《智能材料与结构系统笔记》
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发布时间：2022-12-17 01:55
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时间：2023-09-13 02:37
人工智能（AI）。它是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的技术科学。
材料科学的发展过程：天然材料||用火制造材料||合成材料|||复合材料|||智能材料
材料科学的发展特点：超纯化、量子化、复合化、智能化、可设计化
材料科学的发展实质上就是材料的复合化和智能化过程
材料的智能化，包括材料功能的复合化和材料的仿生化
材料的智能化体现在：√生物信息化√生物材料智能化√功能材料智能化√结构材料智能化
材料的自适应性：
材料所具有适应环境变化的能力或功能，即“S特性"，包括：自诊断、自调整、自适应、自恢复、自修复.
材料的机敏度用于评价和表征材料的机敏程度, 定义RND和DNA的MSQ为1000
智能结构的智商用于评价和表征结构的动态响应能力, 定义细胞的MIQ为1000
智能材料的定义: 具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，并对之进行分析、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
智能材料需具备内涵：
（1）感知功能：检测并识别外部或内部刺激，如电、光（2）驱动功能：响应外界变化；（3）能按照设定的方式选择和控制响应；（4）反应灵敏、及时和恰当（5）当刺激消除后，能迅速恢复到原始状态。
嵌入式智能材料:在基体材料中，嵌入具有传感、动作和处理功能的三种原始材料。传感元件采集和检测外界环境给予的信息，控制处理器指挥和激励驱动元件，执行相应的动作
（1）基体材料：承载，宜轻质材料（2）敏感材料：感知环境变化（3）驱动材料：对环境的响应，主要产生应变或应力（4）信息处理器：信息处理与分析
按智能材料的功能来分：光导纤维、形状记忆合金、压电、电流变液和电（磁）致伸缩材料等。
按智能材料的来源来分：金属系智能材料（形状记忆合金和形状记忆复合材料）、无机非金属系智能材料（压电陶瓷）和高分子系智能材料（智能分子膜材、智能高分子融合剂）。
设计智能材料的两个思想：材料的多功能复合和材料的仿生设计；组成：智能传感元件、驱动元件和控制元件。
智能材料应具有如下生命特征（1传感功能（2反馈功能（3信息识别与积累功能
智能器件：传感器（元件）驱动器（元件）控制器（元件）
传感器（元件）：功能：“感知”外界信息
对传感器的要求：
尺寸小、薄，不影响结构外形；与原结构材料耦合性好；性能稳定可靠；传感的覆盖面广；
频响要宽；电气、电磁兼容性好；受外界干扰小；能在结构的使用温度及湿度范围内工作。
常用传感材料：压电陶瓷|压电薄膜|光纤|电阻应变|半导体元件
驱动器（元件）功能：“执行”功能，自适应地改变结构形状、刚度、位置、应力、阻尼等参数
对驱动器的要求：与结构基体材料结合性好，结合强度高； 自身静强度和疲劳强度高；
激励动作方法简单、安全；对基体材料无影响，激励所需能量小； 激励后变形量要大，能对激励力进行控制； 在反复激励作用下，能保持性能稳定；频响宽、响应快且可控。
常用驱动材料：压电陶瓷、压电薄膜、压电复合材料、形状记忆合金、电致伸缩材料、磁致伸缩材料
智能结构: 在基体材料（复合材料）中埋入传感元件和驱动元件，就构成了智能结构；智能结构具有一定的仿生命功能；可以感到外界环境的变化，并针对这种变化作出瞬时主动响应；具有自诊断、自适应、自修复和寿命预报以及靠自身驱动完成特定功能的能力
智能结构系统：外部激励→感知响应→智能结构系统（控制器、传感器、驱动器）
正压电效应：将重物放在石英上，石英表面会出现电荷，电荷大小与施加的压力成正比，即正压电效应；
压电材料广泛应用各行业：燃气灶打火装置，超声清洗机，智能手机，压电式传感器，声纳，雷达
