无非金属材料概论-110001

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1、智能无机材料概述智能材料的概念智能材料的设计和构思智能材料的特征智能材料的研究压电陶瓷形状记忆陶瓷自修补、自愈合陶瓷材料陶瓷基复合材料的自诊断智能混凝土材料智能材料的概念智能材料是指环境具有可感知、可响应，并具有功能发现能力的新材料。它是能够接受和响应外部环境的信息而自动改变自身状态的一种新型材料，它不但可以判断环境，而且还可顺应环境，即具有类似于活的生物肌体组织那样的病变自诊断、外部伤口自愈合、环境自适应、预告寿命、甚至自己分解、自己学习、自己增值、自组装、自恢复、应对外部刺激自身积极发生变化等功能效应。由于这种材料不是过去常见的单一的、简单的组织结构，因此常称之为智能材料系统。自198

2、9年日本高木俊宜教授提出了智能材料概念以来，先是在日本、美国，尔后是西欧，进而世界各国的材料界都开始研究智能材料。科学家们研究将必要的仿生功能引入材料，使材料和系统达到更高的层次，成为具有自监测、自判断、自结论、自指令和执行功能的新材料。智能结构常常把高技术传感器或敏感元件与传统结构材料和功能材料结合在一起，赋予材料崭新的性能，使材料变得有了“感觉”和“知觉”，能适应环境的变化，不仅能发现问题，而且还能自行解决问题。例如，人们将导电性能较好的碳素纤维与玻璃纤维等集束在一起，制得的智能材料，在较强外力作用下扭曲时，其中的碳素纤维因较脆而首先被部分或全部折断，从而使材料的电阻发生相应的变化，据

3、此可预测出该材料受损的程度。再如在混凝土材料中，预先埋入大量装有裂纹修补剂的空心纤维，当混凝土受压开裂时，这些空心纤维也会裂开一个口了，从而释放出修补剂，把裂纹重新粘接起来。智能材料有时又称为机敏材料，而二者并非完全相同，机敏材料可以判断环境，但不能顺应环境，机敏材料再加上控制功能就是智能材料。智能材料则不但可以判断环境，而且还可顺应环境，即智能材料具有应付环境条件的特性。如自我诊断，自我修复，预告寿命，自我分解，自我增生，应付外部刺激自身积极发生变化。（日本多用）智能材料指具有智慧和智力、有思考和推理的本领，或具有敏捷的体会、解释和正确决定的本领；（美国多用）机敏材料指具有或显示出思维的

4、机灵和感受敏捷性，即具有计算能力、敏捷快速有效的能动性有生气的活度。二者有层次上的区别，即机敏材料只能作出简单线性的响应，但智能材料可根据环境条件的变化程度非线性地使材料与之适应以达到最佳的效果，可以说在机敏材料的自诊断、自适应和自愈合的基础上增加了自决策功能，体现具有智能的高级形式，但因二者在现研究阶段联系多于区别，故常混用。智能材料本身一定是复合材料，因为智能材料要求复杂的独特的多功能，而一种材料不可能兼备这些功能，必须复合化后才能得到智能材料，智能材料又多是纳米材料，这是因为纳米材料具有许多优异的特性，同时便于集成。智能材料的概念也在不断地扩展，它是材料学、电子学、信息科学、生命科学

5、等众多学科与技术的交叉产物。目前正在研究发展之中的自愈合复合材料、自应变复合材料等，这是可以把某种处于暂稳态的材料作为潜在组分与其它常规条件下起作用的材料复合，一旦出现异常状态（如受力损伤等）则在外场的作用下（如力场）使潜在组分所处的暂稳态变成稳定态而起到应有的效能，以达到自愈合和自应变的目的。有关智能材料的研究刚刚开始，定义尚不统一，但其内涵一般应包括五个方面:(1)具有感知功能,能检测并可识别外界(或内部)的刺激，如应力、应变、热、光、电、磁、化学或核辐射等;(2)具有驱动特性及响应环境变化功能;(3)能以设定的方式选择和控制响应;(4)反应灵敏、恰当;(5)外部刺激条件消除后,能迅速

6、回复到原始状态。因此,智能材料应具备感知、处理和驱动三个基本要素。由于现有的单一均质材料通常难以具备多功能的智能特性,因此,往往需要两种或几种材料的复合,构成一个智能材料体系，这是复杂材料体系的复合。它的设计、制备、加工及结构和性能表征均涉及材料科学中最前沿的领域，集中反映和代表了材料科学的最高水平和最新发展方向。智能材料的设计和构思智能材料的构想源自仿生，目标是要获得具有类似生物材料的结构及功能的“活”材料系统。它能够感知外界环境的刺激或内部状态所发生的变化，通过材料自身的信息处理和某种反馈机制，能实时地改变材料自身一个或多个性能参数，作出恰当的响应，同变化后的环境相适应。智能材料设计的

7、思路与以下几种因素有关：1）材料开发的历史，结构材料→功能材料→智能材料；2）人工智能计算机的影响，也就是生物计算机的未来模式、学习计算机、三维识别计算机对材料提出的新要求；3）从材料设计的角度考虑智能材料的制造；4）软件功能引入材料；5）对材料的期望；6）能量的传递；7）材料具有时间轴的观点，如寿命预告功能、自修复功能，甚至自学习、自增殖和自净化功能，因外部刺激时间轴可对应作出积极自变的动态响应，即仿照生物体所具有的功