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第八章 智 能 材 料
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第一节 智能材料 基本原理
1、什么是智能材料
2、智能材料的特征
3、智能材料的构成
4、智能材料的分类
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智能材料 是 二十世纪 90年代 迅速发展
起来的一类 新型复合材料 。
智能材料目前 还没有统一的定义,不
过，现有的 智能材料的多种定义 仍然是大
同小异。
1、什么是智能材料？
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大体来说,智能材料 就是指具有 感知
环境 （包括内环境和外环境） 刺激, 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 。
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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；
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(2)具有 驱动功能,能够 响应外界变化 ；
(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 。
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智能材料 又可以称为 敏感材料,常用
的有以下几种：
Intelligent material、
Intelligent material and structure、
Smart material、
Smart material and structure、
Adaptive material and structure等。
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智能材料的构想 来源于仿生学，它的
目标就是想 研制出一种材料,使它成为 具
有类似于生物的各种功能 的,活”的材料 。
因此 智能材料 必须具备 感知, 驱动 和
控制 这三个基本要素。
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但是 现有的材料 一般比较 单一, 难以
满足智能材料的要求,所以 智能材料 一般
由 两种或两种以上的材料 复合构成一个 智
能材料系统 。
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这就使得 智能材料的设计、制造、加
工和性能结构特征 均涉及到了 材料学的最
前沿领域,使智能材料代表了 材料科学的
最活跃方面和最先进的发展方向 。
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智能材料应用的简单事例：
某些 太阳镜的镜片当中 含有 智能材料,
这种智能材料能 感知周围的光,并能够 对光
的强弱进行判断,当光强时，它就变暗，当
光弱时，它就会变的透明。
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2、智能材料的特征
因为 设计智能材料的两个指导思想 是
材料的多功能复合 和 材料的仿生设计,所
以 智能材料系统 具有或部分具有如下的 智
能功能 和 生命特征,
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(1)传感功能（ Sensor）
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、核辐射等的强度
及其变化。
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(2)反馈功能（ Feedback）
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。
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(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 作出相应的反应, 并采取必要
行动 。
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(5) 自诊断能力（ Self-diagnosis）
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。
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（ 6）自修复能力（ Self-recovery）
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 。
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（ 7）自调节能力（ Self-adjusting）
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,从而使 材料系统
始终 以一种优化方式 对外界变化作出恰如
其分的响应。
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3、智能材料的构成
一般来说 智能材料 由 基体材料, 敏
感材料, 驱动材料 和 信息处理器 四部
分构成。
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（ 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 。
一般基体材料 首选高分子材料,因为
其 重量轻, 耐腐蚀,尤其具有粘弹性的非
线性特征。 其次 也 可选用金属材料,以 轻
质有色合金 为主。
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（ 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）。
常用敏感材料 如 形状记忆材料, 压电材
料, 光纤材料, 磁致伸缩材料, 电致变色材
料, 电流变体, 磁流变体 和 液晶材料 等。
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（ 3）驱动材料
因为 在一定条件下, 驱动材料 可产生较大
的 应变和应力,所以它担负着 响应和控制的
任务 。 常用有效驱动材料 如 形状记忆材料,
压电材料, 电流变体 和 磁致伸缩材料 等。
可以看出，这些材料既是 驱动材料又是
敏感材料,显然起到了身兼二职的作用，这
也是 智能材料设计时可采用的一种思路 。
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（ 4）其它功能材料
包括 导电材料, 磁性材料, 光
纤和半导体材料 等。
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图所示为智能材料的 基本构成和工作原理 。
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4、智能材料的分类
智能材料 是继 天然材料, 人造材料, 精
细材料 之后的 第四代功能材料 。
因为现在 可用于智能材料的材料种类不
断扩大,所以 智能材料的分类 也只能是粗浅
的，分类方法也有多种，
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若按 智能材料的功能 来分，可以分为 光
导纤维, 形状记忆合金, 压电, 电流变体 和
电（磁）致伸缩材料 等。
若按 智能材料的来源 来分，可以分为 金
属系智能材料, 无机非金属系智能材料 和 高
分子系智能材料 。
