第12章 機(jī)敏材料

1第十二章機(jī)敏材料（SmartMaterial）212.1機(jī)敏材料概述材料是時代進(jìn)步的標(biāo)志石器時代青銅時代鐵器時代合成材料機(jī)敏材料機(jī)敏材料是近年來世界上興起并發(fā)展迅速的一種新材料高性能多功能復(fù)合化智能化

智能材料概念是美國和日本科學(xué)家首先提出的。1989年日本高木俊宜教授將信息科學(xué)融于材料的特性和功能提出智能材料（intelligentmaterials），它是指對環(huán)境具有可感知、可響應(yīng)等功能的新材料;美國的R．E．Newnhain教授提出了靈巧(Smart)材料的概念，這種材料具有傳感和執(zhí)行功能，他將靈巧材料分為被動靈巧材料、主動靈巧材料和很靈巧材料三類。312.1.1形成與發(fā)展

智能材料是高技術(shù)新材料領(lǐng)域中正在形成的一門新的分支學(xué)科，是2l世紀(jì)的先進(jìn)材料，是當(dāng)前工程學(xué)科發(fā)展的國際前沿。

智能材料是一門交叉學(xué)科，它的發(fā)展不僅是材料學(xué)科本身的需要，而且可以帶動許多相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，如物理、化學(xué)、計算機(jī)、土木工程和航空航天的發(fā)展的。4設(shè)想：混凝土能自己發(fā)現(xiàn)混凝土大壩里的裂縫；玻璃能根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)的變化而自行改變透光率，使進(jìn)入室內(nèi)的陽光變暗或變亮；墻紙可以變化顏色以適應(yīng)不同環(huán)境；空中飛行的飛機(jī)能自行診斷其損傷狀態(tài)并自行修復(fù)。材料具有了“智能”，這種類型的材料就稱為智能材料。512.1.2基本概念具備傳感、執(zhí)行功能，不具備處理功能較低階段的智能材料6智能材料（intelligentmaterials）機(jī)敏材料（smartmaterials）具有感知環(huán)境（包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境）刺激，對之進(jìn)行分析、處理、判斷，并采取一定的措施進(jìn)行適度響應(yīng)的智能特征材料，同時具備傳感、處理和執(zhí)行三種基本功能。形狀記憶材料壓電材料電/磁流變液材料磁致收縮材料光纖材料7幾種常見的機(jī)敏材料定義：一種具有形狀自恢復(fù)功能的機(jī)敏材料，無論將該材料拉伸或彎曲成何種復(fù)雜形狀，只要通過熱、光、電等物理刺激或化學(xué)刺激的處理又可恢復(fù)成初始形狀。8形狀記憶合金形狀記憶陶瓷形狀記憶聚合物12.2形狀記憶材料形狀記憶合金的發(fā)現(xiàn)？什么是形狀記憶效應(yīng)？什么是形狀記憶合金？形狀記憶合金的分類？形狀記憶合金的應(yīng)用？912.2.1形狀記憶合金(ShapeMemoryAlloy,SMA)

20世紀(jì)60年代初，美國馬里蘭州海軍軍械研究所的科學(xué)家比勒，用鎳鈦合金絲做試驗(yàn)。這些合金絲彎彎曲曲，為了使用方便，他把這些合金絲弄直了。但是，當(dāng)他無意中把合金絲靠近火的時候，奇跡發(fā)生了：已經(jīng)弄直的合金絲居然完全恢復(fù)了它們原來彎彎曲曲的形狀。101）

形狀記憶合金的發(fā)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)（SME）：某些具有熱彈性和馬氏體相變的合金，處于馬氏體狀態(tài)下進(jìn)行一定限度的變形或變形誘發(fā)馬氏體后，在隨后的加熱過程中，當(dāng)超過馬氏體相消失的溫度后，材料就能完全恢復(fù)變形前的形狀和體積。形狀記憶合金（SMA）：具有形狀記憶效應(yīng)的合金。112）形狀記憶合金(ShapeMemoryAlloy,SMA)按形狀恢復(fù)情況分為三類：單程形狀記憶效應(yīng)雙程形狀記憶效應(yīng)全程記憶效應(yīng)123）

