新型功能材料ppt课件.ppt

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1、王 念重庆交通大学土木建筑学院材料科学与工程系,功 能 材 料,第18章 新型功能材料,18.1智 能 材 料,一、智能材料基本原理,1、什么是智能材料2、智能材料的特征3、智能材料的构成4、智能材料的分类,智能材料是二十世纪90年代迅速发展起来的一类新型复合材料。智能材料目前还没有统一的定义，不过，现有的智能材料的多种定义仍然是大同小异。,1、什么是智能材料？,大体来说，智能材料就是指具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料。,具体来说，智能材料需具备以下内涵：(1)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

2、强度，如电、光、热、应力、应变、化学、核辐射等；,(2)具有驱动功能，能够响应外界变化； (3)能够按照设定的方式选择和控制响应；(4)反应比较灵敏、及时和恰当；(5)当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。,智能材料又可以称为敏感材料，常用的有以下几种：Intelligent material、Intelligent material and structure、Smart material、Smart material and structure、Adaptive material and structure等。,智能材料的构想来源于仿生学，它的目标就是想研制出一种材料，使它成为具有类似

3、于生物的各种功能的“活”的材料。因此智能材料必须具备感知、驱动和控制这三个基本要素。,但是现有的材料一般比较单一，难以满足智能材料的要求，所以智能材料一般由两种或两种以上的材料复合构成一个智能材料系统。,这就使得智能材料的设计、制造、加工和性能结构特征均涉及到了材料学的最前沿领域，使智能材料代表了材料科学的最活跃方面和最先进的发展方向。,智能材料应用的简单事例：某些太阳镜的镜片当中含有智能材料，这种智能材料能感知周围的光，并能够对光的强弱进行判断，当光强时，它就变暗，当光弱时，它就会变的透明。,2、智能材料的特征因为设计智能材料的两个指导思想是材料的多功能复合和材料的仿生设计，所以智能材料系统

4、具有或部分具有如下的智能功能和生命特征：,传感功能（Sensor）,能够感知外界或自身所处的环境条件，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)反馈功能（Feedback）,可通过传感网络，对系统输入与输出信息进行对比，并将其结果提供给控制系统。,(3)信息识别与积累功能,能够识别传感网络得到的各类信息并将其积累起来。,(4) 响应功能,能够根据外界环境和内部条件变化，适时动态地作出相应的反应，并采取必要行动。,(5) 自诊断能力（Self-diagnosis）,能通过分析比较系统目前的状况与过去的情况，对诸如系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予以校正。

5、,（6）自修复能力（Self-recovery）,能通过自繁殖、自生长、原位复合等再生机制，来修补某些局部损伤或破坏。,（7）自调节能力（Self-adjusting）,对不断变化的外部环境和条件，能及时地自动调整自身结构和功能，并相应地改变自己的状态和行为，从而使材料系统始终以一种优化方式对外界变化作出恰如其分的响应。,3、智能材料的构成一般来说智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。,（1）基体材料,基体材料担负着承载的作用，一般宜选用轻质材料。一般基体材料首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀，尤其具有粘弹性的非线性特征。其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。,（

6、2）敏感材料,敏感材料担负着传感的任务，其主要作用是感知环境变化（包括压力、应力、温度、电磁场、pH值等）。常用敏感材料如形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色材料、电流变体、磁流变体和液晶材料等。,（3）驱动材料,因为在一定条件下，驱动材料可产生较大的应变和应力，所以它担负着响应和控制的任务。常用有效驱动材料如形状记忆材料、压电材料、电流变体和磁致伸缩材料等。可以看出，这些材料既是驱动材料又是敏感材料，显然起到了身兼二职的作用，这也是智能材料设计时可采用的一种思路。,（4）其它功能材料,包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。,图所示为智能材料的基本构成和工作原理。,4

7、、智能材料的分类,智能材料是继天然材料、人造材料、精细材料之后的第四代功能材料。因为现在可用于智能材料的材料种类不断扩大，所以智能材料的分类也只能是粗浅的，分类方法也有多种，,若按智能材料的功能来分，可以分为光导纤维、形状记忆合金、压电、电流变体和电（磁）致伸缩材料等。若按智能材料的来源来分，可以分为金属系智能材料、无机非金属系智能材料和高分子系智能材料。,目前研究开发的金属系智能材料主要有形状记忆合金和形状记忆复合材料两大类；无机非金属系智能材料在电流变体、压电陶瓷、光致变色和电致变色材料等方面发展较快；,高分子系智能材料的范围很广泛，作为智能材料的刺激响应性高分子凝胶的研究和开发非常活跃，

8、其次还有智能高分子膜材、智能高分子粘合剂、智能型药物释放体系和智能高分子基复合材料等。,二、智能材料主要种类1、形状记忆合金； 2 、电流变体和磁流变体；3 、磁致伸缩材料； 4 、压电陶瓷； 5 、电致伸缩陶瓷； 6 、智能材料系统； 7 、光致变色玻璃； 8 、电致变色材料；,1、形状记忆合金一般金属材料受到外力作用后，首先发生弹性变形，达到屈服点，就产生塑性变形，应力消除后留下永久变形。（详见第三讲）,2、电流变体和磁流变体电致、磁致变体智能材料大多是由合成材料或陶瓷材料制成的，具有在电场或磁场的作用下发生变性的能力，其变化的大小与电场和磁场的强度有关。,科学家研制成功一种电致变性材料，