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目前研究开发的 金属系智能材料 主要有
形状记忆合金 和 形状记忆复合材料 两大类；
无机非金属系智能材料 在 电流变体, 压
电陶瓷, 光致变色 和 电致变色 材料等方面发
展较快；
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高分子系智能材料 的范围很广泛，作为
智能材料的 刺激响应性高分子凝胶 的研究和
开发非常活跃，
其次还有 智能高分子膜材, 智能高分子
粘合剂, 智能型药物释放体系 和 智能高分子
基复合材料 等。
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第二节 智能材料的使用领域
1,在军事领域中的应用
2、智能材料与住宅智能化
3、与现代医学相联系的智能材料
4、主动结构声控
5、主动震动声控
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1、在军事领域中的应用
智能材料 用于军事，是 随着智能
材料的发展 不断发展的一个领域。
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因为 智能材料结构 不仅象 一般功能材
料 一样可以 承受载荷,而且它还具有了 其
他功能材料所不具备的功能,即能 感知所
处的内外部环境变化,并能 通过改变其物
理性能或形状等做出响应,借此 实现自诊
断、自适应、自修复等功能 。
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所以,智能材料 在军事应用中 具有很
大潜力，它的研究、开发和利用，对 未来
武器装备的发展 将产生重大影响。
目前，在各种军事领域中,智能材料
的应用 主要涉及到以下几个方面：
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（ 1）智能蒙皮
例如,作为智能传感元件的 光纤 用于
飞机机翼的 智能蒙皮 中；
在 武器平台的蒙皮中 植入 传感元件,
驱动元件 和 微处理控制系统 制成的 智能蒙
皮,可用于 预警, 隐身 和 通信 。
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目前美国在 智能蒙皮方面的研究 包括：
美国 弹道导弹防御局 为 导弹预警卫星 研制
含有多种传感器的智能蒙皮；
美国海军则重点研究 舰艇用智能蒙皮,
以提高 舰艇的隐身性能 。
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（ 2）结构监测和寿命预测
智能结构 可用于 实时测量 结构内部的
应变、温度、裂纹，探测疲劳和受损伤情
况,从而能够对结构进行 监测和寿命预测 。
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例如，采用 光纤传感器阵列 和 聚偏氟
乙烯传感器 的 智能结构 可对 机翼、机架 以
及可重复使用 航天运载器 进行 全寿命期实
时监测, 损伤评估 和 寿命预测 ；
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空间站 等大型 在轨系统 采用 光纤智
能结构,可 实时探测 由于交会 对接碰撞,
陨石撞击 或其他原因 引起的损伤, 对损
伤进行评估, 实施自诊断 。
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正在研究的 自诊断智能结构技术 有：
光纤传感器 自诊断技术；
可以测量裂纹的,声音”传感器 自诊断技
术；
可 监测复合材料层裂的传感器 自诊断
技术等。
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（ 3）减振降噪
智能结构 用于 航空、航天系统 可以 消除
系统的有害振动, 减轻对电子系统的干扰,
提高系统的可靠性 。
如美 国防高级研究计划局 资助波音公司
研制的 直升机智能结构旋翼叶片,可以改善
旋翼的空气动力学性能, 减小振动和噪音 。
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智能结构 用于 舰艇,可以 抑制噪声传
播, 提高潜艇和军舰的声隐身性能 。
智能结构 用于 地面车辆,可以 提高军
用车辆的性能和乘坐的舒适度 。
国外正在研究的具有 减振降噪功能 的
智能结构,主要由 压电陶瓷, 形状记忆合
金 和 电致伸缩 等新材料制成。
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（ 4）环境自适应结构
智能结构 制成的 自适应机翼,能够 实
时感知外界环境的变化,并可以 驱动机翼
弯曲、扭转,从而 改变翼型和攻角,以获
得 最佳气动特性, 降低机翼阻力系数, 延
长机翼的疲劳寿命 。
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如当飞机 在飞行过程中 遇到 涡流 或
猛烈的 逆风 时，机翼中的 智能材料 就能
够迅速 变形,并 带动机翼改变形状,从
而 消除涡流或逆风的影响,使飞机仍能
平衡地飞行。
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美国的一项研究表明，在 机翼结构 中
使用 磁致伸缩致动器,可使 机翼阻力降低
85%。
美国 波音公司 和 麻省理工学院 联合研
究 在桨叶中嵌入智能纤维, 电致流变体时
可 使桨叶扭转变形 达几度。
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美国陆军在开发 直升机旋翼主动控
制技术,将用于 RAH-66武装直升机。
美国防部和航空航天局也在研究 自
适应结构,包括 翼片弯曲, 弯曲造型 /控
制面造型 等。
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相信在不久的将来，我们 用智能材料
制成的 飞机机翼,就可以 像鱼尾巴一样 行
动自如, 自行弯曲, 自动改变形状,从而
改进升力和阻力,使飞机飞得更高、更快。
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2、智能材料与住宅智能化
未来的住宅 可能是这样的,墙壁 可以随
心所欲的 变换颜色 ； 椅子 可以随人体不同的
需要 改变温度和形状 ；一切的 电器 都是触摸
式的，永远不会再有触电的危险； 可视电话
带有传感功能； …… 。
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随着 智能材料 的发展，尤其是 毫微塑料
设想的提出，有可能设计出 智能化住宅 。
虽然目前还处于 设想阶段,但是已经开
始着手进行研究，并且必然将在不久的将来
成为现实。
几种 未来的智能产品 如下：
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（ 1）多功能砖
多功能砖 用来 构建整个房屋 的结构单元，
这种结构单元 具有 变通性 和 智能性 。
这种 多功能砖 主要由以下 三个分层 构成：
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第一层是 功能层,能感受 来自周围
的 声能, 热能, 光能,并能 控制这些能
量的输出,如果是 内墙壁砖,还能 控制
和改变墙的功能 ；
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第二层是 通讯层,能为居住者提供
内外通信联系的通道 ；
第三层是 输送通道,可以用来 输送
水和其它材料 。
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住户还可以挑选合适的 带“面膜”的砖
材 。
另外，面膜的设臵及其构形并不是一成
不变的，而是很容易剥离并换上新的面膜。
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面膜 在砖材的最上层,它也 具有多
功能性 。
如 壁膜 可以 使墙壁产生不同的色彩
和图案 ；