形狀記憶效應(yīng)分類單程記憶效應(yīng)將母相在高溫下制成某種形狀，再將母相冷卻，使之發(fā)生馬氏體相變，然后對馬氏體進(jìn)行任意變形；當(dāng)溫度升至Af點(diǎn)，馬氏體完全消失，材料恢復(fù)母相形狀，重新冷卻時卻不能恢復(fù)低溫相時的形狀。雙程記憶效應(yīng)加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時恢復(fù)低溫相形狀，通過溫度升降自發(fā)可逆地反復(fù)恢復(fù)高溫相形狀的現(xiàn)象，又稱可逆記憶效應(yīng)。全程效應(yīng)加熱時恢復(fù)高溫形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹母邷叵嗟默F(xiàn)象。13三種形狀記憶效應(yīng)：(a)單程；(b)雙程；(c)全程14單程TiNI記憶合金彈簧的動作變化情況（a）馬氏體狀態(tài)下未變形（b）馬氏體狀態(tài)下已變形（c）高溫下恢復(fù)奧氏體狀態(tài)，形狀完全恢復(fù)單程15雙程abcd雙程CuZnAl記憶合金花的動作變化情況未浸入熱水前浸入熱水后冷卻至室溫再次浸入熱水形狀記憶合金Ti-Ni系形狀記憶合金銅基形狀記憶合金鐵基形狀記憶合金163.形狀記憶合金分類迄今，已發(fā)現(xiàn)50多種形狀記憶合金，按照合金組成和相變特征，分3大類：

具有豐富的相變現(xiàn)象、優(yōu)異的形狀記憶和超彈性性能、良好的力學(xué)性能、耐腐蝕性能和生物相容性及高阻尼特性；研究的最全面、記憶性能最好、實(shí)用性強(qiáng)的合金材料，目前應(yīng)用最廣泛；目前唯一用作生物醫(yī)學(xué)材料的形狀記憶合金；應(yīng)用范圍涉及航天、航空、機(jī)械、電子、交通、建筑、能源、生物醫(yī)學(xué)及日常生活等；缺點(diǎn)：制造過程復(fù)雜，價格較昂貴。17（1）Ti-Ni系形狀記憶合金種類較多：Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Al-X（X=Mn、Ni）

Cu-Al-Ni、Cu-Al-Ni-

X（X=Mn、Ni）Cu-Zn-X（X=Si、Sn、Au）優(yōu)點(diǎn)：加工容易，成本低廉（只有NiTi的1/10）缺點(diǎn)：形狀記憶效應(yīng)明顯地低于Ti-Ni合金；

形狀記憶穩(wěn)定性差，有衰退現(xiàn)象。改善方法：細(xì)化晶粒；改善制備工藝獲得微晶，變形處理等18（2）銅基系形狀記憶合金19TiNi合金與CuZnAl合金性能的對比合金類型TiNi合金CuZnAl合金恢復(fù)應(yīng)變最大8%最大4%恢復(fù)應(yīng)力最大400MPa最大200MPa循環(huán)壽命105(ε=0.02)107(ε=0.005)102(ε=0.02)103(ε=0.005)耐蝕性良好不良，有應(yīng)力腐蝕破壞加工性不良不太好記憶處理較易相當(dāng)難優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)度高、塑性好、易加工、價格低廉、使用方便；最具價值和應(yīng)用前景的系統(tǒng)：

Fe-Mn-Si-Cr-Ni系與Fe-Mn-Si-Cr-N系與Fe-Mn-Si-Re20（3）鐵基系形狀記憶合金(1)連接緊固件管接頭鉚釘214）

形狀記憶合金的應(yīng)用TiNiNb(2)飛行器天線22NiTi形狀記憶合金折疊發(fā)射自動張開的宇航天線原理圖(3)驅(qū)動元件23熱水器上的CuZnAl記憶元件記憶合金絲，利用其形狀記憶特性，在一定溫度范圍內(nèi)，產(chǎn)生顯著地位移或力的變化，熱敏驅(qū)動元件。記憶合金空間有用載荷釋放機(jī)構(gòu)利用其記憶特性，加熱恢復(fù)形狀的同時，對外作功，可用于衛(wèi)星相機(jī)解鎖。(4)醫(yī)學(xué)應(yīng)用24支架材料TiNi合金是目前醫(yī)學(xué)上使用的唯一的記憶合金應(yīng)用：牙齒矯形絲；脊柱側(cè)彎矯形形狀記憶合金鋸器臂環(huán)抱內(nèi)固定器氧化鋯基陶瓷的形狀記憶效應(yīng)形狀記憶陶瓷的應(yīng)用

