功能材料概论材料1 目目 录录第一章第一章 绪论绪论 第二章第二章 智能材料智能材料第三章第三章 储氢材料储氢材料第四章第四章 磁性材料磁性材料第五章第五章 功能陶瓷材料功能陶瓷材料第六章第六章 纳米材料纳米材料第七章第七章 超导材料超导材料第八章第八章 医用生物材料医用生物材料 2第一节第一节智能材料智能材料基本原理基本原理1、什么是智能材料、什么是智能材料2、智能材料的特征、智能材料的特征3、智能材料的构成、智能材料的构成4、智能材料的分类、智能材料的分类3智能材料智能材料是是二十世纪二十世纪9090年代年代迅速发展起来的迅速发展起来的一类一类新型复合材料新型复合材料，将在，将在2121世纪得到广泛研究和世纪得到广泛研究和应用的材料。应用的材料。 智能材料：智能材料：是指具有是指具有感知感知环境环境（包括内环境（包括内环境和外环境）和外环境）刺激刺激，对之进行对之进行分析分析、处理处理、判断判断，并并采取一定的措施进行适度响应采取一定的措施进行适度响应的具有的具有智能特征智能特征材料材料。 1 1、什么是智能材料？、什么是智能材料？4 目前，已目前，已经实用化的智能材料包括：形用化的智能材料包括：形状记忆合金材料，合金材料，如如镍钛材料，可用材料，可用来制作汽制作汽车易易损件、人造件、人造卫星的天星的天线等；等； 电致、磁致致、磁致变性材料等的性材料等的应用用具体来说，具体来说，智能材料智能材料智能材料智能材料需需具备以下具备以下内涵内涵内涵内涵：(1)(1)具有具有感知功能感知功能感知功能感知功能，能够检测并且可以识别能够检测并且可以识别外界外界( (或者内或者内部部) )的的刺激强度刺激强度，如电、光、热、应力、应变、化学、核辐，如电、光、热、应力、应变、化学、核辐射等；射等；5智能材料的构想智能材料的构想来源于仿生学，它的来源于仿生学，它的目标就是想目标就是想研制出一种材料研制出一种材料，使它成为，使它成为具具有类似于生物的各种功能有类似于生物的各种功能的的“活活”的材料的材料。因此因此智能材料智能材料必须具备必须具备感知感知、驱动驱动和和控制控制这三个基本要素。这三个基本要素。6但是但是现有的材料现有的材料一般比较一般比较单一单一，难以满足难以满足智能材料的要求智能材料的要求，所以，所以智能材料智能材料一般由一般由两种或两种或两种以上的材料两种以上的材料复合构成一个复合构成一个智能材料系统智能材料系统。 智能材料的设计、制造、加工和性能结构智能材料的设计、制造、加工和性能结构特征特征均涉及到了均涉及到了材料学的最前沿领域材料学的最前沿领域，使智能使智能材料代表了材料代表了材料科学的最活跃方面和最先进的材料科学的最活跃方面和最先进的发展方向发展方向。 7智能材料应用的简单事例：智能材料应用的简单事例：某些某些太阳镜的镜片当中太阳镜的镜片当中含有含有智能材料智能材料，这种智能材料能这种智能材料能感知周围的光感知周围的光，并能够，并能够对光对光的强弱进行判断的强弱进行判断，当光强时，它就变暗，当，当光强时，它就变暗，当光弱时，它就会变的透明。光弱时，它就会变的透明。 82 2、智能材料的特征、智能材料的特征因为设计智能材料的两个指导思想：因为设计智能材料的两个指导思想：是是材料的材料的多功能复合多功能复合和和材料的仿生设计材料的仿生设计。 智能材料系统具有或部分具有如下的智能材料系统具有或部分具有如下的智能智能功能功能和和生命特征生命特征：9(1)传感功能（传感功能（Sensor）能够能够感知感知外界或自身所处的环境条外界或自身所处的环境条件，如负载、应力、应变、振动、热、件，如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学、核辐射等的强度光、电、磁、化学、核辐射等的强度及其变化。