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传感膜 可以 接收声波、热能和可见光
并予以 减弱或增强 ；
地膜 可产生 耐久的色彩和图案 ；
界面膜 可 连接内外通信线路 。
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（ 2）食物器皿
在未来的 厨房里 不会看到传统的碗碟。 在毫微
塑料的桌面上,旋转的碗不仅能 测知食物的存在,
而且可以 根据用户的需要 自动形成各种形状的碟子,
供准备、烹调和上菜时使用。
并且，这种 盛食物的碗 还具有 保温 和 在不使用
冰箱的情况下 保鲜 的功能。
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（ 3）座椅
用 毫微塑料 制作的坐椅不仅 功能 将大大
增加,而且也将 增加舒适程度 。
使用毫微塑料 能改变椅座面的 柔韧性 和
弹性,也可以形成 各种型式的椅座面 。
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如果 出于美学的考虑,或是便于人们
入座 或从座椅中 站起,毫微塑料也可以 形
成所需的任何图案或结构,还能 改变座椅
本身的结构 。
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由于 不同年龄段的人 对 温度舒适性 的
要求有很大区别，这种座椅还 可以随心所
欲地 升温和降温 。它甚至还 对人们喜爱的
舒适温度 具有 记忆功能 。
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（ 4）卫生间
在卫生间里，常见设施是 洗脸盆,
抽水马桶 和 淋浴器 。
采用了智能结构的卫生间是这样的：
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在洗漱时,人们只要 接触洗脸盆支架
表面的任何区域,就能 调节控制 水温, 水
速和水流的状态 （集中喷射的水流或宽阔
的水帘状等）供人们选择。
洗脸盆上方的 镜子 能照出人的正常 反
转象,还能照出真实的 非反转象 。
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抽水马桶 的 形状和大小 可 随使用者的
不同而自动变化；
坐垫 自动加热至舒适的温度，整个结
构十分轻便。
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在电脑住宅的 厕所 里，安装了一台 检查
身体的电脑系统,每当有人上厕所时，与马
桶相连的 体检装臵 即自动分析大小便的情况，
如发现异常，电脑会立即发出警报，以便及
时到医院去看病。
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淋浴设备 只要和 多功能砖 相连接,上下
水, 水温 和 水流 都能得到自动控制和调节。
综上所述，未来的 智能化住宅 必将显著
提高人们的生活质量 。
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3、与现代医学相联系的智能材料
（ 1）人造肌肉
（ 2）人造皮肤
（ 3）在药物自动投入系统上的应用
（ 4）智能材料的两种抗癌应用
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（ 1）人造肌肉
因为 生物弹性材料 能 模拟活体生物,而
且其 力量和反应速度 均接近于人体的肌肉。
所以这种材料可以应用于 人体组织的修复,
而且它们还具有 与生物体的相容性,随着伤
口的愈合，这种聚合物就会在体内 逐渐降解
，最后将会消失。
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（ 2）人造皮肤
人造皮肤智能材料,可以 感知温度,
热流的变化 以及各种 应力的大小,并且有
良好的空间分辨力 。
这种智能材料还可以 分辨表面状况,
例如,粗糙度, 摩擦力 等。
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(3)在药物自动投入系统上的应用
科学家正在研制一种能 根据血液中的葡
萄糖浓度而扩张收缩的聚合物,这种聚合物
可制成 人造胰细胞,将它 注入糖尿病患者的
血液中,小球就可 模拟胰细胞工作, 使病人
的血糖浓度 始终保持在平常的水平上。
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（ 4）智能材料的两种抗癌应用
Ⅰ,如图所示是一种有效的 抗癌药物
胶囊,即 药物“导弹” 。
亲水部分 疏性部分
形成“导弹”
药物
外壳
内核
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图中的 疏水性 药物载体 形成了“导弹”的
疏水内核,而 亲水性部分 则 在内核周围 形成了
一个 水化物外壳 。
所形成的这种 高分子聚合物胶囊 是一种 智
能型药物载体,它能 自动避免 被机体内单核吞
噬细胞捕获 而 有效的到达癌细胞所在地 。
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Ⅱ, 90年代后期，研制出用 对电磁场
敏感的 铁氧体包覆 Ti-Ni形状记忆合金丝
制成了 癌症温热疗法用针 。
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首先,通过导管 将这种针 植入病人癌
变部位,由于 形状记忆作用,这种针会发
生 弯曲变形 现象；
其次，在通过 涡流效应产生 高频电磁
场作用下, 形状记忆合金针 将能够 产生一
定的热量 而使 癌变区得到萎缩 。
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4、主动结构声控
智能材料系统中 最成熟的应用领域 大
概就是 主动结构声控 。
采用智能结构进行 主动结构声控 是 降
低军用系统噪声 的有效途径。
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一般说来，可以采用 两种方法 来实现
主动结构声控 。
一种是简单地 使结构完全停止振动,
显然它可以 使声辐射降低到零,这是一种
强制性的方法,往往也是办不到的。
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另一种就是采用 智能控制方法,它是
指 有选择地控制辐射振动模 。
该方法的效率取决于 对材料系统相互
作用的基本物理现象的认识 和 智能材料系
统的自适应能力 。
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因为，并不是所有的 振动模 都辐射
,具有危险性, 的声波,减少系统的质
量和功耗 也同样是必须考虑的因素。
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因而最好的办法是, 感觉, 辐射, 具
有危险性, 的 辐射波振动模,并使用 分布
在整个结构中的 作动器 （压电材料或电致
流变体）对产生的 该振动模进行控制 。
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美国军方提出采用 主动声控涂层 进行
声信号抑制,提高 潜艇主动隐身性能 。这
项技术将使 噪声降低 60分贝,并使 潜艇探
测目标的时间缩短 100倍。
这种 主动声控涂层 将采用 压电涂层材
料 和采用 电致流变体技术 的 主动消声贴片 。
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5、主动震动控制
震动会极大地 降低工程系统的性能,如
降低 对地观测卫星 的 传感器精度, 减弱跟踪
和预警卫星跟踪目标的能力, 使制导武器性
能下降, 导致系统金属结构的疲劳破坏,此
外还会 干扰空间站的微重力环境 等。
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采用 压电材料, 形状记忆合金 或 电致流
变体 的 智能结构 均可 实现振动的主动控制,
提高军用系统的性能。
