• 压电效应 • 铁电效应 • 热释电效应
铁电与压电材料
电致伸缩效应
极化
应变
需要大的介电常数
铁电与压电材料
电致伸缩效应
PMN 陶瓷
Sundar and Newnham (1992)
应变导致电极化
电致伸缩效应存在于各种绝缘材料中 但一般都不强烈
铁电与压电材料
微观机制
电荷分离
铁电与压电材料
压电效应 • 在外加电场下，材料会产生线性形变(正 压电效应) • 外加机械应力下，材料也会产生线性的 电压或电荷(逆压电效应) • 极化是线性的, 主要取决于材料的极性
磁致伸缩材料和铁磁记忆合金
微观机制
铁磁记忆合金中的马氏体相具有孪晶结构是变形机制的最优取 向
马氏体相具有高磁晶化各向异性: 马氏体磁化方向完全由具体 的结晶方向确定
磁致伸缩材料和铁磁记忆合金
微观结构
磁致伸缩材料和铁磁记忆合金
微观结构
磁致伸缩材料和铁磁记忆合金
微观结构
铁电与压电材料
• 电致伸缩效应
• 陶瓷中实际的饱和应变和极化要远低于理 论估计值
• 有效压电模量
铁电与压电材料
极化
铁电与压电材料
应用
• 振动控制
• 变频器 • 远程位置调节器
• 微机电系统
铁电与压电材料
铁电材料:是一类具有自发极化，且极化方向在电场作用
下可以反转的材料。
• 自发极化 • 居里温度
电滞回线
铁电与压电材料
铁电变体
形状记忆合金
晶体结构
孪晶
形状记忆合金
相变
在没有加载的情况下， 通过冷却，材料可以从 奥氏体转变成孪晶马氏 体 应力诱发马氏体发生逆 相变导致材料转变成奥 氏体
应力诱发马氏体形状不变
形状记忆合金
奥氏体/马氏体界面
界面连续 无宏观应变
形状记忆合金
形状记忆功能
低温下如果对孪晶马氏体施加外力可使其变成变形马氏体 临界载荷以上, 材料保持塑性变形 随后对材料进行加热时,如果温度超过奥氏体转变终了温 度会导致逆相变并恢复材料原形
铁电与压电材料
现象
铁电与压电材料
压电晶体
T>Tc
T<Tc
铁电与压电材料
PZN-PT & PMN-PT
铁电与压电材料
PZT 陶瓷
E 未极化的各向同性材 料, 非压电体
极化的单轴 压电体
• 纯 PbTiO3 和 PbZrO3 很难极化,需要大电 场才能极化，且容易产生裂纹
• PZT 陶瓷在相变边界附近很容易极化
分类
形状记忆合金
磁致伸缩材料和铁磁形状记忆合金
形状记忆合金
• 形状记忆效应和超弹性
• 微观机制和微观结构 • 应用 • 优缺点
形状记忆合金
形状记忆功能
超弹性
形状记忆合金
应力-应变关系
形状记忆合金
超弹性
加热和冷却过程中相变都出现滞后效应, 但是加热和冷却过程不重叠
形状记忆合金
微观机制 • 形状记忆合金(SMA) 加热温度超过一定温度时形状记忆合金能明显恢 复永久的应变. 形状记忆合金有两个稳定的相 ：高温相叫奥氏体, 低温相叫马氏体 马氏体两种形式存在: 孪晶 和变形孪晶 加热和冷却过程中，发生在马氏体和奥氏体之间 的相变是形状记忆合金具有独特性质的基础 形状记忆合金和相变相联系的主要功能是赝弹性 和形状记忆功能
伸长
倒塌
磁致伸缩材料和铁磁记忆合金
铁磁记忆效应
• 在外加磁场的作用下铁磁记忆合金通过孪晶边界的运 动表现出磁致伸缩效应 • 和传统的形状记忆合金一样,在材料的四方马氏体相中 产生应变,不发生相变
磁致伸缩材料和铁磁记忆合金
细观机制
NiMnGa
对铁磁记忆合金施加一个磁场可能会引起合金形状的变化 由于铁磁记忆合金可能实现相对较高频的驱动,这种类型的材 料具有比形状记忆合金作用效率更高
智能材料简介
智能材料概念
智能材料:能感知环境的变化,并能对这些变化作出响应的材 料
温度变化 电场 磁场
尺寸变化 导电性 粘性
智能材料简介
致动器和传感器
致动器: 通过适当的响应表现环境的变化
传感器: 探测环境的变化
智能材料简介
有效控制振动
监测健康/治疗
智能材料应用
人造肌腱/皮肤
微机电系统 生物医学应用
T<Tc
铁电与压电材料
机电耦合
实现机械能和电能之间的相互转变
铁电与压电材料
畴的演变
T<Tc
电致伸缩、铁电和压电材料比较
• 电致伸缩材料: 应用广泛 • 压电材料: 非中心对称
– 21种非中心对称晶体结构中只有1种不是压电 晶体
• 铁电材料
– 极化取向能发生翻转
形状记忆合金
宏观和细观观点图
形状记忆合金
宏观和细观尺度图
单程形状 记忆效应
双程形状 记忆效应
形状记忆合金ຫໍສະໝຸດ 形状记忆效应的微观机制形状记忆合金
应力的作用
在材料冷却过程中对奥氏体相施加外力,会发生相变形成 变形马氏体,能观察到巨大的应变 (5-8%) 重新对材料进行加热,材料将完全恢复原形 相变温度与所加载荷的大小密切相关.
