智能材料進入智能材料第1章

緒論第2章形狀記憶合金第3章壓電材料第4章電磁流變體第5章智能纖維材料第6章智能高分子材料智能材料第7章其他傳感元件第8章智能混凝土第9章結(jié)構(gòu)控制第10章第11章智能橡膠與

智能彈性體建筑智能化技術(shù)智能材料緒論

第1章緒論§1.1材料發(fā)展的新紀元—智能材料

20世紀80年代中期提出概念，集感知、驅(qū)動和信息處理于一體，具備自感知、自診斷、自適應、自修復等功能。智能材料的概念來自于功能材料。功能材料：一類是對外界（或內(nèi)部）的刺激強度，具有感知的材料，通稱感知材料，用它可做成各種傳感器；另一類是對外界環(huán)境條件（或內(nèi)部狀態(tài)）發(fā)生變化做出相應或驅(qū)動的材料，這種材料可以做成各種驅(qū)動（或執(zhí)行）器智能材料緒論§1.1材料發(fā)展的新紀元—智能材料

智能材料緒論美國實用應用需求驅(qū)動了研究與開發(fā)Smart機敏日本哲學創(chuàng)新擬人智能的材料系統(tǒng)Intelligent智能高新技術(shù)的要求促進了智能材料的研制（1）材料科學與技術(shù)已為智能材料的誕生奠定了基礎(chǔ)（2）功能材料特性的綜合探索及微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展（3）軍事需求與工業(yè)界的介入，加速了實用化進程（4）土木工程全壽命周期智能化建造促使工程科學與信息科學的交叉融合，跨學科和多學科交叉的創(chuàng)新§1.2智能結(jié)構(gòu)

智能材料緒論智能結(jié)構(gòu)將智能材料形成的驅(qū)動件和傳感元件緊密融合在結(jié)構(gòu)中，同時也將控制電路、邏輯電路、信號處理、功率放大器等集成在結(jié)構(gòu)中，通過機械、熱、光、化學、電、磁等激勵和控制，使智能結(jié)構(gòu)具有自診斷、自適應、自學習、自修復、自增值、自衰減等能力工作原理：發(fā)展趨勢：（1）智能材料集成化和小型化（2）開發(fā)神經(jīng)中樞網(wǎng)絡(luò)控制材料（3）完善智能材料的仿生功能§1.3智能材料的內(nèi)涵和定義

智能材料緒論智能材料是對環(huán)境具有自感知和記憶、自適應、自修復能力的多功能新材料。內(nèi)涵：特點：仿生，傳感材料作為神經(jīng)系統(tǒng)，驅(qū)動材料充當有機體的肌肉組織，而控制和計算系統(tǒng)像大腦一樣進行實時反應。環(huán)境環(huán)境感知器輸入中樞神經(jīng)系統(tǒng)信息處理存儲處理器執(zhí)行器輸出§1.3智能材料的內(nèi)涵和定義

智能材料緒論機敏材料：料兼具感知和執(zhí)行功能，如磁致伸縮材料、壓電材料和形狀記憶材料等。名稱感知執(zhí)行聲發(fā)射材料√電感材料√電流變液√電致伸縮材料√光導纖維√磁致伸縮材料√√壓電材料√√形狀記憶材料√√電阻應變材料√感光材料√感知溫度壓力濕度位置速度加速度電場磁場聲光輻射化學輻射生物環(huán)境響應機械響應電流流動物理性能功率控制化學行為生物行為環(huán)境反饋系統(tǒng)§1.3智能材料的內(nèi)涵和定義智能材料緒論

自診斷自修復自強化自適應自動

動態(tài)平衡修補

現(xiàn)象自增值自變形信息識別反饋學習能力和預見性結(jié)構(gòu)材料智能材料的屬性具有上述結(jié)構(gòu)形式的材料系統(tǒng)，就有可能體現(xiàn)或部分體現(xiàn)下列智能特性：（1）具有感知功能，可感知并識別外界（或內(nèi)部）的刺激強度（2）具有信息傳輸功能，以設(shè)定的優(yōu)化方式選擇和控制響應（3）具有對環(huán)境變化作出響應及執(zhí)行的功能（4）反應靈敏、恰當（5）外部刺激條件消除后能迅速恢復到原始狀態(tài)§1.3智能材料的內(nèi)涵和定義智能材料緒論智能材料與結(jié)構(gòu)智能

處理執(zhí)行

系統(tǒng)控制

系統(tǒng)傳感

系統(tǒng)材料與結(jié)構(gòu)定義：智能材料是根據(jù)需要選擇兩種或多種不同的材料按照一定的比例以某種特定的方式復合起來，或是材料集成，使這種新組合材料具有某種或多種機敏特性甚至智能化§1.4耗散結(jié)構(gòu)與材料的內(nèi)稟特性智能材料緒論耗材結(jié)構(gòu)：定義與原理：從環(huán)境輸入能量或（和）物質(zhì)，使系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾滦偷挠行蛐螒B(tài)，即這種形態(tài)依靠不斷地耗散能量或（和）物質(zhì)來維持體現(xiàn)：為材料提供物質(zhì)和能量輸送可使其呈現(xiàn)生命活性，如金屬材料疲勞及性能恢復的仿生設(shè)計

非生命系統(tǒng)P—材料材料的服役性能；C—材料的成分；S—材料的結(jié)構(gòu)；M—材料的形貌。材料的仿生設(shè)計

θ—環(huán)境變量，它意味著環(huán)境向材料提供能量和物質(zhì)就可使“死”的材料變成“活”的材料。§1.4耗散結(jié)構(gòu)與材料的內(nèi)稟特性智能材料緒論內(nèi)稟特性：感知與傳遞：材料通過不同性能感知和傳遞信息，如應變電阻合金等感知信息（能源）特性執(zhí)行功能：執(zhí)行材料在力輸入后啟動，輸出功能多樣，如形狀記憶合金等，其研究對智能材料發(fā)展重要依據(jù)智能（或機敏）材料定義中所確定的內(nèi)涵，組成智能材料的組元材料可分為傳感材料、信息材料、執(zhí)行材料、自適應材料（仿生材料）以及兩類支撐材料（能源材料和結(jié)構(gòu)材料）。能源材料用作維持系統(tǒng)工作所需的動力，結(jié)構(gòu)材料是支撐功能材料的基體材料或構(gòu)件§1.5材料智能化智能材料緒論材料的自適應性：指材料具有類似生物的自養(yǎng)育、自診斷、自修復、自調(diào)整、自繁殖等能力，以適應環(huán)境變化，這些能力被歸納為自診斷、自調(diào)整、自適應、自恢復和自修復等“S特性”自診斷

陶瓷材料自修復鋁鍋和不銹鋼餐具自適應水結(jié)冰§1.5材料智能化智能材料緒論材料和結(jié)構(gòu)的智能屬性評定。為了判斷自適應性能力的大小，材料機敏度和結(jié)構(gòu)智商的概念被提出。構(gòu)成材料機敏性的關(guān)鍵在于其感知功能和驅(qū)動功能。目前的智能材料通常是有源機敏材料，它比無源機敏材料的機敏度更高。材料的機敏度和結(jié)構(gòu)的智商將可能成為衡量材料智能化的判據(jù)智能材料的復合準則復合材料的復合效應線性效應非線性效應平均效應相乘效應平行效應誘導效應相補效應共振效應相抵效應系統(tǒng)效應智能材料具有多級結(jié)構(gòu)層次,包括有多個材料組元或控制組元功能的傳遞常常是通過能量轉(zhuǎn)換和物質(zhì)傳輸來實現(xiàn)的§1.5材料智能化智能材料緒論。智能材料的分類智能傳感材料對刺激強度監(jiān)測感知反饋智能驅(qū)動材料對機械特性響應或驅(qū)動智能修復材料自行愈合和再生功能智能控制材料感信智控驅(qū)修多決行§1.5材料智能化智能材料緒論。基本

組元壓電

材料電(磁)流變液形狀記憶材料磁致伸縮材料智能高分子材料光導

纖維§1.6應用前景及發(fā)展趨勢智能材料緒論航空航天飛行器方面直升飛機旋翼輪葉智能蒙皮實現(xiàn)精確控制智能結(jié)構(gòu)翼面的氣動彈性設(shè)計飛行狀態(tài)的監(jiān)測§1.6應用前景及發(fā)展趨勢智能材料緒論紡織品方面電子紡織品防撞服裝軍事戰(zhàn)斗服補充維C

