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智能材料Intelligent Materials 参考书 《智能材料系统和结构》杜善义 ，科学出版社 《智能材料 器件 结构与应用》姜德生，武汉工业大学出版社 《智能材料与智能系统》杨大智，天津大学出版社 第一章 智能材料概述 1.1引言 材料是人类进步的里程碑，是各个历史时期技术革命的重要支柱。一种新材料的诞生往往会作为先行使产业和社会发生巨大变革。 学科的交叉、融合对构材料科学与工程的发展提供了新的机遇。计算机技术用于材料设计，同步辐射、白由电子激光和扫描隧道显微镜以及原子力显微镜等先进技术。使材料科学研究进入介观体系和纳米尺度。 科学技术的发展，需要材料能适应愈益复杂的环境．如飞机的失事和重要结构的损毁，促使科学家构思具有自预警和自修复功能的新型材料、系统和结构，期望材料本身变得很聪明，其性能可以适应环境而变化。 一般认为，智能是相对人和动物而言的，是一种能获取、存贮知识并运用知识解决问题的能力。顾名思义，所谓智能材料与结构即一种对所给的特别的激励能进行判别并按预定方式做出反应的材料。这样的材料可以是自然产生的或由人工引入多种性能产生的智能系统，智能材料在一定意义上具有感知功能、信息处理功能和执行功能，即具有获取、识别、处理和执行信息之能力，并且可以自动调解并具有自诊断、自适应、自修复、损伤抑制、寿命预报等能力，表现出动态的自适应性。 目前所讲的智能材料，通常是宏观意义上的智能材料，即所谓智能材料系统与结构，它包括以下五部分：母体材料、传感器、作动器、通信网络、中央处理器等，如图所示。 工作原理 外界环境发生变化?传感器收集变化信息?通信网络?中央处理器分析处理发出指令?作动器执行指令?结构状态发生变化适应环境 智能材料和结构的研究目前主要有两条技术路线。 一条是美国提出的将传感器、处理器和致动器埋入结构中，通过高度集成制造智能结构，即所谓智能结构。 另一条是日本提出的将上述智能结构中的传感器、致动器、处理器与结构的宏观结合变为在原子、分子层次上的微观“组装”，从而得到更为均匀的物质材料。如图所示，即所谓智能材料。 创造人工原子并实现其三维任意排列，是人工材料的极限，也是智能材料的最终目标。 国外在微观水平智能材料的制备方面至少采用丁两种不同的思路。 其一是以生物材料为蓝本，力图将传感、处理和致动功能结合在一个集团中形成一种均匀的材料，其类似一个神经元(见图1.5(a)) 制备智能材料的另一思路是采用集成电路的制备思想通过在原子或分子水平上实现材料的设计和结构控制，来达到传感、处理和致动功能的系统化并制备出具有信息和软件内涵的材料按照这种思路可制备复杂、多层、高度有秩的智能材料(见图1.5(b))。 智能材料与结构的研究内容 (1)传感器和作动器材料的研究 新型传感器和作动器材料的研究，是智能材料系统和结构研究的基础，它的研究进展很人程度上决定了智能材料系统和和结构的实用化进程 （2）智能材料系统和结构的设计和模拟 包括智能材料与结构的优化设计、分析和性能模拟技术、传感器和作动器的优化铺放等 （3）信号处理方法及高速中央处理器的研究 包括神经网络、模糊控制、小波分析等人工智能信号处理技术以及高速并行处理芯片的研究。 （4）智能材料的集成制造技术研究 包括智能材料的传感器和作动器的置入技术、组装及自动化生产技术。 （5）智能结构系统的应用研究 智能复合材料成型工艺的在线监控技术 智能结构健康监控系统的研究 智能结构振动主动控制系统的研究 形状自适应改变智能结构的研究 智能蒙皮的研究 1.2智能材料的内涵、定义和特征 1.2.1智能材料的定义 1.2.2智能材料的内涵 具有感知功能，能够检测并且可以识别外界（或者内部）的刺激强度，如电、光、热、应力、应变、化学、核辐射等； 1.2.3智能材料的特征 (4)学习能力和预见性功能：能通过对过去经验的收集，对外部刺激作出适当反应，并可预见未来并采取适当的行动。 (5)响应性功能：能根据环境变化适时地动态调节自身并作出反应。 (6)自修复功能：能通过自生长或原位复合等再生机制来修补某些局部破损。 (7)自诊断功能：能对现在情况和过去情况作比较，从而能对诸如故障及判断失误等问题进行自诊断和校正。 (8)自动动态平衡及自适应功能：能根据动态的外部环境条件不断自动调整自身的内部结构，从而改变自已的行为．以一种优化的方式对环境变化作出响应。 1.4智能材料的设计 1.4.1智能材料的设计思路 选择传感器和驱动器时需把握的原则 （1）兼容性要求 主要指传感器、作动器与材料结构的兼容性。目的是在材料中埋入或在表面粘贴传感器和作动器不会损害结构的完整性。同时，还要能够与智能结构系统的其他电气设备兼容。 （2）稳定性要求 主要是指传感器和作动器自身工作性能的稳定可靠及抗干扰能力