2512.2.2形狀記憶陶瓷

應(yīng)力誘發(fā)t→m馬氏體相變：回復(fù)應(yīng)變大；相變吸收裂紋尖端能量，有顯著增韌作用261）氧化鋯基陶瓷高溫立方結(jié)構(gòu)(c)中溫四方晶體(t)低溫單斜對稱結(jié)構(gòu)(m)再加熱到1150℃:m→t逆轉(zhuǎn)變加熱到950℃，冷卻:t→m轉(zhuǎn)變27PSZ：部分穩(wěn)定的四方氧化鋯。即在ZrO2中加入適量的穩(wěn)定劑，如MgO、Y2O3、CeO2、CaO等，使部分立方相和四方相保留到室溫。TZP：四方氧化鋯多晶，全部四方相保留到室溫。ZDC：氧化鋯彌散陶瓷，把增韌的ZrO2均勻分散地加入到其他陶瓷中去(例如A12O3)，構(gòu)成復(fù)合相陶瓷，又稱ZrO2增韌的A12O3陶瓷(ZTA)。三種典型ZrO2基陶瓷28

三種增韌的ZrO2基陶瓷的顯微組織示意圖(a)PSZ；(b)TZP；(c)ZTA29

9.4％molMg-PSZ的形狀記憶效應(yīng)(示意圖)a)燒結(jié)態(tài)試樣；b)熱處理試樣(1100℃×9h)；c)重新加熱到800℃30陶瓷形狀記憶效應(yīng)與合金的主要區(qū)別：(a)形狀記性變形的量較?。?b)每次記憶循環(huán)中都有較大的不可恢復(fù)變形，隨著循環(huán)次數(shù)增加，累計變形增加，最終導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)；(c)沒有雙程記憶效應(yīng)。313）形狀記憶陶瓷的應(yīng)用用PNZST陶瓷為驅(qū)動器的閉鎖繼電器

50um，尺寸緊湊，僅為通常電磁繼電器的1／10，用脈沖電壓操縱，節(jié)省能量；在350V電壓下4ms接通，在-50V斷開。形狀記憶聚合物聚合物的形狀記憶機(jī)理形狀記憶聚合物的種類形狀記憶高聚物的主要應(yīng)用

3212.2.3形狀記憶聚合物(ShapeMemoryPolymers)331）形狀記憶聚合物形狀記憶聚合物（SMP）：由固定相或稱硬化相(harddomin)和軟化—硬化可逆相或稱軟化相（softdomin）構(gòu)成，通過可逆相的可逆變化而具有形狀記憶效應(yīng)。SMP對外部環(huán)境的物理、化學(xué)因素較敏感，可完成“記憶初始態(tài)→固定變形態(tài)→恢復(fù)初始態(tài)”循環(huán)。優(yōu)點(diǎn)：形變量大，形變加工方便，形狀恢復(fù)溫度易于調(diào)節(jié)，保溫和絕緣性能好，易著色，不銹蝕，質(zhì)輕和價廉；缺點(diǎn)：強(qiáng)度低，形變恢復(fù)驅(qū)動力小，剛性和硬度低，穩(wěn)定性較差，易燃燒，耐熱性差，易老化和使用壽命短。34SMP與SMA相比SMP與SMA物理性能的比較352）聚合物的形狀記憶機(jī)理固定相（保持固定產(chǎn)品形狀）可逆相（在某溫度下可逆地發(fā)生軟化—硬化）組成：初始形狀的記憶和恢復(fù)作用：第二次變形和固定一般為聚合物的交聯(lián)結(jié)構(gòu)、部分結(jié)晶結(jié)構(gòu)、聚合物的玻璃態(tài)或分子鏈的纏繞。產(chǎn)生結(jié)晶與結(jié)晶熔融可逆變化的部分結(jié)晶相，或發(fā)生玻璃態(tài)與橡膠態(tài)可逆轉(zhuǎn)變（玻璃化溫度Tg）的相結(jié)構(gòu)。兩者具有不同的軟化溫度36聚合物通常是借助熱刺激產(chǎn)生形狀記憶，以聚降冰片烯為例：(35℃)乙烯＋環(huán)戊二烯降冰片烯聚降冰片烯固定相為高分子鏈的纏繞交聯(lián)，可逆相為玻璃態(tài)與橡膠態(tài)可逆變化的結(jié)構(gòu)屬熱塑性樹脂，可通過壓延、擠出、注塑等工藝加工成型；Tg為35℃，接近人體溫度，室溫下為硬質(zhì)，適于用作人用織物制品；而且強(qiáng)度高，有減震作用；具有較好的耐濕氣性和滑動性373）幾種主要的形狀記憶聚合物聚降冰片烯催化開環(huán)聚合苯乙烯—丁二烯共聚物反式1,4—聚異戊二烯聚氨酯聚氟代烯羥應(yīng)用廣泛，涉及醫(yī)療、包裝材料、建筑、運(yùn)動用品、玩具及傳感元件等384）形狀記憶聚合物的應(yīng)用異徑管接合材料