T恤探測服汽車方面壓電陶瓷光導纖維電(磁)流變液形狀記憶合金§1.6應用前景及發(fā)展趨勢智能材料緒論大型混凝土結(jié)構(gòu)的安全性診斷光纖傳感器在混凝土固化監(jiān)測中的應用土木工程方面§1.6應用前景及發(fā)展趨勢智能材料緒論白鶴灘水電站分布式拉曼散射光纖溫度傳感系統(tǒng)白鶴灘水電站大壩中埋設(shè)近6000支溫度計，80000米的測溫光纖以及數(shù)千支大壩變形、滲流、滲壓等監(jiān)測儀器，它們就像遍布大壩全身的“神經(jīng)末梢”，用于感知混凝土溫度、環(huán)境溫度等信息，監(jiān)控大壩內(nèi)部的應力、應變、滲流等情況，并將關(guān)鍵信息反饋給大壩的神經(jīng)中樞智能建造信息管理平臺，平臺及時將收集到的參數(shù)進行實時分析判斷，并將分析結(jié)果實施推送給現(xiàn)場管理人員，幫助管理人員及時掌握現(xiàn)場情況，采取適當措施，保證任何細小的異常情況能在第一時間得到妥善處理§1.6應用前景及發(fā)展趨勢智能材料緒論建筑系統(tǒng)和輔助設(shè)施的管理和控制結(jié)構(gòu)監(jiān)測和損傷評估試驗應力分析§1.6應用前景及發(fā)展趨勢智能材料緒論智能自修復混凝土橋梁檢測§1.6應用前景及發(fā)展趨勢智能材料緒論針對智能材料本身的性能優(yōu)勢，未來在土木工程領(lǐng)域的應用研究主要有下列一些方面：（1）結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測與保養(yǎng)（2）形狀自適應材料與結(jié)構(gòu)（3）結(jié)構(gòu)減振抗震抗風降噪的自適應控制（4）智能材料在綠色建筑及被動式建筑中的應用。這些問題的進一步研究將有助于工程質(zhì)量的提高，有助于降低工程災害性事故的概率，有助于強化工程的安全可靠性，有助于推動土木工程領(lǐng)域的高技術(shù)發(fā)展，有助于建筑的綠色節(jié)能環(huán)保，有助于為土木工程領(lǐng)域注入新的發(fā)展動力與機遇§1.7思考題智能材料緒論1什么是智能材料?常見的智能材料有哪些?2簡述智能材料的發(fā)展。3什么是智能材料結(jié)構(gòu)?智能材料結(jié)構(gòu)有哪些特點?4簡述智能材料的發(fā)展趨勢。5簡述發(fā)展智能材料的可行性。6智能材料內(nèi)部應具有哪些生物功能?7什么是耗散結(jié)構(gòu)?8執(zhí)行材料有哪些?感知材料有哪些?9材料的自適應性是指什么?10智能材料分為哪幾類?各有哪些功能?11智能材料有哪些基本組元?12智能材料在航空航天方面有哪些應用?13智能材料在土木工程方面有哪些應用?14簡述智能材料在紡織品、汽車領(lǐng)域、體育和醫(yī)療方面的應用。智能材料形狀記憶合金

第2章形狀記憶合金智能材料形狀記憶合金

§2.1形狀記憶合金的發(fā)展和機理定義：形狀記憶合金（ShapeMemoryAlloys，簡稱SMA）是一種具有特殊性能的合金材料，能夠在特定條件下“記憶”其原始形狀，并在外界刺激下恢復到該形狀。智能材料形狀記憶合金§2.1形狀記憶合金的發(fā)展和機理發(fā)展：1933發(fā)現(xiàn)某些合金在加熱與冷卻過程中，馬氏體會隨之收縮與長大1963美國海軍武器實驗室的W.J.Buehler博士研究小組發(fā)現(xiàn)等原子比NiTi合金具有良好的形狀記憶效應1970美國首先將NiTi形狀記憶合金用于宇宙飛船天線，并在醫(yī)學領(lǐng)域等方面廣泛應用1984每年專利約1000項，應用領(lǐng)域涉及電氣、機械、運輸、化學、醫(yī)療、能源、生活用品等目前智能材料結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)的研究又將形狀記憶合金的應用推向更廣泛的研究領(lǐng)域智能材料形狀記憶合金§2.1形狀記憶合金的發(fā)展和機理機理1：馬氏體相變形狀記憶合金中的馬氏體可以隨溫度的降低而長大，隨溫度的升高而縮小，這種隨溫度變化而發(fā)生變化的馬氏體叫熱彈性馬氏體馬氏體加熱MfAsMsAf冷卻母相溫度電阻Ms=馬體相變的起始溫度Mf=馬體相變的終止溫度As=馬體逆相變的起始溫度Af=馬體相變的終止溫度智能材料形狀記憶合金§2.1形狀記憶合金的發(fā)展和機理機理2：形狀記憶效應在外應力作用下產(chǎn)生一定限度的應變后，去除應力，應變不能完全恢復（彈性部分恢復），在隨后加熱過程中，當超過馬氏體相消失的溫度時，材料能完全恢復到變形前的形狀ε0σε0σ加熱普通金屬材料形狀記憶體效應智能材料形狀記憶合金§2.1形狀記憶合金的發(fā)展和機理機理3：偽彈性應力誘發(fā)馬氏體相變引起的，應力應變關(guān)系不符合胡克定律的變形行為叫做偽彈性。與一般材料的彈性相比，形狀記憶合金偽彈性有兩個特點：①其可恢復應變量可達8%，比一般金屬材料的彈性應變量高很多；②恒彈性，即在應力恒定的條件下能夠產(chǎn)生較大的應變。ε0σdd‘a(chǎn)‘a(chǎn)bcc‘b‘智能材料形狀記憶合金§2.1形狀記憶合金的發(fā)展和機理力學特性ε0σ加載加熱卸載ε0σabcdeSMA的形狀記憶示意圖SMA超彈性效應示意圖智能材料形狀記憶合金§2.2形狀記憶合金的本構(gòu)關(guān)系分類：基于熱動力學理論，根據(jù)自由能構(gòu)成推導的本構(gòu)模型；從相界運動的動力學出發(fā)推導的數(shù)學模型；唯象理論模型（基于熱力學和熱動力學的本構(gòu)關(guān)系、帶有塑性理論特點的本構(gòu)關(guān)系）；以能量耗散為指導思路推導的細觀力學模型。智能材料形狀記憶合金§2.2形狀記憶合金的本構(gòu)關(guān)系基于熱動力學理論，根據(jù)自由能構(gòu)成推導的本構(gòu)模型

α,β,δ,γ—與材料相關(guān)的正常數(shù)；

ε,T—應變和溫度。這類模型從單晶體的自由能出發(fā)考慮晶格的變形（剪切和軸向），多少帶有一些細觀力學的特色，但距工程應用相差甚遠，且未研究多晶體的本構(gòu)行為。從相界運動的動力學出發(fā)推導的數(shù)學模型他們從Ericksen應力誘發(fā)固-固相變的純力學模型出發(fā)，將相界運動看作準靜態(tài)過程，采用熱動力學理論并結(jié)合Helmholtz自由能、熱動力學關(guān)系提出一維本構(gòu)關(guān)系，并討論模型對于材料等溫下應力循環(huán)行為、等應力下的熱循環(huán)行為以及形狀記憶行為的描述能力。智能材料形狀記憶合金§2.2形狀記憶合金的本構(gòu)關(guān)系唯象理論模型-基于熱力學、熱動力學和相變動力學

基于Tanaka模型的系列本構(gòu)模型

Ivshin和Pence模型Ivshin和Pence模型假定單獨相的熱力學行為由不同的狀態(tài)方程控制，相應的每相的熱動力學變量，如應力、溫度以及它們的同類變量熵和應變被定義為狀態(tài)函數(shù)，且應遵循Maxwell關(guān)系

智能材料形狀記憶合金§2.2形狀記憶合金的本構(gòu)關(guān)系唯象理論模型-帶有塑性理論特點的本構(gòu)關(guān)系這個模型在熱動力學、形狀記憶效應和統(tǒng)計物理的基礎(chǔ)上，將非彈性應變率表示成應力、相分數(shù)和其他內(nèi)變量的函數(shù)，形式上類似于包含背應力的蠕變和粘塑性非彈性形式。細觀力學模型這類模型仍然采用熱力學基礎(chǔ)來描述SMA相變，即采用相變過程中能量的變化來描述材料的熱彈性馬氏體相變，所不同的是它采用細觀力學的方法來描述SMA在相變過程中兩種組織的相互作用能（interactionenergy），因此建立在細觀力學基礎(chǔ)上的本構(gòu)模型為SMA材料的宏觀力學行為找到了理論依據(jù)，也是現(xiàn)在SMA材料本構(gòu)模型的熱點。智能材料形狀記憶合金§2.3形狀記憶合金的應用汽車制動系統(tǒng)形狀記憶合金在汽車上應用最多的是制動器，目前使用品類已達一百多種，主要用于控制引擎、傳送、懸吊等，以提高安全性、可靠性及舒適性。此外在汽車手動傳動系統(tǒng)的防噪裝置以及發(fā)動機燃料氣體控制裝置上也有應用。汽車機器人智能機器人利用形狀記憶合金彈簧與其合金絲可裝配成小型機器人，控制合金的收縮可操縱機器人手指的張開、閉合以及屈伸等動作。合金元件靠直接通入脈沖變頻電流控制機器人的位置、動作及動作速度。智能材料形狀記憶合金§2.3形狀記憶合金的應用人造衛(wèi)星上龐大的天線可以用記憶合金制作，發(fā)射人造衛(wèi)星之前，將拋物面天線折疊起來，火箭升空將人造衛(wèi)星送到預定軌道后，自加熱或受太陽照射后，折疊的衛(wèi)星天線因具有“記憶”功能而自然展開，恢復拋物面形狀。航空航天人造衛(wèi)星擁有記憶功能的鎳鈦合金制成的醫(yī)用支架，輸入目標血管后，其感受血液溫度時會發(fā)生形狀恢復，對狹窄病變區(qū)起到支撐作用。生物醫(yī)藥醫(yī)用支架“記憶”胸罩投入市場后立刻受到廣大女性的青睞；形狀記憶合金眼鏡架，能隨鏡片伸縮而改變形狀，始終保持與鏡片的緊密結(jié)合。生活日用眼鏡框智能材料形狀記憶合金§2.4思考題1簡述形狀記憶合金的發(fā)展史。2形狀記憶合金應用于哪些領(lǐng)域?3簡述馬氏體相變的概念及其特征。4什么是熱彈性馬氏體?5形狀記憶效應分為哪幾類?6單程形狀記憶是指什么?7雙程形狀記憶是指什么?8什么叫偽彈性?9與一般金屬材料相比，形狀記憶材料有哪些特點?10形狀記憶材料有哪些力學特性?11研究形狀記憶材料的本構(gòu)關(guān)系時有哪些力學模型?12簡述形狀記憶材料的應用。智能材料壓電復合材料