及其变化。10(2)反馈功能反馈功能（Feedback）可通过可通过传感网络传感网络，对系统，对系统输入与输出信输入与输出信息进行对比息进行对比，并将其结果提供给，并将其结果提供给控制系统控制系统。(3)信息识别与积累功能信息识别与积累功能能够识别能够识别传感网络得到的各类信息传感网络得到的各类信息并将其积累起来并将其积累起来。11(4) 响应功能响应功能能够根据能够根据外界环境和内部条件变化外界环境和内部条件变化，适时动态地适时动态地作出相应的反应，并采取作出相应的反应，并采取必要必要行动。行动。12(5) 自诊断能力（自诊断能力（Self-diagnosis）能通过能通过分析分析比较比较系统目前的状况与过系统目前的状况与过去去的情况，对诸如的情况，对诸如系统故障系统故障与与判断失误判断失误等等问题进行自诊断并予以校正。问题进行自诊断并予以校正。13（6）自修复能力（）自修复能力（Self-recovery）能通过能通过自繁殖自繁殖、自生长自生长、原位复原位复合合等等再生机制再生机制，来修补某些，来修补某些局部损伤局部损伤或破坏或破坏。14（7）自调节能力（）自调节能力（Self-adjusting）对不断变化的对不断变化的外部环境和条件外部环境和条件，能，能及时及时地自动调整地自动调整自身结构和功能，并相应地自身结构和功能，并相应地改变改变自己的状态和行为自己的状态和行为，从而使，从而使材料系统材料系统始终始终以以一种优化方式一种优化方式对外界变化作出恰如其分的响对外界变化作出恰如其分的响应。应。153 3、智能材料的构成、智能材料的构成一般来说一般来说智能材料智能材料由由基体材料基体材料、敏敏感材料感材料、驱动材料驱动材料和和信息处理器信息处理器四部四部分构成。分构成。16（1）基体材料）基体材料基体材料担负着基体材料担负着承载的作用承载的作用，一般宜，一般宜选用选用轻质材料轻质材料。一般基体材料一般基体材料首选高分子材料首选高分子材料，因为，因为其其重量轻重量轻、耐腐蚀耐腐蚀，尤其具有粘弹性的非，尤其具有粘弹性的非线性特征。线性特征。其次其次也也可选用金属材料可选用金属材料，以，以轻轻质有色合金质有色合金为主。为主。17（2）敏感材料）敏感材料敏感材料敏感材料担负着担负着传感的任务传感的任务，其主要作，其主要作用是用是感知环境变化感知环境变化（包括（包括压力压力、应力应力、温度温度、电磁场电磁场、pH值值等）。等）。常用敏感材料常用敏感材料:如如形状记忆材料形状记忆材料、压电压电材料材料、光纤材料光纤材料、磁致伸缩材料磁致伸缩材料、电致变色电致变色材料材料、电流变体电流变体、磁流变体磁流变体和和液晶材料液晶材料等。等。18（3）驱动材料）驱动材料因为在一定条件下，因为在一定条件下，驱动材料驱动材料可产生可产生较大较大的的应变和应力应变和应力，所以它担负着，所以它担负着响应和控制的响应和控制的任务任务。常用有效驱动材料如。常用有效驱动材料如形状记忆材料形状记忆材料、压电材料压电材料、电流变体电流变体和和磁致伸缩材料磁致伸缩材料等。等。可以看出，这些材料既是可以看出，这些材料既是驱动材料又是驱动材料又是敏感材料敏感材料，显然起到了身兼二职的作用，这，显然起到了身兼二职的作用，这也是也是智能材料设计时可采用的一种思路智能材料设计时可采用的一种思路。19（4）其它功能材料）其它功能材料包括包括导电材料导电材料、磁性材料磁性材料、光光纤和半导体材料纤和半导体材料等。等。204 4、智能材料的分类、智能材料的分类 智能材料智能材料是继是继天然材料天然材料、人造材料人造材料、精精细材料细材料之后的之后的第四代功能材料第四代功能材料。