【正文】 第十一章 智能材料與結(jié)構(gòu) ? 智能材料結(jié)構(gòu) (Smart/IntelligentMaterialsandStructures)是一門新興起的多學(xué)科交叉的綜合科學(xué)。 80年代后期，隨著材料技術(shù)和大規(guī)模集成電路的進(jìn)展，美國軍方提出了智能材料與結(jié)構(gòu)的設(shè)想和概念，并開展了大規(guī)模的研究。智能材料與智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是近年來飛速發(fā)展的一個領(lǐng)域，這一領(lǐng)域的研究也越來越受到人們的重視。 1? 自 1998年美國弗吉尼亞大學(xué)召開了關(guān)于 “智能材料結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)問題 ”專題學(xué)術(shù)討論會以來，智能材料系統(tǒng)的研究成為材料科學(xué)與工程的熱點(diǎn)之一，有人甚至稱 21世紀(jì)是智能材料的世紀(jì)，目前美國已有幾十家公司經(jīng)營智能材料結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。人們之所以如此關(guān)注智能材料系統(tǒng)是因?yàn)樗诮ㄖ?、橋梁、水壩、電站、飛行器、空間結(jié)構(gòu)、潛艇等振動、噪聲、形狀自適應(yīng)控制、損傷自愈合等方面具有良好的應(yīng)用前景。 2第一節(jié) 智能材料的概念及分類 ? 智能材料結(jié)構(gòu)的誕生有著一定的背景。 80年代末期，復(fù)合材料普遍使用，為解決它的強(qiáng)度和剛度變化等問題，使得驅(qū)動元件和傳感件較為容易地融合進(jìn)入材料，組成整體，從而具有多種用途，同時驅(qū)動元件和傳感件材料的發(fā)展以及材料集成技術(shù)上的突破，也促進(jìn)了智能材料結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。材料科學(xué)的發(fā)展，使得人們對機(jī)械、電子、動作等材料的多方面性能耦合進(jìn)行研究，微電子技術(shù)、總線技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，解決了信息處理和快速控制等方面的難題，這些都為智能材料結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)提供了有利條件。 3 ? 智能材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的有關(guān)名稱定義目前尚不統(tǒng)一，但一般智能材料系統(tǒng)都應(yīng)該具有敏感、處理、執(zhí)行三個主要部分。一般來說，智能材料是能夠感知環(huán)境變化 (傳感或發(fā)現(xiàn)的功能 )，通過自我判斷和自我結(jié)構(gòu) (思考和處理的功能 )，實(shí)現(xiàn)自我指令和自我執(zhí)行 (執(zhí)行功能 )的新型材料。 4? 該材料具有模仿生物體的自增值性、自修復(fù)性、自診斷性、自學(xué)習(xí)性和環(huán)境適應(yīng)性。將具有仿生命功能的材料融合于基體材料中，使制成的構(gòu)件具有人們期望的智能功能，這種結(jié)構(gòu)稱為智能材料結(jié)構(gòu)。它是一個類似于人體的神經(jīng)、肌肉、大腦和骨骼組成的系統(tǒng)，而基體材料就相當(dāng)于人體的骨骼。 5? 而智能材料是能夠感知環(huán)境變化，通過自我判斷和結(jié)論，實(shí)現(xiàn)和執(zhí)行指令的新型材料。智能材料的研究就是將信息與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、電子、生命科學(xué)、宇宙、海洋科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域。它的研究開發(fā)孕育著新一代的技術(shù)革命。智能化將成為 21世紀(jì)高分子材料的重要發(fā)展方向之一。 6? 例如光導(dǎo)纖維、形狀記憶合金和鎵砷化合物半導(dǎo)體控制電路埋入復(fù)合材料中，光導(dǎo)纖維是傳感元件，能檢測出結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變和溫度，形狀記憶合金能使結(jié)構(gòu)動作，改變性狀，控制電路根據(jù)傳感元件得到的信息驅(qū)動元件動作。