智能材料的种类、来源与功能(doc 7页)
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1).智能材料构成:基体材料,敏感材料,驱动材料和信息处理器。
2).智能材料特征:1).传感功能2).反馈功能3).信息积累和识别功能4).学习能力和预见性功能5).响应性功能6)自修复功能7).自诊断功能8).自动动态平衡及自适应功能功能。
3).形状记忆效应:某些具有热弹性马氏体相变的合金,处于马氏体状态下进行一定限度的变形或变形诱发马氏体后,在随后的加热过程中,当超过马氏体相消失的温度时,材料就能完全恢复变形前的形状和体积,这种现象称为形状记忆效应。
4).形状记忆效应分类:①单程记忆效应:将母相在高温下制成某种形状,再将母相冷却,使之发生马氏体相变,在马氏体状态下受力变形,加热时恢复高温相形状,冷却时不恢复低温相形状。
②双程记忆效应:加热时恢复高温形状,冷却时恢复低温形状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高温相形状。
5).形状记忆合金的分类:Ti-Ni系、铜系、铁系合金三大类。
6).形状记忆合金的机理:形状记忆合金就是利用一些材料的晶体结构的相互转变来使其具有形状记忆功能的。
7).形状记忆合金的制备:1).通常是先制备合金锭,之后进行热轧、模锻、挤压,然后进行冷加工2).为把形状记忆合金用做元件,有必要使它记住给定形状3).形状记忆处理(一定的热处理)是实现合金形状记忆功能方面不可或缺,至关重要的一环。
8).压电复合材料:是将压电陶瓷相和聚合物相按一定连通方式,一定的体积/重量,及一定的空间分布制作而成,它可以成倍地提高材料的压电性能,不但可以克服上述两种压电材料的缺点,而且还兼具两者的优点。
9).综合性能比较好的压电复合材料主要有:0-3型、1-3型、3-3型复合材料。
0-3型:是由不连续的陶瓷颗粒(0维)分散于三维连通的聚合物基体中形成的。
1-3型:是指由一维连通的压电相平行地排列于三维连通的聚合物中而构成的两相压电复合材料。
3-3型:聚合物相和压电相在三维方向相互交织相互包络而形成的空间网络结构。
智能材料概述材料的智能化代表了材料科学发展的最新方向,智能材料的研究主要是依照仿生学方法,采用各种先进复合技术,实现复杂材料体系的多功能复合,并最终实现材料智能能化和器件集成化,文章在简要介绍有关材料概念的基础上,又重点介绍了记忆合金的特征、功能和应用及其现有的不足。
智能材料概述所谓智能材料,是指能感知外部刺激、能判断并恰当处理、且本身可执行的材料。
智能材料的构想来源于仿生,其最初目标就是研制出一种具有类似于生物功能的“活”的材料。
因此智能材料必须具备感知、驱动和控制这3个基本要素。
1.智能材料的功能和特性智能材料往往具有或部分具有如下的智能功能和生命特征:(1)传感功能—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、化学和核辐射等的强度及其变化。
(2)反馈功能—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。
(4)响应功能—能够根据外界环境和内部条件变化,适时动态地做出相应的反应,并采取必要行动。
(5)自诊断能力—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。
(6)自修复能力—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。
(7)自调节能力—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,始终以一种优化方式对外界变化做出恰如其分的响应。
2.智能材料的基本构成和工作原理智能材料一般由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器4部分组成。
(1)基体材料:基体材料担负着承载的作用,一般宜选用轻质材料。
