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智能材料与结构系统第2章：智能材料智能材料是指具有感知、响应和控制功能的材料。
这种材料可以根据外部环境的变化自主地进行响应和调节，以实现特定的功能和效果。
智能材料的开发和应用在多个领域都具有重要的意义，包括机械工程、电子工程、生物医学等。
2.1智能材料的分类2.1.1智能材料的动作响应方式智能材料的动作响应方式可以分为主动式和被动式两种。
•主动式响应：这种材料具有自发性地响应外界刺激的能力，可以主动地产生形变或力学反应。
常见的主动式智能材料包括压电材料、形状记忆合金等。
•被动式响应：这种材料需要外部刺激才能发生变化,比如温度变化、光线变化等。
常见的被动式智能材料包括热敏材料和光敏材料等。
2.12智能材料的功能分类智能材料根据其功能可以分为感应与控制、调节与适应、传感与信号处理等。
•感应与控制：这类智能材料能够感知外界刺激，并通过自身的响应产生相应的动作。
例如，压电材料可以通过施加电压产生形变，而形状记忆合金则能根据温度变化自行恢复到其原始形状。
•调节与适应：这类智能材料能够通过自身的调节来适应外界环境的变化，从而保持一定的性能和功能。
例如，热敏材料可以根据温度变化自行调整其导电性能。
•传感与信号处理：这类智能材料能够感知外界的信息，并将其转化为输出信号进行处理。
例如，光敏材料可以感知光线的强度和波长，并将其转化为电信号进行处理。
2.2智能材料的应用领域智能材料的应用领域非常广泛，下面列举了一些常见的应用。
2.2.1机械工程领域在机械工程领域，智能材料常用于制造机械传动系统、控制系统^运动控制装置等。
例如，压电材料可以用于制造振动传感器和声波发生器，从而实现智能控制。
2.2.2电子工程领域在电子工程领域，智能材料常用于制造传感器、开关和执行器等。
例如，光敏材料可以用于制造光电开关和光电传感器,从而实现自动控制。
2.2.3生物医学领域在生物医学领域，智能材料有很多应用。
例如，形状记忆合金可以用于制造支架和植入物，从而实现自主调节和修复功能。
从智能材料到智能结构智能材料和智能结构是当今材料科学和工程中备受关注的研究领域。
与传统的材料相比，智能材料具有响应外界刺激的能力，可以在许多重要应用中发挥重要作用，如医学、航空航天、建筑和能源等领域。
智能结构则是基于智能材料的基础上设计出的具有特定响应和调控能力的结构，其形态和性能可以随外界环境变化而变化，可以在各种工程领域中得到广泛应用。
一、智能材料的分类和应用1. 一般性质智能材料具有多种特性，如形状记忆、失稳、电、磁、热响应等。
智能材料的运动机理通常是通过内部结构的微观调整实现的，这一调整可以依靠许多方法，如电子结构的调整、化学制备的改变等。
智能材料具有多种实际应用，如传感器、装置、控制系统以及卫星开展研究和应用等。
2. 分类智能材料的常见种类包括形状记忆材料、电致变材料、电阻变材料、磁致变材料、储能材料、陶瓷基复合材料、有机液晶等。
3.应用智能材料的具体应用包括，但不仅限于以下几个领域：(1) 医疗领域：智能材料可以制成内置在植入物内的材料，例如，内置在生物材料或结构内部的医疗装置，如人工心脏瓣膜、人工骨髓等，继而帮助医生进行手术操作。
(2) 航空航天领域：智能材料能够从外界反应器中获取电子信号，并能够产生一定程度的反应，例如控制引擎加速、推进无人机机翼的调整，是航空航天应用智能材料的重要方向。
(3) 建筑领域：智能材料可以用于制造能够自动调节温度和湿度的建筑材料，方便用户创建更加舒适的室内环境，对于改善现代社会的工作和生活非常有益。
二、智能结构的概念和特性1. 定义智能结构是指一种具有响应外界刺激和能够进行结构自适应调整的结构。
智能结构通常是由一个智能材料体构成的，具备与周围环境互动的能力，并能对环境进行自主调整的材料体。
2. 特性智能结构的特点有以下几点：(1) 响应性：智能结构在受到外界刺激时具有相应的响应，包括机械、电、热等方面的响应。
(2) 多功能性：智能结构的设计可以使其具备多种不同的功能，例如自传感、自修补等。