因此融合于材料中的傳感元件相當(dāng)于人體的神經(jīng)系統(tǒng)，具有感官功能，驅(qū)動元件相當(dāng)于人體的肌肉，控制系統(tǒng)相當(dāng)于人的大腦。智能材料與普通功能材料的區(qū)別如圖11－ 1所示。 7智能材料分類 ? 智能材料的分類方法很多。根據(jù)材料的來源，智能材料包括金屬智能材料無機(jī)非金屬系、智能材料及高分子系智能材料。 8? 金屬系智能材料由于其強(qiáng)度比較大耐熱性好且耐腐蝕性能好，常用在航空航天和原子能工業(yè)中作為結(jié)構(gòu)材料。金屬材料在使用過程中會產(chǎn)生疲勞龜裂及蠕變變形而損傷，所以期盼金屬系智能材料不但可以檢測自身的損傷，而且可將其抑制，具有自修復(fù)功能，從而確保使用過程中的穩(wěn)定性。目前研究開發(fā)的金屬系智能材料主要有形狀記憶合金和形狀記憶復(fù)合材料兩大類。 9? 無機(jī)非金屬系智能材料的初步智能性是考慮局部可吸收外力以防止材料整體變壞。目前此類智能材料在電流變流體、壓電陶瓷光質(zhì)變色和電質(zhì)變色材料等方面發(fā)展較快。? 高分子系智能材料的范圍很廣泛。作為智能材料的刺激響應(yīng)性高分子凝膠的研究和開發(fā)非?；钴S，其次還有智能高分子膜材、智能高分子粘合劑、智能型藥物釋放體系和智能高分子基復(fù)合材料等。? 根據(jù)結(jié)構(gòu)來分，智能材料結(jié)構(gòu)可以分成兩種類型，分述如下： 10（ 1）嵌入式智能材料 ? 在基本材料中嵌入具有傳感、動作和控制處理功能的三種原始材料，傳感元件采集和檢測外界給予的信息，控制處理器指揮驅(qū)動元件執(zhí)行相應(yīng)的動作。 11（ 2）材料本身具有一定的智能功能? 某些材料微結(jié)構(gòu)本身具有智能功能，能夠隨著環(huán)境和時間改變自己的性能，例如自濾波玻璃和受輻射時能自衰減的 InP半導(dǎo)體等。12第二節(jié) 智能材料結(jié)構(gòu)的信息處理方法 ? 圖 11173。2是智能結(jié)構(gòu)的動作流程圖。首先識別外界參數(shù)，通過分析、判斷，然后行動。其中行動是依靠埋入材料中的驅(qū)動元件來實(shí)現(xiàn)，它能夠自適應(yīng)的改變結(jié)構(gòu)形狀、剛度、位置、應(yīng)力狀態(tài)、固有頻率、阻尼摩擦阻力等。 13? 對驅(qū)動元件的要求是：? （ 1）驅(qū)動元件應(yīng)能和結(jié)構(gòu)基體材料很好結(jié)合，具有高的結(jié)合強(qiáng)度；? （ 2）驅(qū)動元件本身的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度要高；? （ 3）激勵驅(qū)動元件動作的方法要簡單和安全，對結(jié)構(gòu)基體材料無影響，激勵的能量要??； 14? （ 4）激勵后的變形量要大，并能伴隨著產(chǎn)生激勵力，而且能夠控制；? （ 5）驅(qū)動元件在反復(fù)激勵下，保持性能穩(wěn)定；? （ 6）驅(qū)動元件的頻率響應(yīng)要寬，響應(yīng)速度快，并能控制。15? 正在研究和使用的驅(qū)動元件有形狀記憶合金、壓電元件、電流變材料、磁致伸縮材料、磁變流材料、膠體材料等。當(dāng)前的驅(qū)動元件還不能全部滿足上述要求，只能在幾個方面具有特點(diǎn)，也就是每種驅(qū)動元件都有他們的特色，但也存在問題。 16? （ 1）提高驅(qū)動元件本身的性能，滿足上 述六條要求；? （ 2） 改善驅(qū)動元件的激勵方法；? （ 3） 研究多種激勵元件組合使用的方法，達(dá)到取長補(bǔ)短的目的；? （ 4） 研究新型的復(fù)合驅(qū)動元件；? （ 5）研究驅(qū)動元件在材料中的布置方案。17? 傳感器、致動器和控制器是智能結(jié)構(gòu)的重要部分。傳感器要求有高度感受結(jié)構(gòu)力學(xué)狀態(tài)的能力，在振動系統(tǒng)中即能把位移、速度或加速度等信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出，它直接反應(yīng)實(shí)時的振動狀態(tài)，所以它必須有足夠的可靠性、敏感性和較高的反應(yīng)速度，以便能迅速、準(zhǔn)確地得到振動信息；另外，還要求其具有體積小，易于集成的特點(diǎn)。 18? 致動器是執(zhí)行信息處理單元發(fā)出的控制指令，并按照規(guī)定的方式對外界或內(nèi)部狀態(tài)和特性變化作合