如 采用智能结构 进行 主动震动控制,可
降低直升机旋翼的振动振幅 以及 产生可控的
扭曲形变, 提高直升机的有效载荷, 使速度
增加, 戒备能力提高 。
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空间系统的 主动震动控制智能结构,主
要采用 压电陶瓷 或 电致伸缩材料 作为作动器。
考虑的主要因素 是 低功耗, 耐久性, 疲劳特
性, 稳定性和温度／环境效应 等问题，同时
还考虑 控制器的小型化 。
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传感器 可用 光纤 和 压电材料 。当系统结
构受到 外力作用振动 并 产生形变 时,压电应
变传感器 可产生与压力成正比的 表面电荷,
控制系统 对传感器测量的信号进行处理后，
再给 压电作动器 反馈一个适当的电压，使其
产生 反向变形力,从而产生 对系统结构的阻
尼作用, 使系统结构的振动随之迅速减弱 。
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自适应结构 的 主动振动控制,另一项主
要应用是可能 消除航天器控制系统与柔性结
构的相互干扰作用 。
未来大型 柔性航天结构 因其 振动频率低
于控制系统的频率,会导致有害的控制／结
构干扰作用。必须从 结构优化, 阻尼减振 方
面考虑。
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在 地震多发区 应用 智能结构的建
筑物 通过振动控制,将大大 提高建筑
物的抗震性 。
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第三节 智能材料主要种类
1、形状记忆合金； 2,电流变体和磁流变体；
3,磁致伸缩材料； 4,压电陶瓷；
5,电致伸缩陶瓷； 6,智能材料系统；
7,光致变色玻璃； 8,电致变色材料；
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1、形状记忆合金
一般金属材料 受到外力作用后，
首先发生 弹性变形,达到屈服点，就
产生 塑性变形, 应力消除后 留下 永久
变形 。
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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,这种现象叫做 形状记
忆效应 （ SME）。
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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,称为 形状记
忆合金（ SMA） 。
形状记忆合金 可以分为三种：
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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 。
(1) 单程记忆效应
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（ 2）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,
称为 双程记忆效应 。
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（ 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 低温相 形状,
称为 全程记忆效应 。
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三种 记忆效应 如下图所示。
目前，已开发成功的形状记忆合金有 TiNi
基 形状记忆合金,铜基 形状记忆合金,铁基 形
状记忆合金等。
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最早关于 形状记忆效应的报道 是由
Chang及 Read等人 在 1952年 作出的。他们
观察到 Au-Cd合金中 相变的可逆性。
后来在 Cu-Zn合金中 也发现了同样的现
象，但当时并未引起人们的广泛注意。
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直到 1962年,Buehler及其合作者在 等
原子比的 TiNi合金中,观察到 具有宏观形
状变化的 记忆效应，才引起了材料科学界
与工业界的重视。
到 70年代初,CuZn,CuZnAl、
CuAlNi等合金中也发现了 与马氏体相变有
关的 形状记忆效应 。
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几十年来，有关 形状记忆合金 的研究
已逐渐成为国际 相变会议 和 材料会议 的重
要议题，并为此召开了多次 专题讨论会,
不断丰富和完善了 马氏体相变理论 。
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在理论研究不断深入的同时,形状
记忆合金的应用研究 也取得了长足进步，
其应用范围涉及 机械, 电子, 化工, 宇
航, 能源 和 医疗 等许多领域。
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形状记忆合金的具体应用
工业应用,
（ 1）利用 单程形状记忆效应 的 单向形
状恢复 。如管接头、天线、套环等。
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（ 2） 外因性双向记忆恢复 。即利
用 单程形状记忆效应 并 借助外力随温
度升降做反复动作,如热敏元件、机
器人、接线柱等。
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（ 3） 内因性双向记忆恢复 。即
利用 双程记忆效应 随温度升降做反复
动作,如热机、热敏元件等。
但这类应用 记忆衰减快, 可靠性
差,不 常用 。
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（ 4） 超弹性的应用 。如弹簧、接
线柱、眼镜架等。
99
医学应用：
TiNi合金的 生物相容性 很好，利用其 形
状记忆效应 和 超弹性 的医学实例相当多。
如 血栓过滤器, 脊柱矫形棒, 牙齿矫形
丝, 脑动脉瘤夹, 接骨板, 髓内针, 人工关
节, 心脏修补元件, 人造肾脏用微型泵 等。
100
人工关节
101
人造牙齿
102
脊
柱
修
复
支
架
103
人造血管
104
心脏起搏器
105
人工心脏瓣膜
106
高科技应用展望：
20世纪是 机电学 的时代。 传
感 --集成电路 --驱动 是最典型的 机
械电子控制系统,但复杂而庞大。
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形状记忆材料 兼有 传感 和 驱动 的
双重功能，可以实现 控制系统的 微型
化和智能化,如全息机器人、毫米级
超微型机械手等。
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21世纪将成为 材料电子学 的时代。
形状记忆合金 的 机器人的动作,除了 温
度 外,不受任何环境条件的影响,可望
在 反应堆, 加速器, 太空实验室 等高技
术领域大显身手。
109
2、电流变体和磁流变体
电致, 磁致变体 智能材料大多是由 合
成材料 或 陶瓷材料 制成的, 具有 在电场或
磁场的作用下发生变性的能力, 其 变化的
大小 与 电场和磁场的强度 有关 。
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科学家研制成功一种 电致变性材料,
这种材料 在接通电流时,可以 从液体变为
接近固体 。
如果向 空心复合梁 中充入 电流变性液
体材料, 在外电场的作用下,这种 液体材
料就会变硬,从而使梁变成僵硬状。
111
将 电致变性 现象与 传感器 结合起
来，就可以实现使 复合梁随着负载的
变化 而 改变其性质 。这将是 装配结构
智能化的 一个突破性的新起点。