压电材料的分类:单晶压电材料、压电陶瓷、压电高分子聚合物、压电复合材料
单晶压电材料：天然形成或人工制成的、具有各向异性的单晶铁电体材料
自然界中大多数晶体都具有压电效应，如石英，电气石，若歇尔盐等
石英（Si02）：均匀性好，居里点高；阻抗高，机械Q值大；性能极稳定，损耗小，可用于极高的频率；绝缘性能好，能在高电压下使用等；
由于石英具备了许多优越性能，被广泛应用，特别是标准换能器，如电脑设备中的时间振荡器等；缺点：机电变换效率低，系统回路的增益较低。
多晶压电陶瓷：为改善压电材料性能，人工合成压电多晶体如钛酸钡，压电系数高
压电陶瓷：与其它压电材料比的优势：√原料价格低廉；√机械强度好，易加工；√不同极化方式及形状，可得到多种振动模式；√作为驱动器：重复性好、高频稳定可靠、静态耗能低、产生位移大
压电陶瓷应用最为广泛，在超声应用领域处于绝对地位。
压电高分子聚合物：具有压电效应的新型人工合成的半结晶性聚合物；其压电效应是基于有极分子的转动，目前以聚偏氟乙烯（PVDF）性能最好；
PVDF（压电薄膜）：最有极性的高分子聚合物之一；
优点：材料可弯曲，声阻抗小，与水匹配较好，适用于水听器以及医学超声诊断声场测试用的换能器。
缺点：信噪比尚不理想，机电耦合系数不够大，机械和介电损耗比较大、品质因素较小。
压电复合材料：将强介电性陶瓷微粒分散混合于高分子材料中而构成的，其处理和使用与高分子压电材料一样；其压电性能不仅依赖于陶瓷粒子，也和作为基体的高分子材料的种类有很大关系. 例如：氧化锌（Zn0）、硫化镉（CdS）、氮化铝（A1N）
压电陶瓷的制备流程: 配料、混合磨细、预烧、二次细磨、造粒、成型、排塑、外形加工、被电极、高压极化、老化测试
压电陶瓷的极化机理: 在一定温度下（T<Tc），其正负电荷中心不重合，产生自发极化；自发极化方向：从负电荷中心指向正电荷中心；电畴：自发极化方向一致的区域；自化极化后，陶瓷内极化强度为零。人工极化：在压电陶瓷上加足够高的直流电场，保持一定温度和时间，迫使电畴转向、定向排列；
正压电效应: 对压电材料施加压力，产生电位差；力作用下产生形变，上下表面积聚电荷释放；机械能→电能
逆压电效应：施加电压，则产生机械应力；电场作用下，极化强化，材料产生变形；电能→机械能
压电应变常数: 应力恒定时，电场强度所产生的应变与电场强度之比；或电场恒定时，应力所产生的电政移变化与应力之比。
压电电压常数: 电位移恒定时，应力所产生的电场强度与应力之比；或应力恒定时，电位移所产生的应变与电位移之比。
压电耦合系数k²(0-1)：表示压电体将机械能转化为电能或把电能转化为机械能的转换系数；机电耦合系数越大，能量转换效率越高；
电流变液(electrorheological fluids，ER)：由高介电常 数、低电导率的电介质颗粒分散于低介电常数的绝缘液体 中形成的悬浮体系;具有电流变特性，可快速、可逆地对电场做出反应；
在电场作用下：表观粘度急剧增大，屈服强度成倍增加， 表现为类似固体的性质；
撤除外加电场：流体又恢复到流动状态。
电流变液的组成成分
基液：煤油、矿物油、植物油、硅油等，绝缘性好，耐高 压，低粘度，流动性好
电介质颗粒：有无机材料（硅胶、硅铝酸盐、复合金属氧化物、 复合金属氢氧化物）
高分子材料（高分子半导体粒子）复合型ER材料（无机材料、高分子材料的复合）
相关添加剂：水、酸、碱、盐类物体和表面活性剂，增强悬浮液的稳定性和电流变效应
磁流变液(magnetrorheological fluids，MR)：基液和均匀散布其中的高磁导率、低磁滞性磁性固体颗粒制成的悬浮液；
流变特性：(1)零磁场条件,呈现出低粘度的牛顿流体特性； (2)强磁场作用，呈现高粘度、低流动性宾汉流体特性；
磁流变特性受磁场控制，可逆，响应快速。
磁流变液的组成成分
基液：矿物油，合成油，硅油，水等 磁性颗粒：铁、钴、镍等畴材料，具有高磁导特性
相关添加剂：悬浮剂、抗氧化剂及其它添加剂用于改善其性能
ER和MR性能比较（均为智能材料）
ER：高介电常数、低电导率的电介质颗粒；低介电常数的绝缘液体（绝缘）；添加剂