9、这种材料在接通电流时，可以从液体变为接近固体。如果向空心复合梁中充入电流变性液体材料，在外电场的作用下，这种液体材料就会变硬，从而使梁变成僵硬状。,将电致变性现象与传感器结合起来，就可以实现使复合梁随着负载的变化而改变其性质。这将是装配结构智能化的一个突破性的新起点。,电致变性材料还可以用作在地震时能自动加固建筑物的基础。此外，磁致变性材料在机电工业中也有广泛的用途。,3、磁致伸缩材料目前磁致伸缩智能材料的主流是稀土磁致伸缩材料，稀土超磁致伸缩材料是近期才发展起来的一种新型功能材料。,磁致伸缩材料在电磁场的作用下可以产生微变形或声能，也可以将微变形或声能转化为电磁能。,磁致伸缩智能材料具有磁致

10、伸缩值大、机械响应速度快和功率密度高特点，在国防、航空航天和高技术领域应用极为广泛。,磁致伸缩智能材料的主要用途,（1）由于稀土超大磁致伸缩材料比传统材料在性能上有了惊人的提高，所以在电器、家电、通讯器材、电脑等生产领域，稀土磁致伸缩材料逐渐取代了传统的磁致伸缩材料和电致伸缩材料，使产品升级和更新换代更加容易。,（2）由于稀土超大磁致伸缩材料的独特的性能，可被用于开发新一代的元器件，如精密控制系统（如油料控制、导弹发射控制装置等），声光发射系统（如信号处理、声纳扫描、超声、水声等），以及换能器、驱动器等的开发。,对于磁致伸缩智能材料的应用，目前，美国位居各国之首，其成功标志在于开发出了一系列用

11、于军事目的的尖端产品，如舰艇水下声纳探测系统以及导弹发射控制装置等。,我国对磁致伸缩智能材料新产品的开发也呈现出良好的发展势头。如开发出的大功率岩体声波探测器，应用于三峡工程和地球物理勘探；开发出的井下物理法采油装置；,4、压电陶瓷, 压电效应 陶瓷的压电机理 压电陶瓷材料的组成与种类, 压电效应在某些晶体材料上施加机械力时，晶体表面会产生电荷，这种现象称正压电效应。在一定范围内，电荷密度与作用力成正比。相反，在晶体上施加电场时，晶体会产生几何变形，称逆压电效应。,晶体的对称性决定了材料能否产生压电性。显然，压电效应只存在于没有对称中心的晶体中。,压电效应的本质机械作用(应力与应变)引起了晶体

12、的极化，从而导致介质两端表面出现相反的束缚电荷。,5、电致伸缩陶瓷,压电材料加上电场之后，不仅存在逆压电效应产生的应变，而且还存在一般电介质在电场作用下产生的应变，并且该应变与电场强度的平方成正比，后一效应称为电致伸缩效应。,即电致伸缩效应是一种高阶非线性机电耦合效应，外加电场所产生的应变s可表示为S = dE + ME2 + NE3 + 式中，dE是一阶的线性耦合效应，即压电效应；系数d称为压电常数；ME2，NE3，为高阶的非线性耦合效应，或电致伸缩效应；系数M、N等为电致伸缩常数。,电致伸缩陶瓷是利用电致伸缩效应产生微小应变，并能由电场非常精确地加以控制的陶瓷。,由于高阶耦合效应非常微弱，

13、通常电致伸缩效应是指二阶效应。大多数材料的电致伸缩效应都非常小，而在电致伸缩陶瓷中，此效应为应变的主体。,6、智能材料系统兼具传感与驱动性能的压电陶瓷，在构筑智能系统的功能材料中，是重要的材料之一。,压电材料具有机电、声、光、热、弹等多种功能及其耦合效应，可用作压力、温度、光等多种传感器。压电驱动器又具有位移控制精度高(0.01m)、响应快(10s)、推动力大(40MPa)、驱动功率低和工作频率宽等优点。,一些实用化及正进行研究的压电类智能材料系统如下：,(1)智能雨刷 这是利用BaTiO3陶瓷的压电效应制成的，它可以自动感觉雨量并自动调节挡风玻璃上的雨刷至最佳速度。,(2)高级轿车中的减震装

