)器人48（3）在藥物自動投入系統(tǒng)上的應(yīng)用

科學(xué)家正在研制一種能根據(jù)血液中的葡萄糖濃度而擴(kuò)張收縮的聚合物，這種聚合物可制成人造胰細(xì)胞，將它注入糖尿病患者的血液中，小球就可模擬胰細(xì)胞工作，使病人的血糖濃度始終保持在平常的水平上。智能材料48（3）在藥物自動投入系統(tǒng)上的應(yīng)用

智能材料49

60年代初的一天，美國海軍軍械實驗室的研究人員領(lǐng)來了一批鎳鈦合金絲，也許是制造過程中處理不當(dāng)，合金絲被弄彎了，他們只能一根一根地將合金絲校直。有人順手把校直的合金絲堆放在爐子的旁邊。這時意外的事情發(fā)生了，一些校直的的合金絲在爐溫的烘烤下，不一會兒就恢復(fù)到原來彎曲的形狀。于是不得不重新校直合金絲。起初，他們沒有在意，還是把校直的合金絲堆放在爐旁，結(jié)果合金絲又彎曲了，這種現(xiàn)象重復(fù)出現(xiàn)了多次，直到人們把校直的合金絲換了一地方堆放，不再受到爐溫的烘烤以后，合金絲才繼續(xù)保持挺直的形狀。軍械實驗室的研究人員緊緊地抓住了上述的意外的事情，開展反復(fù)的實驗研究，終于發(fā)現(xiàn)含50%鎳和50%鈦的合金在溫度升高40℃以上時，能“記住”自己原來的形狀?？茖W(xué)家把這種現(xiàn)象叫做形狀記憶效應(yīng)，具有記憶功能的合金稱為形狀記憶合金。閱讀材料有記憶的金屬4960年代初的一天，美國海軍軍械實驗室的研究人員領(lǐng)50形狀記憶合金——新型金屬的代表之一

實驗錄像50形狀記憶合金——新型金屬的代表之一實驗錄像51科學(xué)家早在60年代就發(fā)現(xiàn)了鈦鎳合金是有“記憶”的。這種“記憶金屬”制成的衛(wèi)星自展天線在升空前只有巴掌大小，到了太空加熱后就會展開到四五米！51科學(xué)家早在60年代就發(fā)現(xiàn)了鈦鎳合金是有“記憶”的。這種“52形狀記憶合金

形狀記憶效應(yīng)(ShapeMemoryEffect):一旦取消外力或改變溫度,使發(fā)生塑性變形后的合金又能恢復(fù)原來的形狀。形狀記憶效應(yīng)有三種形式:單向形狀記憶效應(yīng)、雙向形狀記憶效應(yīng)和全方位形狀記憶效應(yīng)。52形狀記憶合金53冷卻冷卻冷卻冷卻冷卻變形變形變形加熱加熱加熱高溫時形狀(a)(b)(c)53冷卻冷卻冷卻冷卻冷卻變形變形變形加熱加熱加熱高溫時形狀54

科普展覽會上有一種神奇的金屬花，記憶合金”花朵”，它的花瓣是用記憶合金制成的，具有記憶能力，燈光一照會綻開。54科普展覽會上有一種神奇的金屬花，記憶合金”花朵”55雙程CuZnAl記憶合金花

采用CuZnAl記憶合金片，以熱水或熱風(fēng)為熱源，開放溫度為65℃~85℃，閉合溫度為室溫?；ɡ僦睆?0mm,展開直徑200mm。動作幅度為1800。另外，可據(jù)用戶要求訂做。55雙程CuZnAl記憶合金花56

工業(yè)常用形狀記憶合金作開關(guān)，用于火警探測系統(tǒng)等。由于生物相容性好，Ti-Ni合金是目前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域使用的唯一的形狀記憶合金。形狀記憶合金更多的潛在應(yīng)用是埋置在材料里組成智能復(fù)合材料。56工業(yè)常用形狀記憶合金作開關(guān)，用于火警探測57記憶釘子

菲力浦公司研制了一種由“記憶金屬”制成的釘子,把它安在汽車外胎上，當(dāng)氣溫降低、公路結(jié)冰時，釘子會“自動”從外胎里伸出來，防止車輪打滑。

“記憶金屬”食道架能在喉部膨脹成新的食道。必要時只要向食道里加上冰塊，“食道”又會遇冷收縮，從而可輕易取出，使失去進(jìn)食功能的食道癌患者提高了生活質(zhì)量。記憶食道支架

用這種“記憶金屬”造出汽車，萬一被撞癟，只要澆上一桶熱水就可恢復(fù)到原來的形狀。汽車57記憶釘子

菲力浦公司研制了一種由“記憶58

人們蓋上用記憶合金絲混合羊毛織成的毛毯后，如毛毯溫度過熱，它就會自動掀開一部分，適當(dāng)降低溫度，使人睡得更安穩(wěn)。記憶毛毯記憶照明燈

法國巴黎用形狀記憶合金制造的城市照明燈，有兩瓣隨著燈的亮滅而逐漸張開或合上的金屬葉片。白天，路燈熄滅，葉片合上；傍晚，路燈亮起燈泡發(fā)熱，葉片受熱而逐漸張開，使燈泡顯露出來。58人們蓋上用記憶合金絲混合羊毛織59形狀記憶合金的特點形狀記憶合金材料是一種新型的功能材料，其特點是在一定的外力作用下可以改變其形態(tài)(形狀和體積)，但當(dāng)溫度升高到某一定值時，它又可完全恢復(fù)原來的形態(tài)。通過形狀記憶合金模仿肌肉的收縮來實現(xiàn)人工肌肉的功能。用背部的金屬纖維振動翅膀59形狀記憶合金的特點形狀記憶合金材料是一種新型的功能材料，60形狀記憶合金的用途（一）在航空上的應(yīng)用——月球上的“奇葩”在室溫下用形狀記憶合金制成拋物面天線，然后把它揉成直徑5厘米以下的小團(tuán)，放入阿波羅11號的艙內(nèi)，在月面上經(jīng)太陽光的照射加熱使它恢復(fù)到原來的拋物面形狀。這樣就能用空間有限的火箭艙運送體積龐大的天線了。60形狀記憶合金的用途（一）在航空上的應(yīng)用——在室溫下用形狀61宇宙飛船登月的月面天線