應(yīng)用最多的是熱收縮套管和熱收縮膜材料制備：將SMP樹脂加熱軟化制成管狀，趁熱向內(nèi)插入直徑比該管子內(nèi)徑稍大的棒狀物，以擴(kuò)大口徑，然后冷卻成型抽出棒狀物，得到熱收縮管制品使用：將直徑不同的金屬管插入熱收縮管中，用熱水或熱風(fēng)加熱，套管收縮緊固廣泛用于儀器內(nèi)線路集合、線路終端的絕緣保護(hù)、通訊電纜的接頭防水、各種管路接頭以及包裝材料可同時捆束和屏蔽39醫(yī)療器材

典型應(yīng)用：作固定創(chuàng)傷部位的器具，可替代傳統(tǒng)的石膏繃扎制備：首先將SMP樹脂加工成創(chuàng)傷部位的形狀，用熱風(fēng)加熱使其軟化，在外力作用下變形為易裝配的形狀；使用：冷卻固化后裝配到創(chuàng)傷部位，再加熱便恢復(fù)原狀起固定作用。取下時也極為方便，只需熱風(fēng)加熱軟化。質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，容易做成復(fù)雜的形狀，操作簡單，易于卸下。還用作牙齒矯正器、血管封閉材料、進(jìn)食管、導(dǎo)尿管。采用可降解的SMP樹脂可作為外科手術(shù)縫合器材、止血鉗、防止血管堵塞器等。SMP材料用于汽車的緩沖器、保險杠、安全帽等，當(dāng)汽車突然受到?jīng)_撞保護(hù)裝置變形后，只需加熱就可恢復(fù)原；將SMP樹脂用來制作火災(zāi)報警感溫裝置、自動開閉閥門、殘疾病人行動使用的感溫輪椅等。40緩沖材料其他壓電材料是一種能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能材料，屬于無機(jī)非金屬材料。1880，法國居里兄弟首先發(fā)現(xiàn)電氣石的壓電效應(yīng)；1881，居里兄弟又通過石英晶體壓電實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了逆壓電效應(yīng)；1947，美國羅伯特在BaTiO3陶瓷上加高電壓進(jìn)行極化處理，獲得高壓電陶瓷的壓電性；1955，美國B.賈菲發(fā)現(xiàn)了壓電性更優(yōu)越的鋯鈦酸鉛，即PZT壓電陶瓷；70年代興起的有機(jī)聚合物壓電材料（PVDF）4112.3壓電材料壓電效應(yīng)：在材料上施加機(jī)械應(yīng)力時，其某些表面會產(chǎn)生電荷，此現(xiàn)象稱正壓電效應(yīng)；反之，施加激勵電場，其將產(chǎn)生機(jī)械變形，稱為逆壓電效應(yīng)。42壓電晶體壓電陶瓷壓電聚合物壓電復(fù)合材料電能機(jī)械能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)：在機(jī)械應(yīng)力的作用下使電介質(zhì)晶體產(chǎn)生極化并形成晶體表面電荷的現(xiàn)象.逆壓電效應(yīng)：電介質(zhì)晶體由外加電場產(chǎn)生形變的現(xiàn)象.凡具有壓電效應(yīng)的晶體稱為壓電晶體，與其內(nèi)在晶體結(jié)構(gòu)有關(guān),一般為離子型晶體或由離子團(tuán)組成的晶體.4312.3.1壓電晶體材料F壓力影響產(chǎn)生電輸出－－＋＋＋－－－＋＋＋－－－＋＋＋－－－－＋＋＋F－－＋＋＋－－－＋＋＋－－－＋＋＋－－－－＋＋＋FF＋—＋＋－－－＋＋＋－－－＋＋＋－－－＋＋＋－壓電晶體電場影響產(chǎn)生變形常見壓電晶體：石英晶體、酒石酸鉀鈉、鈮酸鋰晶體。44石英晶體(SiO2)壓電石英晶體壓電系數(shù)小，2.3×10-12C/N，幾乎不隨溫度變化；居里點(diǎn)575℃，失去壓電性質(zhì)；機(jī)械性能好，強(qiáng)度高、穩(wěn)定，可承受應(yīng)力達(dá)(6.8~9.8)×107Pa；靈敏度低、沒有熱釋電效應(yīng)；主要應(yīng)用：較高壓力或用于準(zhǔn)確度、