高分子材料重量轻、耐腐蚀,具有粘弹性的非线性特征而成为首选,其次也可选用金属材料,以轻质有色合金为主(2)敏感材料敏感材料担负着传感的任务,其主要作用是感知环境变化(包括压力、应力、温度、电磁场、pH值等) 。
智能卡卡基材料概述1.引言智能卡又称IC卡,指在其中封装了集成电路芯片的卡片。
IC卡具有存储容量大、数据安全性高、防伪性好、应用设备成本低、技术成熟等特点,在金融、公安、交通、通讯、服务、医疗等各个领域都得到了广泛的应用。
自1984年法国将IC卡用于电话卡并取得了巨大的成功以来,IC卡已经取得到巨大的发展。
中国于1993年开始启动金卡工程,技术和市场都已比较成熟。
制作IC卡的塑料片材称为卡基材料,现通用的卡基材料主要有ABS(丙烯腈一丁二烯一苯乙烯1、PVC (聚氯乙烯)、PET (聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PC(聚碳酸酯)、PETG(改性P ET)等。
目前使用最广泛的卡基材料是PVC,但由于PVC中含有氯元素,此类材料不利于环境保护。
近年来,随着新材料的不断推出和IC卡技术的快速发展,卡基材料的用料也在不断变化,一些环保耐高温、并可长期保存的新型卡基材料相继推出,如:PETG、PC、P C/PBT等,每种材料都有不同的特点,应该根据不同的需求加以选择。
2.卡基材料介绍2.1 PVC材料PVC(聚氯乙烯)颗粒状胶料是多组份的塑料,因为各组份的含量不同,外观差异很大。
有透明材料,也有不透明材料:有的柔软有弹性,耐折迭;也有硬质刚性机械性能优良的材料。
大部分的PVC有轻微毒性,但也有食品级的PVC胶颗粒。
PVC可分为软质PVC和硬质PVC。
硬质PVC的表面硬度、拉伸强度、刚性等都接近于工程材料的指标。
软PVC一般用于壁纸、地板、天花板以及皮革的表层。
硬质PVC低温变脆,对应变敏感,变形后不能完全复原:软质PVC低温变硬,热稳定性差,受热降解(见表1)。
在各种新型卡基材料逐渐推广应用的同时,PVC卡基材料仍然占有很大比例的市场份额,这是因为其生产成本较低,各种性能优越,PVC薄膜几乎不用经过任何处理就能印刷、热压成型,所以依然得到很大应用,PVC材料适用于卡表面需要印刷磁条,签名或者凸字和全息标志的IC卡。
通用常识-工学模块智能材料智能材料是一种模仿生命系统并能感知环境变化的复合材料,它具有自我调整功能,能够对环境变化进行分析并改变自身的一种或多种参数,使之与变化后的环境相适应。
智能材料不同于传统意义上的结构材料和功能材料,它模糊了两者的界限,实现了结构功能化、功能多样化。
对智能材料的研究是一门新兴并将最终成为主流的综合科学。
其与材料学、物理学、化学、力学、电子学、人工智能、信息技术、计算机技术、生物技术、加工技术及控制论、仿生学和生命科学等许多前沿科学及高技术都密切相关,具有广阔的应用前景和巨大的社会效益。
智能材料的构想来源于仿生学,它的目标是研制出一种具有类似于生物的各种功能的“活”的材料,这就要求智能材料必须具有感知功能、判断分析功能和指令行动功能。
通过这些功能它不但可以判断环境,而且可以顺应环境,即具有类似于生物肌体组织的病变自诊断、环境自适应、自学习、自组装、自恢复等积极应对外部环境变化的功能效应。
尽管对智能材料结构的研究尚处于初级阶段,在许多方面还有待于新的突破,但是它确实具有光明的应用前景。
智能材料的应用将会像计算机芯片那样推动诸多方面的技术进步,开拓新的学科领域并引起材料与结构设计思想的重大变革。
在建筑方面,科学家正在研究一种自行修复的智能材料,应用于桥梁、高大的建筑设施以及地下管道等,使其自诊“健康”状况;在医疗方面,智能材料可用来制造无需马达控制并有触觉响应的假肢;在服装方面,利用智能材料其尺寸、导热等性能都可以随着周围环境(温度、湿度)的变化而改变的特性,保证美观和舒适。
似此种种、不一而足。
总体上讲,智能化是现代人类文明发展的趋势,智能材料的出现是材料领域的一次飞跃,智能材料的研究开发必将引起信息科学、电子科学、生命科学、海洋科学和软件科学等众多前沿学科和高新技术的一次革命,把人类社会文明推向一个新的高度。