第3章壓電復合材料智能材料壓電復合材料§3.1壓電復合材料研究概況定義：壓電復合材料是由壓電相材料與非壓電相材料按照一定的連通方式組合在一起而構(gòu)成的一種具有壓電效應的復合材料分類：一般約定第一個數(shù)字代表壓電相，第二個數(shù)字代表非壓電相智能材料壓電復合材料§3.1壓電復合材料研究概況壓電相晶體

對稱性單晶特性加工被加工相

的特性“均勻度”被加工相的宏觀對稱性基本相晶體

對稱性單晶特性加工被加工相

的特性“均勻度”被加工相的宏觀對稱性相的連接（復合）并聯(lián)串聯(lián)更復雜的連接復合體舊的總特性新產(chǎn)生的特性復合體“塊狀”均勻度宏觀對稱性器件用材料的靈敏度器件結(jié)構(gòu)的附加對稱性變最終器件結(jié)構(gòu)設(shè)計流程圖智能材料壓電復合材料§3.1壓電復合材料研究概況研究進展1978年，美國R.E.Newnham提出概念，研制1-3型壓電復合材料。此后各國科研機構(gòu)開展研究，如美國B.A.Auld、W.A.Smith，澳大利亞HelenL.W.Chan，日本HiroshiTakeuchi，意大利H.Zewdie和MonterodeEspinosa等。國內(nèi)中科院聲學研究所、南京大學、哈爾濱材料工藝研究所等也進行研究，駱海濤博士等在智能壓電材料MFC應用方面取得成果。在太陽電池帆板上的應用智能材料壓電復合材料§3.1壓電復合材料研究概況壓電復合材料的制造方法和性能特點1-3型壓電復合材料由一維壓電陶瓷柱平行排列于三維連通聚合物中構(gòu)成。性能特點：聚合物相柔順性好，使壓電復合材料壓電電壓系數(shù)g提高，柔順性顯著改善；壓電陶瓷體積分數(shù)ω和柱形狀參數(shù)h/t影響性能。制作方法：排列—澆鑄法和切割—澆鑄法，還有1-3-0型（引入氣孔減弱泊松耦合效應）。0-3型壓電復合材料在三維連通聚合物基體中均勻填充壓電陶瓷顆粒形成。性能特點：電場通路連通性差，無應力放大作用，壓電應變常數(shù)d低，但介電常數(shù)極低，壓電電壓系數(shù)g較高，柔順性好；理想ω值為60%-70%，壓電陶瓷粒徑也影響性能，共沉淀法制備性能較好。制備工藝：粉末制備（共沉淀法、溶膠—凝膠法、混合氧化法等）、混合攪拌、模壓成型、固化、切割、鍍電極、極化。智能材料壓電復合材料§3.1壓電復合材料研究概況壓電復合材料的制造方法和性能特點3-3型壓電復合材料聚合物相和壓電相在三維空間相互交織、包絡(luò)形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。性能特點：靜水壓靈敏度高，體積密度低，低聲阻抗率，機械品質(zhì)因素低，耐機械沖擊能力高；氣孔率和PZT壓電陶瓷體積分數(shù)影響性能。制備工藝：BURPS（有機物燒去法）、珊瑚復制法、夾心式、梯形格子、光蝕造孔法等。智能材料壓電復合材料§3.2壓電效應及壓電復合材料基本理論壓電效應

智能材料壓電復合材料§3.2壓電效應及壓電復合材料基本理論壓電方程-四類邊界條件類別名稱特點第一類邊界條件機械自由和電學短路T=0,C；S≠0,C；E=0,C；D≠0,C；第二類邊界條件機械夾持和電學短路S=0,C；T≠0,C；

E=0,C；D≠0,C；第三類邊界條件機械自由和電學開路T=0,C；S≠0,C；D=0,C；E≠0,C；第四類邊界條件機械夾持和電學開路S=0,C；T≠0,C；D=0,C；E≠0,C；智能材料壓電復合材料§3.2壓電效應及壓電復合材料基本理論壓電方程-四類壓電方程第一類

第二類

第三類

第四類

智能材料壓電復合材料§3.2壓電效應及壓電復合材料基本理論壓電方程-各常數(shù)的物理意義

智能材料壓電復合材料§3.2壓電效應及壓電復合材料基本理論介質(zhì)損耗

機械品質(zhì)因數(shù)表示諧振時克服內(nèi)摩擦消耗能量，越大能量損耗越小，不同器件對其值要求不同

機電耦合系數(shù)表示電能與機械能耦合程度，與振動模式有關(guān)

機電耦合系數(shù)只與材料性質(zhì)及振動模式有關(guān)

智能材料壓電復合材料§3.2壓電效應及壓電復合材料基本理論壓電陶瓷

智能材料壓電復合材料高分子壓電材料目前實用的是聚偏二氟乙烯（PVDF），是半結(jié)晶性聚合物，結(jié)晶度約50%，非晶相有過冷液體特性，玻璃化溫度為-35℃有多種晶型，常見β、α和γ型，β晶型有自發(fā)極化性，α晶型拉伸轉(zhuǎn)變?yōu)棣戮停偌訜岬骄永稂c溫度極化后具有壓電效應與壓電陶瓷相比，PVDF壓電應變常數(shù)低，機電耦合系數(shù)小，但壓電電壓g高，柔韌性好，可制成任意形狀用于復雜構(gòu)件監(jiān)測未極化的PVDF薄膜結(jié)構(gòu)極化后的PVDF薄膜結(jié)構(gòu)§3.2壓電效應及壓電復合材料基本理論智能材料壓電復合材料1-3型壓電復合材料的復合原理由平行排列一維壓電陶瓷柱和三維連通聚合物構(gòu)成利用橫向壓電效應時，壓電陶瓷單元極化方向與電場方向平行（沿厚度方向）；利用厚度剪切壓電效應時，極化方向沿長度方向，電場沿厚度方向。§3.2壓電效應及壓電復合材料基本理論智能材料壓電復合材料§3.3思考題1什么是壓電效應?請畫圖說明正壓電效應的產(chǎn)生機理和產(chǎn)生壓電效應需要的條件。2舉例說明壓電材料類別，高分子壓電材料有何突出優(yōu)點?3壓電單晶的生長法有哪些缺點?4指出壓電常數(shù)11d和31g的物理意義。5機電耦合系數(shù)的意義是什么?壓電陶瓷常用的機電耦合系數(shù)有哪些?6與壓電單晶材料相比，壓電陶瓷有何特點呢?智能材料電磁流變體

第4章電磁流變體智能材料電磁流變體§4.1電流變體研究概況

電流變效應是某些復雜液體在一定強度電場作用下，能在毫秒量級時間內(nèi)，流變性能發(fā)生急劇且可逆變化。具有該效應的復雜液體叫電流變液，可為懸浮液（分散粒子和某種液體構(gòu)成）或液晶溶液等。在電場作用下，其粘度幾毫秒內(nèi)可提高幾個數(shù)量級，呈粘塑性固體材料形態(tài)，撤去電場又幾乎馬上恢復到低粘度液體狀態(tài)。理想的電流變液材料在工程應用中需具備在較低電場下有較大剪切強度、零場時粘度盡可能小、使用溫度和電流密度低、抗沉降性好、無污染等性能目前局限應用前景理想材料

性能要求因特殊性能有廣闊應用前景，可用于制造減振器、離合器、液壓閥、激勵器等器件及系統(tǒng)至今尚無商用的電流變體器件，主要局限在于還未獲得高性能電流變液智能材料電磁流變體

電流變液相變機理研究進展早期研究與電流變學誕生：1896年Duff研究靜電力對絕緣油機械性能影響，發(fā)現(xiàn)蓖麻油對電場敏感。1935-1946年一系列研究表明含雜質(zhì)離子或永久偶極的導電性流體在電場下會電致變粘。1947年Winslow提出電流變效應，1949年其有關(guān)Johnsen-Rahbecle效應的研究成果標志著電流變學誕生,如圖4-1所示§4.1電流變體研究概況智能材料電磁流變體介電極化被廣為接受，認為電場使分散相顆粒極化產(chǎn)生偶極子，沿電場方向排列形成鏈狀結(jié)構(gòu)，進而形成柱狀結(jié)構(gòu)，使剪切應力和表觀粘度提高雙電層早期電流變液分散相含水分，水含量影響電流變效應，水橋機理認為體系電流變效應需分散介質(zhì)憎水、分散相親水多孔且含吸附水水橋

一般界面體系存在雙電層，電場下其誘導極化導致電荷不平衡分布，雙電層形變使流體剪切流動耗散能量增加，強度上升電泳

懸浮液中帶電顆粒在電場下電泳，其運動速度與介質(zhì)不同，使能量消耗增加，導致電流變液粘度增加，但顆粒電泳不是產(chǎn)生電流變效應的必要條件，且電泳會引起負電流變效應§4.1電流變體研究概況智能材料電磁流變體

微觀模型建立：目的是建立材料參數(shù)與宏觀性能的定量關(guān)系，基于粒子極化模型，常用分子動力學仿真及布朗動力學仿真技術(shù)，用計算機模擬預報外電場下電流變液微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和宏觀性能，簡化計算時不計水動力及粒子慣性力影響，已有多種研究成果§4.1電流變體研究概況智能材料電磁流變體

電流變液本構(gòu)方程的研究進展無量綱參數(shù)定義：穩(wěn)態(tài)剪切流動中，用Mason數(shù)反映液體動力與靜電極化力相互作用比值，Peclet數(shù)反映液體動力與熱力比值，參數(shù)λ表示靜電極化力同熱力的比值Bingham液體本構(gòu)方程：無電場時電流變體呈牛頓流體特性，加電場后表現(xiàn)出粘性固體特性，有屈服點，常用Bingham本構(gòu)模型描述，屈服應力與電場強度平方成比例，塑性粘度隨剪切應變速率變化流變性能研究進展：Marshall等人研究發(fā)現(xiàn)電流變體粘度系數(shù)與Mason數(shù)呈反比關(guān)系，計算機模擬表明Casson粘塑性模型能更準確描述數(shù)據(jù)，二維計算機仿真發(fā)現(xiàn)粒子束平均尺寸與

