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第三章 智能材料  (Intelligent Materials);作业; 第一节 智能材料的定义;; 智能材料的研究与开发，意味着信息科学与材料科学的融合，它体现了工业材料的真正革命。 因为：智能材料是将软件功能(传感、处理及执行功能)引入材料不同层次的结构中。 智能材料：形状记忆材料、压电材料(含压电陶瓷、压电聚合物）、电致伸缩材料、光纤和电流变体、磁流变体、智能凝胶等。 ;; 被动控制式 智能结构低级而简单,仅仅传输传感器所感受到的信息,如应变、位移、温度、压力与加速度等。 ; 三、智能材料的分类 目前常按组成智能材料的基材来划分： （1）? 金属系智能材料 金属智能材料,主要指形状记忆合金材料(SMA),形状记忆合金是一类重要的执行器材料,可用其控制振动和结构变形。 （2） 无机非金属系智能材料 无机非金属系智能材料主要包括压电陶瓷、电致伸缩陶瓷,电(磁)流变体等。 ; （3）高分子系智能材料 由于人工合成高分子材料的品种多,范围广,所形成的智能材料因此也极其广泛,其中智能凝胶、药物控制释放体系、压电聚合物、智能膜等是高分子智能材料的重要体现。 下面从构成智能材料的基材的角度来详细讨论智能材料的结构、原理、性质及应用等。 ; 第二节 金属系智能材料 ; 本节通过自预警和自修复功能的构思来介绍一些智能金属材料的设计。 一、自预警和自修复 生物体在受到损伤时，都具有自预警和自修复能力，这是很神奇复杂的自然现象。 构思和设计智能材料也在模仿生物体的这种功能，使其具有自预警和自修复功能。; 下面从金属结构材料的损伤机制出发，对自预警和自修复功能做简要介绍。 很多金属材料中有许多数十微米以下的微孔或缺陷存在，在使用过程中，材料因产生疲劳裂缝和蠕变变形而受到损伤。 A、缺陷尺寸越大——越易受损伤 疲劳破坏应力越小。 B、当缺陷小于一定的极限尺寸时，疲劳强度就不再受其影响。 ; 因此在实际应用中，在保证强度前提下，允许材料内部有微孔存在。 利用此特性可构思损伤自预警和自修复智能结构材料。 例1：在铝合金中预埋粒子（自预警功能） ; 例2：在钼钢中分散一些二氧化锆（自修复功能） ; 按照功能性物质在材料内部分散的尺寸大小，自修复功能分为三种类型： 微量元素型： 分散尺寸在纳米级别乃至原子尺度，加入量很少。 微球型：尺寸在微米级别。 丝线或薄膜型：直径或厚度在毫米以下。 ; （1）微量元素型 一种不锈钢材料，代号：SUS304 在高温高载荷下对于蠕变损伤具有补强修复功能。 当材料内部微孔加大时，微孔内的N和B会向微孔表面扩散并形成一层BN膜。此膜可阻止其他原子的扩散迁移，稳定了微孔表面，从而对损伤实现了有效的抑制或补强修复。; （2）微球型 如在Fe-Cr合金中分散有Y2O3微球。 通常，在高温疲劳裂缝尖端有一层氧化膜，此氧化膜对裂缝的发展具有一定的抑制作用。 当Fe-Cr合金中发生高温疲劳裂化时，由于硫在基材和氧化膜之间的界面的偏析作用，氧化膜受到破坏剥落，失去抑制疲劳裂化发展的能力。 ; 当Fe-Cr合金中分散有Y2O3微球时， Y2O3微球可捕集有害的硫，从而对氧化膜起到补强的作用，抑制了裂缝尖端的塑性变形。 因此，在材料中分散微米级别的功能性微球，可以实现损伤的自修复。; (3)丝线、薄膜型 在材料内部埋入功能性丝线或表面涂敷功能性薄膜，可实现自修复功能。 如：将直径0.38mm的Ti-Ni形状记忆合金细线埋入聚合物中，当丝线附近产生损伤裂缝时，丝线受到作用，电流流通使合金丝线温度升高，丝线因恢复记忆形状而拉紧，从而使裂缝闭合或缩小，这样就实现了自修复功能。 静态破坏试验表明;此例中裂缝尖端的应力由11.2MPa减小到8.8MPa。 ;二、形状记忆合金智能材料与器件 形状记忆合金（Shape Memory Alloy,SMA)是金属系智能材料中最闪光的部分,是一种兼有感知和驱动功能的新型材料。