宇宙飛船登月之后，為了將月球上收集到的各種信息發(fā)回地球，必須在月球上架設(shè)直徑為好幾米的半月面天線。要把這個龐然大物直接放入宇宙飛船的船艙中幾乎是不可能?？蒲腥藛T先用硬度和剛性非常好的鎳鈦合金在40℃以上制成半球面的月面天線，再讓天線冷卻到28℃以下。這時合金內(nèi)部發(fā)生了結(jié)晶構(gòu)造轉(zhuǎn)變，變得非常柔軟，很容易把天線折疊成小球似的一團(tuán)，放進(jìn)宇宙飛船的船艙里。到達(dá)月球以后，宇航員把變軟的天線放在月面上，借助于太陽光照射或其它熱源的烘烤使環(huán)境溫度超過40℃，這時天線像一把折疊傘自動張開，迅速投入正常的工作。閱讀材料61宇宙飛船登月的月面天線閱讀材料62月面天線62月面天線63形狀記憶合金的用途（二）在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

合金作為驅(qū)動元件，具有可動的肩、肘、腕及手指的微型機(jī)械手。手指和手腕靠TiNi合金螺旋彈簧的伸縮實現(xiàn)開閉和彎曲動作，肘和肩是靠直線狀的TiNi合金絲的伸縮做彎曲動作，各個形狀記憶合金驅(qū)動元件都由直接通上的電流加以控制。

63形狀記憶合金的用途（二）在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用64

醫(yī)療上用鎳鈦形狀記憶合金制造牙齒的矯正器、凝血過濾器，腦動脈瘤手術(shù)夾鉗、人造心臟瓣膜、脊椎矯正器、骨折部位的定位夾具等，給病人帶來福音。

將“記憶金屬”做成“金屬食道支架”，能在患者喉部膨脹成新的食道，必要時只要向食道里加冰塊，“食道”又會遇冷收縮，從而可輕易取出。64醫(yī)療上用鎳鈦形狀記憶合金制造牙齒的矯正器、凝血過65

隨著社會的發(fā)展，我們對金屬的認(rèn)識也在增加。并且，也希望新的材料的誕生。也許在不遠(yuǎn)將來，我們都會擁有一輛由“記憶金屬”制作的汽車，我們再也不怕把汽車碰撞的凹凸不平而心痛惋惜了。這種“記憶金屬”即是鎳鈦合金。如把這樣一塊金屬進(jìn)行加熱，它將形成一定的形態(tài)。冷卻后，任意揉皺，或使它彎曲，再加熱后，它又恢復(fù)了原狀。變形汽車65隨著社會的發(fā)展，我們對金屬的認(rèn)識也在增加。并且，66科學(xué)家還用記憶合金做成食道支架，對失去進(jìn)食功能的食道癌患者來說，“記憶金屬”食道架能在喉部膨脹成新的食道，必要時只要向食道里加上冰塊，“食道”又會遇冷收縮，從而可輕易取出。人造食道66科學(xué)家還用記憶合金做成食道支架，對失去進(jìn)食功能的食道癌患67一般眼鏡架于耳上，使人感到不自在。本設(shè)計引用記憶金屬，適合頭部不同形狀和大小，兼具防滑作用，不佩戴時，可置于頭上，防止遺失。記憶眼鏡67一般眼鏡架于耳上，使人感到不自在。本設(shè)計引用記憶金屬，適68防火煙灰缸

日本研制出用記憶金屬制造的煙灰缸，可自動將吸煙者置于煙灰缸邊上的香煙熄火。這種煙缸利用記憶金屬隨溫度變形的特點，當(dāng)香煙燃至一定的程度，處于水平狀態(tài)下的金屬片外端就會自動抬起，使煙頭傾斜落入缸內(nèi)，這種煙灰缸能有效的避免吸煙者因忘記熄滅香煙而發(fā)生火災(zāi)，很受吸煙者歡迎。68防火煙灰缸日本研制出用記憶金屬制造的煙灰69法國巴黎用形狀記憶合金制造的城市照明燈，有兩瓣隨著燈的亮、滅而逐漸張開或合上的葉片。白天，路燈熄滅，葉片合上，傍晚之后，葉片受燈泡熱度的作用而逐漸張開，讓燈泡顯露出來。記憶照明燈用記憶金屬制成的釘子安在汽車的外胎上，當(dāng)遇氣溫降低公路上結(jié)有冰霜時，釘子會自動從外胎里伸出來，防此輪胎打滑。記憶釘子69法國巴黎用形狀記憶合金制造的城市照明燈，有兩瓣隨著燈的亮70