112
电致变性材料 还可以用作 在地震
时 能 自动加固建筑物的基础 。
此外,磁致变性材料 在 机电工业
中也有广泛的用途。
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3、磁致伸缩材料
目前 磁致伸缩 智能材料的主流是 稀土
磁致伸缩材料, 稀土超磁致伸缩材料 是近
期才发展起来的一种新型功能材料。
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磁致伸缩材料 在电磁场的作用
下 可以产生 微变形或声能,也可以
将微变形或声能 转化为 电磁能 。
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磁致伸缩智能材料 具有 磁 致伸缩
值大, 机械响应速度快 和 功率密度高
特点，在国防、航空航天和高技术领
域应用极为广泛。
116
磁致伸缩智能材料的主要用途
（ 1）由于 稀土超大磁致伸缩材料 比 传
统材料 在性能上有了惊人的提高，所以在
电器、家电、通讯器材、电脑 等生产领域，
稀土磁致伸缩材料 逐渐取代了 传统的磁致
伸缩材料和电致伸缩材料,使产品升级和
更新换代更加容易。
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（ 2）由于 稀土超大磁致伸缩材料 的独
特的性能，可被用于 开发新一代的元器件,
如 精密控制系统 （如油料控制、导弹发射
控制装臵等）,声光发射系统 （如信号处
理、声纳扫描、超声、水声等），以及 换
能器、驱动器 等的开发。
118
对于 磁致伸缩智能材料 的应用，目前，
美国位居各国之首,其成功标志在于开发
出了一系列 用于军事目的的尖端产品,如
舰艇水下声纳探测系统 以及 导弹发射控制
装臵 等。
119
我国对 磁致伸缩智能材料 新产品的开
发 也呈现出良好的发展势头。
如开发出的大功率 岩体声波探测器,
应用于 三峡工程和地球物理勘探 ；开发出
的 井下物理法采油装臵 ；
120
4、压电陶瓷
⑴ 压电效应
⑵ 陶瓷的压电机理
⑶ 压电陶瓷材料的组成与种类
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⑴ 压电效应
在某些晶体材料上 施加机械力 时，晶体
表面会 产生电荷,这种现象称 正压电效应 。
在一定范围内,电荷密度与作用力成正比 。
相反，在晶体上 施加电场 时，晶体会 产
生几何变形,称 逆压电效应 。
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晶体的对称性 决定了材料 能否产
生压电性 。
显然，压电效应只存在于 没有对
称中心的晶体 中。
123
压电效应的本质
机械作用 (应力与应变 )引起了晶体
的极化,从而导致 介质两端表面 出现
相反的束缚电荷 。
124
(2) BaTiO3陶瓷的压电机理
BaTiO3晶体中, 氧
形成八面体, Ti位于氧
八面体的中心, Ca处于
八个八面体的间隙 。
Ba
O
Ti
125
① 陶瓷 由许多 排列无序的小晶粒 构成，
具有 各向同性, 不显示压电性 。
经 电场处理 后，陶瓷 存在剩余极化强度
,它 是以 束缚电荷的形式 表现出来，且由 各
向同性 变成 各向异性,从而 具有压电性 。
126
由于束缚电荷的作用,在陶瓷片两极板上 吸
附了一层表面电荷（如图所示）,这些 吸附电荷
与片内 束缚电荷 数量相等, 符号相反,起 屏蔽和
抵消 片内极化强度对外界的作用 。
Ti
电场处理后的陶瓷片
127
②当在瓷片上加一个 与极化方向平行的
外力时, 在应力的作用下 瓷片发生形变,即
极化方向 c轴被压缩,使 Ti4+位移变小,片内
极化强度变小,因而 释放出部分原来被吸附
的表面电荷,这就是被压缩后出现的压电效
应 (正压电 )。其过程示意所示：
128
Ti
电场处理后的陶瓷片
外力的作用
陶瓷的正压电效应示意图
129
当压力撤去后, 陶瓷片恢复原状 (膨胀
过程 )，这时 c轴变长, Ti4+位移增大, 陶瓷
片内极化强度也变大,因此，电极上 又吸
附一部分自由电荷 而出现充电现象。
130
③当在瓷片上施加 与极化方向相同的 电
场 时，此时 增大了极化强度,表示 Ti4+位移
增大, 晶胞 c轴变长,瓷片发生 伸长形变,
此时,电能变为机械能 (逆压电 )。此过程示
意如下：
131
Ti
电场处理后的陶瓷片
电场的作用
陶瓷的逆压电效应示意图
132
另外，对于 铁电晶体 来说，它不
仅具有 自发极化 的性质，而且这种 自
发极化的方向 会 因外电场的方向 而产
生 反向 。
133
⑶ 压电陶瓷材料的组成与种类
无机压电材料 共有两种：
压电晶体 (如石英 SiO2)；
压电陶瓷 。
134
压电陶瓷材料的 组成与种类 十分
广泛，压电陶瓷 在组成上 可以是 二元、
三元和四元系统 ； 在结构上 可以有
ABO3型 钙钛矿结构 或 钨青铜结构 。
135
最常用的压电陶瓷 有 钛酸铅 PbTiO3
(PT),锆钛酸铅 Pb(Ti1-xZrx)O3 (PZT),改
性锆钛酸铅 及 三元系压电陶瓷 。
所谓 三元系 是指 在 PZT二元系基础上
添加第三组元化合物 。
136
一般 第三组元化合物 大都是 A(B‘B“)O3
型 复合钙钛矿型 化合物。如 铌镁锆钛酸铅
Pb(Mgl/3Nb2/3)xZryTizO3,铌锌锆钛酸铅
Pb(Znl/3Nb2/3)xZryTizO3等。
137
三元、四元系压电陶瓷 具有在 更
宽广范围内 调整组成和性能的优点,
有利于制备 高性能的压电陶瓷 。
138
5、电致伸缩陶瓷
压电材料 加上电场之后,不仅存在 逆压
电效应 产生的应变，而且还存在 一般电介质
在电场作用下产生的应变,并且 该应变与电
场强度的平方成正比,后一效应称为 电致伸
缩效应 。
139
即 电致伸缩效应 是一种 高阶非线性机电
耦合效应,外加电场所产生的 应变 s可表示为
S = dE + ME2 + NE3 + …
式中,dE是一阶的线性耦合效应，即压
电效应；系数 d称为压电常数； ME2,NE3，
… 为高阶的非线性耦合效应，或电致伸缩效
应；系数 M,N等为电致伸缩常数。
140
电致伸缩陶瓷 是利用 电致伸缩效
应 产生微小应变,并能 由电场非常精
确地加以控制 的陶瓷。
141
由于 高阶耦合效应 非常微弱,通常
电致伸缩效应是指 二阶效应 。
大多数材料的电致伸缩效应都非常
小，而在 电致伸缩陶瓷 中，此效应为 应
变的主体 。
142
6、智能材料系统
兼具 传感与驱动性能 的压电陶瓷，
在构筑 智能系统的功能材料 中，是重要
的材料之一。
143
压电材料 具有 机电, 声, 光, 热, 弹 等
多种功能及其 耦合效应,可用作 压力、温度
、光 等多种 传感器 。
压电驱动器 又具有 位移控制精度高
(0.01?m),响应快 (10?s),推动力大 (40MPa)
,驱动功率低 和 工作频率宽 等优点。
144
一些实用化及正进行研究的 压
电类智能材料系统 如下：
145
(1)智能雨刷
这是利用 BaTiO3陶瓷的压电效应 制
成的，它可以 自动感觉雨量 并 自动调节挡
风玻璃上的雨刷至最佳速度 。
146
(2)高级轿车中的减震装臵
这是利用 正压电效应, 逆压电效应 和
电致伸缩效应 的叠合 研制成的 智能减震器,
这套智能系统具有 识别路面 (粗糙度 )并进
行 自我调节 的功能，可以 使粗糙路面产生
的振动减至最低,从而 提高乘坐舒适性 。
147
(3)有源消声
用于 振动频率低于 500Hz的消声,是
由 压电陶瓷拾音器, 谐振器, 模拟声线圈
和 数字信号处理集成电路 组成。
(4)智能安全系统及智能传输系统
148
(5)利用组合功能效应来设计和
制备新型智能材料和器件
这类 智能材料系统,是由 两种或两种以
上功能陶瓷 进行 组合后 形成的一种 新型复合
陶瓷功能块,这种 复合功能块 会呈现 一些新
效应,称为 组合功能效应 。
149
(6)用压电陶瓷制备仿生物
模仿自然界生物具有的特性 构思仿生
物,研究 像尾鳍和鸟翼那样柔软, 能折叠
又很结实的 智能材料用作 智能机翼,并 有
效利用自然界的波浪和风能 。
150
(7)压电陶瓷马达
它是利用压电陶瓷的 逆压电效
应, 直接 把电能转换成机械能 输出,
而不需要 通常使用的电磁线圈 。
151
这种新型 压电陶瓷马达,具有 结
构简单, 起动快, 转矩大, 体积小,