成正比，電流變體在復雜載荷和電場下，需建立三維本構(gòu)方程及宏觀微觀定量關(guān)系以指導高性能電流變體研制§4.1電流變體研究概況智能材料電磁流變體§4.2電流變液的性能研究電流變材料多數(shù)電流變液由可極化固體顆粒（分散質(zhì)）、絕緣油（分散劑）和少量電流變活化劑組成。理想分散劑粘度低、絕緣性好，固體顆粒尺寸微米級，具有較高絕緣常數(shù)和適當電導率，早期有硅石等，為減少沉降和增強效應可加活化劑。電流變液分“含水”和“無水”型，“含水”型需水但有諸多缺點，“無水”型具有低電流等優(yōu)點，常用“無水”型材料有離子導體類等，還有“負”電流變液智能材料電磁流變體智能材料屈服應力形成機制粒子靜電極化原理可用點偶極子模型計算粒子間作用力，兩偶極子平行電場排列為引力，垂直為斥力，成夾角時有使趨向電場同向排列的力矩，從而形成鏈狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生屈服應力§4.2電流變液的性能研究①同電場方向平行排列時為引力；

②同電場垂直排列時為斥力；

③同電場成一夾角ij時，總有一力矩作用使其趨向與電場同向排列智能材料電磁流變體靜態(tài)結(jié)構(gòu)加電后電流變液沿電場方向形成鏈狀結(jié)構(gòu)。鏈平均尺寸與顆粒體積濃度有關(guān)；電場為一定值時結(jié)構(gòu)很快達到穩(wěn)態(tài)；圖4-3觀察到玻璃球/硅油電流變液內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在隨機空間鏈、鏈與亞穩(wěn)態(tài)柱共存、穩(wěn)定柱狀結(jié)構(gòu)三個轉(zhuǎn)變狀態(tài)§4.2電流變液的性能研究智能材料電磁流變體動態(tài)結(jié)構(gòu)Sprecher發(fā)現(xiàn)低剪切率時鏈狀結(jié)構(gòu)破壞與重組多在鏈中部且均勻，高剪切率時過程復雜化；Martin發(fā)現(xiàn)散射光斑和電場夾角與應變率立方根成正比；振蕩剪切時，小應變振幅固體顆粒聚集成長軸垂直于振動方向結(jié)構(gòu)（圖4-4a），大應變振幅出現(xiàn)平行于振蕩方向條狀結(jié)構(gòu)（圖4-4b）§4.2電流變液的性能研究智能材料電磁流變體電流變液的影響因素電場影響體積分數(shù)影響固相顆粒

電導率影響固相顆粒大小和形狀影響母液油

電學特性影響屈服應力與電場成指數(shù)關(guān)系，電場頻率和方向也影響電流變液性能屈服應力隨體積分數(shù)增加呈指數(shù)上升至飽和溫度變化影響固液兩相材料性質(zhì)，導致電流變液屈服應力先增后降屈服應力隨粒子尺寸和長細比增大而增大，單一分布式顆粒產(chǎn)生最大屈服應力母液油電學特性對電流變液有影響，包括介電常數(shù)、電導率與含水量關(guān)系、溫度對屈服應力影響等§4.2電流變液的性能研究智能材料電磁流變體§4.3磁流變液定義：磁流變體（MagnetorheologicalFluid）是一種智能材料，在外部磁場作用下，其流變性質(zhì)會發(fā)生突變，迅速固化失去流動性，且該過程可逆。它主要由作為分散相的固體粒子、作為載體的基液和高分子添加劑三部分組成磁流變體固化粒子基液添加劑智能材料電磁流變體§4.3磁流變液磁流變液的組成：固體粒子基液添加劑是產(chǎn)生磁流變效應的核心，應具有高磁化率、低磁滯率、與基液相適應比重、適當大小和形狀、穩(wěn)定化學和物理性能、耐磨無毒無腐蝕性等，常用軟磁材料，如碳基鐵粉和鐵合金粉將固體粒子均勻分散，保證零磁場時為牛頓流體，磁場作用時使粒子形成鏈狀結(jié)構(gòu)，常用礦物油、硅油和機油等，要求沸點高、凝固點低、零場粘度低、密度大、化學穩(wěn)定性好改善磁流變體性能，包括表面活性劑提高粒子磁化率、改善潤濕性防止粒子凝聚、穩(wěn)定劑防止沉淀，常用添加劑有磺酸鹽、油酸等智能材料電磁流變體§4.3磁流變液磁流變效應的特征：粘度變化特性：磁場作用下，磁流變體表觀粘度隨磁場強度增大而增大，直至停止流動或固化，磁場消除后又恢復原始粘度液態(tài)-固態(tài)轉(zhuǎn)換特性：磁場作用使磁流變體屬性在液態(tài)與固態(tài)間轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換可逆、可控且能耗低智能材料電磁流變體§4.3磁流變液磁流變體的微觀結(jié)構(gòu)：無磁場時粒子隨機分布，有磁場時沿磁場方向排成鏈狀，粒子極化形成偶極子，其有序運動受多種因素影響，粒子聚集方式有通鏈、支鏈、孤立鏈和束鏈或柱，體積分數(shù)影響磁流變效應，過高或過低都不利于其產(chǎn)生。(H-外加磁強度)智能材料電磁流變體§4.3磁流變液磁流變體的宏觀力學模型：本構(gòu)模型建立：基于簡單機械模型，考慮磁場強度對粘塑性性能影響，假設(shè)材料初始各向同性、塑性不可壓縮、等溫小變形，建立磁流變體微分形式本構(gòu)方程，包含常用Bingham模型，討論不同參數(shù)情況增量形式本構(gòu)方程推導：對微分形式本構(gòu)方程推導得到增量形式本構(gòu)方程，研究表明應變、應變率、磁場強度、體積分數(shù)和粒子直徑等因素對磁流變體應力有影響智能材料電磁流變體§4.3磁流變液磁流變流體的微觀力學模型：Maxwell基本方程組及磁流變體基本方程：介紹真空中和受電磁場作用物體的Maxwell基本方程組，以及磁流變體在外加磁場下的基本方程，包括磁感應強度、磁場強度關(guān)系和局部磁場強度與外加磁場強度關(guān)系等固體粒子磁化率和磁化強度計算：給出固體粒子磁化率和磁化強度計算公式，以及粒子極化后偶極矩和磁極大小計算方法力學模型建立與屈服應力計算：基于粒子間靜磁作用力，分析磁鏈結(jié)構(gòu)中粒子間作用力，計算單位面積內(nèi)鏈數(shù)，得到單鏈屈服應力和磁流變體總應力計算公式，該模型物理特征清晰，表達了磁流變效應力學機理智能材料電磁流變體§4.4電、磁流變液的力學特性后屈服階段的力學特性：穩(wěn)態(tài)剪切下，應力應變關(guān)系用賓漢模型描述，后屈服階段剪切應力是應變率和場強函數(shù)，還具有觸變性、蠕變性、剪切致稀性和壁面效應等特性預屈服階段的力學性質(zhì)：小振幅振蕩剪切中表現(xiàn)為粘彈性特征，儲存模量、損失模量和損耗角與多種因素有關(guān)，增大剪應變幅值，力學特性會轉(zhuǎn)變，可通過改裝流變儀或研究控制結(jié)構(gòu)力學特性間接研究其動態(tài)力學特征智能材料電磁流變體§4.5電流變液及磁流變液的應用電、磁流變器件的基本設(shè)計形式總體有管道流、剪切、擠壓流三種模式管道流模式靠閥兩端壓力差驅(qū)動，用于液壓控制等；剪切模式兩極板可相對移動，用于離合器等；擠壓模式適用于微小運動大阻尼力場合（圖4-5）圖4-5電、磁流變器件的基本設(shè)計模式及工作原理演示圖智能材料電磁流變體電、磁流變液的應用電流變離合器用于力顯示裝置:日本大阪大學設(shè)計的電流變離合器用于力顯示裝置，作動器響應速度快、輸出力矩與慣性比率高，在機器人控制等領(lǐng)域有應用前景（圖4-6）磁流變阻尼器用于地震控制:數(shù)值模擬顯示磁流變阻尼器半主動控制系統(tǒng)能達主動控制系統(tǒng)目的且能耗低（圖4-7）圖4-6電流變離合器圖4-7用于地震控制的線性磁流變阻尼器§4.5電流變液及磁流變液的應用智能材料電磁流變體§4.5電流變液及磁流變液的應用電流變液和磁流變液主要性能比較屈服應力溫度工作范圍穩(wěn)定性場源所需體積

及功耗磁流變液屈服應力是電流變液的20-50倍，且受磁飽和影響含水電流變液溫度范圍窄，磁流變液工作范圍大且溫度穩(wěn)定性好磁流變液對污染雜質(zhì)不敏感，電流變液易受雜質(zhì)影響電流變液響應時間1毫秒左右，磁流變液典型響應時間10-100毫秒電流變液需高電壓電源，磁流變液需低電壓直流電源但需設(shè)計驅(qū)動線圈和磁路達到相同控制效果，電流變液所需體積比磁流變液大，功耗基本相同場源智能材料電磁流變體§4.6思考題1

電流變效應有哪些特征？2

電流變液體由哪三部分組成？3

在選擇固體微粒材料時，應遵循什么原則？4

試用雙電層畸變及交疊理論解釋電流變效應在多相體系中發(fā)生的原因。5

磁流變液有什么特征？6

試分析良好的磁流變液應具備什么性能？7

試說明磁流變體的應用領(lǐng)域有哪些？智能材料智能纖維材料

第5章智能纖維材料智能材料智能纖維材料§5.1導電纖維

分類：可大致分為電子傳導纖維、離子傳導纖維、感應性（介電質(zhì)性）纖維。電子傳導纖維又分為合成纖維和纖維自身中具有電子的非定域化和電荷移動絡(luò)化物的導電性纖維,(如圖5-1)智能材料智能纖維材料§5.1導電纖維

