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智能材料又可以称为敏感材料，常用 的表达方式有以下几种：
Intelligent material、 Intelligent material and structure、 Smart material、 Smart material and structure、 Adaptive material and structure等。
第十一章 智 能 材 料
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第一节 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
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1、什么是智能材料？
智能材料是二十世纪90年代迅速发展 起来的一类新型材料。
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。
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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。
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右图中，A与C、B与D互为孪
晶，当其变形时, 假设应力方向 与A的应变方向相近，这时 D、 C 就会以孪生方式向A转变，并 以界面的移动合并 B。同样，六 个 群 体 也 可 互 相 转 化 ， 最 后 24
个变体可变成一个方位的单晶马 氏体，这就是马氏体再取向过 程，当大部或全部马氏体都采取 一个取向时，便显示出明显的变
thermal hysteresis
发生逆转变。
A、B类马氏体相变的热滞后
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B类转变热滞后非常小，在Ms以下升降温时马氏体数
量减少或增加是通过马氏体片缩小或长大来完成的，
母相与马氏体相界面可逆向光滑移动，这种转变是可
逆的，逆转变 Fraction martensite
完成后，不留 下任何痕迹， 得到方位上和
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（2）双程记忆效应
某些合金加热时恢复高温相形 状，冷却时又能恢复低温相形状， 称为双程记忆效应。
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（3）全程记忆效应
加热时恢复高温相形状，冷却时变 为形状相同而取向相反的低温相形 状，称为全程记忆效应。
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三种记忆效应如下图所示。
目前，已开发成功的形状记忆合金有TiNi 基形状记忆合金、铜基形状记忆合金、铁基形 状记忆合金等。
马氏体相变是无扩散型转变。根据其转变特点可将
马氏体相变分为非热弹性马氏体相变（A类）和热弹 性马氏体相变（B类）两类。
非热弹性马氏体
热弹性马氏体
NON-THERMOELASTIC MARTENSITE
THERMOELASTIC MARTENSITE
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冷却时高温母相转变为马氏体的开始温度Ms与加热时
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 以智能材料系统具有或部分具有如下的智 能功能和生命特征：
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(1)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。
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(2)反馈功能（Feedback）
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第二节 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；
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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。
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最早关于形状记忆效应的报道是由 Chang及Read等人在1952年作出的。他们 观察到Au-Cd合金中相变的可逆性。
后来在Cu-Zn合金中也发现了同样的现 象，但当时并未引起人们的广泛注意。
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直到1962年，Buehler及其合作者在等 原子比的TiNi合金中，观察到具有宏观形 状变化的记忆效应，才引起了材料科学界 与工业界的重视。
一项用途。形状记忆效应应用最简单的例子是外部无 法接触部位的铆接。形状记忆合金可大量用于制作管 接头，连接方法是预先将管接头内径做成比待接管外 径小4%，在Ms以下马氏体非常软，可将接头扩张插 入管子，在高于As的使用温度下，接头内径将复原。
(011)
[100]
马氏体片群
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SMA中的孪晶马氏体
Twinned Microstructure
TaRu 孪生组 织内的 透镜状 孪晶
TaRu 孪生组 织内的 反向畴 界
具有粗细孪晶
NbRu的典型组织
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自适应马氏体
Self-Accommodating Martensite
Cu-Zn形状记忆合金 中的自适应马氏体
母相和马氏体均属有序点阵结构，这是左右马氏体相
变可逆性的重要因素。形状记忆合金母相的晶体结构
比较简单，主要是B2和DO3。如果不考虑原子差别，
两者都是体心立方。
马氏体的晶体结构复
杂一些，大多为长周
期堆垛。同一母相转
变得到的马氏体可以
有几种结构。
马氏体
奥氏体
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1、热弹性马氏体相变
(Thermoelastic Martensitic Transformation)
形状记忆效应与其组织变化
有关，这种组织变化就是马
氏体相变。形状记忆合金应
具备以下三个条件：
z ①马氏体相变是热弹性类型的；Cu-Zn形状记忆合金中的马氏体
z ②马氏体相变通过孪生(切变)完成，而不是通过滑移
产生；
z ③母相和马氏体相均属有序结构。
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相结构(Phase Structure)
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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；
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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。
一片马氏体变体时，便可抵消单片
[100]
马氏体所产生的切应变，由四种变
体组成的片群的总应变几乎为零，
这就是马氏体相变的自适应现象。
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马氏体的自适应形成
由母相中形成马氏体时，产生一定的应变。显 然，不同取向的马氏体变体的应变在母相中的 方向是不同的。当某一变体在母相中形成时， 产生某一方向的应变场，随变体的长大，应变 能不断增加，变体的长大越来越困难。为降低 应变能，在已形成的变体周围会形成新的变 体，新变体的应变方向与已形成的变体的应变 场互相抵消或部分抵消。有均匀体积变化，无 明显形状改变。
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。
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(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。
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(5) 自诊断能力（Self-diagnosis）
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形。
马氏体变体
Martensite variants
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马氏体的再取向
对组织为自适应马氏体的样品施加外力时，在 较小的应力作用下，马氏体变体以其应变方向 与外加应力相适应而再取向。即变体的应变方 向与外加应力方向最接近的变体通过吞并其它 应变方向与外加应力不相适应的变体而长大， 直至整个样品内的各个不同取向的变体最终转 变成一个变体。这时，由母相转变为马氏体所 产生的相变应变不再互相抵消，而是沿外加应 力方向累积起来，样品显示出宏观形状的变化。 卸去应力后，变形保持下来。
由上述讨论可知，具有形状记忆效应的合 金应具备如下条件： ①马氏体相变是热弹性的； ②马氏体点阵的不变切变为孪变，亚结构 为孪晶或位错； ⑦母相和马氏体均为有序点阵结构； ④必须指出的是：近来开发的铁系等少量合金 通过非热弹性马氏体相变也可显示形状记忆效 应，因此热弹性马氏体并不是具有形状记忆效 应的必要条件。 ☞近年来，在陶瓷材料、高分子材料也发现了 记忆效应。
(A) (B)
thermal hysteresis
以前完全相同
的母相。
A、B类马氏体相变的热滞后
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2、马氏体相变机制 马氏体相变是通过切变完成的，
其亚结构为孪晶。形状记忆效应 要求相变时体积变化小，这样才 能降低应变能。形状记忆合金相 变时围绕母相的一个特定位向常 常形成四种自适应的马氏体变体 (Variant），并以母相的惯习面 呈对称排列，这四种变体合称为 一个马氏体群，如右图所示。
马氏体转变为母相的起始温度As之间的温度差称为热
滞后。A类转变的热滞后大，在Ms以下马氏体瞬间形
核瞬间长大，随温度下降，马氏体数量增加是靠新核
心形成和长大
Fraction martensite
实现的。加热 时，马氏体在 达 到 As 之 前 已 经 分 解 ( 如 Fe-C 合金)，因而不
(A) (B)
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。
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（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。
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（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。
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但有些材料，在发生了塑性变形 后，经过合适的热过程，能够回复到 变形前的形状，这种现象叫做形状记 忆效应（SME）。
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具有形状记忆效应的材料，一般是两 种以上金属元素组成的合金，称为形状记 忆合金（SMA）。