功耗低 等特点，主要用作 自动控制、
机器人 等的致动器。
152
(8)压电陶瓷 Pachinkom游戏机
它是由若干层 锆钛酸铅 (PZT)压
电陶瓷块 构成的,压电块 既作为 传
感器 又作为 执行器 。
153
压电陶瓷 Pachinkom游戏机
154
① 当 金属球 落到 陶瓷压电块 上时,球的冲击
力 产生 压电电压 ；
② 电压脉冲 通过 反馈系统 加以 放大和调整,
然后 返回并施加到 压电块的 执行器部分 ；
③ 陶瓷压电块 突然 膨胀变形, 把金属球抛出
压电块所在的孔,使球 沿着螺旋轨道 爬出，落入
另一孔内，再盘旋上升，如此周而复始。
155
科学家最近研制成功一种 压电晶体,
如果将其 放入壁纸中,就可以大大 减小冰
箱或空调机的噪声,给住户创造了一个安
静的居住环境。
156
7,光致变色玻璃
光致变色玻璃 是一种能 在光的激
发下 发生变色反应 的玻璃。
157
含卤化银 的 碱铝硼硅酸盐 光色玻璃受到
紫外光和可见光 照射时,氯化银晶体分解为
Ag和 Cl原子，析出的 银原子团簇 使玻璃颜色
变深，从而 阻止阳光的透过 。
发生的光化学反应如下：
158
式中,h?1为 短波激活光能 ； h?2为 长
波光源光能 ；△为 加热退色效应 。
),(),( 0000,
2
IBrClAgIBrClA h ??? ??? ????? ?
h?1
玻璃变色过程中，发生的光化学反应如下：
159
在没有紫外线照射时，原来分解产生的
银和卤素原子 又 重新结合 恢复为 无色的氯化
银 AgCl,原于团簇解体,玻璃 (镜片 )褪色。
因此，变色眼镜 在阳光下 变深, 在室内
则恢复 透明 。
160
若配料中加入少量 敏化剂,就能显
著地 提高敏感性,并 增大光致变色的变
暗能力 。
如加入 Cu2O时,Cu+ 是一种增感剂。
161
Cu+在氯化银晶体中 作为 空穴的捕
获中心,它 的存在增加了光解银原子
Ag0的浓度，使玻璃的变暗灵敏度大大
提高。
h?1
?
?
?? ??? ??? 20
,2 CuAgCuAg h ?
162
光致变色玻璃 具有 随光的波长和强度的
变化而自动调节光的透过率 的自适应特性，
因而被称为 光敏型智能玻璃,除用作 变色眼
镜 外，还用作 汽车防护玻璃, 航天器窗口,
激光防护,以及 装饰 等。
163
8,电致变色材料
电致变色的原理 是 在外加电场作用下,
材料由于 电子、离子的双注入 导致 结构或价
态发生可逆变化,进而 调节材料的透过与反
射特性,表现为 材料颜色的变化 。
164
电致变色器件 通常由 多层结构 组成，即
透明电极 /电致变色薄膜 /离子储备层 /电极 。
当 两组电极之间建立电场 时，离子 由离
子储备层 经过离子导体 在电致变色膜中 发生
注入和抽出,从而导致 电致变色薄膜的光学
性能发生变化 。
165
无机电致变色材料 有 NiO,?--WO3。
近年来利用 薄膜材料 的 电致变色特性
制造了“电开关” 自动控制灵巧窗,用于
建筑采光 等。
166
第四节 热点应用
1,仿生学和航空航天用智能材料
2、智能传感器
3、象鸟一样飞的空中轿车
4、太阳能智能服装
167
1、仿生学和航空航天用智能材料
“个人航空器”,“空中汽车” 的核心
技术是“智能”材料。这种物质具有神奇的
特性，它可以根据指令弯曲、可以“感受”
压力、当放入磁场中，还可以从液态变成固
态。
168
现在有些飞机已经具有可调机翼，如挪威
的 F-14雄猫飞机和 B-1超音速轰炸机。这些飞机
将刚性的机翼通过巨大、沉重的曲轴安装在机
身上。
作为对比，形态工程的科学家们所设想的
机翼可以根据指令而展开。这种机翼是使用
“形态记忆”合金或其他新颖的材料制成，可
以弯曲产生新的形状。
“形态记忆”合金具有独特的性能，当提
供足够的热量后，它可以很快的恢复原有形状，
任何形状都可以最终恢复成它原有的状态。
169
在形态工程研究的新型材料中，形态记忆合
金相对比较普通。观察一颗子弹穿过一层自
体愈合材料，材料被子弹穿射后便很快愈合
了！
170
科学家们同时研究可定制变化的压电材
料。这种物质随电压而变化，当扭曲这种压
电材料时就会有电压产生，相反，如果对其
提供电压则材料便会弯曲。
利用这种特性，将其设计做应变传感器
或“作动器”，安装在机器中作为可产生微
小动作，例如移动飞机的副翼。结合微电子
技术，这些材料可以从根本上提高未来飞机
的设计水平。
171
如果展望未来的 20年，我们认为飞机
已经可以随时进行分布式的自我评估和维
修。要想达到这样的技术水平，需要在机
翼中分布安装作动器和传感器，这如同人
体的工作，我们有遍布全身的肌肉和神经，
所以我们能意识到身体发生的变化并通过
一些途径对这些变化产生反应。
172
“仿生学”这项从自然获取知识的实践，
已经导致骨头仿生品和其它多种仿生品
的研究。
骨头之所以轻，是因为它内部的多
孔结构，但它也非常坚固。兰利研究中
心的科学家将聚合微球体注入到所期望
形状的复合材料的壳体中，然后对这些
球体进行加热，这样，这些微球体就如
同细小的肥皂泡一样溶合到一起。这样
的结构与骨头一样。
173
2、智能传感器
传感器（ Sensor）,传统上一般指能够
感知到某种物理量（如电、光、磁等）、化
学量（如浓度,PH值等）、生物量（如细
菌等）等的信息，并将该信息转化为有用信
息的装臵。
174
传感器通常由敏感元件（感应
变化）、转换元件（将变化转化为
有用信息）和其他辅助元件组成。
175
随着智能材料和人工智能技术特别是
微计算机技术的迅猛发展，在许多智能化
要求比较高的高新技术应用领域提出了智
能传感器（ Intelligent Sensor or Smart
Sensor） 的要求。
176
智能传感器是一种将传感器与微型计算
机集成在一块芯片上的装臵。它的主要特征
是将敏感技术和信息处理技术相结合，使其
除了具有感知的本能外，还具有认知的能力
。
目前研制的智能材料传感器主要有光纤
传感器、压电传感器和微芯片传感器等。
177
一般认为，智能传感器应具备以下条件：
（ 1）由传感器自身能消除异常值和例外
值，提供比传统传感器更全面、更真实的信息。
（ 2）具有信息处理功能，如自动补偿功
能。
178
（ 3）具有信息存贮及自诊断功能。
（ 4）具有自适应和自调节功能。
（ 5）具有智能算法及自学习功能。
（ 6）可以有数字通信接口，能实现网
络化或远程通信。
179
3、象鸟一样飞的空中轿车
据美国国家宇航局官员发布消息称，
该局下属的一个研究机构目前正在对鸟类
和昆虫的飞行技术进行研究，准备在此基
础上，利用一些最先研制的带有特殊属性
的“智能”材料制造出全新的“空中轿车
”。
180
与当今这些坚硬的、无“知觉”的笨
重材料制造的飞机相比，可以想象“智能”
材料将会为航空设计带来多大的变化。
181
4、太阳能智能服装
据 4月 14日出版的英国《新科学家》杂志
报道，德国斯图加特大学电子物理研究所的马
丁 ·罗扬纳及其同事正在发明一种以太阳能为能
源的新型化学纤维智能材料，可将手机和电子
记事本直接在衣服上接通。
182
这种可与微电脑连接的高科技衣服现已研
制出样品，也许很快就会正式上市。
科技之光报道，这种新纤维和袖珍太阳能
计算器一样，由 3层薄薄的硅酮材料组成，外
层是阴阳两极导体。当构成光线的光子与含有
大量电子的第一层材料接触时，电子会向电子
量稍少的下两层材料里移动，形成电流。
183
尽管这种科技三明治模式的材料早已为人
所知，但科学家这次采用了一种新技术，将非
晶体状硅酮以圆筒形式合成，从而能很容易地
制成柔软的太阳能导线，并能织入任何质地的
衣料。这种太阳能导线能抵卸紫外线，耐热，
且可在洗衣机中洗涤。如果使用这种纤维做船
帆，甚至足以给一艘帆船上的器械充电。
184
不过，在产品实用化之前，科学家还
面临其他挑战，其中之一是如何把分散在
衣料中的不同能量发射点的电流归成几个
点区，形成接头处，以便与外界连接，变
成真正的电插头。
第八章 智 能 材 料
2
第一节 智能材料 基本原理
1、什么是智能材料
2、智能材料的特征
3、智能材料的构成
4、智能材料的分类
3
智能材料 是 二十世纪 90年代 迅速发展
起来的一类 新型复合材料 。
智能材料目前 还没有统一的定义,不
过，现有的 智能材料的多种定义 仍然是大
同小异。
1、什么是智能材料？
4
大体来说,智能材料 就是指具有 感知
环境 （包括内环境和外环境） 刺激, 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 。