應用：具有活性物質(zhì)的智能纖維在電子傳導功能的靈感元件、電場效果、半導體管、開關(guān)、蓄電功能元件、電池等方面廣泛應用，未來導電性高分子自身有望成為纖維材料智能材料智能纖維材料§5.2感應（介電質(zhì)）性纖維材料

材料特性：多數(shù)纖維為電絕緣體，具感應（介電質(zhì)）性等特點，加熱臨界電界可產(chǎn)生駐極體現(xiàn)象，如丁基酚醛甲醛樹脂浸泡羊毛纖維應用潛力：在通用絕緣體聚合物上施加電場產(chǎn)生變形，可用于微型管、閥等，納米纖維等可發(fā)展新自律應對智能纖維系統(tǒng)智能材料智能纖維材料§5.3光纖及光纖傳感技術(shù)

光纖的結(jié)構(gòu)：光纖分石英玻璃和多組分玻璃光纖，結(jié)構(gòu)為同軸圓柱體（纖芯、包層、涂覆層），按傳輸模式分單模（纖芯直徑8-10μm）和多模（纖芯直徑約50μm，包層直徑均為125μm），傳輸基于光全反射，單模和多模光纖折射率分布不同，可通過添加劑調(diào)節(jié)折射率，(如圖5-2)智能材料智能纖維材料§5.3光纖及光纖傳感技術(shù)

光纖傳感原理：以光為載體、光纖為媒質(zhì)，由光發(fā)送器、敏感組件、光接收器、信號處理系統(tǒng)及傳輸線路組成，能測多種物理量和化學量，具眾多優(yōu)點，如體積小、抗干擾等(如圖5-3)智能材料智能纖維材料§5.3光纖及光纖傳感技術(shù)

光纖傳感器的分類按光纖作用按被調(diào)制

光波參數(shù)按被測量

外界參數(shù)傳光型（光纖導光，敏感組件非光纖元器件）和傳感型（敏感組件和傳輸線路均為光纖）強度、相位、偏振、頻率和波長調(diào)制光纖傳感器，強度調(diào)制型結(jié)構(gòu)簡單但精度低易受干擾，其他類型精度高但成本高可測多種物理量和化學量，如溫度、位移等，已能實現(xiàn)70多種量的測量智能材料智能纖維材料§5.3光纖及光纖傳感技術(shù)

光纖布拉格光柵傳感器：新型光子器件，可改變光波傳播，分均勻和非均勻周期光柵，布拉格光柵屬前者，是性能優(yōu)異的窄帶反射濾波器件，制作方法有相位掩模法等，其中心波長與纖芯有效折射率和光柵折射率周期相關(guān)，波長漂移可傳感多種量，具獨特優(yōu)勢，如波長絕對編碼、自參考、可構(gòu)建傳感網(wǎng)絡(luò)、精度高(如圖5-4)智能材料智能纖維材料§5.4光纖智能復合材料的研究

對力學性能影響：埋入光纖對復合材料力學性能有影響，對垂直光纖鋪設(shè)方向材料強度影響較大，可通過優(yōu)化光纖參數(shù)和鋪設(shè)方向減小影響，如選小直徑、大包層模量、小厚度且平行載荷方向鋪設(shè)光纖傳感器監(jiān)測復合材料固化智能材料智能纖維材料§5.4光纖智能復合材料的研究

光纖傳感器監(jiān)測復合材料固化監(jiān)測固化過程：利用光纖傳感器監(jiān)測復合材料固化工藝，其與基體結(jié)合好、不影響力學性能、可獲內(nèi)部信息、實現(xiàn)在線監(jiān)測，常用傳感器有多種，各有優(yōu)缺點，(如圖5-5)智能材料智能纖維材料§5.4光纖智能復合材料的研究

光纖傳感器監(jiān)測復合材料結(jié)構(gòu)服役傳統(tǒng)損傷檢測方法及局限復合材料疲勞破壞機理復雜，傳統(tǒng)無損檢測方法包括超聲法、聲發(fā)射法、X射線法、激光全息（散斑）法和渦流檢測法等，但存在成本高、精度低、難以在線監(jiān)測等問題光纖光柵監(jiān)測服役優(yōu)勢：光纖布拉格光柵可用于復合材料結(jié)構(gòu)服役期內(nèi)部應變監(jiān)測，為損傷監(jiān)測、剩余疲勞壽命預報和斷裂失效預警提供信息智能材料智能纖維材料§5.4基于光纖傳感技術(shù)的土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

光纖傳感器在土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，因小巧、柔軟、靈敏度高、抗電磁干擾等優(yōu)點，在應力、應變監(jiān)測方面有重要應用，主要用于監(jiān)測鋼筋混凝土內(nèi)部應力、應變，獲取構(gòu)件強度儲備和載荷狀況信息光纖傳感器：智能材料智能纖維材料§5.5形狀記憶纖維

如鎳鉛合金纖維等，熱成型時能記憶形狀，冷卻可形變并固定，再次加熱可逆恢復原始形狀，已用于智能結(jié)構(gòu)、醫(yī)療矯形、服裝等領(lǐng)域，(如圖5-6)圖5-6記憶纖維智能材料智能纖維材料§5.6變色纖維

主要有光敏變色和熱敏變色纖維兩種，受外界刺激后可逆自動改變顏色，適用于軍事隱蔽、舞臺服裝、童裝等(如圖5-7)圖5-7變色纖維智能材料智能纖維材料§5.7調(diào)溫纖維

根據(jù)環(huán)境溫度變化，通過纖維中室溫相變物質(zhì)的液-固可逆相變實現(xiàn)吸放熱，調(diào)節(jié)周圍溫度，用于滑雪衫、運動服裝等，具有靜態(tài)和動態(tài)保溫作用(如圖5-8)圖5-8調(diào)溫纖維智能材料智能纖維材料§5.8智能抗菌纖維

如美國Nylstar公司的纖維，抗菌劑藏于內(nèi)部，耐洗滌，可控制皮膚表面細菌數(shù)量，區(qū)別于一般抗菌纖維(如圖5-9)圖5-9智能抗菌纖維智能材料智能纖維材料§5.10思考題1.導電纖維可以分為幾種？電子傳導纖維又可分為幾種？2.按傳輸模式光纖可分為哪幾種？其直徑分別是多少？3.光纖傳感系統(tǒng)由什么組成？與傳統(tǒng)的各種傳感器比較有何優(yōu)點？4.光纖傳感器的分類。5.光纖光柵制作方法包括哪些？6.光纖對復合材料力學性能的影響有哪些？7.溫度變化歷程在材料的整個疲勞過程中可分為哪三個階段？智能材料智能高分子材料

第6章智能高分子材料智能材料智能高分子材料

形狀記憶智能：如經(jīng)輻射交聯(lián)反應的塑料，加熱變形冷卻固定形狀，再次加熱可恢復原狀，可用于制造熱收縮空管、膜、電動機線圈，以及形狀記憶棉纖維織物等液晶聚合物智能：聚合物粘度大，主鏈型響應慢且對溫度依賴性大，盤狀液晶受重視，其分子間相互作用和高次堆砌結(jié)構(gòu)對智能貢獻突出，高組織性纖維質(zhì)在控釋材料和人工皮膚方面有前途數(shù)據(jù)存儲智能：帶有液晶側(cè)鏈的高分子鏈連接染料分子，利用染料吸光實現(xiàn)晶態(tài)/液態(tài)轉(zhuǎn)變來存儲數(shù)據(jù)，可作顯示材料和三維存儲器，存儲密度高高分子凝膠智能：由大分子鏈交聯(lián)聚合與溶劑組成，環(huán)境變化時凝膠體積可逆、不連續(xù)變化，適用于化學閥、吸附分離、傳感器、記憶材料、藥物釋放體系和人工角膜等§6.1高分子材料的智能性——分類智能材料智能高分子材料§6.2智能高分子材料的設(shè)計原理及合成方法

設(shè)計原理：功能實現(xiàn)基于信息流（能量流）傳遞、轉(zhuǎn)換和控制，依據(jù)物-場相互作用原則，構(gòu)想中間能量傳遞形式和選擇中間場，通過物理（化學）效應結(jié)合實現(xiàn)控制目標，設(shè)計模式有功能融合與控制原子分子有序程度兩種

粒子復合薄膜復合納米粒子及

分子的組裝不同功能材料顆粒組裝成多功能材料，如通過電子束掃描使帶電顆粒排列成三維結(jié)構(gòu)兩種或多種機敏材料薄膜復合優(yōu)化多功能特性，如形狀記憶合金與其他材料復合拓寬響應頻率范圍對納米粒分子、原子搬遷操作，調(diào)控其結(jié)構(gòu)和相互作用，獲得多種響應性質(zhì)的智能材料，如在沸石分子篩中組裝半導體或納米光學材料可做電控、光控元件合成方法：智能材料智能高分子材料

概述：廣泛應用于醫(yī)學各領(lǐng)域，如人工血管、頭蓋骨、人工臟器等，還涉及人工血液、高分子藥物、藥用包裝材料和醫(yī)用粘合劑等，是多學科邊緣科學，對醫(yī)療保健和生命科學意義重大設(shè)計基礎(chǔ)：要求材料安全無毒、穩(wěn)定性好、生物相容性佳，需從原料嚴格制造，滿足化學惰性、無炎癥反應、不致癌、不過敏、物理性能穩(wěn)定、抗血栓、耐消毒、易加工等條件高分子藥物：分為藥理活性高分子藥物和高分子載體藥物，后者可緩慢持久釋放低分子藥物，控制藥物釋放，提高療效§6.3醫(yī)用智能高分子材料智能材料智能高分子材料§6.3醫(yī)用智能高分子材料