穩(wěn)定性要求高的場合、制作標(biāo)準(zhǔn)傳感器45水溶性壓電晶體酒石酸鉀鈉(NaKC4H406·4H20)壓電靈敏度大，介電常數(shù)高，壓電系數(shù)為3×10-9C/N；易于受潮，機(jī)械強(qiáng)度低，電阻率低；只限于在室溫(小于45℃)和濕度低的環(huán)境下應(yīng)用鈮酸鋰晶體LiNbO2單晶居里溫度高，約1200℃；可應(yīng)用于耐高溫領(lǐng)域；各向異性強(qiáng)，加工性能差。4612.3.2壓電陶瓷材料主要壓電陶瓷：鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛（PZT）、以PZT為基體的三元系。鈦酸鋇(BaTiO3)首先制得的壓電陶瓷，其結(jié)構(gòu)為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)；BaTiO3的熔點(diǎn)是1618℃，在室溫下為鐵電體；單晶的介電常數(shù)各向異性顯著，沿極化軸方向的介電常數(shù)比垂直于極化軸方向小得多；極化陶瓷的各向異性比單晶小得多。BaOTiBaTiO3晶體結(jié)構(gòu)示意圖47鋯鈦酸鉛（PZT）由鋯酸鉛和鈦酸鉛構(gòu)成的固溶體壓電陶瓷材料；化學(xué)式Pb(Zrx,Ti1-x)O3，晶胞結(jié)構(gòu)與BaTiO3相似，正負(fù)電荷中心不重合，可自發(fā)極化；摻雜元素進(jìn)行改性，如：用Ba2+，Sr2+，Ca2+，Mg2+等置換Pb2+，還可用等價離子置換Zr4+和Ti4+，形成固溶體；保持其晶體結(jié)構(gòu)，但是性能改善，如居里溫度下降，機(jī)電耦合系數(shù)、介電系數(shù)和壓電系數(shù)相加等4812.3.3壓電聚合物和壓電復(fù)合材料壓電聚合物：通常為非導(dǎo)電性高分子材料，從原理上講它們不包含有可移動電子電荷。然而，在某些特定條件下，帶負(fù)電荷的引力中心可以被改變。壓電聚合物分類：非晶和半結(jié)晶聚合物。壓電復(fù)合材料：由陶瓷壓電相和聚合物相組成，由于柔性聚合物相的加入，使之與壓電陶瓷相比較具有更低的密度和聲阻抗，同時介電常數(shù)的降低有助于復(fù)合材料的水聲優(yōu)值和機(jī)電耦合系數(shù)提高。根據(jù)正/逆壓電效應(yīng)，其應(yīng)用分為兩方面：4912.3.4壓電材料應(yīng)用正壓電效應(yīng)應(yīng)用：將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，如點(diǎn)火裝置，拾音器等，是機(jī)電換能器逆壓電效應(yīng)應(yīng)用：主要用于壓電蜂鳴器，如音樂賀卡、門鈴和揚(yáng)聲器等機(jī)電換能器，一般用用PZT壓電陶瓷點(diǎn)火，應(yīng)用于日常生活、工業(yè)生產(chǎn)及軍事方面，用以點(diǎn)燃?xì)怏w和各類炸藥和火箭的引燃引爆.工作過程：高壓產(chǎn)生、放電點(diǎn)火和點(diǎn)燃可燃?xì)怏w。高壓產(chǎn)生：以圓柱形壓電陶瓷元件為例，當(dāng)作用以機(jī)械力時，晶體發(fā)生畸變，導(dǎo)致正負(fù)電荷中心偏移，從而其上下表面出現(xiàn)自由電荷大量積聚，產(chǎn)生高壓.放電點(diǎn)火：把元件放在一個閉合回路中，并留一個適當(dāng)間隙，當(dāng)電壓升高到該間隙的放電電壓時，間隙中就產(chǎn)生放電點(diǎn)火.50壓電陶瓷點(diǎn)火器51微型傳感器切割針示意圖超聲波白內(nèi)障切除手術(shù)是十分常見的手術(shù)之一，在這種手術(shù)中，堅(jiān)硬、混濁的人眼角膜被銳利的超聲波切割針分割.將其置入切割針的尾部，當(dāng)從硬到軟的物質(zhì)變化發(fā)生，實(shí)際上是從角膜到后部組織的變化發(fā)生時，傳感器在這個時候可以提醒醫(yī)生注意。這種微傳感器可以提高手術(shù)的成功率，降低手術(shù)風(fēng)險。5212.4電/磁流變液材料固體液體