MR：高磁导率、低磁滞性的磁性固体颗粒；基液（导电或不导电均可）；相关添加剂
ER和MR均可控流体，具有流变特性，且可逆
电流变液流变特性受电场控制，磁流变液流变特性受磁场控制
形状记忆效应：金属材料受外力作用后，弹性变形→达到屈服点→ 塑性变形；应力消除后，它们永久变形不能恢复到原来状态。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
形状记忆合金：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
形状记忆效应的机理：马氏相变理论：马氏体发生逆向转变形成其母相（奥氏体）而使形状得到恢复；发生马氏体转变的合金在发生形变后，被加热到马氏体转 变逆转变的终了温度以上，使低温马氏体又变回为高温母相，回复到形变前的原始形状；再冷却时，通过内部弹性能又返回到马氏体的形状。
记忆效应包括：单程记忆效应；双程记忆效应；全程记忆效应。
单程记忆效应：形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前 的形状。这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。单程记忆效应是由于金属晶相组织变化引起的
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。
某些合金在实现双程记忆的同时，继续冷却到更低温度，可以出现与高温时完全相反的形状， “全程”形状记忆；这是双向记忆的一种特殊情况。
相变过程中存在迟滞；相变迟滞具有非线性特性，影响SMA驱动器控制精度；相变温度跟应力有关。
超弹特性：某些SMA在外力作用下发生变形后，去除外力后在常温下 可以恢复到原始形状状态；具有比一般金属大得多的变形恢复能力，能承受更大的变形。
机理：常温下马氏体不稳定，转化为奥氏体
形状记忆合金的分类：铁基形状记忆合金；铜基形状记忆合金；镍钛基形状记忆合金
铁基形状记忆合金分类：基于热弹性马氏体相变：主要有Fe-Pt，Fe-Pd和Fe-Ni-Co-Ti
基于非热弹性可逆马氏体相变：Fe-Mn-Si Fe-Cr-Ni-Mn-Si-Co
铜基形状记忆合金优点：形状记忆；超弹性；高阻尼；良好的导电性
镍钛基形状记忆合金：组成：1：1镍钛原子，少量铜、铁等添加剂
优点：伸缩率在20%以上；疲劳寿命达107次；阻尼特性比普通的弹簧高10倍；耐腐蚀性优于目前最好的医用不锈钢，身体排斥性小
形状记忆合金的应用：形状记忆合金驱动器：镍钛基形状记忆合金；仿生鱼；飞机模型；形状记忆合无线通讯天线；SMA轮胎；航天飞行器的减振；医学上的应用—骨骼固定器
形状记忆聚合物：一些聚合物在加热时，当温度超过玻璃转变温度时，聚合 物可以恢复原来的塑性变形、有时高达400；这种效应与形状记忆效应（SME)有相似之处，称这种聚合物为形状记忆聚合物（SMP)。
形状记忆聚合物特点：①形变量高；②形状恢复温度可通过化学方法加以调整；③形状恢复应力一般较低；④耐疲劳性差；⑤只有单程记忆功能。
主要的形状记忆聚合物：聚降冰片烯；反式1，4-聚异戊二烯(TPl)；苯乙烯—丁二烯共聚物；聚氨酪
形状记忆聚合物应用：医疗器材-手术缝合线；热收缩套管；容器外包及衬里；建筑用紧固销钉；形状记忆纤维
光纤：光导纤维的简写；它是一种用玻璃或塑料制成的纤维，是光的传导工具
光纤通常由纤芯、包层、保护套及涂覆层组成；纤芯：玻璃、石英或塑料等制成的圆柱体，直径约为5～150μm；包层：玻璃或塑料等，直径100－200um；保护套：起保护光纤的作用。
光纤的分类：按传输模式分为：单模光纤和多模光纤；
单模光纤：（1）纤芯直径很小，接受角小，传输模式 很少；（2）光纤传输性能好，频带宽，具有很好的线性和灵敏度，但制造困难；（3）单模光纤原则上只能传送一种模数的光。
多模光纤：（1）纤芯尺寸较大，传输模式多，容易制造，但性能较差，带宽较窄；（2）多模光纤允许多个 模数的光在光纤中同时传播。
突变型光纤：折射率突变，以锯齿 形式传播，色散高、 成本低，短途、低速 传输