5
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；
6
(2)具有 驱动功能,能够 响应外界变化 ；
(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 。
7
智能材料 又可以称为 敏感材料,常用
的有以下几种：
Intelligent material、
Intelligent material and structure、
Smart material、
Smart material and structure、
Adaptive material and structure等。
8
智能材料的构想 来源于仿生学，它的
目标就是想 研制出一种材料,使它成为 具
有类似于生物的各种功能 的,活”的材料 。
因此 智能材料 必须具备 感知, 驱动 和
控制 这三个基本要素。
9
但是 现有的材料 一般比较 单一, 难以
满足智能材料的要求,所以 智能材料 一般
由 两种或两种以上的材料 复合构成一个 智
能材料系统 。
10
这就使得 智能材料的设计、制造、加
工和性能结构特征 均涉及到了 材料学的最
前沿领域,使智能材料代表了 材料科学的
最活跃方面和最先进的发展方向 。
11
智能材料应用的简单事例：
某些 太阳镜的镜片当中 含有 智能材料,
这种智能材料能 感知周围的光,并能够 对光
的强弱进行判断,当光强时，它就变暗，当
光弱时，它就会变的透明。
12
2、智能材料的特征
因为 设计智能材料的两个指导思想 是
材料的多功能复合 和 材料的仿生设计,所
以 智能材料系统 具有或部分具有如下的 智
能功能 和 生命特征,
13
(1)传感功能（ Sensor）
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、核辐射等的强度
及其变化。
14
(2)反馈功能（ Feedback）
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。
15
(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 作出相应的反应, 并采取必要
行动 。
16
(5) 自诊断能力（ Self-diagnosis）
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。
17
（ 6）自修复能力（ Self-recovery）
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 。
18
（ 7）自调节能力（ Self-adjusting）
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,从而使 材料系统
始终 以一种优化方式 对外界变化作出恰如
其分的响应。
19
3、智能材料的构成
一般来说 智能材料 由 基体材料, 敏
感材料, 驱动材料 和 信息处理器 四部
分构成。
20
（ 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 。
一般基体材料 首选高分子材料,因为
其 重量轻, 耐腐蚀,尤其具有粘弹性的非
线性特征。 其次 也 可选用金属材料,以 轻
质有色合金 为主。
21
（ 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）。
常用敏感材料 如 形状记忆材料, 压电材
料, 光纤材料, 磁致伸缩材料, 电致变色材
料, 电流变体, 磁流变体 和 液晶材料 等。
22
（ 3）驱动材料
因为 在一定条件下, 驱动材料 可产生较大
的 应变和应力,所以它担负着 响应和控制的
任务 。 常用有效驱动材料 如 形状记忆材料,
压电材料, 电流变体 和 磁致伸缩材料 等。
可以看出，这些材料既是 驱动材料又是
敏感材料,显然起到了身兼二职的作用，这
也是 智能材料设计时可采用的一种思路 。
23
（ 4）其它功能材料
包括 导电材料, 磁性材料, 光
纤和半导体材料 等。
24
图所示为智能材料的 基本构成和工作原理 。
25
4、智能材料的分类
智能材料 是继 天然材料, 人造材料, 精
细材料 之后的 第四代功能材料 。
因为现在 可用于智能材料的材料种类不
断扩大,所以 智能材料的分类 也只能是粗浅
的，分类方法也有多种，
26
若按 智能材料的功能 来分，可以分为 光
导纤维, 形状记忆合金, 压电, 电流变体 和
电（磁）致伸缩材料 等。
若按 智能材料的来源 来分，可以分为 金
属系智能材料, 无机非金属系智能材料 和 高
分子系智能材料 。
27
目前研究开发的 金属系智能材料 主要有
形状记忆合金 和 形状记忆复合材料 两大类；
无机非金属系智能材料 在 电流变体, 压
电陶瓷, 光致变色 和 电致变色 材料等方面发
展较快；
28
高分子系智能材料 的范围很广泛，作为
智能材料的 刺激响应性高分子凝胶 的研究和
开发非常活跃，
其次还有 智能高分子膜材, 智能高分子
粘合剂, 智能型药物释放体系 和 智能高分子
基复合材料 等。
29
第二节 智能材料的使用领域
1,在军事领域中的应用
2、智能材料与住宅智能化
3、与现代医学相联系的智能材料
4、主动结构声控
5、主动震动声控
30
1、在军事领域中的应用
智能材料 用于军事，是 随着智能
材料的发展 不断发展的一个领域。
31
因为 智能材料结构 不仅象 一般功能材
料 一样可以 承受载荷,而且它还具有了 其
他功能材料所不具备的功能,即能 感知所
处的内外部环境变化,并能 通过改变其物
理性能或形状等做出响应,借此 实现自诊
断、自适应、自修复等功能 。
32
所以,智能材料 在军事应用中 具有很
大潜力，它的研究、开发和利用，对 未来
武器装备的发展 将产生重大影响。
目前，在各种军事领域中,智能材料
的应用 主要涉及到以下几个方面：
33
（ 1）智能蒙皮
例如,作为智能传感元件的 光纤 用于
飞机机翼的 智能蒙皮 中；
在 武器平台的蒙皮中 植入 传感元件,
驱动元件 和 微处理控制系统 制成的 智能蒙
皮,可用于 预警, 隐身 和 通信 。
34
目前美国在 智能蒙皮方面的研究 包括：
美国 弹道导弹防御局 为 导弹预警卫星 研制
含有多种传感器的智能蒙皮；
美国海军则重点研究 舰艇用智能蒙皮,
以提高 舰艇的隐身性能 。
35
（ 2）结构监测和寿命预测
智能结构 可用于 实时测量 结构内部的
应变、温度、裂纹，探测疲劳和受损伤情
况,从而能够对结构进行 监测和寿命预测 。
36
例如，采用 光纤传感器阵列 和 聚偏氟
乙烯传感器 的 智能结构 可对 机翼、机架 以
及可重复使用 航天运载器 进行 全寿命期实
时监测, 损伤评估 和 寿命预测 ；
37
空间站 等大型 在轨系统 采用 光纤智
能结构,可 实时探测 由于交会 对接碰撞,
陨石撞击 或其他原因 引起的损伤, 对损
伤进行评估, 实施自诊断 。
38
正在研究的 自诊断智能结构技术 有：
光纤传感器 自诊断技术；
可以测量裂纹的,声音”传感器 自诊断技
术；
可 监测复合材料层裂的传感器 自诊断
技术等。
39
（ 3）减振降噪
智能结构 用于 航空、航天系统 可以 消除
系统的有害振动, 减轻对电子系统的干扰,
提高系统的可靠性 。
如美 国防高级研究计划局 资助波音公司
研制的 直升机智能结构旋翼叶片,可以改善
旋翼的空气动力学性能, 减小振动和噪音 。
40
智能结构 用于 舰艇,可以 抑制噪声传
播, 提高潜艇和军舰的声隐身性能 。
智能结构 用于 地面车辆,可以 提高军
用车辆的性能和乘坐的舒适度 。
国外正在研究的具有 减振降噪功能 的
智能结构,主要由 压电陶瓷, 形状记忆合
金 和 电致伸缩 等新材料制成。
41
（ 4）环境自适应结构
智能结构 制成的 自适应机翼,能够 实
时感知外界环境的变化,并可以 驱动机翼
弯曲、扭转,从而 改变翼型和攻角,以获
得 最佳气动特性, 降低机翼阻力系数, 延
长机翼的疲劳寿命 。
42
如当飞机 在飞行过程中 遇到 涡流 或
猛烈的 逆风 时，机翼中的 智能材料 就能
够迅速 变形,并 带动机翼改变形状,从
而 消除涡流或逆风的影响,使飞机仍能
平衡地飞行。
43
美国的一项研究表明，在 机翼结构 中
使用 磁致伸缩致动器,可使 机翼阻力降低
85%。
美国 波音公司 和 麻省理工学院 联合研