水

冰(加熱/冷卻)啫喱水啫喱（加熱/冷卻）固體液體(其他？)

19世紀(jì)末，發(fā)現(xiàn)電場作用于流體時，導(dǎo)致其表觀粘度的增加，且在液體中具有普遍性.電流變液：在外加電場的作用下，能迅速實(shí)現(xiàn)液體—固體性質(zhì)轉(zhuǎn)變的一類智能材料，該效應(yīng)即為電流變效應(yīng)(ER)，也稱為Winslow效應(yīng).磁流變液：在外加磁場的作用下，能迅速實(shí)現(xiàn)液體—固體性質(zhì)轉(zhuǎn)變的一類智能材料，呈現(xiàn)磁流變效應(yīng)(MR).5312.4.1電/磁流變液簡介

ER液按其體系結(jié)構(gòu)分：粒子分散型和均一溶液型兩類.粒子分散型ER液：粒徑在0.1～10μm范圍內(nèi)的固體粒子在分散介質(zhì)如氯化石臘油、硅油等絕緣油類中所形成的懸浮式分散液.均一溶液型ER液：一些強(qiáng)極性有機(jī)及高分子聚合物溶液，如液晶等.在外加電場時，會在數(shù)毫秒(千分之一秒)間由液體變?yōu)楣腆w.可保持粘度連續(xù)、無極地變化，能耗極小，可反復(fù)轉(zhuǎn)換.5412.4.2電流變液