高分子人造器官如硅橡膠用于人工喉、聚乙烯等用于人工氣管和食道、合成纖維用于人工血管、硅橡膠封入起搏器用于人工膀胱、多種材料用于人工尿管等，研制方向向小型化、體內(nèi)化和長期適應發(fā)展(如圖6-1)圖6-1高分子人造器官智能材料智能高分子材料

在五官科、骨科、創(chuàng)傷外科和整形外科上的應用：合成高分子材料與天然高分子結(jié)構(gòu)相似，可取代生物體器官，如用于制造人工角膜、接觸眼鏡、牙齒修復材料、隆胸材料和外用醫(yī)療護理材料等，要求穩(wěn)定性和相容性好，無毒副作用§6.3醫(yī)用智能高分子材料智能材料智能高分子材料

人造血液：由水溶性高分子和其他輸液組成，早期原料不斷改進，旨在解決輸血血液不足和交叉感染問題(如圖6-2)§6.3醫(yī)用智能高分子材料圖6-2人造血液智能材料智能高分子材料

高分子藥物包裝材料：藥物制劑需具備多種條件，合成高分子化合物在藥品制劑加工中需考慮毒性和安全性等問題(如圖6-3)§6.3醫(yī)用智能高分子材料圖6-3高分子藥物薄衣智能材料智能高分子材料

碳纖維：由有機纖維固相反應轉(zhuǎn)變而成，性能優(yōu)異，制品用途廣泛，可按原絲類型、性能和用途分類，通過氣相法或有機纖維碳化法制造，結(jié)構(gòu)決定性能，包括力學、物理和化學性能(如圖6-4)§6.4智能高分子材料應用與開發(fā)圖6-4碳纖維智能材料智能高分子材料

碳纖維與功能復合材料介于固體結(jié)晶和液體之間，分子排列有序，具有多種優(yōu)異特性，按形成條件和分子排列分類，溶液型和熱熔型側(cè)鏈、主鏈高分子液晶在膜材料、膠囊、纖維和薄膜制備等方面有不同應用(如圖6-5)§6.4智能高分子材料應用與開發(fā)圖6-5液晶高分子材料液晶高分子材料：智能材料智能高分子材料

碳纖維與功能復合材料智能涂料具有改變被涂物表面性質(zhì)的功能性，包括示溫、防輻射、耐熱、燒蝕、阻尼等功能涂料，各有其組成、特性和應用范圍(如圖6-6)§6.4智能高分子材料應用與開發(fā)圖6-6功能涂裝功能涂料：智能材料智能高分子材料

碳纖維與功能復合材料§6.4智能高分子材料應用與開發(fā)圖6-7功能性包裝材料功能性包裝材料：以包裝材料性能為主發(fā)揮功能，包括阻隔、透過性、防露、吸附、脫臭、吸收、耐熱、熱收縮、易開封等多種類型，在食品包裝等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用(如圖6-7)智能材料智能高分子材料

§6.5智能高分子材料應用展望電子學信息處理對絕緣性更高和導電性更好的高分子材料有需求，超導電高分子材料也需進一步發(fā)展提高光導纖維透明度和玻璃化溫度可擴大應用范圍，高分子材料在光存儲器件上的應用有待改進各種敏感元件高分子材料可作為電場、磁場、光、溫度、應力、物性傳感材料，但需滿足傳感器必備條件智能材料智能高分子材料

§6.5智能高分子材料應用展望醫(yī)療運輸工具醫(yī)用材料使用范圍廣，需具備生物體適應性和醫(yī)用功能，且因使用條件不同要求各異汽車、鐵路車輛、飛機、航天飛船等對高分子材料有不同需求，如汽車需要一級結(jié)構(gòu)材料，鐵路車輛需不燃性增強塑料，飛機需改進復合材料性能，航天飛船需耐高溫低溫材料日常生活高分子材料在日常生活中廣泛應用，對其功能要求多樣，如耐熱、耐磨、耐沖擊等智能材料智能高分子材料

§6.5智能高分子材料應用展望工業(yè)信息處理高分子材料在工業(yè)中可代替金屬和木材，膜分離技術(shù)需求迫切，對超純水需求增加，廢水回收和海水淡化也成為研究重點農(nóng)用薄膜需具備多種特性，高分子材料在農(nóng)藥和化肥方面也有應用，未來期望開發(fā)更環(huán)保有效的農(nóng)藥用高分子材料和緩效肥料農(nóng)業(yè)能源開發(fā)需要耐高溫高壓等高性能材料，高分子材料在石油開發(fā)、原子能和太陽能利用方面有應用潛力智能材料智能高分子材料§6.6思考題1高分子材料的智能性體現(xiàn)在哪些方面？2什么是模糊材料，簡述模糊材料的發(fā)展方向。3簡述高分子材料的記憶功能。具有形狀記憶功能的高分子材料應用在哪些方面？4簡述智能高分子材料的設(shè)計原理。5智能高分子材料有哪幾種合成方法？6智能高分子纖維有哪些種類？各有什么作用？應用于哪些領(lǐng)域？7簡述光纖傳感器的應用。智能材料其他傳感元件

第7章其他傳感元件§7.1電阻應變絲的研究

電阻應變測量在智能結(jié)構(gòu)中的應用依據(jù)智能材料其他傳感元件原理發(fā)現(xiàn)與早期應用：電阻應變測量原理由湯姆遜發(fā)現(xiàn)，他在鋪設(shè)大西洋海底電纜時發(fā)現(xiàn)金屬材料受外力作用電阻會變化，提出“金屬絲在機械應變作用下會發(fā)生電阻變化”原理。1923年，美國的P.N.布里奇曼根據(jù)此原理制成測量水壓的壓力計技術(shù)發(fā)展與應用領(lǐng)域拓展：上世紀四十年代，因工業(yè)發(fā)展需求，應變測量技術(shù)變革。從絲繞式應變片發(fā)展出箔式、薄膜、半導體應變片等。應變電阻測量技術(shù)具有靈敏度高、測量速度快、結(jié)果精確可靠穩(wěn)定、易于實現(xiàn)自動化和多點同步測量等優(yōu)點，廣泛應用于機械、電力設(shè)備、化工容器、航空航天、建筑等領(lǐng)域，甚至地震預報、地質(zhì)勘探、醫(yī)學等方面§7.1電阻應變絲的研究

電阻應變絲工作原理智能材料其他傳感元件電阻應變絲電阻計算與變化分析：§7.1電阻應變絲的研究

電阻應變絲工作原理智能材料其他傳感元件工作電路與電壓確定：可采用電橋形式或雙恒流源電路，雙恒流源電路輸出電壓

直流電橋輸出電壓路電壓根據(jù)電阻應變絲許用通過電流值確定。§7.1電阻應變絲的研究

智能結(jié)構(gòu)中電阻應變絲的選擇靈敏系數(shù)大且應變范圍保持常值、電阻率高且穩(wěn)定、電阻溫度系數(shù)小且分散性小、機械強度高、焊接性能好等。智能材料其他傳感元件選擇要求：常用材料：銅鎳合金（康銅）、鎳鉻合金及改良型合金、鎳鉻鐵合金、鐵鉻鋁合金、鉑及鉑合金，各有特點及適用范圍。§7.1電阻應變絲的研究

智能結(jié)構(gòu)中電阻應變絲的補償技術(shù)溫度補償必不可少，熱輸出

智能材料其他傳感元件溫度補償必要性與熱輸出估算：補償方法：曲線修正法、線路補償法、溫度自補償應變絲，還有抗電磁干擾方法

§7.2碳纖維復合材料

碳纖維復合材料的應用概況碳纖維導電、溫敏，可制成應力（應變）傳感器，比強度、比模量高，耐高溫，化學性質(zhì)穩(wěn)定，實際應用時制成氈夾箔板引出電極測量。智能材料其他傳感元件碳纖維特性與傳感器原理：應用領(lǐng)域：補強技術(shù)用于橋墩、地鐵支柱加固；安全監(jiān)視和健全診斷技術(shù)用于監(jiān)測混凝土及結(jié)構(gòu)部件受力和形變等情況。§7.2碳纖維復合材料

碳纖維機敏水泥基復合材料溫阻特性智能材料其他傳感元件電阻的正溫度系數(shù)與負溫度系數(shù)碳纖維的影響循環(huán)次數(shù)對溫阻關(guān)系的影響水泥基體對溫阻關(guān)系的影響升溫時電阻隨溫度變化呈現(xiàn)NTC/PTC轉(zhuǎn)變，約90℃，原因與電子激發(fā)和熱膨脹有關(guān)。碳纖維體積分數(shù)增大使NTC/PTC轉(zhuǎn)變溫度降低，長度主要影響室溫電阻率和溫阻曲線縱坐標位置。循環(huán)次數(shù)增加溫阻曲線重復性好且基本不變，為開發(fā)溫控器件或溫度自監(jiān)測系統(tǒng)提供前景。砂灰比影響室溫電阻率、電阻測試值波動和NTC/PTC轉(zhuǎn)變溫度，水泥基體內(nèi)部結(jié)構(gòu)對導電性能起主要影響。

智能水泥基材料智能材料其他傳感元件材料特性

與監(jiān)測功能碳纖維的影響調(diào)濕與自

愈合功能水泥基材料智能化前景好，摻碳纖維后電阻變化對應內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，可監(jiān)測多種工況，高摻量碳纖維靈敏度過高。摻腈綸短切碳纖維產(chǎn)生熱電效應可監(jiān)測溫度，還可能用于溫差供電和制冷制熱。摻多孔材料可調(diào)濕，正在研制自行愈合混凝土，還有主動智能材料設(shè)想。§7.3智能無機非金屬高分子復合材料及其應用§7.4二氧化釩智能窗

