12.新型功能材料.pdf
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1、新型功能材料新型功能材料New functional materials15.1 智能功能材料智能功能材料Smart Functional Materials引引 言言高高性能性能化、多化、多功能功能化、复合化、精细化、化、复合化、精细化、智能智能化化 智能材料定义智能材料定义所谓智能材料就是同时具有感知功能即信号感受功能、自己判断并自己作出结论的功能和自己指令并自己进行行功的功能的材料。智能材料也称为机敏材料。具体来说智能材料需具备以下内涵: (1)具有感知功能,能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激强度,如电、光、热、应力、应变、化学、核辐射等; (2)具有驱动功能,能够响应外界变化;
2、(3)能够按照设定的方式选择和控制响应; (4)反应比较灵敏、及时和恰当。 (5)当外部刺激消除后,能够迅速恢复到原始状态。感知、信息处理(判断)和执行(处理)功能是智能材料必须具备的三个基本要素。信息信息神经系统神经系统 大脑大脑 脊髓脊髓中枢神经系统中枢神经系统神经系统神经系统身体的各种动作身体的各种动作感觉感觉执行执行智能材料的仿生学构思智能材料的仿生学构思l生物体对环境的响应源于细胞。生物体对环境的响应源于细胞。l细胞本身就是具有传感、处理和执行三种细胞本身就是具有传感、处理和执行三种功能的融合材料,可作为智能材料的蓝本功能的融合材料,可作为智能材料的蓝本。l生物体对环境的响应源于细胞
3、。生物体对环境的响应源于细胞。l细胞本身就是具有传感、处理和执行三种功能细胞本身就是具有传感、处理和执行三种功能的融合材料,可作为智能材料的蓝本的融合材料,可作为智能材料的蓝本。2.1 生物体生物体的信息传感、处理和执行元件的信息传感、处理和执行元件智能材料的类型智能材料的类型 (1)(1)金属系智能材料金属系智能材料按材料基质的不同分类:按材料基质的不同分类:强度比较大、耐热性好、耐腐蚀性能好强度比较大、耐热性好、耐腐蚀性能好航空、航天、原子能工业航空、航天、原子能工业结构材料。结构材料。检测自身的损伤检测自身的损伤,且可将其抑制且可将其抑制,具有自具有自修复功能修复功能,从而确保使用过程中
4、的稳定从而确保使用过程中的稳定性。性。形状记忆合金形状记忆合金、磁致伸缩材料磁致伸缩材料等。特特 点:点:应用领域:应用领域:智能效应:智能效应:主要种类:主要种类:(2)(2)无机非金属系智能材料无机非金属系智能材料最初的考虑:局部吸收外力以防止材料最初的考虑:局部吸收外力以防止材料 整体破坏。整体破坏。电电(磁磁)流变体、压电陶瓷、流变体、压电陶瓷、光致变色和电致变色材料、光致变色和电致变色材料、光纤等。光纤等。主要种类:主要种类:多重亚稳态、多水平结构层次、较弱的分子多重亚稳态、多水平结构层次、较弱的分子间作用力,侧链易引入各种官能团间作用力,侧链易引入各种官能团利于感知和判断环境,实现
5、环境响应。利于感知和判断环境,实现环境响应。(4)复合复合(composite)和杂化和杂化(hybrid)型智能材料型智能材料特特 点:点:主要种类:主要种类:(3)高分子系智能材料高分子系智能材料刺激响应性高分子凝胶刺激响应性高分子凝胶智能高分子膜材智能高分子膜材智能药物释放体系智能药物释放体系智能纤维与织物等智能纤维与织物等智能材料的应用智能材料的应用将微型传感元件、微型计算机芯片、形状记忆将微型传感元件、微型计算机芯片、形状记忆合金、电流变体及压电材料等经设计后复合在结构合金、电流变体及压电材料等经设计后复合在结构体中,可研制出带有感知及判断能力,可自动加固体中,可研制出带有感知及判断