(智能材料与结构系统)第2章智能材料1. 引言智能材料是一种能够响应外部刺激并改变其物理性质的材料。
它具有智能感知、自适应调节和灵活响应等特点，在许多领域都有着广泛的应用。
本章将介绍智能材料的概念、分类和应用等内容。
2. 智能材料的概念智能材料是指能够基于外部刺激作出一定响应的材料。
这种响应可以是物理性质的改变，如形状、颜色、光学特性等，也可以是化学性质的改变，如溶解度、反应速率等。
智能材料可以感知环境变化或接收控制信号，并作出相应的动作。
智能材料可以分为两类：一类是被动响应型智能材料，另一类是主动响应型智能材料。
被动响应型智能材料是指在外界刺激下发生物理性质的变化，如热敏材料、压敏材料等。
主动响应型智能材料是指能够根据外界刺激主动改变其物理性质的材料，如形状记忆合金、光敏材料等。
3. 智能材料的分类智能材料可以根据其响应机制进行分类。
常见的智能材料分类包括形状记忆材料、光敏材料、热敏材料、电致变色材料等。
3.1 形状记忆材料形状记忆材料是一类能够在外界刺激下恢复其原始形状的材料。
形状记忆效应是指材料在经历过塑性变形后能够回复到其原始形状的能力。
常见的形状记忆材料包括形状记忆合金和形状记忆聚合物等。
3.2 光敏材料光敏材料是能够对光信号做出响应的材料。
光敏材料可以根据光信号的不同强度、波长和频率做出不同的响应。
光敏材料广泛应用于光电子器件、光学器件和光学传感器等领域。
3.3 热敏材料热敏材料是能够对温度变化做出响应的材料。
热敏材料可以根据温度的不同改变其物理性质，如导电性、热导性等。
热敏材料在温度控制、温度传感器等领域有着广泛的应用。
3.4 电致变色材料电致变色材料是能够在受到电场刺激时改变其颜色的材料。
电致变色材料广泛应用于智能窗户、显示器件和光学涂层等领域。
4. 智能材料的应用智能材料在许多领域都有着广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：•智能结构：智能材料可以用于构建智能结构，如形状记忆合金用于航空航天领域中的控制杆；光敏材料用于自动调节建筑窗户的透光度。
智能材料与结构专业认识引言智能材料与结构是一门前沿的学科，结合了材料科学和工程学的知识，致力于研究可以感知、响应和适应外界环境变化的材料和结构。
本文将介绍智能材料与结构的基本概念、应用领域以及相关的研究方向。
智能材料的概念和分类智能材料是指具有感知、响应和适应能力的材料，能够根据外界刺激做出相应的变化。
根据材料的响应特性，智能材料可以分为以下几类：1.响应型材料：能够对外界刺激做出机械、热、电、光等方面的响应。
常见的响应型材料包括形状记忆合金、压电材料和磁致伸缩材料等。
2.控制型材料：能够通过外界刺激改变其物理、化学性质从而实现对材料行为的控制。
例如，电致变色材料可以通过电场变色，从透明到不透明。
3.感知型材料：能够感知环境的变化，并将信号转化为可观测的物理量。
典型的感知型材料包括压力敏感材料和湿度敏感材料等。
智能结构的概念和应用领域智能结构是由智能材料构成的具有感知、控制和适应能力的结构。
智能结构可以在受到外界刺激时做出相应的变化，实现结构的自适应和优化。
智能结构在以下领域具有广泛的应用：1.航空航天领域：智能材料与结构可以应用于航空航天器的结构件、舵面控制和振动控制等方面，提高飞行器的性能和安全性。
2.建筑领域：智能材料与结构可以应用于建筑的隔热、噪音控制和自适应结构等方面，提高建筑的舒适性和环境适应性。
3.医疗领域：智能材料与结构可以应用于医疗器械、人工关节和生物传感器等方面，实现医学诊疗的精确度和安全性的提升。
智能材料与结构的研究方向智能材料与结构的研究方向包括但不限于以下几个方面：1.智能材料的设计与合成：研究新型智能材料的合成方法和结构设计，实现材料性能的优化和功能的多样化。
2.智能材料与结构的传感机理研究：探索智能材料与结构的感知机理，深入理解响应机制，为实际应用提供理论基础。
3.智能结构的设计与优化：研究智能结构的优化设计方法和控制策略，提高结构的自适应性和性能。
