第十一章智能材料与结构智能材料结构(Ｓmａrt/Iｎtelligent Maｔerｉａls and Ｓｔrｕctures)是一门新兴起的多学科交叉的综合科学。

80年代后期,随着材料技术和大规模集成电路的进展,美国军方提出了智能材料与结构的设想和概念，并开展了大规模的研究。

智能材料与智能结构系统是近年来飞速发展的一个领域,这一领域的研究也越来越受到人们的重视。

自1998年美国弗吉尼亚大学召开了关于“智能材料结构和数学问题”专题学术讨论会以来，智能材料系统的研究成为材料科学与工程的热点之一，有人甚至称21世纪是智能材料的世纪，目前美国已有几十家公司经营智能材料结构的产品。

人们之所以如此关注智能材料系统是因为它在建筑、桥梁、水坝、电站、飞行器、空间结构、潜艇等振动、噪声、形状自适应控制、损伤自愈合等方面具有良好的应用前景。

第一节智能材料的概念及分类智能材料结构的诞生有着一定的背景。

８０年代末期，复合材料普遍使用，为解决它的强度和刚度变化等问题，使得驱动元件和传感件较为容易地融合进入材料，组成整体,从而具有多种用途，同时驱动元件和传感件材料的发展以及材料集成技术上的突破，也促进了智能材料结构的出现。

材料科学的发展,使得人们对机械、电子、动作等材料的多方面性能耦合进行研究，微电子技术、总线技术及计算机技术的飞速发展，解决了信息处理和快速控制等方面的难题,这些都为智能材料结构的出现提供了有利条件。

1.１智能材料的概念及其特点智能材料系统和结构的有关名称定义目前尚不统一,但一般智能材料系统都应该具有敏感、处理、执行三个主要部分。

一般来说，智能材料是能够感知环境变化(传感或发现的功能),通过自我判断和自我结构(思考和处理的功能)，实现自我指令和自我执行(执行功能)的新型材料。

该材料具有模仿生物体的自增值性、自修复性、自诊断性、自学习性和环境适应性。

将具有仿生命功能的材料融合于基体材料中，使制成的构件具有人们期望的智能功能，这种结构称为智能材料结构。

它是一个类似于人体的神经、肌肉、大脑和骨骼组成的系统，而基体材料就相当于人体的骨骼。

而智能材料是能够感知环境变化，通过自我判断和结论，实现和执行指令的新型材料。

智能材料的研究就是将信息与控制融入材料本身的物性和功能之中，其研究成果波及了信息、电子、生命科学、宇宙、海洋科学技术等领域。

它的研究开发孕育着新一代的技术革命。

智能化将成为2１世纪高分子材料的重要发展方向之一。

例如光导纤维、形状记忆合金和镓砷化合物半导体控制电路埋入复合材料中，光导纤维是传感元件,能检测出结构中的应变和温度，形状记忆合金能使结构动作，改变性状,控制电路根据传感元件得到的信息驱动元件动作。

因此融合于材料中的传感元件相当于人体的神经系统,具有感官功能,驱动元件相当于人体的肌肉,控制系统相当于人的大脑。

智能材料与普通功能材料的区别如图1１－1所示。

被动结构控制结构智能结构动反应图1１-1 智能材料与普通功能材料的区别1.２智能材料分类智能材料的分类方法很多。

根据材料的来源，智能材料包括金属智能材料无机非金属系、智能材料及高分子系智能材料。

金属系智能材料由于其强度比较大耐热性好且耐腐蚀性能好,常用在航空航天和原子能工业中作为结构材料。

金属材料在使用过程中会产生疲劳龟裂及蠕变变形而损伤,所以期盼金属系智能材料不但可以检测自身的损伤，而且可将其抑制,具有自修复功能,从而确保使用过程中的稳定性。

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的初步智能性是考虑局部可吸收外力以防止材料整体变坏。

目前此类智能材料在电流变流体、压电陶瓷光质变色和电质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,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。