記憶合金管的接頭70記憶合金管的接頭71記憶鉚釘71記憶鉚釘72形狀記憶合金的用途歸納(1)汽車：后霧燈罩、手動變速箱的防噪音裝置、燃料蒸發(fā)氣體排出控制閥；(2)電子設(shè)備：電子爐灶換氣門的開閉器、空調(diào)風(fēng)向自動調(diào)節(jié)器、咖啡牛奶沸騰感知器、電飯鍋壓力調(diào)節(jié)器、電磁調(diào)理器過熱感知器、溫泉浴池調(diào)理器等；(3)安全器具：過熱報警器、火災(zāi)報警器、煙灰缸滅火栓等；(4)醫(yī)療方面：人工牙根、牙齒矯正絲、導(dǎo)線等；(5)生活用品：自動干燥庫門開閉器、衛(wèi)生間洗滌器水管轉(zhuǎn)換開關(guān)、空調(diào)進(jìn)出口風(fēng)向調(diào)節(jié)器、浴池保溫器、玩具、路標(biāo)方向指示轉(zhuǎn)換器、家庭換氣門開閉器、防火擋板、凈水器熱水防止閥、恒溫箱混合水栓溫度調(diào)節(jié)閥、眼鏡固定件、眼鏡框架、胸罩絲、釣魚線、便攜電話天線、裝飾品等。72形狀記憶合金的用途歸納(1)汽車：后霧燈罩、手動變速箱的73非晶態(tài)合金和金屬玻璃

1960年，美國科學(xué)家皮·杜威等首先發(fā)現(xiàn)某些液態(tài)貴金屬合金，如金硅合金等在冷卻速度非?？斓那闆r下，當(dāng)金屬內(nèi)部的原子來不及”理順”位置，仍處于無序的紊亂狀態(tài)時，便馬上凝固了，成為非晶態(tài)金屬。這些非晶態(tài)金屬材料的結(jié)構(gòu)與玻璃的結(jié)構(gòu)極為相似,所以又稱為“金屬玻璃”……非晶態(tài)合金制品可以由液體金屬一次直接成型，省去了鑄、鍛等加工工序，而且邊角余料可全部回收，能極大節(jié)省能源和材料?！喿x材料

大塊金屬玻璃73非晶態(tài)合金和金屬玻璃1960年，美國科74Classisover.

Bye-bye!74Classisover.

Bye-bye!75第二章智能無機(jī)非金屬材料75第二章智能無機(jī)非金屬材料76前言陶瓷材料：指氧化物、碳化物、氮化物以及硼化物等非金屬類耐高溫、高強(qiáng)度的材料。特點：性能多樣性。缺點：脆性和使用可靠性低。陶瓷材料智能化主要目的：就是改善陶瓷的脆性，比較理想的方法就是增韌機(jī)制和自診斷同時進(jìn)行。在線診斷技術(shù)：主要測量應(yīng)變、相變、裂紋萌生和擴(kuò)展，其中測量應(yīng)變主要有光導(dǎo)纖維、壓電材料、磁致伸縮材料等。76前言陶瓷材料：指氧化物、碳化物、氮化物以及硼化物等非金772.1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。自診斷功能來源：導(dǎo)電相(連續(xù)長纖維、分散增韌相)、晶界相、多層結(jié)構(gòu)、介電體、壓電體等的應(yīng)用。增韌機(jī)制：長纖維的復(fù)合、橋接、分散相的復(fù)合、相變增韌、晶體結(jié)構(gòu)的微細(xì)化等。理想的自診斷方法：增韌機(jī)制與自診斷功能同時并存。772.1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78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，碳纖維斷裂，電阻值出現(xiàn)急劇升高趨勢。方法一：將碳纖維與玻璃纖維組合形成的纖維束包裹在樹脂中，埋入混凝土結(jié)構(gòu)中。據(jù)此可以預(yù)測纖維束完全斷裂前的狀態(tài)，達(dá)到預(yù)警的目的。78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電阻的79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)裂紋的產(chǎn)生、閉合、張開和擴(kuò)展。循環(huán)拉伸載荷：拉伸時電阻值升高，卸載時電阻值又下降回復(fù)到接近原始值。79方法二：將剪成5mm左右的短碳纖維直接加入到混凝土中，起80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80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)81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，實現(xiàn)分布式監(jiān)測，對裂縫進(jìn)行定位。將光纖直接埋入混凝土結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)因受力和溫度變化產(chǎn)生變形或裂縫光纖產(chǎn)生變形光在強(qiáng)度、相位、波長及偏振等方面發(fā)生變化確定結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形或裂縫實現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形和裂紋的自監(jiān)測和自診斷光纖機(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)。81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822.2

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，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822.2自修補(bǔ)自愈合材料生物材料的自修復(fù)、自愈合：人造83高溫下陶瓷涂層的自動成膜機(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。83高溫下陶瓷涂層的自動成膜機(jī)制在高溫真空器件使用的不銹鋼中84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“流入”裂紋并屏蔽內(nèi)部組織與氧氣的接觸?！M分高溫氧化和表面裂紋縱深發(fā)展的相互促進(jìn)過程。84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85自適應(yīng)抗氧化機(jī)制：高溫下鈮在氮化硅表面形成Nb2O5-NbO2-Nb2O3-NbN的過渡氧化物層。實例：在氮化硅陶瓷中加入少量NbN

空氣/O2Nb2O5NbNNb2O3NbO2Si3N4+NbN85自適應(yīng)抗氧化機(jī)制：實例：在氮化硅陶瓷中加入少量NbN86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，氧將依次與氧化層中價態(tài)較低的鈮的氧化物或氮化物反應(yīng)，生成更高價態(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。86氧化層——類似人“掌繭”的功能這些氧化物為玻璃態(tài)，呈致密87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。87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88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。88自愈合機(jī)制：實例：在氮化硅陶瓷中加入少量介電常數(shù)較大89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，于是纖維分散開來，凝固后就得到自愈合混凝土。