14、置 这是利用正压电效应、逆压电效应和电致伸缩效应的叠合研制成的智能减震器，这套智能系统具有识别路面(粗糙度)并进行自我调节的功能，可以使粗糙路面产生的振动减至最低，从而提高乘坐舒适性。,(3)有源消声 用于振动频率低于500Hz的消声，是由压电陶瓷拾音器、谐振器、模拟声线圈和数字信号处理集成电路组成。,(4)智能安全系统及智能传输系统,(5)利用组合功能效应来设计和制备新型智能材料和器件 这类智能材料系统，是由两种或两种以上功能陶瓷进行组合后形成的一种新型复合陶瓷功能块，这种复合功能块会呈现一些新效应，称为组合功能效应。,(6)用压电陶瓷制备仿生物 模仿自然界生物具有的特性构思仿生物，研究像尾

15、鳍和鸟翼那样柔软，能折叠又很结实的智能材料用作智能机翼，并有效利用自然界的波浪和风能。,(7)压电陶瓷马达它是利用压电陶瓷的逆压电效应，直接把电能转换成机械能输出，而不需要通常使用的电磁线圈。,这种新型压电陶瓷马达，具有结构简单、起动快、转矩大、体积小、功耗低等特点，主要用作自动控制、机器人等的致动器。,(8)压电陶瓷Pachinkom游戏机,它是由若干层锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷块构成的，压电块既作为传感器又作为执行器。,压电陶瓷Pachinkom游戏机,当金属球落到陶瓷压电块上时，球的冲击力产生压电电压； 电压脉冲通过反馈系统加以放大和调整，然后返回并施加到压电块的执行器部分；陶瓷压电块突

16、然膨胀变形，把金属球抛出压电块所在的孔，使球沿着螺旋轨道爬出，落入另一孔内，再盘旋上升，如此周而复始。,科学家最近研制成功一种压电晶体，如果将其放入壁纸中，就可以大大减小冰箱或空调机的噪声，给住户创造了一个安静的居住环境。,7、 光致变色玻璃光致变色玻璃是一种能在光的激发下发生变色反应的玻璃。,含卤化银的碱铝硼硅酸盐光色玻璃受到紫外光和可见光照射时，氯化银晶体分解为Ag和Cl原子，析出的银原子团簇使玻璃颜色变深，从而阻止阳光的透过。发生的光化学反应如下：,式中，h1为短波激活光能；h2为长波光源光能；为加热退色效应。,h1,玻璃变色过程中，发生的光化学反应如下：,在没有紫外线照射时，原来分解产

17、生的银和卤素原子又重新结合恢复为无色的氯化银AgCl，原于团簇解体，玻璃(镜片)褪色。因此，变色眼镜在阳光下变深，在室内则恢复透明。,若配料中加入少量敏化剂，就能显著地提高敏感性，并增大光致变色的变暗能力。如加入Cu2O时，Cu+ 是一种增感剂。,Cu+在氯化银晶体中作为空穴的捕获中心，它 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提高。,h1,光致变色玻璃具有随光的波长和强度的变化而自动调节光的透过率的自适应特性，因而被称为光敏型智能玻璃，除用作变色眼镜外，还用作汽车防护玻璃、航天器窗口、激光防护、以及装饰等。,8、 电致变色材料电致变色的原理是在外加电场作用下，材料由于电子

18、、离子的双注入导致结构或价态发生可逆变化，进而调节材料的透过与反射特性，表现为材料颜色的变化。,电致变色器件通常由多层结构组成，即透明电极/电致变色薄膜/离子储备层/电极。当两组电极之间建立电场时，离子由离子储备层经过离子导体在电致变色膜中发生注入和抽出，从而导致电致变色薄膜的光学性能发生变化。,无机电致变色材料有NiO、-WO3。近年来利用薄膜材料的电致变色特性制造了“电开关”自动控制灵巧窗，用于建筑采光等。,三、智能材料的使用领域1、在军事领域中的应用2、智能材料与住宅智能化3、与现代医学相联系的智能材料4、主动结构声控5、主动震动声控,1、在军事领域中的应用智能材料用于军事，是随着智能材

19、料的发展不断发展的一个领域。,因为智能材料结构不仅象一般功能材料一样可以承受载荷，而且它还具有了其他功能材料所不具备的功能，即能感知所处的内外部环境变化，并能通过改变其物理性能或形状等做出响应，借此实现自诊断、自适应、自修复等功能。,所以，智能材料在军事应用中具有很大潜力，它的研究、开发和利用，对未来武器装备的发展将产生重大影响。 目前，在各种军事领域中，智能材料的应用主要涉及到以下几个方面：,（1）智能蒙皮,例如，作为智能传感元件的光纤用于飞机机翼的智能蒙皮中；在武器平台的蒙皮中植入传感元件、驱动元件和微处理控制系统制成的智能蒙皮，可用于预警、隐身和通信。,目前美国在智能蒙皮方面的研究包括：

20、美国弹道导弹防御局为导弹预警卫星研制含有多种传感器的智能蒙皮；美国海军则重点研究舰艇用智能蒙皮，以提高舰艇的隐身性能。,（2）结构监测和寿命预测,智能结构可用于实时测量结构内部的应变、温度、裂纹，探测疲劳和受损伤情况，从而能够对结构进行监测和寿命预测。,例如，采用光纤传感器阵列和聚偏氟乙烯传感器的智能结构可对机翼、机架以及可重复使用航天运载器进行全寿命期实时监测、损伤评估和寿命预测；,空间站等大型在轨系统采用光纤智能结构，可实时探测由于交会对接碰撞、陨石撞击或其他原因引起的损伤，对损伤进行评估，实施自诊断。,正在研究的自诊断智能结构技术有：光纤传感器自诊断技术；可以测量裂纹的“声音”传感器自诊