根据结构来分，智能材料结构可以分成两种类型，分述如下:(1)嵌入式智能材料在基本材料中嵌入具有传感、动作和控制处理功能的三种原始材料，传感元件采集和检测外界给予的信息，控制处理器指挥驱动元件执行相应的动作。

(２）材料本身具有一定的智能功能某些材料微结构本身具有智能功能,能够随着环境和时间改变自己的性能，例如自滤波玻璃和受辐射时能自衰减的IｎP半导体等。

目前智能材料结构在英语中采用两种写法:一为INＴＥLLIGＥNT MATERＩAＬ STRUC ＴURE；另一为SＮART MＡTEＲIＡL STRＵCTURE。

“INTELLEGＥNＴ”的中文翻译为“智能”，它的定义是具有智慧和智力,有思考和推理的本领；和具有敏捷的体会、解释和正确决定的本领。

“SMART”的中文翻译为“机敏”,他的定义为具有和显示出思维的机灵和感受的敏捷性，即具有联想及计算能力，敏捷快速有效的能动性和有生气的活度。

目前很多文章中也将“SMART”翻译成“智能”。

严格讲，“INＴELLGENT MATＥRIAＬＳTRUCTURE”比“SMART MATERIＡL STRUＣTURE”要复杂,要高级,前者是仿生命功能的材料，具有识别、分辨、判断、动作等额外功能；后者只能敏捷识别和动作,不具有分析判断的能力。

第二节智能材料结构的信息处理方法图11-2智能结构的动作流程图图1１－２是智能结构的动作流程图。

首先识别外界参数，通过分析、判断,然后行动。

其中行动是依靠埋入材料中的驱动元件来实现，它能够自适应的改变结构形状、刚度、位置、应力状态、固有频率、阻尼摩擦阻力等。

对驱动元件的要求是：（1）驱动元件应能和结构基体材料很好结合，具有高的结合强度；（2）驱动元件本身的静强度和疲劳强度要高;（3）激励驱动元件动作的方法要简单和安全,对结构基体材料无影响，激励的能量要小；（4）激励后的变形量要大,并能伴随着产生激励力,而且能够控制;（5）驱动元件在反复激励下,保持性能稳定；（6）驱动元件的频率响应要宽，响应速度快，并能控制。

正在研究和使用的驱动元件有形状记忆合金、压电元件、电流变材料、磁致伸缩材料、磁变流材料、胶体材料等。

当前的驱动元件还不能全部满足上述要求，只能在几个方面具有特点,也就是每种驱动元件都有他们的特色，但也存在问题。

（1）提高驱动元件本身的性能，满足上述六条要求；（2）改善驱动元件的激励方法；（3）研究多种激励元件组合使用的方法，达到取长补短的目的；（4）研究新型的复合驱动元件;（5）研究驱动元件在材料中的布置方案。

传感器、致动器和控制器是智能结构的重要部分。

传感器要求有高度感受结构力学状态的能力，在振动系统中即能把位移、速度或加速度等信号转换成电信号输出，它直接反应实时的振动状态,所以它必须有足够的可靠性、敏感性和较高的反应速度，以便能迅速、准确地得到振动信息;另外,还要求其具有体积小,易于集成的特点。

致动器是执行信息处理单元发出的控制指令，并按照规定的方式对外界或内部状态和特性变化作合理的反应，直接将控制器输出的电信号转变为结构的应变或位移，具有改变智能结构形状、位置及其它机械特性的能力。

控制器位于结构之中,由具有控制功能的硬件电路或电脑芯片与软件组成,是智能结构的神经中枢。

智能结构的设计中首先要明确应用目标,然后分析控制目标的具体要求，确定智能结构中复合材料的控制输入和输出的形式。

最关键的问题是必须运用已知材料的特性、振动理论以及自动控制理论,建立合理的数学模型,构建控制系统,并选择有效的控制策略。

第三节智能材料结构中的驱动元件及形状记忆合金20世纪90 年代以来,研究方向倾向民用，特别是智能土建结构的研究与发展，加速了智能材料与结构的全面发展,这一时期国际上各种学术研讨会也特别多,在美国、日本、法国、德国、意大利等国都召开了学术会议或是专题学术研究会。