89自愈合混凝土將粘結(jié)劑填入中空玻璃纖維，埋入混凝90壓電陶瓷

某些材料在機(jī)械力作用下產(chǎn)生變形，會引起表面帶電的現(xiàn)象，而且其表面電荷密度與應(yīng)力成正比，這稱為正壓電效應(yīng)（力→電）。反之，在某些材料上施加電場，會產(chǎn)生機(jī)械變形，而且其應(yīng)變與電場強(qiáng)度成正比，這稱為逆壓電效應(yīng)（電→力）。壓電材料是能夠把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能，反之亦然的材料。常用的壓電陶瓷有鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛以及三元系壓電陶瓷等。90壓電陶瓷91壓電陶瓷的應(yīng)用范圍非常廣泛，而且與人類的生活密切相關(guān)。其應(yīng)用大致可歸納為以下四方面。（1）能量轉(zhuǎn)換。壓電陶瓷可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，故可用于制造壓電打火機(jī)、壓電點火機(jī)、移動X光機(jī)電源、炮彈引爆裝置等。用壓電陶瓷也可以把電能轉(zhuǎn)換為超聲振動，用于探尋水下魚群，對金屬進(jìn)行無損探傷，以及超聲清洗、超聲醫(yī)療等。（2）傳感。用壓電陶瓷制成的傳感器可用來檢測微弱的機(jī)械振動并將其轉(zhuǎn)換為電信號，可應(yīng)用于聲納系統(tǒng)、氣象探測、遙感遙測、環(huán)境保護(hù)、家用電器等。91壓電陶瓷的應(yīng)用范圍非常廣泛，而且與人類92（3）驅(qū)動。壓電驅(qū)動器是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生形變，以精確地控制位移，可用于精密儀器與精密機(jī)械、微電子技術(shù)、光纖技術(shù)及生物工程等領(lǐng)域。（4）頻率控制。壓電陶瓷還可以用來制造各種濾波器和諧振器。92（3）驅(qū)動。壓電驅(qū)動器是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生形變93自愈合陶瓷材料材料一旦產(chǎn)生缺陷，在無外界作用情況下，材料本身具有自我恢復(fù)的能力稱為自愈合。自愈合的途徑：輸入熱能，當(dāng)特制的具備愈合功能金屬基復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生缺陷時，會導(dǎo)致預(yù)埋的的鋼管纖維破裂，此時對材料簡單加熱可令管內(nèi)低熔點合金流出快速輸運至缺陷處令其愈合。輸入電能，設(shè)想材料經(jīng)一段疲勞試驗后，內(nèi)部產(chǎn)生一定的微觀缺陷，此時若能輸入一定電能，或大電流脈沖處理，均可令材料內(nèi)部缺陷得以改善。93自愈合陶瓷材料94具有自愈合能力的材料有以下幾部分組成:1)一種內(nèi)部損壞的因素，諸如一個導(dǎo)致開裂的動力荷載。2)一種釋放修復(fù)化學(xué)制品的刺激物。3)一種用于修復(fù)的纖維。4)一種修復(fù)用化學(xué)制品，它能對刺激物產(chǎn)生反應(yīng),發(fā)生移動或是變化。5)在纖維內(nèi)部的推動化學(xué)制品的因素。6)在交叉連接聚合體的情況下，使基體中的化學(xué)制品固化的一種方法或在單體的情況下干燥基體的一種方法。94具有自愈合能力的材料有以下幾部分組成:95在這些初期的工作中，通過實驗分析研究了被埋入基體中的修復(fù)纖維中的化學(xué)制品的釋放機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)采用修復(fù)纖維和隨后的修復(fù)化學(xué)制品釋放的方法來控制開裂的行為，可以通過在空心修復(fù)纖維中加入合適粘結(jié)劑的方法來完成?；炷恋淖孕迯?fù)系統(tǒng)對基體微裂縫的修補(bǔ)和有效的延緩潛在的危害提供了一種新的方法。一個自修復(fù)系統(tǒng)將免去了有效的監(jiān)聽和外部修補(bǔ)所需的高額費用，且大大有利于復(fù)合材料的安全性和耐久性。此外，材料的壽命也將延長。95在這些初期的工作中，通過實驗分析研究了被埋96第三章功能高分子材料和智能高分子材料96第三章功能高分子材料和智能高分子材料979798有機(jī)電子學(xué)顯示器太陽能電池照明生物傳感器98有機(jī)電子學(xué)顯示器太陽能電池99有機(jī)光電子器件

需求：研究有機(jī)分子/高分子的電子過程將建立一個由新型電子屏幕、存儲器和晶體管等組成的

“有機(jī)電子工業(yè)”。

學(xué)科：將誕生分子電子學(xué)、納米電子學(xué)與塑料電子學(xué)學(xué)科領(lǐng)域99有機(jī)光電子器件需求：研究有機(jī)分子/高分子的電子過程將建100新工作原理和新物理機(jī)制容易實現(xiàn)大屏幕和柔性制備工藝簡單，具有價格優(yōu)勢5億US$30億US$20042009塑料電子學(xué)為跨學(xué)科領(lǐng)域國際科學(xué)前沿的重要研究方向和高技術(shù)的競爭焦點。手機(jī)電視領(lǐng)域背景100新工作原理和新物理機(jī)制5億US$30億US$20042101光敏高分子在光作用下能迅速發(fā)生化學(xué)和物理變化的高分子，或者通過高分子或小分子上光敏官能團(tuán)所引起的光化學(xué)反應(yīng)（如聚合、二聚、異構(gòu)化和光解等）和相應(yīng)的物理性質(zhì)（如溶解度、顏色和導(dǎo)電性等）變化而獲得的高分子材料。目前，光敏高分子的合成已成為精細(xì)高分子合成的一個重要方面。101光敏高分子在光作用下能迅速發(fā)生化學(xué)和物102藥物緩釋高分子可在使用條件下使藥物緩慢釋放以延長藥物作用時間的材料。如制成可承裝藥物并使其緩慢釋放的高分子微膠囊。