21、断技术；可监测复合材料层裂的传感器自诊断技术等。,（3）减振降噪,智能结构用于航空、航天系统可以消除系统的有害振动，减轻对电子系统的干扰，提高系统的可靠性。如美国防高级研究计划局资助波音公司研制的直升机智能结构旋翼叶片，可以改善旋翼的空气动力学性能，减小振动和噪音。,智能结构用于舰艇，可以抑制噪声传播，提高潜艇和军舰的声隐身性能。智能结构用于地面车辆，可以提高军用车辆的性能和乘坐的舒适度。国外正在研究的具有减振降噪功能的智能结构，主要由压电陶瓷、形状记忆合金和电致伸缩等新材料制成。,（4）环境自适应结构,智能结构制成的自适应机翼，能够实时感知外界环境的变化，并可以驱动机翼弯曲、扭转，从而改变翼

22、型和攻角，以获得最佳气动特性，降低机翼阻力系数，延长机翼的疲劳寿命。,如当飞机在飞行过程中遇到涡流或猛烈的逆风时，机翼中的智能材料就能够迅速变形，并带动机翼改变形状，从而消除涡流或逆风的影响，使飞机仍能平衡地飞行。,美国的一项研究表明，在机翼结构中使用磁致伸缩致动器，可使机翼阻力降低85%。美国波音公司和麻省理工学院联合研究在桨叶中嵌入智能纤维，电致流变体时可使桨叶扭转变形达几度。,美国陆军在开发直升机旋翼主动控制技术，将用于RAH-66武装直升机。美国防部和航空航天局也在研究自适应结构，包括翼片弯曲、弯曲造型/控制面造型等。,2、智能材料与住宅智能化未来的住宅可能是这样的：墙壁可以随心所欲的

23、变换颜色；椅子可以随人体不同的需要改变温度和形状；一切的电器都是触摸式的，永远不会再有触电的危险；可视电话带有传感功能；。,随着智能材料的发展，尤其是毫微塑料设想的提出，有可能设计出智能化住宅。虽然目前还处于设想阶段，但是已经开始着手进行研究，并且必然将在不久的将来成为现实。几种未来的智能产品如下：,（1）多功能砖多功能砖用来构建整个房屋的结构单元，这种结构单元具有变通性和智能性。这种多功能砖主要由以下三个分层构成：,第一层是功能层，能感受来自周围的声能、热能、光能，并能控制这些能量的输出，如果是内墙壁砖，还能控制和改变墙的功能；,第二层是通讯层，能为居住者提供内外通信联系的通道；第三层是输送

24、通道，可以用来输送水和其它材料。,住户还可以挑选合适的带“面膜”的砖材。另外，面膜的设置及其构形并不是一成不变的，而是很容易剥离并换上新的面膜。,面膜在砖材的最上层，它也具有多功能性。如壁膜可以使墙壁产生不同的色彩和图案；,传感膜可以接收声波、热能和可见光并予以减弱或增强；地膜可产生耐久的色彩和图案；界面膜可连接内外通信线路。,（2）食物器皿,在未来的厨房里不会看到传统的碗碟。在毫微塑料的桌面上，旋转的碗不仅能测知食物的存在，而且可以根据用户的需要自动形成各种形状的碟子，供准备、烹调和上菜时使用。并且，这种盛食物的碗还具有保温和在不使用冰箱的情况下保鲜的功能。,（3）座椅,用毫微塑料制作的坐椅

25、不仅功能将大大增加，而且也将增加舒适程度。使用毫微塑料能改变椅座面的柔韧性和弹性，也可以形成各种型式的椅座面。,如果出于美学的考虑，或是便于人们入座或从座椅中站起，毫微塑料也可以形成所需的任何图案或结构，还能改变座椅本身的结构。,由于不同年龄段的人对温度舒适性的要求有很大区别，这种座椅还可以随心所欲地升温和降温。它甚至还对人们喜爱的舒适温度具有记忆功能。,（4）卫生间,在卫生间里，常见设施是洗脸盆、抽水马桶和淋浴器。采用了智能结构的卫生间是这样的：,在洗漱时，人们只要接触洗脸盆支架表面的任何区域，就能调节控制水温、水速和水流的状态（集中喷射的水流或宽阔的水帘状等）供人们选择。洗脸盆上方的镜子能