因为现在因为现在可用于智能材料的材料种类不可用于智能材料的材料种类不断扩大断扩大，所以，所以智能材料的分类智能材料的分类也只能是粗浅也只能是粗浅的，分类方法有多种。的，分类方法有多种。21若按若按智能材料的智能材料的功能功能来分，可以分为来分，可以分为光光导纤维导纤维、形状记忆合金形状记忆合金、压电压电、电流变体电流变体和和电（磁）致伸缩材料电（磁）致伸缩材料等。等。若按若按智能材料的智能材料的化学成分化学成分来分，可以分来分，可以分为为金属系智能材料金属系智能材料、无机非金属系智能材料无机非金属系智能材料和和高分子系智能材料高分子系智能材料。22目前研究开发的目前研究开发的金属系智能材料金属系智能材料主要有主要有形状记忆合金形状记忆合金和和形状记忆复合材料形状记忆复合材料两大类；两大类；无机无机非金属系智能材料：非金属系智能材料：在在电流变体电流变体、压电陶瓷压电陶瓷、光致变色光致变色和和电致变色电致变色材料等方面材料等方面发展较快；发展较快；23常用的智能材料常用的智能材料1、形状记忆合金、形状记忆合金一般金属材料一般金属材料受到外力作用后，首先受到外力作用后，首先发生发生弹性变形弹性变形，达到屈服点，就产生，达到屈服点，就产生塑性塑性变形变形，应力消除后应力消除后留下留下永久变形永久变形。24但有些材料，在但有些材料，在发生了塑性变形发生了塑性变形后后，经过，经过合适的热过程合适的热过程，能够回复到能够回复到变形前的形状变形前的形状，这种现象叫做，这种现象叫做形状记形状记忆效应忆效应（SME）。）。25形状记忆材料形状记忆材料兼有兼有传感传感和和驱动驱动的的双重功能，可以实现双重功能，可以实现控制系统控制系统的的微型微型化和智能化化和智能化，如机器人、毫米级超微，如机器人、毫米级超微型机械手等。型机械手等。2621世纪将成为世纪将成为材料电子学材料电子学的时代。的时代。形状记忆合金形状记忆合金的的机器人的动作机器人的动作，除了除了温温度度外，外，不受任何环境条件的影响不受任何环境条件的影响，可望，可望在在反应堆反应堆、加速器加速器、太空实验室太空实验室等高技等高技术领域大显身手。术领域大显身手。272、电流变体和磁流变体、电流变体和磁流变体电电致致、磁磁致致变变体体智智能能材材料料大大多多是是由由合合成成材材料料或或陶陶瓷瓷材材料料制制成成的的，具具有有在在电电场场或或磁磁场场的的作作用用下下发发生生变变性性的的能能力力，其其变变化化的的大小大小与与电场和磁场的强度电场和磁场的强度有关。有关。28科学家研制成功一种科学家研制成功一种电致变性材料电致变性材料，这种材料这种材料在接通电流时在接通电流时，可以，可以从液体变为从液体变为接近固体接近固体。29电流变体：电流变体：19471947年，一个叫温斯洛的美国人发现了一个年，一个叫温斯洛的美国人发现了一个奇怪的现象。他把石膏、石灰和炭粉加在橄榄油中，然后奇怪的现象。他把石膏、石灰和炭粉加在橄榄油中，然后加水搅成一种悬浮液，想看看这种悬浮液能不能导电。加水搅成一种悬浮液，想看看这种悬浮液能不能导电。结果：这种悬浮液没有加上电场时，结果：这种悬浮液没有加上电场时，可以像水或油一样自可以像水或油一样自由地流动；可是一加上电场，自由流动的液体变成固体，由地流动；可是一加上电场，自由流动的液体变成固体，而且随着电场强度的增加，固体的强度也在增加。而且随着电场强度的增加，固体的强度也在增加。当撤消当撤消电场时，它又能立即由固体变回液体。电场时，它又能立即由固体变回液体。30 由于由于这种悬浮液可以用浮液可以用电场来控制，因此科控制，因此科学家家们就把就把它叫做叫做“ “电流流变体体” ”，并把把这种现象象称为“ “温斯洛斯洛现象象” ”。 