智能材料的种类、来源与功能(doc 7页)智能材料定义: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,作出所希望的、能与变化后的环境相适应的复合材料或材料的复合。
智能材料的分类一.按材料种类1.1金属系智能材料1.2无机非金属系智能材料1.3高分子系智能材料1.3.1记忆功能高分子材料1.3.1.1应力记忆高分子材料1.3.1.2形状记忆高分子材料1.3.1.2.1反式聚异戊二烯(trans-polyisoprene,TPI)特点:形变量大、加工成型容易、形状回复温度可调品,如便携式餐具、头套、人造花、领带、衬衣领、包装材料等;○7文体娱乐,如文具、教具、玩具、体育保护器材;○8科学试验,如大变形的应变片;○9其它,如商品识伪、火灾报警、口香糖基料、服装定型剂、丝绸印染剂、用于机械零件模拟实验等。
1.3.1.2.2聚降冰片烯(polynorbornene)特点:○1分子内没有极性官能团和一般橡胶具有的交联结构,属于热塑性树脂,可通过压延、挤出、注射、真空成型等工艺加工成型,但由于分子量太高,加工较为困难;○2Tg接近人体温度,室温下为硬质,适于制造人工织物,但此温度不能任意调整;○3充油处理后变成JIS硬度为15的低硬度橡胶,具有较好的耐湿气性和滑动性;○4未经硫化的式样强度高,具有减震性能。
构成:由环戊二烯与乙烯在狄尔斯-阿尔德(Diels-Alder)催化条件下反应合成降冰片烯,在通过开环聚合而得到含双键和五元环交替结合的无定形高分子化合物的。
1.3.1.2.3苯乙烯—丁二烯共聚物(styrene-butadiene copolymer)特点:耐酸碱性好、着色性优良等。
构成:由熔点为60摄氏度的聚丁二烯与软化点为100摄氏度的聚苯乙烯嵌段共聚而得到的。
应用:便于涂布和流延加工。
1.3.1.2.4聚氨酯(polyurethanes)特点:○1加工性好,能采用通用热塑性聚氨酯的加工方法成型,容易制得各种复杂形状的制品,并可批量成型;○2形变回复量大;○3能在-30摄氏度到70摄氏度之间自由选择形状回复温度;○4树脂材料透明、可任意着色;○5相对密度 1.1到1.2,较SMA为低;○6成本低,仅为SMA的十分之一左右。
构成:由芳香族的二异氰酸酯与具有一定分子量的端羟基聚醚或聚酯反应生成氨基甲酸酯的预聚体,再用多元醇如丁二醇等扩链后可生成具有嵌段结构的聚氨酯。
应用:制成特别防水的产品,理想的防水透气产品,冷冻库中蔬菜分隔间的可调节薄膜,登山服和帐篷,生产运动服装,开发静脉套管,体育器械手柄,空调器,输液针头,生活用具如勺、叉、水杯和牙刷等,这种生活用具特别适合于手力较弱的老人、儿童及残疾人等。
1.3.1.2.5聚酯(polyester)特点:具有较好的耐热性和耐化学药品性能,但耐热水性能不是很好。
构成:脂肪族或芳香族的多元羧酸(如偏苯三甲酸)或其酯(如间苯二甲酸二丙烯醇酯)与多元醇(如乙二醇、丁二醇、三羟甲基丙烯、季戊四醇等)或羟基封端的聚醚(如聚乙二醇)反应形成。
应用:作为管件的接头,商品的热收缩包装材料。
1.3.1.2.6交联聚乙烯(XLPE)特点:拉伸变形可回复。
应用:电线电缆、化工管道的接续与保护,在仪器仪表家用等领域。
构成:1.3.1.2.7凝胶体系特点:高弹性和高含水率,优良的耐热性等。
应用:医用材料如人工血管、人工脏器等,催化剂载体等,具有特定用途的传感系统如药物可控缓释系统,机器人人工肌肉,光子阀,分子分离系统,电磁感应阀等。
构成:1.3.1.3体积记忆高分子材料1.3.1.4色泽记忆高分子材料1.3.2智能高分子凝胶按响应环境因素的多少1.3.2.1单一响应智能凝胶1.3.2.1.1温敏性凝胶特点:对环境的温度变化产生响应,使凝胶结构发生改变,发生体积相变。
1.3.2.1.1.1热胀温敏凝胶特点:当温度低于低温临界溶解温度(LCST)呈收缩状态,当温度高于LCST时处于膨胀状态。
1.3.2.1.1.2热缩温敏凝胶特点:当温度高于低温临界溶解温度(LCST)呈收缩状态。