渐变型光纤：折射率逐渐变小，以 正弦形式传播，信号 畸变小，带宽大，传 输距离远
光纤传输优点：频带宽、损耗低、重量轻、抗干扰能力强、保真度高、工作性能可靠、成本不断下降
光纤传输损耗：光信号通过光纤传播时，因某种原因造成的光能量衰减，单位dB/km 。
本征：固有损耗，包括散射，固有吸收等。
弯曲：光纤弯曲时光散射造成的损耗；挤压：光纤受到挤压产生微小的弯曲而造成的损耗。杂质：光纤内杂质吸收和散射传播的光造成损失。不均匀：材料的折射率不均匀造成的损耗。对接：不同轴，端面不平等。
光纤传感器的基本结构包括：光 源：产生光信号，LED或LD 光调制器：将各物理量转化为光信号 光探测器\解调器：检测、解调转化为电压信号
光纤传感器分为：功能型光纤传感器、非功能型光纤传感器、拾光型光纤传感器
功能型（全光纤型）光纤传感器：光纤作传感元件：对外界信息具有敏感能力和检测能力，“传”和“感”合为一体；
光纤起传光作用；利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性 (光强、相位、偏振态等)的变化，来实现“感”的功能；传感器中光纤是连续的，增加其长度，可提高灵敏度。
非功能型（或称传光型）光纤传感器：
光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感 觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成；光纤不连续，无需特殊光纤及特殊技术，易实现，成本低；灵敏度较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。
拾光型光纤传感器：用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、 散射的光；
典型例子：光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感 器等。
根据调制和解调原理，光纤传感器分为：强度调制相位调制波长调制偏振态调制
强度调制：被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或 反射等参数的变化，而导致光强度发生变化。
相位调制：利用外界因素引起的光纤中光波相位变化来探测各种物理 量;
相位调制光纤传感器：被测能量场的作用使光纤内传播的 光波相位发生变化，再利用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理量;
光波的相位由光纤波导的物理长度、折射率及其分布、波导横向几何尺寸所决定。
检测相位变化：由于光的频率很高，光电探测器不能检测相位的变化，需 要用光学干涉技术将相位调制转换为振幅调制；在光纤传感器中常采用马赫－泽德干涉仪等仪器完成这一过程。
光纤布位格光栅传感器(波长调制型)：FBG（Fiber Bragg Grating）传感器
按光学现象将光纤传感器分为：
干涉型：频率调制型、相位调制型，结构复杂，灵敏度和分辨力高；
非干涉型：强度调制型，结构简单。
典型干涉测量仪与光纤干涉传感器：马赫-泽德尔(Mach-Zender)干涉仪 法布里-泊罗(Fabry-Perot)干涉仪 迈克尔逊(Michelson)干涉仪 萨格纳克(Sagnac)干涉仪
常用光纤干涉传感器是利用上述原理由光纤实现的干涉型光纤传感器。
迈克尔逊干涉仪：
干涉原理：激光束分得的两光束光程差小于激光的相干长度时， 光探测器检测到的两相干光束即产生干涉，且相位差为：
马赫—泽德光纤干涉仪：由移动平面镜的位移获得两相干光束的相位差，并产生干涉。
萨格拉克型光纤干涉仪：利用赛格纳克效应产生延迟；
法布里-珀*涉仪：它是由两块平行的部分透射 平面镜组成，其反射率通常 是大于95；
激光器输出光的95将朝着 激光器反射回来,余下的5的 光将透过平面镜而进入干涉 仪的谐振腔内。
干涉原理是多光束干涉，干涉光强度的变化为：
光纤传感器的特点：
光纤传感器的应用：风力发电设备、航空、土木、空客A3X
