智能材料课件_精品文档.ppt

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智能材料智能材料IntelligentMaterials1第一章第一章智能材料概述智能材料概述21.1引言引言材料发展的总趋势：

材料发展的总趋势：

材料发展的总趋势：

材料发展的总趋势：

高高性能性能化、多化、多功能功能化、复合化、精细化、化、复合化、精细化、智能智能化化性能性能性能性能材料对外部作用的抵抗特性材料对外部作用的抵抗特性材料对外部作用的抵抗特性材料对外部作用的抵抗特性功能功能功能功能从外部向材料输入一种信号时从外部向材料输入一种信号时从外部向材料输入一种信号时从外部向材料输入一种信号时,材料内部发生质材料内部发生质材料内部发生质材料内部发生质和量的变化而产生输出另一种信号的特性和量的变化而产生输出另一种信号的特性和量的变化而产生输出另一种信号的特性和量的变化而产生输出另一种信号的特性智能智能一切生命体皆具备的对外界刺激的反应能力一切生命体皆具备的对外界刺激的反应能力.动物：

蜥蜴皮肤、乌贼、贝壳、海参、猫眼的瞳孔动物：

蜥蜴皮肤、乌贼、贝壳、海参、猫眼的瞳孔动物：

蜥蜴皮肤、乌贼、贝壳、海参、猫眼的瞳孔动物：

蜥蜴皮肤、乌贼、贝壳、海参、猫眼的瞳孔;植物：

含羞草、向日葵；植物：

含羞草、向日葵；植物：

含羞草、向日葵；植物：

含羞草、向日葵；能接受、感知信号，且能处理，进而做出适时的响能接受、感知信号，且能处理，进而做出适时的响应应,即执行即执行.3l989年年日本日本高木俊宜高木俊宜智能材料智能材料（intelligentmaterials）其其其其它它它它提提提提法法法法：

smartsmartmaterials;materials;intelligentintelligentmaterials;materials;smartsmartstructures;structures;intelligentintelligentstructuresstructures，adaptiveadaptivestructuresstructures；智智智智能能能能材材材材料料料料、机机机机敏敏敏敏材材材材料料料料、聪聪聪聪敏敏敏敏材材材材料料料料、智智智智能能能能结结结结构构构构、灵灵灵灵巧巧巧巧结结结结构构构构、自自自自适适适适应应应应结构结构结构结构“smart”smart”：

灵灵灵灵活活活活、机机机机敏敏敏敏、迅迅迅迅速速速速感感感感觉觉觉觉、机机机机智智智智、聪聪聪聪敏敏敏敏等等等等；“intelligent”intelligent”：

学学学学习习习习、预预预预测测测测、建建建建立立立立关关关关系系系系、推推推推理理理理、决决决决策策策策等。

等。

等。

等。

“intelligentintelligentmaterials”materials”更更更更复复复复杂杂杂杂和和和和高高高高级级级级，是是是是仿仿仿仿生生生生命命命命功能的材料和结构。

功能的材料和结构。

功能的材料和结构。

功能的材料和结构。

19921992年年年年日本日本日本日本第一届国际智能材料会议第一届国际智能材料会议第一届国际智能材料会议第一届国际智能材料会议.4智能材料来源于功能材料智能材料来源于功能材料功能材料是智能材料的基础功能材料是智能材料的基础材料的聪明程度材料的聪明程度材料的聪明程度材料的聪明程度:

智能材料智能材料智能材料智能材料功能材料功能材料功能材料功能材料普通材料普通材料普通材料普通材料5功能材料功能材料驱动材料驱动材料：

可根据温度、电场或磁场的变化改：

可根据温度、电场或磁场的变化改：

可根据温度、电场或磁场的变化改：

可根据温度、电场或磁场的变化改变自身的形状、尺寸、位置、刚性、变自身的形状、尺寸、位置、刚性、变自身的形状、尺寸、位置、刚性、变自身的形状、尺寸、位置、刚性、阻尼、内耗或结构等，对环境具有自阻尼、内耗或结构等，对环境具有自阻尼、内耗或结构等，对环境具有自阻尼、内耗或结构等，对环境具有自适应功能，适应功能，适应功能，适应功能，制成各种执行器；制成各种执行器；制成各种执行器；制成各种执行器；感知材料：