a非离子型热缩温敏凝胶b离子型热缩温敏水凝胶c非交联型温敏水凝胶1.3.2.1.2 pH敏感性凝胶特点:溶胀或去溶胀是随pH值的变化而变化的。
凝胶疏水性则其溶胀转变向低pH值移动。
构成:由甲基丙烯酸烷酯与二甲基氨乙基丙烯酸酯交联形成。
1.3.2.1.3电场敏感性凝胶1.3.2.1.4光敏感性凝胶1.3.2.1.5压敏凝胶1.3.2.1.6磁场敏感性凝胶1.3.2.2双重(或多重)响应智能凝胶1.3.2.2.1温度、pH值敏感凝胶1.3.2.2.2热、光敏感凝胶1.3.2.2.3磁性、热敏凝胶1.3.2.2.4 pH值、离子刺激响应凝胶1.3.3智能药物释放体系1.3.3.1 pH响应体系1.3.3.2温度响应体系1.3.3.3生物活性分子响应体系a葡萄糖响应b抗原响应c凝血酶响应1.3.3.4场响应体系1.3.4聚合物电流变流体1.3.4.1天然高分子类1.3.4.2合成高分子类a聚苯乙烯类b聚丙烯酸酯类c有机硅类d导电高分子和有机半导体材料1.3.5智能高分子膜I按膜的形式分类a荷电型超滤膜b接枝型智能膜c互穿网络膜d聚电解质配合物膜e液晶膜f凝胶膜II按膜的来源分类a天然高分子材料膜b合成高分子材料膜III按膜的用途分类a分离膜b交换膜c传感器膜d催化剂膜IV按对环境的响应分类a热敏感膜b pH敏感膜c电敏感膜d光敏感膜V新型智能高分子膜a LB膜b分子自组装膜c具有可调纳米孔道的高分子薄膜1.3.6智能纺织品按感知状态分类1.3.6.1被动智能型纺织品1.3.6.2主动智能型纺织品1.3.6.3非常智能型纺织品按应用分类a.防水透湿织物b.调温纺织品c.仿生纺织品c.1仿荷叶纺织品c.2仿珊瑚纺织品c.3仿生纤维c.4仿植物叶子的可排气织物c.5人造蜘蛛丝d.变色纺织品d.1热敏变色纺织品d.2光敏变色织物d.3不同染料的变色织物e.电子纺织品f.智能安全防护纺织品1.3.7智能橡塑材料1.3.7.1智能化的塑料材料1.3.7.1.1形状记忆塑料按响应参数不同分类a热致形状记忆塑料b光致形状记忆塑料c电致形状记忆塑料d化学致形状记忆塑料1.3.7.1.2压电塑料a聚偏氟乙烯(PVDF)b聚偏氟乙烯—三氟乙烯共聚物(VDF--TrEE)c聚偏氟乙烯—四氟乙烯共聚物(VDF--TeFE)1.3.7.1.3导电塑料1.3.7.1.3.1结构型导电塑料a聚乙炔(PA)b聚吡咯(PPy)c聚苯胺(PAn)d聚苯硫醚(PPS)e聚对苯(PPV)f聚噻吩(PTA)1.3.7.1.3.2复合型导电塑料a炭黑填充型导电塑料b金属填充型导电塑料1.3.7.1.4磁性塑料1.3.7.1.4.1结构型磁性塑料1.3.7.1.4.2复合型磁性塑料a铁氧体类磁性塑料b稀土类磁性塑料1.3.7.1.5感光塑料1.3.7.1.5.1光致变色塑料1.3.7.1.5.2热致变色塑料1.3.7.1.5.3电致变色塑料1.3.7.1.5.4压致变色塑料1.3.7.1.5.5光致发光塑料1.3.7.1.5.6电致发光塑料1.3.7.1.5.7光导电塑料1.3.7.1.6纳米塑料1.3.7.1.7其它智能塑料a能自动修补裂缝的智能塑料b光控“塑料”磁体c智能防火塑料d智能防噪声塑料1.3.7.2智能化的橡胶材料1.3.7.2.1形状记忆橡胶a杜仲胶记忆塑料b反式1,4—聚异戊二烯c苯乙烯—丁二烯共聚物1.3.7.2.2导电橡胶a普通导电橡胶b感应型导电橡胶c压敏型导电橡胶1.3.7.2.3铁磁橡胶1.3.7.2.4其它智能橡胶材料1.3.8仿生化智能化生物材料1.3.8.1传感材料1.3.8.2能量转换材料1.3.8.3分离材料1.3.8.4生物材料a表面响应材料b人工细胞外基质1.3.8.5信息材料1.4复合和杂化型智能材料二.按材料的来源2.1天然智能材料2.2合成智能材料三.按材料的应用领域3.1建筑用智能材料3.2工业用智能材料3.3军用智能材料3.4医用智能材料3.5航天用智能材料四.按材料的功能4.1半导体4.2压电体4.3电致流变体五.按电子结构和化学键5.1金属5.2陶瓷5.3聚合物5.4复合材料。