102藥物緩釋高分子可在使用條件下使藥物緩慢釋103功能高分子材料1、功能高分子材料的概念

是指除了具有一定力學(xué)性能外，還具有物質(zhì)分離、光、電、磁、能量儲存和轉(zhuǎn)化、生物醫(yī)用等特殊性能的高分子材料，這種特殊功能是由它們的鏈結(jié)構(gòu)、鏈上所帶的功能基的種類、數(shù)量、分布以及高分子的聚集態(tài)和形態(tài)所確定的。

103功能高分子材料1、功能高分子材料的概念104功能高分子的產(chǎn)生隨著人們在生產(chǎn)和生活方面對新型聚合材料的需求,以及高分子化學(xué)研究的深入和發(fā)展,眾多的有著不同于以上特征,帶有特殊物理化學(xué)性質(zhì)和功能的高分子材料大量涌現(xiàn),其性能和特征都超出了原有常規(guī)高分子材料的范疇,使人們有必要對這些新型聚合物材料進(jìn)行重新認(rèn)識。功能高分子化學(xué)就是在這種背景下發(fā)展起來的一門科學(xué)。那些性質(zhì)和功能很特殊的新型聚合物材料即屬于功能高分子材料。

104功能高分子的產(chǎn)生隨著人們在生產(chǎn)和生活方面對新型聚合材料105功能高分子化學(xué)的發(fā)展

功能高分子化學(xué)的發(fā)展可以追述到很久以前，如光敏高分子材料和離子交換樹脂都有很長的發(fā)展歷史。但是作為一門獨立學(xué)科，則是一門全新的科學(xué)。功能高分子化學(xué)還是一門新興邊緣交叉學(xué)科，是目前國內(nèi)外異?；钴S的一個研究領(lǐng)域。功能高分子化學(xué)在高分子化學(xué)中地位、相當(dāng)于精細(xì)化工在化工領(lǐng)域地位，因此有人稱功能高分子為精細(xì)高分子，指其產(chǎn)品的產(chǎn)量小、產(chǎn)值高、制造工藝復(fù)雜、性能獨特。105功能高分子化學(xué)的發(fā)展功能高分子化學(xué)的發(fā)展可以追述到很106獨特的“功能”功能高分子化學(xué)之所以能成為國內(nèi)外材料科學(xué)的重要研究熱點之一，最主要的原因在于他們具有獨特的“功能”，可以用于替代其他功能材料，并提高或改進(jìn)其性能使其成為具有全新性質(zhì)的功能材料。功能高分子化學(xué)研究，代表了高分子化學(xué)的發(fā)展方向，人們甚至期望功能高分子材料能象合成纖維帶來紡織革命一樣，在其它生產(chǎn)和科學(xué)領(lǐng)域帶來一場革命。106獨特的“功能”功能高分子化學(xué)之所以能成為國內(nèi)外材料科學(xué)107功能高分子材料2、功能高分子與高性能高分子材料的區(qū)別

高性能高分子材料或結(jié)構(gòu)材料當(dāng)有外來的刺激時，能通過化學(xué)或物理的方法做出響應(yīng)的高分子材料

對外力有特別強(qiáng)抵抗能力的高分子材料107功能高分子2、功能高分子與高性能高分子材料的區(qū)別高性1083、功能高分子發(fā)展的背景

1935年發(fā)明了離子交換樹脂；1957年發(fā)現(xiàn)了聚乙烯基咔唑的光電導(dǎo)性，打破了多年來認(rèn)為高分子材料只能是絕緣體的觀念；20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的光敏高分子化學(xué)，在光聚合、光交聯(lián)、光降解、熒光以及光導(dǎo)機(jī)理的研究方面都取得了重大突破，特別在過去20多年中有了飛快發(fā)展，并在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用......1966年Little提出超導(dǎo)高分子模型，隨后在1975年發(fā)現(xiàn)了聚氮化硫的超導(dǎo)性，1993年俄羅斯科學(xué)家報道了在經(jīng)過長期氧化的聚丙烯體系中發(fā)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)體；1083、功能高分子發(fā)展的背景1091911年，荷蘭萊頓大學(xué)的卡末林—昂內(nèi)斯意外地發(fā)現(xiàn)，將汞冷卻到-268.98℃時，汞的電阻突然消失；后來他又發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性，由于它的特殊導(dǎo)電性能，卡末林—昂內(nèi)斯稱之為超導(dǎo)態(tài)。卡茂林由于他的這一發(fā)現(xiàn)獲得了1913年諾貝爾獎。超導(dǎo)是指某些物質(zhì)在一定溫度條件下（一般為較低溫度）電阻降為零的性質(zhì)。人們把處于超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體稱之為“超導(dǎo)體”。超導(dǎo)體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失，被稱作零電阻效應(yīng)。導(dǎo)體沒有了電阻，電流流經(jīng)超導(dǎo)體時就不發(fā)生熱損耗，電流可以毫無阻力地在導(dǎo)線中形成強(qiáng)大的電流，從而產(chǎn)生超強(qiáng)磁場。1091911年，荷蘭萊頓大學(xué)的卡末林—昂內(nèi)斯意外地發(fā)現(xiàn)，將11020世紀(jì)80年代，高分子傳感器、人工臟器、高分子分離膜等技術(shù)得到快速發(fā)展；1994年塑料柔性太陽能電池在美國阿爾貢實驗室研制成功；1997年發(fā)現(xiàn)聚乙炔經(jīng)過摻雜具有金屬導(dǎo)電性，導(dǎo)致了聚苯胺、聚吡咯等一系列導(dǎo)電高分子的問世。11020世紀(jì)80年代，高分子傳感器、人工臟器、高分子分離膜1114、科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需求