智能材料其他傳感元件二氧化釩薄膜相變及光學性能分析：二氧化釩塊體68℃相變，薄膜在高溫85℃和低溫20℃時光透過率變化明顯，具備智能調(diào)溫性能，但應用前需解決相變溫度和可見光透過率問題。相變溫度的降低：相變溫度需降至30℃左右，可通過薄膜制取方法、工藝和摻雜改變，應結(jié)合新工藝、新方法與摻雜。可見光透過率的提高：與制備方法、膜厚等有關(guān)，應與相變溫度降低結(jié)合考慮找到最佳參數(shù)點。§7.5半導體材料

半導體材料如硅、鍺等，是智能結(jié)構(gòu)材料研究方向之一，但用于土木工程存在影響結(jié)構(gòu)性能、應用溫度范圍窄等問題，半導體氣壓硅傳感器可測量結(jié)構(gòu)物表面風壓分布。智能材料其他傳感元件半導體材料：智能材料其他傳感元件§7.6疲勞壽命絲（箔）

由特定合金成分和熱處理工藝制成，在交變應力作用下

循環(huán)次數(shù)為結(jié)構(gòu)壽命一半時裂紋開始出現(xiàn)，根據(jù)電阻變化可評估結(jié)構(gòu)損傷及剩余壽命，性能與電阻應變絲相當。R——電阻R——電阻變化值

——電阻變化的應變閾值K、h——常數(shù)N——循環(huán)次數(shù)疲勞壽命絲（箔）：智能材料其他傳感元件§7.7思考題1、電阻應變測量的基本原理是什么？2、應變電阻測量技術(shù)的優(yōu)點有哪些？3、電阻應變絲工作原理是什么？4、試說明智能結(jié)構(gòu)中電阻應變絲的選擇條件是什么？5、試介紹下常用電阻應變絲的材料及其特點、適用范圍。6、智能結(jié)構(gòu)中電阻應變絲在測量時需要采用哪幾種補償和修正？其中溫度補償可以采用哪幾種方法？7、可以用來進行溫度自補償?shù)碾娮杞z材料有哪幾種?8、碳纖維的優(yōu)點？9、試舉例碳纖維復合材料作為智能性結(jié)構(gòu)診斷的用途？10、溫阻關(guān)系的定義及什么影響了溫阻關(guān)系？11、在使用二氧化釩的智能調(diào)溫的性能時應解決的兩大問題是什么？智能材料智能混凝土

第8章智能混凝土智能材料智能混凝土§8.1智能混凝土發(fā)展概述定義和特性：智能混凝土是基于傳統(tǒng)混凝土的組分基礎(chǔ)上復合智能型組分，使其具有自感知和記憶、自適應和自修復的特性起源于20世紀60年代，日本和美國的研究人員開始開發(fā)智能建筑材料，取得了一些進展起源和發(fā)展：挑戰(zhàn)和局限：制備完善的智能混凝土材料相當困難研究進展：國內(nèi)外開始進行機敏混凝土材料的研究，取得了一些進展，包括基于碳纖維混凝土的道路及橋梁路面的自適應融雪和融冰系統(tǒng)等智能材料智能混凝土§8.1智能混凝土發(fā)展概述研究現(xiàn)狀：智能混凝土：當前研究熱點是自診斷、自愈合智能混凝土材料，具有自感應、自調(diào)節(jié)和自修復組件材料自診斷、自愈合智能混凝土：使用形狀記憶合金（SMA）絲和液芯光纖，實現(xiàn)混凝土中的自診斷和自修復仿生自診斷和自修復智能混凝土：模仿生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在混凝土中形成智能型仿生自診斷、自愈合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)機敏混凝土的意義：提高結(jié)構(gòu)性能，延長壽命，提高安全性和耐久性智能材料智能混凝土§8.1智能混凝土發(fā)展概述發(fā)展趨勢：智能階段發(fā)展：智能混凝土正向智能階段發(fā)展，實現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)的智能一體化智能組件集成化與小型化：整合小型智能組件將增強與混凝土基材的兼容性，提升智能控制與自診斷能力開發(fā)智能控制材料：神經(jīng)中樞網(wǎng)絡(luò)控制材料對環(huán)境變化進行適應性調(diào)控，關(guān)鍵于智能混凝土的發(fā)展仿生功能實現(xiàn)：智能混凝土將具備監(jiān)測、感知、調(diào)節(jié)和修復等多種仿生功能，實現(xiàn)整體智能化智能材料智能混凝土§8.2目前智能混凝土的智能特性損傷自診斷混凝土（自感應混凝土）碳纖維混凝土特性：自感應功能，電阻變化監(jiān)測內(nèi)部應力、應變和損傷程度壓敏性：電阻變化隨內(nèi)部應力變化，監(jiān)測拉、彎、壓等工況溫敏性：電阻變化隨溫度變化，自監(jiān)控大體積混凝土溫度熱電效應：監(jiān)控建筑物內(nèi)部和周圍環(huán)境溫度變化應用：工業(yè)防靜電結(jié)構(gòu)、公路路面、機場跑道等溫度自調(diào)節(jié)混凝土自調(diào)節(jié)需求：混凝土需在自然災害中調(diào)整承載力和減振形狀記憶合金：用于提高混凝土承載能力電粘性流體：調(diào)節(jié)混凝土自振頻率，減震效果濕度調(diào)節(jié)：沸石粉混凝土可自動控制室內(nèi)濕度機敏電效應：實現(xiàn)結(jié)構(gòu)傳感和溫度控制碳纖維應用：用于道路橋梁的自適應融雪感應式混凝土智能材料智能混凝土§8.2目前智能混凝土的智能特性仿生自愈合水泥砂漿混凝土損傷問題：在使用過程中，混凝土不可避免地會出現(xiàn)局部開裂和微觀損傷，肉眼可見的宏觀破壞可以手動修復，但微觀損傷難以檢測和修復局限性檢測技術(shù)：現(xiàn)有無損檢測技術(shù)（如超聲波）不足以探測微觀損傷，未及時修復可能導致結(jié)構(gòu)進一步損壞傳統(tǒng)修復方式：過去主要依賴事后和定時維修，已無法滿足現(xiàn)代建筑的需求自愈合仿生混凝土：通過復合特殊組分，模仿生物自愈合機制，形成智能型修復系統(tǒng)，提高混凝土的自我修復能力仿生自愈合水泥砂漿智能材料智能混凝土§8.2目前智能混凝土的智能特性仿生自愈合水泥砂漿-實驗研究實驗設(shè)計：采用聚氨酯和丙烯酸酯作為修復劑，注入空心玻璃纖維，埋入水泥砂漿試件實驗設(shè)計：尺寸40mm×40mm×160mm水灰比0.44；灰砂比1:2.5；齡期28d測試方法：使用INSTRON8501進行三點彎曲試驗，加載速率為0.025mm/min修復過程：微裂縫導致修復纖維斷裂，修復劑滲入基體后進行養(yǎng)護，固化后再次進行彎曲試驗監(jiān)測：測試過程中，使用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測試件的破壞過程智能材料智能混凝土§8.2目前智能混凝土的智能特性仿生自愈合水泥砂漿-實驗結(jié)果及分析自愈合水泥砂漿的強度：修復劑比較：使用丙烯酸酯修復劑后的強度最高，聚氨酯次之強度變化：修復后試件強度未下降，略有上升，因修復劑填補了微裂縫承載力因素：開裂后承載面積減少導致承載力下降，但修復劑的作用使強度恢復智能材料智能混凝土§8.2目前智能混凝土的智能特性仿生自愈合水泥砂漿-實驗結(jié)果及分析自愈合水泥砂漿的強度：韌性改善：修復劑修復后，試件的脆性有所改善，尤其是經(jīng)丙烯酸酯修復的試件斷裂面觀察：界面粘接太強或太弱均不利于材料的斷裂韌度界面設(shè)計：界面粘接適中，即允許界面有一定的脫粘時，才會產(chǎn)生最優(yōu)的斷裂韌度荷載-撓度曲線：修復后試件的荷載-撓度曲線下降段較緩慢，顯示韌性改善自愈合混凝土：界面控制設(shè)計對混凝土斷裂韌度的改善是十分重要的智能材料智能混凝土§8.2目前智能混凝土的智能特性仿生自愈合水泥砂漿-實驗結(jié)果及分析自愈合水泥砂漿修復前后的破壞過程特性：裂縫愈合：荷載導致基體產(chǎn)生微裂縫，修復纖維開裂，粘結(jié)液流出并滲入裂縫，使裂縫重新愈合聲發(fā)射事件累計數(shù)：經(jīng)修復后的水泥砂漿，其聲發(fā)射事件累計數(shù)和振鈴累計數(shù)從一開始便迅速增加峰值出現(xiàn)：當荷載達到最大值時開始出現(xiàn)明顯的聲發(fā)射事件的峰值無凱塞效應：修復后的水泥砂漿沒有產(chǎn)生凱塞效應，表明流入裂縫中的修復液已使混凝土中的裂縫得到了愈合，且效果顯著智能材料智能混凝土§8.2目前智能混凝土的智能特性仿生自愈合水泥砂漿-結(jié)論將含有混凝土修復劑的空心玻璃纖維埋入混凝土結(jié)構(gòu)中，形成混凝土自愈合系統(tǒng)，可使修復后的混凝土強度略有升高，達到自愈合效果不同的修復劑對混凝土的愈合效果不同，其中丙烯酸酯較佳，聚氨酯次之愈合后的混凝土斷裂韌度明顯提高控制自愈合混凝土斷裂界面是愈合后混凝土強度恢復和韌性改善的關(guān)鍵智能材料智能混凝土§8.3思考題1簡述智能混凝土的定義和發(fā)展史。2簡述自診斷、自愈合混凝土的工作過程。3簡述智能混凝土的發(fā)展趨勢。4當前的智能混凝土有哪些智能特性?5自診斷智能混凝土的壓敏性和溫敏性分別指什么?6溫度自調(diào)節(jié)混凝土的工作機理是什么？溫度調(diào)節(jié)混凝土可應用于哪些方面?智能材料結(jié)構(gòu)控制