55電流變液的分類ER材料電學(xué)特性：介電特性和導(dǎo)電特性.介電常數(shù)ε：表征ER液在外電場作用下發(fā)生極化的能力；電導(dǎo)率σ：表示ER液在外電場作用下產(chǎn)生能量損耗的能力.56電流變液的原理1)液體載體具有低介電常數(shù)，固體粒子具有高介電常數(shù)，不導(dǎo)電而且密度與載液相匹配；2)性能穩(wěn)定，長期使用和儲存時有良好的重復(fù)性；3)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)的剪切速率范圍內(nèi)，施加1kV/mm電場時其屈服應(yīng)力不小于1kPa量級,電場通、斷時的應(yīng)力變化至少為100：1；4)漏電流小，在電場為1kV/mm時電流密度不大于100μA/cm2，電力消耗為1W/cm2；對電場的響應(yīng)速度達(dá)到ms量級；5)工作溫度為-40～200℃；零電場下粘滯系數(shù)低；無毒，耐火，不沉淀、耐磨、不腐蝕、價格低廉等。57對ER液材料的基本要求581)半導(dǎo)體高分子材料：密度容易調(diào)節(jié)得和載液相匹配，具有優(yōu)良的可塑性，可制成尺寸任意的微球，所得屈服應(yīng)力也較大，有發(fā)展前途.2)金屬顆粒材料：具有強(qiáng)烈的ER性質(zhì)，為克服密度大問題，已研制成空心的金屬微珠，但是表面絕緣層仍然很容易被腐蝕.3)鐵電體材料：鐵電體的自發(fā)極化強(qiáng)度導(dǎo)致某些鐵電體具有極強(qiáng)的ER特性.4)液晶高分子材料：性能優(yōu)良，不存在沉淀問題和與水相關(guān)問題；但其液固轉(zhuǎn)變時間長，可長達(dá)幾個小時，溫度適用范圍小.5)硅鋁酸鹽材料主要的ER液材料1）微粒：ER液中微粒的大小范圍為0.1~10μm，可持水2）載體：疏水性、低粘度、高沸點(diǎn)、低凝固點(diǎn)、高電阻、高介電強(qiáng)度3）水：導(dǎo)致系統(tǒng)的介電擊穿、腐蝕和高能量消耗4）表面活性劑：增強(qiáng)ER效應(yīng)5）溫度：隨溫度升高，ER效應(yīng)先增強(qiáng)后減弱6）濃度：最佳的體積分?jǐn)?shù)，既能在電場作用下獲得最佳的ER效應(yīng)，又能在無電場時保持ER液的流動性。59ER液的影響因素磁流變液（MRF）：含有微米級磁性粒子的液體，在外加磁場的作用下，其中的磁性粒子發(fā)生有序排列，液體的粘度和屈服應(yīng)力發(fā)生顯著變化.存在問題：由于懸浮粒子較大，易沉降和團(tuán)聚.采取措施：降低磁性粒子的密度以使其與載體的密度相匹配；在磁性粒子表面復(fù)合其它物質(zhì)，以改變它們與載液的相容性，使磁性粒子表面帶同種電荷等.6012.4.3磁流變液與電磁流變液

61電磁流變液（EMR）：由微米級的復(fù)合粒子分散在合適的絕緣載體中而形成.特點(diǎn)：復(fù)合粒子中的一部分可在外加電場作用下表現(xiàn)出ER性質(zhì)，另一部分則可在外加磁場作用下表現(xiàn)出MR性質(zhì)，故既具有ER性質(zhì)又具有MR性質(zhì)，可兼顧兩者的優(yōu)點(diǎn)，即既具有ER液響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，又具有MR液屈服應(yīng)力大，可避免高壓電場的優(yōu)點(diǎn)。利用ER流體在介于液體和固體的屬性間發(fā)生的可控、可逆、連續(xù)的轉(zhuǎn)變，通過電場可實(shí)現(xiàn)力矩的可控傳遞及機(jī)構(gòu)的在線無級、可逆控制.應(yīng)用：機(jī)電一體化的自適應(yīng)控制機(jī)構(gòu).(1)在動力傳遞裝置中的應(yīng)用，如離合器將電流變液位于有相對運(yùn)動的機(jī)械零部件之間。通過施加電壓改變電流變液的粘性，從而控制機(jī)械部件之間傳遞力或力矩的大小。6212.4.4電/磁流變液應(yīng)用