感知材料：

能够感知来自外界或内部的刺激强能够感知来自外界或内部的刺激强能够感知来自外界或内部的刺激强能够感知来自外界或内部的刺激强度及变化度及变化度及变化度及变化（如应力、应变、热、光、如应力、应变、热、光、如应力、应变、热、光、如应力、应变、热、光、电、磁、化学和辐射等电、磁、化学和辐射等电、磁、化学和辐射等电、磁、化学和辐射等），制成制成制成制成各种传感器。

各种传感器。

各种传感器。

各种传感器。

6机敏材料机敏材料兼兼兼兼具具具具敏敏敏敏感感感感（传传传传感感感感）材材材材料料料料与与与与驱驱驱驱动动动动材材材材料料料料之之之之特特特特征征征征，即即即即同同同同时时时时具具具具有有有有感感感感知知知知与与与与驱驱驱驱动动动动功功功功能能能能的的的的材料。

材料。

材料。

材料。

智能材料智能材料机机机机敏敏敏敏材材材材料料料料和和和和控控控控制制制制系系系系统统统统相相相相结结结结合合合合的的的的产产产产物物物物，集集集集传传传传感感感感、控控控控制制制制和和和和驱驱驱驱动动动动三三三三种种种种职职职职能能能能于于于于一一一一身身身身，是是是是传传传传感感感感材材材材料料料料、驱驱驱驱动动动动材材材材料料料料和和和和控控控控制制制制材材材材料料料料（系统）的有机合成。

（系统）的有机合成。

（系统）的有机合成。

（系统）的有机合成。

自自自自身身身身不不不不具具具具备备备备信信信信息息息息处处处处理理理理和和和和反反反反馈馈馈馈机机机机制制制制，不不不不具具具具备备备备顺顺顺顺应应应应环环环环境境境境的的的的自自自自适应性。

适应性。

适应性。

适应性。

可通过自身对可通过自身对可通过自身对可通过自身对信息进行感知、信息进行感知、信息进行感知、信息进行感知、处理并将指令处理并将指令处理并将指令处理并将指令反馈给驱动器反馈给驱动器反馈给驱动器反馈给驱动器执行和完成相执行和完成相执行和完成相执行和完成相应的动作，对应的动作，对应的动作，对应的动作，对环境作出灵敏、环境作出灵敏、环境作出灵敏、环境作出灵敏、恰当的反应。

恰当的反应。

恰当的反应。

恰当的反应。

7智能材料系统和结构智能材料系统和结构一个由多种材料组元通过有机的紧密复合一个由多种材料组元通过有机的紧密复合一个由多种材料组元通过有机的紧密复合一个由多种材料组元通过有机的紧密复合或严格的科学组装而构成的材料系统，与或严格的科学组装而构成的材料系统，与或严格的科学组装而构成的材料系统，与或严格的科学组装而构成的材料系统，与结构密切相关，互为一体。

结构密切相关，互为一体。

结构密切相关，互为一体。

结构密切相关，互为一体。

多学科高度发展和相互交叉的产物：

多学科高度发展和相互交叉的产物：

多学科高度发展和相互交叉的产物：

多学科高度发展和相互交叉的产物：

材料科学、人工智能、信息科学、机械科学、生物科材料科学、人工智能、信息科学、机械科学、生物科材料科学、人工智能、信息科学、机械科学、生物科材料科学、人工智能、信息科学、机械科学、生物科学、化学和物理。

学、化学和物理。

学、化学和物理。

学、化学和物理。

本课程：

侧重于本课程：

侧重于本课程：

侧重于本课程：

侧重于智能材料系统智能材料系统。

智能材料智能材料智能材料智能材料81.2智能材料的内涵、定义和特征智能材料的内涵、定义和特征1.2.1智能材料的定义智能材料的定义高木俊宜教授高木俊宜教授:

能够感知环境变化,并通过自我判断和结论而实现指令和执行的新材料。

杨大智等：

杨大智等：

模仿生命系统，能感知环境变化，并能实时的改变自身的一种或多种性能参数，作出所期望的、能与变化后的环境相适应的复合材料或材料的复合。

9师昌绪师昌绪：

模模仿仿生生命命系系统统,能能感感知知外外界界环环境境或或内内部部状状态态所所发发生生的的变变化化,而而且且通通过过材材料料自自身身的的或或外外界界的的某某种种反反馈馈机机制制,能能够够适适时时地地将将材材料料的的一一种种或或多种性质改变多种性质改变,作出所期望的某种响应的材料。

作出所期望的某种响应的材料。

三要素：

感知、反馈和响应。

三要素：

感知、反馈和响应。

10863863新材料领域专家委员会：

新材料领域专家委员会：

对使用环境敏感而且能对环境变化作出灵活反应的材料.更确切地说,智能材料是一类集传感、控制、驱动（执行）等功能于一体的机敏或智能材料结构系统,它能适时地感知与响应外界环境的变化,实现自检测、自诊断、自修复、自适应等多种功能。

共同点：

智能材料应当具有感知、判断和响应的功能。

共同点：

智能材料应当具有感知、判断和响应的功能。

111.2.21.2.2智能材料的内涵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）的刺激强度者内部）的刺激强度，如电、光、热、应力、应变、化学、核辐射等；具有驱动功能，能够响应外界变化；具有驱动功能，能够响应外界变化；能够按照设定的方式选择和控制响应；能够按照设定的方式选择和控制响应；反应比较灵敏、及时和恰当；反应比较灵敏、及时和恰当；当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。

当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。

121.2.31.2.3智能材料的特征智能材料的特征

（1）传传感感功功能能：

能感知自身所处的环境与条件，如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学、核辐射等的强度及其变化。

（2）反反馈馈功功能能：

能通过传感神经网络，对系统的输入和输出信息进行比较，并将结果提供给控制系统，从而获得理想的功能。

（3）信信息息积积累累和和识识别别功功能能：

能积累信息，能识别和区分传感网络得到的各种信息，并进行分析和解释。

从仿生学的观点出发，智能材料内部应具有或部分具有具有或部分具有以下生物功能：

13（4）学学习习能能力力和和预预见见性性功功能能：

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）响响应应性性功功能能：

能根据环境变化适时地动态调节自身并作出反应。

（6）自自修修复复功功能能：

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）自自诊诊断断功功能能：

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）自自动动动动态态平平衡衡及及自自适适应应功功能能：

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。

141.41.4智能材料的设计智能材料的设计1.4.11.4.1智能材料的设计思路智能材料的设计思路以以功功能能材材料料为为基基础础,以以仿仿生生学学、人人工工智智能能及及系系统统控控制制为为指指导导,依依据据材材料料复复合合的的非非线线性性效效应应,用用先先进进的的材材料料复复合合技技术术,将将感感知知材材料料、驱驱动材料和基体材料进行复合。

动材料和基体材料进行复合。

15智能效应的基本原理：

智能效应的基本原理：

物质和场之间的交互作用过程物质和场之间的交互作用过程16智能材料设计的具体过程：

智能材料设计的具体过程：

明确材料的应用目标和实现思路明确材料的应用目标和实现思路确定智能材料的输入场和输出场确定智能材料的输入场和输出场选择感知组元、驱动组元和中间场选择感知组元、驱动组元和中间场借助于中间场借助于中间场,通过几个物理或通过几个物理或化学效应的耦合来实现所需的智化学效应的耦合来实现所需的智能化效应能化效应17选择传感器和驱动器时需把握的原则选择传感器和驱动器时需把握的原则

（1）兼容性要求

（2）稳定性要求（3）响应带宽要求（4）传感器精度的要求（5）驱动器驱动力的要求181.4.21.4.2智能材料的构成智能材料的构成（11）基体材料）基体材料作用和任务：

承载材料其它三部分作用和任务：

承载材料其它三部分种类：

轻质材料（高分子材料、轻质有色合金）种类：

轻质材料（高分子材料、轻质有色合金）（22）敏感材料）敏感材料作用和任务：

感知环境变化作用和任务：

感知环境变化种类：

种类：

光纤材料、压电材料、形状记忆材料、光纤材料、压电材料、形状记忆材料、