4.智能材料与结构在特定领域的应用研究：将智能材料与结构应用于具体领域，如航空航天、医疗和建筑等，探索其在实际应用中的效果和潜力。
智能材料与智能结构随着科技的不断进步，科学家们走出了一条发展智能材料与智能结构的新路。
智能材料和智能结构是现代科技的重要组成部分，它们可以通过独特的特性和特定的设计让一些看似不可能完成的工程成为现实。
一、智能材料的新进展智能材料是为特定任务开发而设计的一种高科技材料。
它们通过各种物理、化学、生物等因素的相互作用，实现了各种自动化功能。
这些功能包括变形、可感知、自适应、自修复等。
智能材料可以应用于机器制造、生命科学、移动设备、汽车等许多领域。
近年来，智能材料的技术不断发展。
作为智能材料的代表之一，DNA 水凝胶可以帮助设计出精准的纳米结构。
科技公司 Cytiva 正在开发一种具有记忆功能的 DNA 水凝胶，这种水凝胶可以通过受到的压力和温度的变化来改变其形状。
“神经元传感器”是另一种智能材料。
这种材料可以自主感知和响应外部压力，就像人类的神经元一样。
它可以应用于医疗和机器制造领域。
二、智能结构提高了建筑物的安全性智能结构是一种可以自主感知和响应外部变化的结构体系。
它可以通过集中控制和自我修复来保持它的稳定性，从而提高建筑物的安全性和稳定性。
在地震等自然灾害的情况下，智能结构可以自动迅速地进行反应，从而有效地保障建筑的安全。
智能结构的应用范围非常广泛。
在建筑领域，智能结构可以帮助我们开发更加稳定的建筑物。
在航空业，智能结构可以帮助我们开发更加安全和节能的飞行器。
在天文学领域，智能结构可以帮助我们更好地研究太空环境。
值得一提的是，智能结构还可以用于创造具有令人惊叹的美学价值的建筑。
例如，南澳大利亚芭蕾舞团剧院就是一个非常好的例子。
这个建筑物采用了智能结构技术，使得建筑物的外观可以自主改变，创造出美妙的视觉效果。
三、智能材料和智能结构的联合应用智能材料和智能结构的联合应用可以带来更加令人惊叹的效果。
例如，南澳大利亚芭蕾舞团剧院就是一个非常好的例子。
这个建筑物采用了智能材料和智能结构技术，使得整个建筑物可以自主改变，创造出美妙的视觉效果。
智能材料系统和结构介绍摘要人类总是把自然作为工程的灵感，不论是在设计还是在执行上。
在智能材料系统与结构领域的构思上，其发展也不例外。
Zuk和Clark在《动力学体系》一书中写道：“生命本身是一种运动，从单个细胞到最复杂的组织——人类……正是运动、灵活、变化、适应这些特性将生命体置于比静态物质更高的进化程度上。
事实上，这些生物的生存依赖于它们的运动能力：自我强健，自我医疗，自我繁殖，适应变化和适应环境……”创造一种更高级的材料系统和结构，使它具有感知、激励、控制和智能这些“生命”功能，这种构思鼓舞和激励了在这个新领域努力的开始。
本文包括了关于智能材料系统与结构的一些较早的描述，并且介绍了与智能系统相关的各种概念、定义和分类。
本文对智能材料系统领域中应用的一些驱动和传感材料作了简单的调查，并以此来举例说明已取得的进步和研究中的构想。
引言“智能的”、“灵巧的”、“感知的”、“适应的”和许多其它的术语都用来描述或对材料和结构分类，这些材料和结构拥有它们自己的传感器、驱动器和计算控制能力或硬件。
一个已提出的智能材料的定义是：具有固有的或完整的智能性，能对外加负载或外界环境等外界激励产生自适应的材料。
这种材料的控制或智能是通过材料组成、加工处理、缺陷和微观结构来决定的，或者是适应不同等级激励的控制方式来实现的。
智能结构可能简单的由智能材料系统构筑而成，组成驱动器、传感器和一些更为离散的智能结构。
绝大部分早期的“灵巧材料”主要为嵌入式或分布式的压力和温度传感器。
但是，目前在材料、驱动器、传感器和控制器领域，智能材料系统的复杂性和效用每月都在迅速发展。
虽然智能材料系统和结构的观念可以应用到建筑、堤坝、桥梁、管道、船舶和各种运载工具的设计和落实上，但是目前的研究主要还是面向先进航空器、发射器和大型太空平台等航空航天领域的潜在应用。