1）新能源的要求

太陽能和氫將成為今后的主要能源。光電轉(zhuǎn)換材料就成為太陽能利用的關(guān)鍵，硅材料已進(jìn)入了實用階段。因為其最高能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)40.8%，然而單晶硅價格太高，為此，人們正把注意力轉(zhuǎn)向可高效轉(zhuǎn)換太陽能的功能高分子太陽能電池(11%)。1114、科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需求1122）交通和宇航技術(shù)的要求

1122）交通和宇航技術(shù)的要求113

高度集成化是微電子工業(yè)發(fā)展的趨勢，高功能光致抗蝕材料（感光高分子）已成為微電子工業(yè)的關(guān)鍵材料之一。3）微電子技術(shù)的要求113高度集成化是微電子工業(yè)發(fā)展的趨勢，高功能光致抗蝕材料114生物分離介質(zhì)的研制成功使生命組成的各種組分能得以精細(xì)地分級，對生命科學(xué)的貢獻(xiàn)將是十分重大的。可降解性高分子材料的問世，將大大減緩白色公害對人類的危害。4）生命科學(xué)和環(huán)境保護(hù)的要求114生物分離介質(zhì)的研制成功4）生命科學(xué)和環(huán)境保護(hù)的要求1155、功能高分子材料的分類5.1從組成和結(jié)構(gòu)上分類：功能高分子材料

結(jié)構(gòu)型功能高分子材料

復(fù)合型功能高分子材料

大分子鏈結(jié)構(gòu)中具有特定功能基團(tuán)

普通高分子材料為載體或基體，與具有某些特定功能的其他材料進(jìn)行復(fù)合

1155、功能高分子材料的分類功能高分子材料結(jié)構(gòu)型功能高分1165.2從功能上分類：1）力學(xué)功能材料強(qiáng)化功能材料，如超高強(qiáng)材料、高結(jié)晶材料等；彈性功能材料，如熱塑性彈性體等。2）化學(xué)反應(yīng)功能材料

分離功能材料，如分離膜、離子交換樹脂、高分子絡(luò)合物等；反應(yīng)功能材料，如高分子催化劑、高分子試劑、螯合高分子、感光性高分子；生物功能材料，如固定化酶、生物反應(yīng)器等。1165.2從功能上分類：1173）物理化學(xué)功能材料熱功能高分子，如耐高溫高分子，高分子液晶等；電學(xué)功能材料，如導(dǎo)電性高分子、超導(dǎo)高分子，感電子性高分子；光學(xué)功能材料，如導(dǎo)光性高分子，光敏性高分子、熒光和發(fā)光高分子等；能量轉(zhuǎn)換功能材料，如壓電性高分子、熱電性高分子等。4）生物化學(xué)功能材料人工臟器用高分子材料，如人工腎、人工心肺等；高分子藥物，如藥物活性高分子、緩釋性高分子藥物、高分子農(nóng)藥等；生物分解材料，如可降解性高分子材料等。1173）物理化學(xué)功能材料1185.3按用途分類

反應(yīng)性高分子材料，包括高分子試劑、高分子催化劑和高分子染料和涂料、粘合劑。光敏型高分子，包括各種光穩(wěn)定劑、光刻膠，感光材料、非線性光學(xué)材料、光導(dǎo)材料和光致變色材料等。高分子電性能材料，包括導(dǎo)電聚合物、能量轉(zhuǎn)換型聚合物、電致發(fā)光和電致變色材料以及其他電敏感性材料等。高分子分離材料，包括各種分離膜、緩釋膜和其他半透性膜材料、離子交換樹脂、高分子螯合劑、高分子絮凝劑等。1185.3按用途分類119高分子吸附材料，包括高分子吸附性樹脂、高吸水性高分子、高吸油性高分子等。高分子智能材料，包括高分子記憶材料、信息存儲材料和光、磁、pH、壓力感應(yīng)材料等。高分子醫(yī)用材料，包括醫(yī)用高分子材料、藥用高分子材料和醫(yī)藥用輔助材料等。高性能工程材料，如高分子液晶材料，耐高溫高分子材料、高強(qiáng)高模量高分子材料、阻燃性高分子材料和功能纖維材料、生物降解高分子等。119高分子吸附材料，包括高分子吸附性樹脂、高吸水性高分子、1205.4按來源分類