26、照出人的正常反转象，还能照出真实的非反转象。,抽水马桶的形状和大小可随使用者的不同而自动变化；坐垫自动加热至舒适的温度，整个结构十分轻便。,在电脑住宅的厕所里，安装了一台检查身体的电脑系统，每当有人上厕所时，与马桶相连的体检装置即自动分析大小便的情况，如发现异常，电脑会立即发出警报，以便及时到医院去看病。,淋浴设备只要和多功能砖相连接，上下水、水温和水流都能得到自动控制和调节。综上所述，未来的智能化住宅必将显著提高人们的生活质量 。,3、与现代医学相联系的智能材料（1）人造肌肉（2）人造皮肤（3）在药物自动投入系统上的应用（4）智能材料的两种抗癌应用,（1）人造肌肉,因为生物弹性材料能模拟活体

27、生物，而且其力量和反应速度均接近于人体的肌肉。所以这种材料可以应用于人体组织的修复，而且它们还具有与生物体的相容性，随着伤口的愈合，这种聚合物就会在体内逐渐降解，最后将会消失。,（2）人造皮肤,人造皮肤智能材料，可以感知温度、热流的变化以及各种应力的大小，并且有良好的空间分辨力。这种智能材料还可以分辨表面状况，例如，粗糙度、摩擦力等。,(3)在药物自动投入系统上的应用,科学家正在研制一种能根据血液中的葡萄糖浓度而扩张收缩的聚合物，这种聚合物可制成人造胰细胞，将它注入糖尿病患者的血液中，小球就可模拟胰细胞工作，使病人的血糖浓度始终保持在平常的水平上。,（4）智能材料的两种抗癌应用,、如图所示是一

28、种有效的抗癌药物胶囊，即药物“导弹”。,图中的疏水性药物载体形成了“导弹”的疏水内核，而亲水性部分则在内核周围形成了一个水化物外壳。所形成的这种高分子聚合物胶囊是一种智能型药物载体，它能自动避免被机体内单核吞噬细胞捕获而有效的到达癌细胞所在地。,、90年代后期，研制出用对电磁场敏感的铁氧体包覆Ti-Ni形状记忆合金丝制成了癌症温热疗法用针。,首先，通过导管将这种针植入病人癌变部位，由于形状记忆作用，这种针会发生弯曲变形现象；其次，在通过涡流效应产生高频电磁场作用下，形状记忆合金针将能够产生一定的热量而使癌变区得到萎缩。,4、主动结构声控智能材料系统中最成熟的应用领域大概就是主动结构声控。采用智

29、能结构进行主动结构声控是降低军用系统噪声的有效途径。,一般说来，可以采用两种方法来实现主动结构声控。一种是简单地使结构完全停止振动，显然它可以使声辐射降低到零，这是一种强制性的方法，往往也是办不到的。,另一种就是采用智能控制方法，它是指有选择地控制辐射振动模。该方法的效率取决于对材料系统相互作用的基本物理现象的认识和智能材料系统的自适应能力。,因为，并不是所有的振动模都辐射“具有危险性”的声波，减少系统的质量和功耗也同样是必须考虑的因素。,因而最好的办法是“感觉”辐射“具有危险性”的辐射波振动模，并使用分布在整个结构中的作动器（压电材料或电致流变体）对产生的该振动模进行控制。,美国军方提出采用

30、主动声控涂层进行声信号抑制，提高潜艇主动隐身性能。这项技术将使噪声降低60分贝，并使潜艇探测目标的时间缩短100倍。这种主动声控涂层将采用压电涂层材料和采用电致流变体技术的主动消声贴片。,5、主动震动控制震动会极大地降低工程系统的性能，如降低对地观测卫星的传感器精度，减弱跟踪和预警卫星跟踪目标的能力，使制导武器性能下降，导致系统金属结构的疲劳破坏，此外还会干扰空间站的微重力环境等。,采用压电材料、形状记忆合金或电致流变体的智能结构均可实现振动的主动控制，提高军用系统的性能。如采用智能结构进行主动震动控制，可降低直升机旋翼的振动振幅以及产生可控的扭曲形变，提高直升机的有效载荷，使速度增加，戒备能

31、力提高。,空间系统的主动震动控制智能结构，主要采用压电陶瓷或电致伸缩材料作为作动器。考虑的主要因素是低功耗、耐久性、疲劳特性、稳定性和温度环境效应等问题，同时还考虑控制器的小型化。,传感器可用光纤和压电材料。当系统结构受到外力作用振动并产生形变时，压电应变传感器可产生与压力成正比的表面电荷，控制系统对传感器测量的信号进行处理后，再给压电作动器反馈一个适当的电压，使其产生反向变形力，从而产生对系统结构的阻尼作用，使系统结构的振动随之迅速减弱。,自适应结构的主动振动控制，另一项主要应用是可能消除航天器控制系统与柔性结构的相互干扰作用。未来大型柔性航天结构因其振动频率低于控制系统的频率，会导致有害的