软体体遥控器控器 ：采用了：采用了软体的体的设计，看上去就像，看上去就像是是瘫死在那里一死在那里一样。不。不过一旦一旦遥控器控器启动，它就就会变得得坚硬起硬起来，就像是，就像是复活了一活了一样。不。不仅如此，如此，启动后，后，遥控器控器内还会发出光亮，非常漂亮。出光亮，非常漂亮。31 如果向如果向空心空心复合梁合梁中中充入充入电电流流流流变变性液体材料性液体材料性液体材料性液体材料，在外在外电场的作用下的作用下，这种液体材料就液体材料就会变硬硬，从而使梁而使梁变成僵硬成僵硬状。 电电致致致致变变性材料性材料性材料性材料还可以用作可以用作在地震在地震时能能自自动加固建筑物加固建筑物的基的基础。323、磁致伸缩材料、磁致伸缩材料目前目前磁致伸缩磁致伸缩智能材料的主流是智能材料的主流是稀土稀土磁致伸缩材料磁致伸缩材料，稀土超磁致伸缩材料稀土超磁致伸缩材料是近是近期才发展起来的一种新型功能材料。期才发展起来的一种新型功能材料。333、磁致伸缩材料、磁致伸缩材料目前目前磁致伸缩磁致伸缩智能材料的主流是智能材料的主流是稀土稀土磁致伸缩材料磁致伸缩材料，稀土超磁致伸缩材料稀土超磁致伸缩材料是近是近期才发展起来的一种新型功能材料。期才发展起来的一种新型功能材料。34 物质有热胀冷缩的现象。除了加热外，磁场和电场也物质有热胀冷缩的现象。除了加热外，磁场和电场也会导致物体尺寸的伸长或缩短会导致物体尺寸的伸长或缩短 发现物质的磁致伸缩效应后，人们就一直想利用这一发现物质的磁致伸缩效应后，人们就一直想利用这一物理效应来制造有用的功能器件与设备。物理效应来制造有用的功能器件与设备。 研究和发展了一系列磁致伸缩材料，主要有三大类：研究和发展了一系列磁致伸缩材料，主要有三大类：即：磁致伸缩的金属与合金，如镍基合金（即：磁致伸缩的金属与合金，如镍基合金（NiNi， NiNiCoCo合金，合金， NiNiCoCoCrCr合金）和铁基合金（如合金）和铁基合金（如 F eF eNiNi合金，合金， FeFeAlAl合金，合金， FeFe CoCoV V合金等）和铁氧体磁致伸缩材合金等）和铁氧体磁致伸缩材料。料。 稀土超磁致伸缩材料稀土超磁致伸缩材料 35 磁致伸缩：磁致伸缩：磁致伸缩：磁致伸缩：指的是对指的是对软磁体软磁体进行进行磁化磁化后，其形状、大小会后，其形状、大小会发生变化的物理现象。发生变化的物理现象。磁致伸缩现象具有磁致伸缩现象具有各向异性各向异性。当长度为。当长度为l l的磁性材料在磁的磁性材料在磁化方向上的长度变化为化方向上的长度变化为LL时，磁致伸缩率可表示为：时，磁致伸缩率可表示为：=L/l=L/l。由于磁致伸缩率一般在。由于磁致伸缩率一般在1010-5-5以下，所以对磁致以下，所以对磁致伸缩效应的应用远不如对伸缩效应的应用远不如对压电效应压电效应的应用广泛。的应用广泛。到到2020世纪世纪6060、7070年代后，发现了伸缩率在年代后，发现了伸缩率在1010-3-3的的超磁致伸超磁致伸缩材料缩材料。磁致伸缩效应才重新受到重视。磁致伸缩效应才重新受到重视。 36磁致伸缩材料磁致伸缩材料在电磁场的作用在电磁场的作用下下可以产生可以产生微变形或声能微变形或声能，也可以，也可以将微变形或声能将微变形或声能转化为转化为电磁能电磁能。37 声波波仪：发射机是一射机是一种声源源讯号的的发射器，由射器，由它向向电致材致材料（或磁制）制成的料（或磁制）制成的换能器能器输送送电脉冲，激脉冲，激励换能器的晶片，能器的晶片，使使之振之振动而而产生生声波波，向岩体，向岩体发射。射。 声波在岩体中以波在岩体中以弹性波形式性波形式传播，然后由接收播，然后由接收换能器加能器加以接收，以接收，该换能器能器将声能能转换成成电子子讯号送到接收机，送到接收机，经放放大后在接收机的示波管大后在接收机的示波管屏幕上幕上显示波形。