功能高分子材料天然功能高分子材料包括蛋白質(zhì)、核酸、酶、多肽、血紅素等

半合成功能高分子材料如：固化淀粉酶和固化糖酶

合成功能高分子材料所占比例最大1205.4按來源分類功能高分子材料半合成功能高分子材料1216功能高分子材料的合成方法

特種與功能高分子材料的特點在于他們特殊的“性能”和“功能”，因此在制備這些高分子材料的時候，分子設(shè)計成為十分關(guān)鍵的研究內(nèi)容。設(shè)計一種能滿足一定需要的功能高分子材料是高分子化學(xué)研究的一項主要目標(biāo)。1216功能高分子材料的合成方法122目前采用的制備方法來看，功能高分子材料的制備可歸納為以下四種類型：功能性小分子材料的高分子化，已有高分子材料的功能化，多功能材料的復(fù)合，已有功能高分子材料的功能擴(kuò)展。122目前采用的制備方法來看，功能高分子材料的1236.1功能性小分子材料的高分子化

對具有一定功能性小分子進(jìn)行高分子化反應(yīng)，賦予其高分子的功能特點，即有可能開發(fā)出新的功能高分子材料。例如：利用青霉素結(jié)構(gòu)中的羧基、氨基與高分子反應(yīng)，可得到療效長的高分子青霉素。

1236.1功能性小分子材料的高分子化124早在唐朝時，長安城的裁縫會把長有綠毛的糨糊涂在被剪刀劃破的手指上來幫助傷口愈合，就是因為綠毛產(chǎn)生的物質(zhì)（青霉素素菌）有殺菌的作用，也就是人們最早發(fā)現(xiàn)并使用青霉素。近代，1928年英國細(xì)菌學(xué)家弗萊明首先發(fā)現(xiàn)了世界上第一種抗生素—青霉素，1941年前后英國牛津大學(xué)病理學(xué)家霍華德·弗洛里與生物化學(xué)家錢恩實現(xiàn)對青霉素的分離與純化，并發(fā)現(xiàn)其對傳染病的療效，弗萊明、弗洛里、錢恩三人共同獲得1945年諾貝爾獎。目前所用的抗生素大多數(shù)是從微生物培養(yǎng)液中提取的，有些抗生素已能人工合成。由于不同種類的抗生素的化學(xué)成分不一，因此它們對微生物的作用機(jī)理也很不相同，有些抑制蛋白質(zhì)的合成，有些抑制核酸的合成，有些則抑制細(xì)胞壁的合成。124早在唐朝時，長安城的裁縫會把長有綠毛的125青霉素G類：如青霉素G鉀、青霉素G鈉、長效西林`青霉素G、peillinG、盤尼西林、配尼西林、青霉素鈉、芐青霉素鈉、青霉素鉀、芐青霉素鉀等。青霉素V類：如青霉素V鉀等（包括有多種劑型）。耐酶青霉素：如苯唑青霉素（新青Ⅱ號）、氯唑青霉素等。氨芐西林類：如氨芐西林、阿莫西林等?？辜賳伟嗝顾兀喝玺绕S西林、哌拉西林、替卡西林等。美西林及其酯匹西林：如美西林及其酯匹美西林等，其特點為較耐酶，對某些陰性桿菌（如大腸、克雷伯氏和沙門氏菌）有效，但對綠膿桿菌效差。甲氧西林類：如坦莫西林等125青霉素G類：如青霉素G鉀、青霉素G鈉、長效西林`青霉素1266.2功能高分子材料的多功能復(fù)合

將兩種以上的功能高分子材料以某種方式結(jié)合，將形成新的功能材料，而且具有任何單一功能高分子均不具備的性能，這一結(jié)合過程被稱為功能高分子材料的多功能復(fù)合過程。

6.3在同一分子中引入多種功能基

以這種方法制備的聚合物，或者集多種功能于一身，或者兩種功能起協(xié)同作用，產(chǎn)生出新的功能。1266.2功能高分子材料的多功能復(fù)合127目前現(xiàn)狀：高分子設(shè)計目前尚處于定性設(shè)計階段，還沒有進(jìn)入定量設(shè)計的高級階段。但功能高分子的結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系相對比較簡單，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和分子設(shè)計基礎(chǔ)研究的深化，完全有可能搞清它們的結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計合成路線和加工工藝，從而可望開發(fā)出各種具有特定功能基或一定結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)良的功能高分子材料。127目前現(xiàn)狀：高分子設(shè)計目前尚處于定性設(shè)計階段，還沒有128第二部分：智能高分子材料指集感知、驅(qū)動和信息處理于一體，形成類似生物材料那樣具有智能屬性的高分子材料，具有自診斷、自適應(yīng)、自修復(fù)和壽命預(yù)報以及靠自身驅(qū)動完成特定功能（如振動控制）的能力。外界環(huán)境變化瞬時主動響應(yīng)128第二部分：智能高分子材料指集129