32、控制结构干扰作用。必须从结构优化、阻尼减振方面考虑。,在地震多发区应用智能结构的建筑物通过振动控制，将大大提高建筑物的抗震性。,18.2 梯度功能材料,梯度功能材料及其特点 热防护梯度功能材料 梯度折射率材料 梯度功能材料的应用,18.2.1 梯度功能材料及其特点概念的提出,许多结构件会遇到各种服役条件，因此，要求材料的性能应随构件中的位置而不同。例如：菜刀刃部坚硬；而其它地方具有高强度和韧性。同样地，一个齿轮轮体必须有好的韧性，而其表面则必须坚硬和耐磨。涡轮叶片的主体必须高强度、高韧性和抗蠕变，而它的外表面必须耐热和抗氧化。,航空航天事业的快速发展，对材料的机械性能提出越来越苛刻的要求。例如

33、，当航天飞机往返大气层，飞行速度超过25马赫兹时，其表面温度高达2000。而燃烧室的温度更高，燃烧气体温度可超过2000，燃烧室的热流量大于5MWrn2，其空气入口的前端热通量达50MWm2，对如此巨大热量必须采取冷却的措施，因此燃烧室壁内外温差大于1000。,传统的金属材料难以满足这种苛刻的使用环境，而金属表面陶瓷涂层材料或金属与陶瓷复合材料在此高温环境中使用时，由于二者的热膨胀系数相差较大，往往在金属和陶瓷的界面处产生较大的热应力，导致出现剥落或龟裂现象而使材料失效。 构件中材料成分和性能的突然变化常常会导致明显的局部应力集中。 如果材料逐步过渡，应力集中就会大大降低。,为了有效解决此类耐

34、热材料，日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三等人于1987年首次提出了金属和超耐热陶瓷梯度化结合这一新奇想法，即梯度功能材料(FGM)的新概念。梯度功能材料(functionally gradient materials，缩写FGM) 是两种或多种材料复合成组分和结构呈连续梯度变化的一种新型复合材料；它的设计要求功能、性能随机件内部位置的变化而变化，通过优化构件的整体性能而得以满足。,18.2.2 梯度功能材料的特点与分类 （一） 主要特征： () 材料的组分和结构呈连续梯度变化。 () 材料内部没有明显的界面。 () 材料的性质也相应呈连续梯度变化。,表18-1 梯度功能材料与混杂材料和复合

35、材料的比较,梯度功能材料是一种集各种组分(如金属、陶瓷、纤维、聚合物等)、结构、物性参数和物理、化学、生物等单一或综合性能都呈连续变化，以适应不同环境，实现某一特殊功能的一类新型材料。,梯度功能材料能够以几种方式来改善一个构件的热机械特征： () 热应力值可减至最小，而且适宜地控制热应力达到峰值的临界位置； () 对于一给定的热机械载荷作用推迟塑性屈服和失效的发生； () 抑制自由边界与界面交接处的严重的应力集中和奇异性； () 与突变的界面相比，可以通过在成分中引入连续的或逐级的梯度来提高不同固体(如金属和陶瓷)之间的界面结合强度；,() 可以通过对界面的力学性能梯度进行调整来降低裂纹沿着或

36、穿过一个界面扩展的驱动力； () 通过逐级的或连续的梯度可以方便地在延性基底上沉积厚的脆性涂层(厚度一般大于1mm)； () 通过调整表面层成分中的梯度，可消除表面锐利压痕根部的奇异场，或改变压痕周围的塑性变形特征。,（二）梯度功能材料分类 1.组合方式上： 金属陶瓷、金属非金属、陶瓷陶瓷、陶瓷非金属以及非金属塑料等多种结合方式；,2.组成变化上： 梯度功能整体型(组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料)，梯度功能涂履型(在基体材料上形成组成渐变的涂层)和梯度功能连接型(粘接两个基体间的接缝组成呈梯度变化)； 3.功能上： 热防护梯度功能材料和梯度折射率材料等。,18.2.3 梯度功能材料的制

37、备方法,图18-1 制作方法的分类,1.气相沉积法 分为：物理气相沉积(PVD)法、化学气相沉积(CVD)法和物理-化学气相沉积(PVD-CVD)法， 优点：不用烧结，沉积层致密牢固，组成可连续变化。,a.物理气相沉积法(PVD) 通过加热等物理方法使源物质(如金属等)蒸发，进而使蒸气沉积在基体上成膜。特点：可以制得多层不同物质的膜，但用该法制得的膜较薄，且每层膜只能是某种物质。,b.化学气相沉积法(CVD) 通过两种气相物质在反应器中均匀混合，在一定的条件下发生化学反应，使生成的固相物质在基板上沉积。特点：可以通过选择合成温度，调节原料气的流量和压力等来控制FGM各成分的组分比和结构，而且可

38、镀复杂形状的表面材料，沉积面光滑致密，沉积率高，因而成为制备复杂结构的FGM的表观涂层关键技术之一。,c.物理-化学气相沉积 (PVD-CVD) 综合了PVD法和CVD法的优点。CVD法的沉积温度一般高于 PVD法的沉积温度，故在基体的低温侧采用PVD法，高温侧采用CVD法。 例如：TiTiC、TiTiN、TiTiAlN和SiCCTiC等,2.等离子喷涂法基本原理： 使用粉末状物质作为喷涂材料，以氮气、氩气等气体为载体，吹入等离子射流中，粉末在被加热熔融后进一步加速，以极高速度冲撞在基材表面形成涂层。关键：精确控制组分比、喷涂压力、喷涂速度和喷涂颗粒的粒度等参数，以调整FGM的组织结构和成分。