3.1智能材料结构中的驱动元件目前研究投入较多的智能材料的驱动元件主要有作为执行器的开关记忆材料（含形状记忆合金、陶瓷、薄膜三个类型）;压电材料（含压电陶瓷、压电聚合物)、电致流变体磁致流变体；作为敏感器的光钎传感器等。

利用这些材料的功能，加上精细的复合设计和制作便得到聚传感、驱动和控制于一体的智能材料。

压电材料在受到应力作用时会产生电荷分布,同样在压电材料上外加电压时,会发生形变，成为逆压电效应,因此压电材料即可做传感材料又可做执行材料。

压电材料分为陶瓷压电材料如石英、钛酸钡等和有机聚合物压电材料如片聚二氟乙烯树脂（PVDF)。

在同样单位应力作用下，有机聚合物压电材料产生的电场强度要比陶瓷压电材料大若干倍。

同时具有较优良的加工性能,制备智能材料不受形状的限制，因此有机聚合物压电材料更适合制备智能材料。

压电陶瓷还可以象制作玻璃纤维一样制作压电陶瓷纤维。

这种压电陶瓷纤维可与聚氨脂复合制成热释电复合材料、电光复合材料以及半导体铁电纤维，压电纤维的主要应用就是制成压电复合材料，集传感与驱动于一体。

３.2形状记忆材料及性能形状记忆合金是智能材料结构中最先应用的一种驱动元件,它集感知和驱动于一体。

该元件在高温下定形后冷却到低温并施加变形,从而形成残余形变。

当材料加热时,材料的残余形变消失，并回复到高温下所固有的形状。

再进行加热或冷却时，形状保持不变,这就是所谓的形状记忆效应（Ｓhapｅ Memｏｒy Effｅcｔ)，就象合金记住了高温状态的形状一样。

具有形状记忆效应的金属通常是两种以上金属的合金，称为形状记忆合金（Sｈape Me ｍｏry Aｌloys， SMＡ.)。

材料在高温下制成特定形状,在低温任意变形，加热时再恢复为高温形状，重新冷却还保持高温时的形状时，我们称之为单程记忆效应。

例如目前国内商品化的NiTi形状记忆合金丝，在低温马氏体组织时,加外力使合金应变<8%后,对材料加热，温度超过马氏体相变点时,形状回复率可达1０0%。

但随着循环次数的增加,形状记忆特性会衰减,存在一个疲劳寿命。

当回复变形在2％以下时，疲劳寿命为1０5次,对于埋入构件基体材料中的形状记忆合金的初始变形很大,但回复量很小，因此它的疲劳寿命可达1０7次。

对材料进行特殊的处理,使材料能够记住高温和低温状态的两种形状,即加热时恢复高温形状,低温时恢复低温形状,我们称之为双程形状记忆效应或可逆形状记忆效应。

例如对NiTi合金经过一定的热处理训练，不仅在马氏体逆相变过程中能完全回复到变形前的状态,而且在马氏体相变过程中也会自发地发生形状变化，回复到马氏体状态的形状,而且反复加热冷却都会出现上述现象。

此外还有一些合金称为全方位形状记忆合金，在冷却到更低的温度,可以出现与高温时取向相反，形状相同的现象。

NiＴi合金的全方位记忆薄片的模式图见图１1-3。

将试样在钢管中成型后,在4０0~５00C进行时效处理,去除约束后的形状如图１1－3(a)所示;当试件冷却到Mｆ’时,形状接近直线状态，如图11-3(b)；冷却到Ｍf以下时,试件的形状发生180C翻转，如11-3(ｃ)所示；加热到Aｆ和 A f’以上时,试件就反向变化成图11-３（d)和(e）的形状。