智能材料智能高分子材料智能無機(jī)非金屬材料智能金屬材料

功能材料多水平結(jié)構(gòu)層次較弱的分子間作用力側(cè)鏈易引入官能團(tuán)便于分子設(shè)計和精細(xì)控制質(zhì)輕易涂覆利于感知判斷環(huán)境實現(xiàn)環(huán)境響應(yīng)129智能材料智能高分子材料智能無機(jī)非金屬材料智能金屬材130智能高分子材料的一般分類及應(yīng)用類別性質(zhì)應(yīng)用記憶功能高分子材料對應(yīng)力形狀體積色澤等有記憶效應(yīng)醫(yī)用材料/包裝材料織物材料/熱收縮管智能纖維織物熱適應(yīng)性，可逆收縮性服裝/保溫系統(tǒng)傳感/執(zhí)行系統(tǒng)生物醫(yī)用壓力繃帶智能高分子凝膠三維高分子網(wǎng)絡(luò)與溶劑組成的體系，體積相轉(zhuǎn)變組織培養(yǎng)/環(huán)境工程化學(xué)機(jī)械系統(tǒng)/調(diào)光材料智能藥物釋放體系智能高分子復(fù)合材料集成傳感器、信息處理器功能驅(qū)動器，多學(xué)科交叉產(chǎn)物自愈合、自應(yīng)變、自動修補(bǔ)混凝土減震速造建筑材料形狀記憶合金/復(fù)合功能器件壓電材料智能高分子膜選擇性滲透、選擇性吸附和分離等膜的組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)的變化選擇透過膜材傳感膜材/仿生膜材人工肺130智能高分子材料的一般分類及應(yīng)用類別性質(zhì)應(yīng)用記憶功能對應(yīng)131智能材料與普通材料的區(qū)別131智能材料與普通材料的區(qū)別132簡要的介紹三種智能高分子材料：記憶高分子材料智能高分子凝膠智能高分子膜132簡要的介紹三種智能高分子材料：133記憶高分子材料（shapememorypolymer)

形狀記憶是指具有初始形狀的制品，經(jīng)形變固定之后，通過加熱等外部條件刺激手段的處理，又可使其恢復(fù)初始形狀的現(xiàn)象,可分為熱致感應(yīng)型，光致感應(yīng)型，電致感應(yīng)型，化學(xué)感應(yīng)型四種。固定變形態(tài)記憶起始態(tài)恢復(fù)起始態(tài)應(yīng)力記憶高分子材料形狀記憶高分子材料體積記憶高分子材料色澤記憶高分子材料133記憶高分子材料（shapememorypolyme134熱致形狀記憶高分子種類和應(yīng)用

聚烯烴類：耐高溫/耐腐蝕熱致形狀記憶高分子

聚酯類：耐熱/耐化學(xué)藥品

聚氨酯類：建筑/醫(yī)學(xué)134熱致形狀記憶高分子種類和應(yīng)用135熱收縮管手術(shù)縫合線緊固鉚釘135熱收縮管136智能高分子凝膠三維高分子網(wǎng)絡(luò)與溶劑組成的體系含有親溶劑性基團(tuán)，可被溶劑溶脹最大的特點:體積相轉(zhuǎn)變pH值/離子強(qiáng)度溫度/光強(qiáng)度/電場溶脹相收縮相136智能高分子凝膠溶脹相收縮相137智能凝膠的分類1、來源天然凝膠合成凝膠2、交聯(lián)方式化學(xué)凝膠物理凝膠3、響應(yīng)刺激信號溫敏凝膠光敏凝膠PH響應(yīng)凝膠鹽敏凝膠電場響應(yīng)性凝膠......137智能凝膠的分類1、來源天然凝膠合成凝膠2、交聯(lián)方式化學(xué)138智能高分子凝膠的應(yīng)用調(diào)光材料：低溫透明高溫白濁化138智能高分子凝膠的應(yīng)用低溫透明高溫白濁化139智能藥物釋放系統(tǒng):葡萄糖響應(yīng)高分子配合物形成的胰島素釋放微囊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(jī)理：刺激響應(yīng)脈沖釋放139智能藥物釋放系統(tǒng):葡萄糖響應(yīng)高分子配合物形成的胰島素釋140智能高分子膜

分離膜是指能以特定形式限制和傳遞流體物質(zhì)的分隔兩相或兩部分的界面。篩分過濾蒸餾蒸發(fā)重結(jié)晶萃取離心分子尺寸的分離生物體組分的分離常用的化工分離高分子膜分離140智能高分子膜篩分過濾蒸餾分子尺寸的分離常用的化工分141智能高分子膜的分類

1）按膜的材料分類類別膜材料舉例

纖維素酯類（占50%以上）纖維素衍生物類醋酸纖維素，硝酸纖維素，乙基纖維素等非纖維素酯類聚砜類聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚酰(亞)胺類聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亞胺等聚酯、烯烴類滌綸，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等含氟(硅)類聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷等其他殼聚糖，聚電解質(zhì)等141智能高分子膜的分類類別膜材料舉例纖維素酯1422）按膜的分離原理及適用范圍分類

根據(jù)分離膜的分離原理和推動力的不同，可將其分為微孔膜、超過濾膜、反滲透膜、納濾膜、滲析膜、電滲析膜、滲透蒸發(fā)膜等。3）按膜斷面的物理形態(tài)分類

根據(jù)分離膜斷面的物理形態(tài)不同，可將其分為對稱膜，不對稱膜、復(fù)合膜、平板膜、管式膜、中空纖維膜等。1422）按膜的分離原理及適用范圍分類1434）按功能分類

日本著名高分子學(xué)者清水剛夫?qū)⒛ぐ垂δ芊譃椋悍蛛x功能膜氣體/液體分離膜、離子交換膜、化學(xué)功能膜能量轉(zhuǎn)化功能膜濃差能量轉(zhuǎn)化膜、光能轉(zhuǎn)化膜、機(jī)械能轉(zhuǎn)化膜、電能轉(zhuǎn)化膜，導(dǎo)電膜生物功能膜探感膜、生物反應(yīng)器、醫(yī)用膜1434）按功能分類144幾種主要分離膜的分離過程膜過程推動力傳遞機(jī)理透過物截留物膜類型微濾壓力差顆粒大小形狀水、溶劑溶解物懸浮物顆粒纖維多孔膜超濾壓力差分子大小形狀水、溶劑小分子膠體和超過截留分子量分子非對稱性膜納濾壓力差離子大小及電荷水、一價離子、多價離子有機(jī)物復(fù)合膜反滲透壓力差