39、要求：材料不能分解,等离子体放电烧结（SPS） 是日本最近几年开发的一种新型陶瓷烧结工艺技术。 SPS法具有内部加热和快速升温特点，可用于需要抑制晶粒生长的烧结，也可以通过模具设计 来实现温度梯度，从而满足梯度功能材料烧结工艺的需要。 利用SPS法来烧结Si3N4、 SiC、Al2O3、ZrO2陶瓷和Ti-Al 系金属间化合物等。 东北大学已利用SPS烧 结成功地制备了金属陶瓷系和高分子陶瓷系梯度功能材料。,3.自蔓延高温合成法基本原理： 将金属粉末和陶瓷粉末按梯度化填充，加压压实，从成形体的一端点火燃烧，反应自行向另一端传播，利用粉末状混合物间化学反应产生的热量和反应的自传播性，使材料烧结和

40、合成。,特点：利用高放热反应的能量使化学反应自动持续下去，最适合于生成热大的化合物的合成，如AlN、TiC、TiB2等 优点：操作过程简单，反应迅速，能耗低，纯度高缺点：材料致密度低,改进：(提高密度) 电磁加压自蔓延技术合成TiB2Cu系梯度功能材料； 自蔓延和热等静压相结合，研制了成分为TiCTiC+10Ni/ TiC +20NiTiC+30Ni 的大型梯度功能TiCNi材料； 爆炸压实生坯和自蔓延高温合成技术制备了A12O3Ti系梯度功能材料（理论密度从8294 ）,4.颗粒梯度排列法优点：比较适合制备大体积的梯度材料，缺点：工艺比较复杂，制品有一定的孔隙率，尺寸受模具限制。,a.颗粒直

41、接填充法： 将金属、陶瓷或晶须等的粒子(粒度约为0.1微米至几十微米)，按一定的梯度分布直接填充到模具中经过加压、烧结而成；b.薄膜叠层法： 将金属和陶瓷粉末掺入微量胶粘剂、分散剂等，用振动磨制成泥浆，并脱除气泡压成薄膜，然后将这些不同成分和结构的薄膜进行叠层、烧结。,18.2.4 梯度功能材料的应用 高强度耐热材料 梯度折射光学材料 生物医学材料 电子材料,18.3 功 能 复 合 材 料,2022/11/11,功能复合材料,157,复合材料按使用目的可分为两类:结构复合材料和功能复合材料,1. 绪论,功能复合材料是指除力学性能以外而提供其他物理性能（并包括部分化学和生物性能）的复合材料，如

42、导电、超导、半导、磁性、压电、阻尼、吸声、摩擦、吸波、屏蔽、阻燃、防热、隔热等功能复合材料。,18.3.1 功能复合材料概述,功能复合材料主要由一种或多种功能体和基体组成。,18.3.2 功能复合材料的设计,18.3.2.1 功能复合材料的设计原则,柔韧性磁体：磁粉 功能体橡胶和塑料 基体 黏结和赋形作用，并同时改善材料的物理机械性能,在单一功能体的复合材料中，其功能性质虽然由功能体提供，但基体不仅起到粘结和赋形作用，同时也会对复合材料整体的物理性能有影响。,多元功能体的复合材料可以具有多种功能，同时还有可能由于产生复合效应而出现新的功能。因此，多功能复合材料成为功能复合材料的发展方向。,功能

43、复合材料的主要设计原则：,（1）首先考虑关键的、主要的性能；（2）兼顾其它性能；（3）选择性能分散性小的原材料;（4）采取的成型工艺尽可能简单、方便；（5）经济性合理。,复合材料设计的目的：提高材料的综合性能,也就是材料的优值。,材料的优值：是由几个物理量综合起来对材料的使用性能进行评价的量。 复合材料有很多途径以达到高优值，即按照要求调整其特有的参数，经设计来满足材料有关的物理量组元。也可通过复合材料的复合效应设计制造各种功能复合材料。,18.3.2.2 功能复合材料的设计特点,复合材料的最大特点在于它的可设计性。因此，在给定的性能要求、使用环境及经济条件限制的前提下，从材料的选择途径和工艺

44、结构途径上进行设计。,1）具有提高材料优值的广泛途径和自由度调整复合度 复合度是参与复合各组分的体积（质量）分数。调整联接方式 复合材料中各组分在三维空间中互相连接的形式可任意调整。调整对称性 对称性是功能复合材料组分在空间几何布局上的特征。不同功能复合材料的对称性须选用不同的描述方法。如，0-3型（球形颗粒分散在基体中）复合材料各向同性；1-3型（针行颗粒按一定方向排列）产生双折射行为；2-2型（片状颗粒分散在基体中）则出现负光性。调整尺寸 当功能体尺寸从微米、亚微米减小到纳米时，原有的宏观物理性质会发生变化。这是由于物体尺寸减小时表面原子数增多引起的。调整周期性,2）可利用复合效应创造新型