智能材料简介
活性材料结构
双压电陶瓷 感应电极 探测位置和方向 定位电极 移动磁头 磁头定位
智能材料简介
振动控制器
传感器: 感知路面振动情况 致动器: 驱动水力系统使运动停止，应用在直 升飞机的叶片和F-18战斗机的双尾翼 ，易控制 频率
智能材料简介
智能材料分类
电活性聚合物和复合材料
铁电和压电材料
磁致伸缩材料和铁磁记忆合金
磁致伸缩效应
1890 年Bidwell测量的镍丝受拉应力 状态的磁致伸缩效应
铽镝合金在室温受压应力状态下的磁致 伸缩效应和磁化率
磁致伸缩材料和铁磁记忆合金
细观力学
磁矢量/磁畴的旋转
预加载应力提高磁化强度
磁致伸缩材料和铁磁记忆合金
细观机制
磁致伸缩材料和铁磁记忆合金
铁磁记忆合金
第十章
智能材料力学性能
章节大纲
智能材料简介 形状记忆合金 磁致伸缩材料与铁磁记忆合金
铁电与压电材料
智能材料简介
• 材料的发展历史
• 智能材料的概念 • 智能材料的应用 • 智能材料分类
智能材料简介
材料的发展历史 • 天然材料: 石头、木材等 • 各向同性材料 – 均匀化 : 铁、钢、 铜等 • 各向异性材料 – 非均匀化: 复合材料、半导体材料 等 • 多功能材料 – 活性材料、机敏材料、智能材料、自 适应材料等
• 此外, 体积变形很小.这一结果继19世纪50年代Joule发现 磁致伸缩之后已经得到了证明
• 19世纪60年代A.E. Clark 和其他人在稀土合金中发现了巨 磁致伸缩现象是磁致伸缩材料的里程碑 • 发展的顶峰是发现了由铽、镝和铁形成的合金在室温下具 有很大的磁致伸缩效应,但是其应用领域狭窄.
优缺点
• 优点 – 兼容性好 – 应用在各个不同的领域 – 良好的机械性能: 强度高, 抗腐蚀 • 缺点 – 价格昂贵 – 抗疲劳性能差
磁致伸缩材料和铁磁记忆合金
• 磁致伸缩效应
• 铁磁记忆合金
磁致伸缩材料和铁磁记忆合金
磁致伸缩材料
• 磁致伸缩材料是指那些由于材料中磁化状态的改变而发生 变形的材料 • 在多数普通材料中,如镍、铁、钴磁化方向长度的变化在 一万分之一数量级.
形状记忆合金
超弹性
形状记忆合金
热收缩塑料套道
医疗设备
生物微机电系统等
应 用 领 域
服装
可展开空间结构
形状记忆合金
具体应用 • 自由恢复 – 宇航天线 – 凝结血栓过滤器 • 强制恢复 – 液压管接头 • 强制致动器 – 防火安全阀 • 比例控制 – 流体阀 • 超塑性 – 眼镜架
形状记忆合金