6、能力,可自动加固及防护的自适应性智能结构,实现及防护的自适应性智能结构,实现在线监测、自诊在线监测、自诊断、自预警、自修复断、自预警、自修复,防止灾难性事故的发生。,防止灾难性事故的发生。 (1) 建筑和结构工程领域建筑和结构工程领域自诊断混凝土自诊断混凝土自愈合混凝土自愈合混凝土自动加固的直升飞机水平旋转叶片自动加固的直升飞机水平旋转叶片(2)航空航天领域)航空航天领域 机翼用智能材料机翼用智能材料智能蒙皮智能蒙皮(3)抑制振动和噪声)抑制振动和噪声(4)用于机器人)用于机器人形状记忆合金:形状记忆合金:刺激响应性刺激响应性高分子凝胶高分子凝胶(5)在医学领域的应用)在医学领域的应用 (6)
7、用于日常生活)用于日常生活15.2 梯度功能材料梯度功能材料Functionally Gradient Materials 许多结构件会遇到各种服役条许多结构件会遇到各种服役条件,因此要求材料的性能应随件,因此要求材料的性能应随构件位置不同而不同构件位置不同而不同。刀具只需刃部坚硬,其它部位需刀具只需刃部坚硬,其它部位需要具有高强度和韧性;要具有高强度和韧性;齿轮轮体必须有好的韧性,表面齿轮轮体必须有好的韧性,表面必须坚硬和耐磨;必须坚硬和耐磨;涡轮叶片的主体必须具有高强度、涡轮叶片的主体必须具有高强度、高韧性和抗蠕变,而它的外表面高韧性和抗蠕变,而它的外表面必须耐热和抗氧化。必须耐热和抗氧化
8、。 诸如此类,工程应用的许多材诸如此类,工程应用的许多材料都属于这个范畴。料都属于这个范畴。中国刀中国刀涡轮叶片涡轮叶片构件中构件中材料成分和性能的突然变化材料成分和性能的突然变化常常会导致明显的局部应力常常会导致明显的局部应力集中。集中。如果一种材料过渡到另一种材料是逐步进行的,这些应如果一种材料过渡到另一种材料是逐步进行的,这些应力集中就会大大地降低。力集中就会大大地降低。为减少材料的应力集中,提高材料性能,人们发展了新型的为减少材料的应力集中,提高材料性能,人们发展了新型的功功能梯度材料能梯度材料(简称简称FGM) 。梯度功能材料是一种梯度功能材料是一种集各种组分集各种组分(如金属、陶瓷
9、、纤维、聚合物等如金属、陶瓷、纤维、聚合物等)于一于一体体的新型材料,其微观结构和物理、化学、生物等单一或综合性能都的新型材料,其微观结构和物理、化学、生物等单一或综合性能都呈呈连续变化连续变化,以适应不同环境,以适应不同环境,实现某一特殊功能实现某一特殊功能。梯度功能材料制备的耐磨轴承,外表为陶瓷,梯度功能材料制备的耐磨轴承,外表为陶瓷,内表面为金属内表面为金属 梯度功能材料由几种性质不同的材料组成,但梯度功能材料由几种性质不同的材料组成,但与与复合材料之间有明显区别复合材料之间有明显区别。材料材料复合材料复合材料梯度材料梯度材料设计思想设计思想材料优点的相互材料优点的相互复合复合特殊功能为
10、目标特殊功能为目标结合方式结合方式化学键化学键/ /物理键物理键分子间力分子间力/ /化学键化学键/ /物物理键理键微观组织微观组织界面处非均质界面处非均质均质均质/ /非均质非均质宏观组织宏观组织均质均质非均质(连续变化)非均质(连续变化)功能功能一致一致 梯度化梯度化梯度功能材料与复合材料比较梯度功能材料与复合材料比较 梯度功能材料主要通过梯度功能材料主要通过连续控制材料的微观要素连续控制材料的微观要素( (包括组成、结构包括组成、结构) ),使界面的成分和组织呈,使界面的成分和组织呈连续连续性性变化,主要特征有:变化,主要特征有:材料的组分和结构呈材料的组分和结构呈连续性连续性梯度变化;
11、梯度变化;材料内部材料内部没有没有明显的界面;明显的界面;材料的性质也呈材料的性质也呈连续性连续性梯度变化梯度变化。ZrO2-CrNi合金合金FGM横横截面,白色的陶瓷粉末与截面,白色的陶瓷粉末与黑色的合金粉末含量呈连黑色的合金粉末含量呈连续性梯度变化,没有明显续性梯度变化,没有明显的界面,的界面, 梯度功能材料的制备技术和方法:梯度功能材料的制备技术和方法:化学气相沉积法化学气相沉积法(CVD)物理蒸镀法物理蒸镀法(PVD)等离子喷涂法等离子喷涂法(PS)颗粒梯度排列法颗粒梯度排列法自蔓延高温合成法自蔓延高温合成法(SHS)液膜直接成型法液膜直接成型法自蔓延高温合成法自蔓延高温合成法 利用粉
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- 12. 新型 功能 材料