若示波形。若将接收机接收机与微机微机连接，接，则可可对声波波讯号进行行数字字处理。理。38磁致伸缩智能材料磁致伸缩智能材料具有具有磁磁致伸缩致伸缩值大值大、机械响应速度快机械响应速度快等特点等特点，在国，在国防、航空航天和高技术领域应用极为防、航空航天和高技术领域应用极为广泛。广泛。39磁致伸缩智能材料的主要用途磁致伸缩智能材料的主要用途（1）由于）由于稀土超大磁致伸缩材料稀土超大磁致伸缩材料比比传传统材料统材料在性能上有了惊人的提高，所以在在性能上有了惊人的提高，所以在电器、家电、通讯器材、电脑电器、家电、通讯器材、电脑等生产领域，等生产领域，稀土磁致伸缩材料稀土磁致伸缩材料逐渐取代了逐渐取代了传统的磁致传统的磁致伸缩材料和电致伸缩材料伸缩材料和电致伸缩材料，使产品升级和使产品升级和更新换代更加容易。更新换代更加容易。40对于对于磁致伸缩智能材料磁致伸缩智能材料的应用，目前，的应用，目前，美国位居各国之首美国位居各国之首，其成功标志在于开发，其成功标志在于开发出了一系列出了一系列用于军事目的的尖端产品用于军事目的的尖端产品，如，如舰艇水下声纳探测系统舰艇水下声纳探测系统以及以及导弹发射控制导弹发射控制装置装置等。等。41我国对我国对磁致伸缩智能材料磁致伸缩智能材料新产品的开新产品的开发发也呈现出良好的发展势头。也呈现出良好的发展势头。如开发出的大功率如开发出的大功率岩体声波探测器岩体声波探测器，应用于应用于三峡工程和地球物理勘探三峡工程和地球物理勘探；开发出；开发出的的井下物理法采油装置井下物理法采油装置；42我国对我国对磁致伸缩智能材料磁致伸缩智能材料新产品的开新产品的开发发也呈现出良好的发展势头。也呈现出良好的发展势头。如开发出的大功率如开发出的大功率岩体声波探测器岩体声波探测器，应用于应用于三峡工程和地球物理勘探三峡工程和地球物理勘探；开发出；开发出的的井下物理法采油装置井下物理法采油装置；43 压电效应压电效应在某些晶体材料上在某些晶体材料上施加机械力施加机械力时，晶体时，晶体表面会表面会产生电荷产生电荷，这种现象称，这种现象称正压电效应正压电效应。在一定范围内，在一定范围内，电荷密度与作用力成正比电荷密度与作用力成正比。相反，在晶体上相反，在晶体上施加电场施加电场时，晶体会时，晶体会产产生几何变形生几何变形，称，称逆压电效应逆压电效应。44晶体的对称性晶体的对称性决定了材料决定了材料能否产能否产生压电性生压电性。显然，压电效应只存在于显然，压电效应只存在于没有对没有对称中心的晶体称中心的晶体中。中。45 凡是具有凡是具有对称中心的晶体不中心的晶体不会呈呈现压电效效应。 因因为这些晶体受到些晶体受到应力后，力后，内部部发生均生均匀变形，仍保形，仍保持持质点点间对称排列，排列，并无不无不对称的相的相对位移，也就不位移，也就不会产生生极化，化，电矩矩还是是为零，因此晶体表面不零，因此晶体表面不显示示电性，也就性，也就不不会呈呈现压电效效应。 而在无而在无对称中心的晶体中，在中心的晶体中，在应力作用下，力作用下，质点点间产生不生不对称的位移，的位移，结果果产生了新的生了新的电矩，晶体表面矩，晶体表面显示示电性，呈性，呈现压电效效应。46压电效应的本质压电效应的本质机械作用机械作用(应力与应变应力与应变)引起了晶引起了晶体的极化体的极化，从而导致，从而导致介质两端表面介质两端表面出出现相反的束缚电荷现相反的束缚电荷。 47 光致变色玻璃光致变色玻璃光致变色玻璃光致变色玻璃是一种能是一种能在光的激在光的激发下发下发生变色反应发生变色反应的玻璃。的玻璃。