優(yōu)點(diǎn)：無沖擊載荷和噪聲，無磨損、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、無級可調(diào)、靈敏度高、響應(yīng)快、能耗低、操作方便、易于實(shí)現(xiàn)電子和微機(jī)控制等(2)在振動控制中的應(yīng)用，如減振器利用電流變液體對電場的快速反應(yīng)能力，通過改變兩電極的電場強(qiáng)度調(diào)整電流變體的粘度，阻礙活塞的相對移動，以達(dá)到減振的目的。6364(3)在液壓控制中的應(yīng)用，如電流變液體閥代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制流量和壓力的液壓閥基本工作原理：無電場時：電流變液可從正電極和接地電極之間的夾層即閥中通過；加電場時：通過閥的電流變液的表觀粘度可由電場無級調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)流量的無級調(diào)節(jié)。電極間的流體固化時：閥門即“關(guān)上”。磁流變液的應(yīng)用磁流變阻尼器用于大型結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的控制；磁流變離合器、磁流變減振器；汽車座椅懸架阻尼器65磁流變阻尼器在汽車中的應(yīng)用磁流變阻尼器座椅集成磁流變阻尼器的假肢應(yīng)用磁流變阻尼器的大樓磁流變阻尼器在軍事武器上的應(yīng)用6612.5磁致伸縮材料電磁能機(jī)械能磁致伸縮效應(yīng)：磁性材料在磁化過程中，因外磁場條件的改變而發(fā)生幾何尺寸變化的效應(yīng)。.Fe隨磁場強(qiáng)度的增大而伸長Ni隨磁場強(qiáng)度的增大而縮短為磁致伸縮系數(shù)常用磁致伸縮材料室溫下的飽和磁致伸縮系數(shù)為10-8~10-667主要分三大類：（1）金屬與合金磁致伸縮材料。如Ni金屬、Ni—Co合金、Ni-Co-Cr合金等鎳和鎳基合金、Fe-Ni合金、Fe-Al合金、Fe-Co-V合金等鐵基合金。（2）鐵氧體磁致伸縮材料。如Ni-Co和Ni-Co-Cu等鐵氧體材料。（3）稀土金屬間化合物磁致伸縮材料。因其磁致伸縮系數(shù)是傳統(tǒng)的磁致伸縮材料的近百倍，所以被稱為稀土超磁致伸縮材料。鋱鏑鐵磁致伸縮合金(Terfenol—D)12.5.1磁致伸縮材料分類其可實(shí)現(xiàn)電能(或電磁信息)與機(jī)械能、聲能(或機(jī)械位移信息聲信息)之間的轉(zhuǎn)換，所以被廣泛應(yīng)用于功率電聲換能器、電-機(jī)換能器、傳感器和電子器件等。（1）聲納系統(tǒng)中的聲波發(fā)射器聲納的發(fā)射頻率一般在2kHz以上，低于此頻率的叫低頻聲納。用稀土-鐵材料制作的聲納可以滿足大功率、小體積、低頻率的要求。6812.5.2磁致伸縮材料的應(yīng)用低頻聲納示意圖（2）稀土-鐵超磁致伸縮智能驅(qū)動器件直接推動油泵活塞，代替海底油泵的所有轉(zhuǎn)動部件，克服了水下維修的困難；驅(qū)動蠕動線性馬達(dá)；美國國防部的智能機(jī)翼項(xiàng)目的目的就是要研制開發(fā)這樣的驅(qū)動器，從而可對飛行中飛機(jī)的機(jī)翼橫剖面形狀進(jìn)行精細(xì)的調(diào)整，減小飛行動態(tài)阻力；用作機(jī)械人、超精密加工機(jī)床、掃描隧道顯微電鏡、原子力顯微鏡以及其它智能材料器件中的精密定位器件。69光纖具有感測和傳輸雙重功能，用光纖組成的各種傳感器可測量溫度、壓力、位移、應(yīng)力、應(yīng)變等多種物理量并具有極高的靈敏度。光纖已成為當(dāng)前智能材料首選的信息傳感及傳輸?shù)睦硐胼d體！7012.6光纖材料(a)光纖(b)三層結(jié)構(gòu)心線光纖：用高透明電介質(zhì)材料制成的非常細(xì)(外徑約為125~200μm)的低損耗導(dǎo)光纖維，它不僅具有束縛和傳輸從紅外到可見光區(qū)域內(nèi)的光的功能，而且也具有傳感功能。光纖組成:(1)纖芯

—高透明固體材料(如，高二氧化硅玻璃，多組分玻璃、塑料等)；(2)包層—折射率較低的有損耗的石英玻璃、多組分玻璃或塑料。7112.6.1光纖材料光纖橫截面結(jié)構(gòu)示意圖三層芯線結(jié)構(gòu)：(1)一次被覆層，主要目的是防止玻璃光纖的玻璃表面受損傷，井保持光纖的強(qiáng)度；熱可塑硅樹脂被覆，厚度100~150μm；(2)緩沖層，外徑為400μm，防止光纖因一次被覆層不均勻或受側(cè)壓力作用而產(chǎn)生微彎；（3）二次被覆層材料的楊氏系數(shù)應(yīng)比一次被覆層的大，而且要求具有小的溫度系數(shù)，常采用尼龍，這一層外徑常為0