45、复合功能材料,例如，利用线性效应的混合法则，通过合理铺设可以设计出某一温度区间膨胀系数为零或接近于零的构件。,又如XY平面是压电，XZ平面呈电致发光性，通过铺层设计可以得到YZ平面压致发光的复合材料。,模仿生物体中的纤维和基体的合理分布，通过数据库和计算机辅助设计可望设计出性能优良的仿生功能材料。,材料在复合后所得的复合材料，依据其产生复合效应的特征，可分为两大类：一类复合效应为线性效应；另一类则为非线性效应。在这两类复合效应中，又可以显示出不同的特征。,18.3.3 功能复合材料的复合效应,不同复合效应的类别,下表列出了不同复合效应的类别。,平均效应是复合材料所显示的最典型的一种复合效应。它

46、可以表示为：,式中，为材料性能，为材料体积含量，角标c、m、f分别表示复合材料、基体和增强体（或功能体）。,复合材料的某些功能性质，例如电导、热导、密度和弹性模量等服从平均效应这一规律。例如，复合材料的弹性模量，若用混合率来表示，则为,平行效应显示这一效应的复合材料，它的各组分材料在复合材料中，均保留本身的作用，既无制约，也无补偿。,对于增强体（如纤维）与基体界面结合很弱的复合材料，所显示的复合效应，可以看作是平行效应。,相补效应组成复合材料的基体与增强体，在性能上相互补充，从而提高了综合性能，则显示出相补效应。,对于脆性的高强度纤维增强体与韧性基体复合时，两相间若能得到适宜的结合而形成的复合

47、材料，其性能显示为增强体与基体的互补。,相抵效应基体与增强体组成复合材料时，若组分间性能相互制约，限制了整体性能提高，则复合后显示出相抵效应。,例如，脆性的纤维增强体与韧性基体组成的复合材料，当两者界面结合很强时，复合材料整体显示为脆性断裂。,在玻璃纤维增强塑料中，当玻璃纤维表面选用适宜的硅烷偶联剂处理后，与树脂基体组成的复合材料，由于强化了界面的结合，故致使材料的拉伸强度比未处理纤维组成的复合材料可高出30-40%，而且湿态强度保留率也明显提高。,但是，这种强结合的界面同时却导致了复合材料冲击性能的降低。因此，在金属基、陶瓷基增强复合材料中，过强的界面结合不一定是最适宜的。,相补效应和相抵效

48、应常常是共同存在的。显然，相补效应是希望得到的，而相抵效应要尽量能够避免。所有这些，可通过相应复合材料的设计来加以实现。,乘积效应两种具有转换效应的材料复合在一起，即可发生乘积效应。 乘积效应是在复合材料两组分之间产生可用乘积关系表达的协同作用。例如，把具有电磁效应的材料与具有磁光效应的材料复合时，将可能产生具有电光效应的复合材料。,因此，通常可以将一种具有两种性能相互转换的功能材料X/Y和另一种换能材料Y/Z复合起来，可用下列通式来表示，即：,式中，、分别表示各种物理性能。上式符合乘积表达式，所以称之为乘积效应。,相乘效应的组合可以非常广泛，已被用于设计功能复合材料。常用的物理乘积效应见下表

49、所示：,热-形变材料（X/Y）与另一种形变-电导材料（Y/Z）复合，其效果就是 即由于两组分的协同作用得到一种新的热-电导功能复合材料。,复合材料的乘积效应,诱导效应在一定条件下，复合材料中的一个组分材料可以通过诱导作用使另一个组分材料的结构改变，从而改变整体性能或产生新效应。这种诱导行为已在很多实验中发现，同时也在复合材料界面的两侧发现。,例如，结晶的纤维增强体对非晶基体的诱导结晶或晶形基体的晶形取向产生作用。在碳纤维增强尼龙或聚丙烯中，由于碳纤维表面对基体的诱导作用，致使界面上的结晶状态与数量发生了改变，如出现横向穿晶等，这种效应对尼龙或聚丙烯起着特殊的作用。,共振效应两个相邻的材料在一定

50、条件下，会产生机械的或电、磁的共振。由不同材料组成的复合材料，其固有频率不同于原组分的固有频率，当复合材料中某一部位的结构发生变化时，复合材料的固有频率也会发生改变。,利用共振效应，可以根据外来的工作频率，改变复合材料固有频率而避免材料在工作时引起的破坏。对于吸波材料，同样可以根据外来波长的频率特征，调整复合频率，达到吸收外来波的目的。,系统效应这是材料的一种复杂效应，至目前为止，这一效应的机理尚不很清楚，但在实际现象中已经发现这种效应的存在。,例如，交替叠层镀膜的硬度大于原来各单一镀膜的硬度和按线性混合率估算值，说明组成了复合系统才能出现的现象。,彩色胶片是以红、蓝、黄三色感光材料膜组成一个