48含含卤化银卤化银的的碱铝硼硅酸盐碱铝硼硅酸盐光色玻璃受到光色玻璃受到紫外光和可见光紫外光和可见光照射时，照射时，氯化银晶体分解为氯化银晶体分解为Ag和和Cl原子，析出的原子，析出的银原子团簇银原子团簇使玻璃颜色使玻璃颜色变深，从而变深，从而阻止阳光的透过阻止阳光的透过。发生的光化学反应如下：发生的光化学反应如下： 49式中，式中，h 1为为短波激活光能短波激活光能；h 2为为长长波光源光能波光源光能；为为加热退色效应加热退色效应。h1玻璃变色过程中，发生的光化学反应如下：玻璃变色过程中，发生的光化学反应如下：50在没有紫外线照射时，原来分解产生的在没有紫外线照射时，原来分解产生的银和卤素原子银和卤素原子银和卤素原子银和卤素原子又又重新结合重新结合恢复为恢复为无色的无色的氯化银氯化银AgCl，原于团簇解体原于团簇解体原于团簇解体原于团簇解体，玻璃，玻璃(镜片镜片)褪色。褪色。因此，变色眼镜因此，变色眼镜在阳光下在阳光下变深变深变深变深，在室内在室内则恢复则恢复透明透明透明透明。 若配料中加入少量若配料中加入少量敏化敏化敏化敏化剂剂，就能，就能显著地著地提高敏感性提高敏感性，并并增大增大增大增大光致光致光致光致变变色的色的色的色的变变暗能力暗能力暗能力暗能力。如加入如加入Cu2OCu2O时，Cu+Cu+Cu+Cu+ 是一是一种种增感增感剂51Cu+在氯化银晶体中在氯化银晶体中作为作为空穴的捕空穴的捕获中心获中心，它，它 的存在增加了光解银原子的存在增加了光解银原子Ag0的浓度，使玻璃的变暗灵敏度大大的浓度，使玻璃的变暗灵敏度大大提高。提高。h152光致变色玻璃光致变色玻璃具有具有随光的波长和强度的随光的波长和强度的变化而自动调节光的透过率变化而自动调节光的透过率的自适应特性，的自适应特性，因而被称为因而被称为光敏型智能玻璃光敏型智能玻璃，除用作，除用作变色眼变色眼镜镜外，还用作外，还用作汽车防护玻璃汽车防护玻璃、航天器窗口航天器窗口、激光防护激光防护、以及、以及装饰装饰等。等。 53 高分子智能材料高分子智能材料：成分是水和一种聚合物的混合物：成分是水和一种聚合物的混合物, ,低温下低温下是透明的胶状半流体是透明的胶状半流体, ,当天气变暧时当天气变暧时, ,它就变成白色它就变成白色, ,这一变化这一变化过程是可逆的过程是可逆的. . 聚合物的一部分是油质成分聚合物的一部分是油质成分, ,在低温时油质成分把水分子在低温时油质成分把水分子以一种冰冻的方式聚集在这种聚合物纤维的周围以一种冰冻的方式聚集在这种聚合物纤维的周围, ,就像就像 一件一件冰茄克衫冰茄克衫,这种像绳子似的聚合物是成串排列起来的这种像绳子似的聚合物是成串排列起来的, ,呈透明呈透明状状, ,可以透过可以透过90%90%的光线的光线. . 54 当它被加热时当它被加热时, ,这种聚合物分子就像这种聚合物分子就像 面条在沸水里面条在沸水里 那样翻滚那样翻滚, ,并抛弃它们的像冰似的并抛弃它们的像冰似的 冰茄克衫冰茄克衫,使聚合物使聚合物纤维得以聚在一起纤维得以聚在一起, ,此时此时,云胶云胶 又从清澈透明变成为白又从清澈透明变成为白色色, ,可阻挡可阻挡90%90%的光的光. .这种变化可在两三度温差范围内完这种变化可在两三度温差范围内完成成. . 55 建筑物如果具有像这样的建筑物如果具有像这样的 皮肤皮肤,就就可以适应周围的环境可以适应周围的环境. .当天气寒冷时当天气寒冷时, ,它它就变成透明的就变成透明的, ,让阳光照射进来让阳光照射进来; ;当天气当天气暖和且必须把阳光挡住时暖和且必须把阳光挡住时, ,它就变得半透它就变得半透明明. . 充满云胶的多层玻璃充满云胶的多层玻璃, ,不仅可用作天不仅可用作天花板花板, ,而且可用作墙壁而且可用作墙壁. . 