为了对相关学科的概念和差异有所理解，这里提出两个明确的定义。
第一个定义是来自于Wada,Fanson和Crawley的一篇文章(1990)，在这篇文章中他们试图建立一个框架来对结构系统分类。
智能材料(Smart Materils 或者Intelligent Material System) 是20 世纪80 年代中期提出的概念。
智能材料是模仿生命系统,能感知环境变化并能实时地改变自身的一种或多种性能参数,作出所期望的能与变化后的环境相适应的复合材料或材料的复合。
智能材料是一种集材料与结构、智能处理、执行系统、控制系统和传感系统于一体的复杂的材料体系。
它的设计与合成几乎横跨所有的高技术学科领域。
磁流变液
电流变体
压电材料、
形状记忆合金
磁致伸缩材料
电致伸缩材料
光纤材料
聚合物胶体
形状记忆聚合物(SMP)
疲劳寿命丝（箔）
磁流变体：通常由以下三种成分组成：
（1）具有高磁导率、低矫顽力的微小磁性微粒，如铁钴合金、铁镍合金、羰基铁等软磁材料。
由Jolly 和Ginder等人[4]建立的磁流变液理论剪切屈服强度的计算公式可知，磁流变液的极限剪切屈服强度与磁性颗粒的饱和磁化强度的平方成正比。
（2）母液，又称溶媒，是磁性微粒悬浮的载体。
为了保证磁流变液具有稳定的理化特性，母液应具有低粘度、高沸点、低凝固点、较高密度和极高“击穿磁场”等特性。
目前，较为常用的母液是硅油。
另外，一些高沸点的合成油、水以及优质煤油等也可作为磁流变液的母液；
（3）表面活性剂，其主要作用是包覆磁性微粒并阻止其相互聚集而产生凝聚，减少或消除沉降。
功能：
这种材料具有4种主要功能:(1)对环境参数的敏感;(2)对敏感信息的传输;(3)对敏感信息的分析、判断;(4)智能反应。
具体的有：
传感功能
反馈功能
信息识别与积累功能
相应功能
自诊断功能
自修复功能
自调节功能
智能结构( Intelligent Construction)是将驱动器、传感器、乃至处理器等微电子元器件集成在复合材料之中而成型的结构它对所处环境，具有主动感知和主动响应的功能。
智能结构是在智能材料的基础上提出的,是当前结构设计与结构力学方面正在迅速发展的一种崭新领域,也称为自适应结构。
智能结构就是可以根据外部条件和内部条件主动地改变结构
特性,以最优地满足任务需要的结构。
外部条件包括环境、载荷或已制造出及已在使用中的结构几何外形。
内部条件包括对材料或结构的局部区域的破坏、失效的隔离和改变载荷传输途径等。
从结构方面,就是把具有特殊力学性能和物理性能的形状记忆合金、压电陶瓷、压电晶体、磁致变体、电致变体及流变体等复合在构件中(或埋在复合材料中) ,组成构件的受感元件和动作元件,再配上微处理器,便成为智能的材料结构,来自动适应结构的一些特殊要求。
智能结构有个基本系统, 即驱动、传感、处理和结构系统, 这四个系统分别扩展, 相互交叉, 组合成各种结构形式。
智能结构分类:
智能结构主要在复合材料的零部件中埋入或在其表面安装上传感元件、动作元件等;
智能结构是直接由智能材料制成的零部件。
按电子元器件及其材料分类如压电传感结构, 压电驱动结构, 电致磁致结构, 形状记忆合金传感、驱动结构, 电流变体驱动结构, 光纤传感结构等。
按结构功能分类如自传感结构, 自驱动结构, 自诊断结构, 寿命监视结构, 形状记忆结构, 振动抑制结构等。
按结构与关键电子元器件组合分类：
结构系统
驱动系统
传感系统
控制系统
自适应驱动结构
自适应传感结构
处理系统自驱动结构
自传感结构机敏结构
磁流变减振器：以磁流变体这种新型的智能材料作为减振器的工作液，并在减振器的活塞轴上缠绕电磁线圈，线圈产生的磁场作用于磁流变液，通过控制电磁线圈电流的大小来调整磁场强度进而改变磁流变液的粘度，实现阻尼可调的目的。
根据磁流变液在减振器中的受力状态和流动形式的不同，磁流变减振器可分为流动模式（Flow Mode）、剪切模式(Shear Mode)、压缩模式(Squeeze Mode)以及这三种基本模式的任意组合。
智能材料与结构应用：
航空航天飞行器
建筑和工程结构
医疗
机器人
日常生活。