第9章結(jié)構(gòu)控制智能材料結(jié)構(gòu)控制§9.1結(jié)構(gòu)控制概念簡介局限性：傳統(tǒng)的抗震和抗風設(shè)計方法通過加大構(gòu)件的截面尺寸、增加結(jié)構(gòu)剛度或提高材料的強度等級來耗散振動能量，這種方法極不經(jīng)濟，特別是對于高層建筑結(jié)構(gòu)控制的目的就是要采用一定的控制措施，減輕和抑制結(jié)構(gòu)在地震、強風及其它動力荷載作用的動力反應，增強結(jié)構(gòu)的動力穩(wěn)定性，提高結(jié)構(gòu)抵抗外界振動的能力目的：原理：結(jié)構(gòu)控制主要通過以下途徑得以實現(xiàn)：控制振動的震源、切斷震源的傳播途徑、避免結(jié)構(gòu)共振、提高結(jié)構(gòu)的衰減性和施加與結(jié)構(gòu)運動相反的作用力智能材料結(jié)構(gòu)控制§9.1結(jié)構(gòu)控制概念簡介分類：被動控制：無需外界提供能量，依靠結(jié)構(gòu)元件之間、結(jié)構(gòu)與輔助系統(tǒng)之間的相互作用消耗振動能量吸振技術(shù)：將一個子系統(tǒng)安裝在結(jié)構(gòu)之上，子系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)一起振動，分擔部分振動能量。耗能技術(shù)：將結(jié)構(gòu)的某些部件設(shè)計成耗能部件或安裝一些耗能器來消耗振動能量。智能材料結(jié)構(gòu)控制§9.1結(jié)構(gòu)控制概念簡介分類：主動控制：應用現(xiàn)代控制技術(shù)，對輸入地震動和結(jié)構(gòu)反應實現(xiàn)聯(lián)機實時跟蹤和預測，再按照分析計算結(jié)果應用伺服加力裝置對結(jié)構(gòu)施加控制力。主要用于保護設(shè)備、設(shè)施的安全和減輕由于設(shè)備損壞引起的次生災害。半主動控制：以被動控制為依托，僅需少量的能量用于改變被動控制系統(tǒng)的參數(shù)或工作狀態(tài)，以適應系統(tǒng)對最優(yōu)狀態(tài)的跟蹤從而取得較好的控制效果。兼有被動控制和主動控制的優(yōu)點，比較適合于工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防。混合控制：將主動控制系統(tǒng)和被動控制系統(tǒng)同時施加在同一個結(jié)構(gòu)上的結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng).充分利用了被動控制與主動控制各自的優(yōu)點，可以改變結(jié)構(gòu)的振動特性，增加人工阻尼，又可以利用主動控制系統(tǒng)保證控制效果。智能材料結(jié)構(gòu)控制§9.1結(jié)構(gòu)控制概念簡介應用：1、電（磁）流變材料：電流變流體（ER）和磁流變流體（MR）可以轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ㄇ魬Φ恼乘苄泽w。可用于結(jié)構(gòu)減震，實現(xiàn)減小整個結(jié)構(gòu)地震反應的目的。設(shè)計和制作的耗能器具有結(jié)構(gòu)簡單、耗電功率小、反應迅速等特點。2、形狀記憶合金（SMA）：具有形狀記憶效應和超彈性記憶效應。可以作為阻尼耗能元件，或者作為溫度調(diào)節(jié)的主動控制驅(qū)動裝置。可以用于智能被動控制結(jié)構(gòu)，例如裂縫自診斷和主動控制的機敏混凝土構(gòu)件。智能材料結(jié)構(gòu)控制§9.2形狀記憶合金在結(jié)構(gòu)控制中的運用結(jié)構(gòu)振動控制可以分為基礎(chǔ)隔震、被動耗能減振、主動和半主動控制、混合控制以及智能控制。

智能材料主要有：形狀記憶合金（SMA）：具有形狀記憶效應、超彈性效應和高阻尼特性。電流變液：可以轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ㄇ魬Φ恼乘苄泽w。磁流變液：可以轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ㄇ魬Φ恼乘苄泽w。壓電材料：可以將機械能轉(zhuǎn)換為電能。磁致伸縮材料：可以將磁場轉(zhuǎn)換為機械能。智能材料結(jié)構(gòu)控制§9.2形狀記憶合金在結(jié)構(gòu)控制中的運用形狀記憶合金的特性：形狀記憶效應：可以自動恢復到原來的形狀。超彈性效應：可以承受大變形能力。高阻尼特性：可以有效地消耗地震能量。形狀記憶合金的優(yōu)勢：高耗能能力：比普通金屬材料大得多。極好抗疲勞能力：不損傷材料。特別適合于結(jié)構(gòu)的抗震控制：可以有效地消耗地震能量，并可以利用其記憶效應使變形恢復。智能材料結(jié)構(gòu)控制§9.2形狀記憶合金在結(jié)構(gòu)控制中的運用形狀記憶合金（SMA）在結(jié)構(gòu)被動控制中的研究主要集中在：利用SMA的超彈性效應和高阻尼特性：制作被動阻尼器，以抑制結(jié)構(gòu)地震反應。理論模型：建立SMA的力學模型，研究其在結(jié)構(gòu)中的應用。橋梁減振控制：利用SMA延性阻尼器減輕地震對橋梁的損傷。框架結(jié)構(gòu)減震：利用SMA阻尼器減少框架結(jié)構(gòu)的地震反應。隔震技術(shù)：利用SMA隔震復位裝置減小結(jié)構(gòu)振動。工程應用：SMA被動控制系統(tǒng)在實際工程中的應用，例如加固意大利Giorgio教堂的鐘塔。形狀記憶合金用于被動控制：智能材料結(jié)構(gòu)控制§9.2形狀記憶合金在結(jié)構(gòu)控制中的運用SMA的優(yōu)勢：高耗能能力：比普通金屬材料大得多。極好抗疲勞能力：不損傷材料。特別適合于結(jié)構(gòu)的抗震控制：可以有效地消耗地震能量，并可以利用其記憶效應使變形恢復。研究結(jié)果表明，SMA被動控制系統(tǒng)可以有效地減小結(jié)構(gòu)的地震反應，并且具有良好的抗疲勞能力和高耗能能力。形狀記憶合金用于被動控制：智能材料結(jié)構(gòu)控制§9.2形狀記憶合金在結(jié)構(gòu)控制中的運用形狀記憶合金（SMA）在主動控制方面的研究主要集中在：利用SMA的形狀記憶效應：產(chǎn)生回復力對結(jié)構(gòu)進行驅(qū)動。利用SMA的彈性模量隨溫度變化：改變結(jié)構(gòu)的振動頻率。研究SMA復合材料層合結(jié)構(gòu)：進行振動主動控制試驗研究。設(shè)計SMA驅(qū)動器：利用SMA的形狀記憶效應和彈性模量特性。研究人員提出的解決方案：改進SMA的散熱性能：提高驅(qū)動頻率。采用先進的熱傳導方法：縮短加熱和冷卻時間。保留和利用SMA的形狀記憶效應：提高驅(qū)動頻率。形狀記憶合金用于主動控制：智能材料結(jié)構(gòu)控制§9.2形狀記憶合金在結(jié)構(gòu)控制中的運用SMA主動控制的優(yōu)勢：高驅(qū)動力：SMA可以產(chǎn)生高回復力。可調(diào)節(jié)：SMA的彈性模量可以通過溫度變化進行調(diào)節(jié)。低頻控制：SMA適用于低頻的主動控制。SMA主動控制的挑戰(zhàn)：響應速度慢：SMA的驅(qū)動作用需要一定的時間。冷卻條件：SMA的冷卻條件對驅(qū)動頻率有影響。散熱性能：SMA的散熱性能需要改進。形狀記憶合金用于主動控制：智能材料結(jié)構(gòu)控制§9.2形狀記憶合金在結(jié)構(gòu)控制中的運用形狀記憶合金（SMA）在智能控制方面的研究主要集中在：利用SMA的超彈性能和形狀記憶效應：設(shè)計具有智能性的控制裝置。實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的智能控制：通過SMA的形狀記憶效應和彈性模量特性實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的智能控制。SMA自適應吸收器：通過對SMA的開、關(guān)作動，實現(xiàn)SMA復合元件頻率的調(diào)節(jié)和變化。智能限制器：利用SMA智能限制器對橋梁振動進行控制，減輕地震對橋梁造成損傷。智能控制裝置：具有自修復和自診斷等功能的智能材料，可以為橋梁結(jié)構(gòu)提供更有效的地震保護系統(tǒng)。形狀記憶合金用于智能控制：智能材料結(jié)構(gòu)控制§9.2形狀記憶合金在結(jié)構(gòu)控制中的運用SMA智能控制的優(yōu)勢：自適應性：SMA可以實現(xiàn)自適應控制。高性能：SMA可以提供高性能的控制。簡單：SMA自適應吸收器可以作為一種簡單、高性能的控制技術(shù)。智能控制：SMA可以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的智能控制。SMA智能控制的應用：橋梁結(jié)構(gòu)：SMA智能控制裝置在橋梁結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的研究和應用。地震保護：SMA智能控制裝置可以為橋梁結(jié)構(gòu)提供更有效的地震保護系統(tǒng)。自修復：SMA智能控制裝置可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自復位