56第四节热点应用第四节热点应用1、仿生学和航空航天用智能材料仿生学和航空航天用智能材料2、智能传感器、智能传感器3、象鸟一样飞的空中轿车、象鸟一样飞的空中轿车4、太阳能智能服装、太阳能智能服装57第四节热点应用第四节热点应用1、仿生学和航空航天用智能材料仿生学和航空航天用智能材料2、智能传感器、智能传感器3、象鸟一样飞的空中轿车、象鸟一样飞的空中轿车4、太阳能智能服装、太阳能智能服装58 仿生学和航空航天用智能材料仿生学和航空航天用智能材料“个人航空器个人航空器” 、“空中汽车空中汽车” 的核心的核心技术是技术是“智能智能”材料。这种物质具有神奇的材料。这种物质具有神奇的特性，它可以根据指令弯曲、可以特性，它可以根据指令弯曲、可以“感受感受”压力、当放入磁场中，还可以从液态变成固压力、当放入磁场中，还可以从液态变成固态。态。59现在有些飞机已经具有可调机翼，如挪威现在有些飞机已经具有可调机翼，如挪威的的F-14雄猫飞机和雄猫飞机和B-1超音速轰炸机。这些飞机超音速轰炸机。这些飞机将刚性的机翼通过巨大、沉重的曲轴安装在机将刚性的机翼通过巨大、沉重的曲轴安装在机身上。身上。作为对比，形态工程的科学家们所设想的作为对比，形态工程的科学家们所设想的机翼可以根据指令而展开。这种机翼是使用机翼可以根据指令而展开。这种机翼是使用“形态记忆形态记忆”合金或其他新颖的材料制成，可以合金或其他新颖的材料制成，可以弯曲产生新的形状。弯曲产生新的形状。“形态记忆形态记忆”合金具有独特的性能，当提合金具有独特的性能，当提供足够的热量后，它可以很快的恢复原有形状，供足够的热量后，它可以很快的恢复原有形状，任何形状都可以最终恢复成它原有的状态。任何形状都可以最终恢复成它原有的状态。60 将将形状记忆材料或电流变材料形状记忆材料或电流变材料埋入埋入建筑材料，其中的传感器得到某部分出建筑材料，其中的传感器得到某部分出现裂纹的信号后，计算机就会发出指令，现裂纹的信号后，计算机就会发出指令，使事先埋入建筑物中的微小液滴变成固使事先埋入建筑物中的微小液滴变成固体，自动加固或通过加热形状记忆合金体，自动加固或通过加热形状记忆合金发生相变以增加混凝土强度。发生相变以增加混凝土强度。 61 机械工程师正在研究用智能材料减弱或抵消由地震引机械工程师正在研究用智能材料减弱或抵消由地震引起的破坏性振动。起的破坏性振动。 在一种复合材料内植入在一种复合材料内植入一些形状记忆合金纤维一些形状记忆合金纤维，这些，这些纤维像肌肉一样，可以改变形状和松紧，即当形状记忆合纤维像肌肉一样，可以改变形状和松紧，即当形状记忆合金通电时，温度增加，这时它像绷紧的肌肉一样，增加了金通电时，温度增加，这时它像绷紧的肌肉一样，增加了梁的刚性并由此控制梁的固有振动频率。梁的刚性并由此控制梁的固有振动频率。62 为了确保各种建筑物的安全，美国的建筑学家从为了确保各种建筑物的安全，美国的建筑学家从2020世世纪纪9090年代初开始研究能年代初开始研究能“呼救呼救”和自我修补的智能型混凝和自我修补的智能型混凝土。土。 在混凝土中埋入大量事先装有在混凝土中埋入大量事先装有 裂纹修补剂裂纹修补剂 的空心纤的空心纤维。一旦建筑物混凝土开裂，空心纤维也随之开裂，并流维。一旦建筑物混凝土开裂，空心纤维也随之开裂，并流出修补裂纹的粘合剂，把裂纹牢牢粘在一起，形成自愈混出修补裂纹的粘合剂，把裂纹牢牢粘在一起，形成自愈混凝土结构，达到自我修复的目的。凝土结构，达到自我修复的目的。63 1. 1. 什什么是智能材料？其特征和是智能材料？其特征和构成是什成是什么？举例例说明智能材料明智能材料应用的二用的二个例子。例子。 2. 2. 智能材料智能材料设计的的两个指指导思想？思想？ 3. 3. 功能功能复合材料有合材料有哪些些复合效合效应，并举例例说明明 。64