究 在桨叶中嵌入智能纤维, 电致流变体时
可 使桨叶扭转变形 达几度。
44
美国陆军在开发 直升机旋翼主动控
制技术,将用于 RAH-66武装直升机。
美国防部和航空航天局也在研究 自
适应结构,包括 翼片弯曲, 弯曲造型 /控
制面造型 等。
45
相信在不久的将来，我们 用智能材料
制成的 飞机机翼,就可以 像鱼尾巴一样 行
动自如, 自行弯曲, 自动改变形状,从而
改进升力和阻力,使飞机飞得更高、更快。
46
2、智能材料与住宅智能化
未来的住宅 可能是这样的,墙壁 可以随
心所欲的 变换颜色 ； 椅子 可以随人体不同的
需要 改变温度和形状 ；一切的 电器 都是触摸
式的，永远不会再有触电的危险； 可视电话
带有传感功能； …… 。
47
随着 智能材料 的发展，尤其是 毫微塑料
设想的提出，有可能设计出 智能化住宅 。
虽然目前还处于 设想阶段,但是已经开
始着手进行研究，并且必然将在不久的将来
成为现实。
几种 未来的智能产品 如下：
48
（ 1）多功能砖
多功能砖 用来 构建整个房屋 的结构单元，
这种结构单元 具有 变通性 和 智能性 。
这种 多功能砖 主要由以下 三个分层 构成：
49
第一层是 功能层,能感受 来自周围
的 声能, 热能, 光能,并能 控制这些能
量的输出,如果是 内墙壁砖,还能 控制
和改变墙的功能 ；
50
第二层是 通讯层,能为居住者提供
内外通信联系的通道 ；
第三层是 输送通道,可以用来 输送
水和其它材料 。
51
住户还可以挑选合适的 带“面膜”的砖
材 。
另外，面膜的设臵及其构形并不是一成
不变的，而是很容易剥离并换上新的面膜。
52
面膜 在砖材的最上层,它也 具有多
功能性 。
如 壁膜 可以 使墙壁产生不同的色彩
和图案 ；
53
传感膜 可以 接收声波、热能和可见光
并予以 减弱或增强 ；
地膜 可产生 耐久的色彩和图案 ；
界面膜 可 连接内外通信线路 。
54
（ 2）食物器皿
在未来的 厨房里 不会看到传统的碗碟。 在毫微
塑料的桌面上,旋转的碗不仅能 测知食物的存在,
而且可以 根据用户的需要 自动形成各种形状的碟子,
供准备、烹调和上菜时使用。
并且，这种 盛食物的碗 还具有 保温 和 在不使用
冰箱的情况下 保鲜 的功能。
55
（ 3）座椅
用 毫微塑料 制作的坐椅不仅 功能 将大大
增加,而且也将 增加舒适程度 。
使用毫微塑料 能改变椅座面的 柔韧性 和
弹性,也可以形成 各种型式的椅座面 。
56
如果 出于美学的考虑,或是便于人们
入座 或从座椅中 站起,毫微塑料也可以 形
成所需的任何图案或结构,还能 改变座椅
本身的结构 。
57
由于 不同年龄段的人 对 温度舒适性 的
要求有很大区别，这种座椅还 可以随心所
欲地 升温和降温 。它甚至还 对人们喜爱的
舒适温度 具有 记忆功能 。
58
（ 4）卫生间
在卫生间里，常见设施是 洗脸盆,
抽水马桶 和 淋浴器 。
采用了智能结构的卫生间是这样的：
59
在洗漱时,人们只要 接触洗脸盆支架
表面的任何区域,就能 调节控制 水温, 水
速和水流的状态 （集中喷射的水流或宽阔
的水帘状等）供人们选择。
洗脸盆上方的 镜子 能照出人的正常 反
转象,还能照出真实的 非反转象 。
60
抽水马桶 的 形状和大小 可 随使用者的
不同而自动变化；
坐垫 自动加热至舒适的温度，整个结
构十分轻便。
61
在电脑住宅的 厕所 里，安装了一台 检查
身体的电脑系统,每当有人上厕所时，与马
桶相连的 体检装臵 即自动分析大小便的情况，
如发现异常，电脑会立即发出警报，以便及
时到医院去看病。
62
淋浴设备 只要和 多功能砖 相连接,上下
水, 水温 和 水流 都能得到自动控制和调节。
综上所述，未来的 智能化住宅 必将显著
提高人们的生活质量 。
63
3、与现代医学相联系的智能材料
（ 1）人造肌肉
（ 2）人造皮肤
（ 3）在药物自动投入系统上的应用
（ 4）智能材料的两种抗癌应用
64
（ 1）人造肌肉
因为 生物弹性材料 能 模拟活体生物,而
且其 力量和反应速度 均接近于人体的肌肉。
所以这种材料可以应用于 人体组织的修复,
而且它们还具有 与生物体的相容性,随着伤
口的愈合，这种聚合物就会在体内 逐渐降解
，最后将会消失。
65
（ 2）人造皮肤
人造皮肤智能材料,可以 感知温度,
热流的变化 以及各种 应力的大小,并且有
良好的空间分辨力 。
这种智能材料还可以 分辨表面状况,
例如,粗糙度, 摩擦力 等。
66
(3)在药物自动投入系统上的应用
科学家正在研制一种能 根据血液中的葡
萄糖浓度而扩张收缩的聚合物,这种聚合物
可制成 人造胰细胞,将它 注入糖尿病患者的
血液中,小球就可 模拟胰细胞工作, 使病人
的血糖浓度 始终保持在平常的水平上。
67
（ 4）智能材料的两种抗癌应用
Ⅰ,如图所示是一种有效的 抗癌药物
胶囊,即 药物“导弹” 。
亲水部分 疏性部分
形成“导弹”
药物
外壳
内核
68
图中的 疏水性 药物载体 形成了“导弹”的
疏水内核,而 亲水性部分 则 在内核周围 形成了
一个 水化物外壳 。
所形成的这种 高分子聚合物胶囊 是一种 智
能型药物载体,它能 自动避免 被机体内单核吞
噬细胞捕获 而 有效的到达癌细胞所在地 。
69
Ⅱ, 90年代后期，研制出用 对电磁场
敏感的 铁氧体包覆 Ti-Ni形状记忆合金丝
制成了 癌症温热疗法用针 。
70
首先,通过导管 将这种针 植入病人癌
变部位,由于 形状记忆作用,这种针会发
生 弯曲变形 现象；
其次，在通过 涡流效应产生 高频电磁
场作用下, 形状记忆合金针 将能够 产生一
定的热量 而使 癌变区得到萎缩 。
71
4、主动结构声控
智能材料系统中 最成熟的应用领域 大
概就是 主动结构声控 。
采用智能结构进行 主动结构声控 是 降
低军用系统噪声 的有效途径。
72
一般说来，可以采用 两种方法 来实现
主动结构声控 。
一种是简单地 使结构完全停止振动,
显然它可以 使声辐射降低到零,这是一种
强制性的方法,往往也是办不到的。
73
另一种就是采用 智能控制方法,它是
指 有选择地控制辐射振动模 。
该方法的效率取决于 对材料系统相互
作用的基本物理现象的认识 和 智能材料系
统的自适应能力 。
74
因为，并不是所有的 振动模 都辐射
,具有危险性, 的声波,减少系统的质
量和功耗 也同样是必须考虑的因素。
75
因而最好的办法是, 感觉, 辐射, 具
有危险性, 的 辐射波振动模,并使用 分布
在整个结构中的 作动器 （压电材料或电致
流变体）对产生的 该振动模进行控制 。
76
美国军方提出采用 主动声控涂层 进行
声信号抑制,提高 潜艇主动隐身性能 。这
项技术将使 噪声降低 60分贝,并使 潜艇探
测目标的时间缩短 100倍。
这种 主动声控涂层 将采用 压电涂层材
料 和采用 电致流变体技术 的 主动消声贴片 。
77
5、主动震动控制
震动会极大地 降低工程系统的性能,如
降低 对地观测卫星 的 传感器精度, 减弱跟踪
和预警卫星跟踪目标的能力, 使制导武器性
能下降, 导致系统金属结构的疲劳破坏,此
外还会 干扰空间站的微重力环境 等。
78
采用 压电材料, 形状记忆合金 或 电致流
变体 的 智能结构 均可 实现振动的主动控制,
提高军用系统的性能。
如 采用智能结构 进行 主动震动控制,可
降低直升机旋翼的振动振幅 以及 产生可控的
扭曲形变, 提高直升机的有效载荷, 使速度
增加, 戒备能力提高 。
79
空间系统的 主动震动控制智能结构,主
要采用 压电陶瓷 或 电致伸缩材料 作为作动器。
考虑的主要因素 是 低功耗, 耐久性, 疲劳特
性, 稳定性和温度／环境效应 等问题，同时
还考虑 控制器的小型化 。
80
传感器 可用 光纤 和 压电材料 。当系统结
构受到 外力作用振动 并 产生形变 时,压电应
变传感器 可产生与压力成正比的 表面电荷,
控制系统 对传感器测量的信号进行处理后，
再给 压电作动器 反馈一个适当的电压，使其
产生 反向变形力,从而产生 对系统结构的阻
尼作用, 使系统结构的振动随之迅速减弱 。
81
自适应结构 的 主动振动控制,另一项主
要应用是可能 消除航天器控制系统与柔性结
构的相互干扰作用 。
未来大型 柔性航天结构 因其 振动频率低
于控制系统的频率,会导致有害的控制／结
构干扰作用。必须从 结构优化, 阻尼减振 方
面考虑。
82
在 地震多发区 应用 智能结构的建
筑物 通过振动控制,将大大 提高建筑
物的抗震性 。
83
第三节 智能材料主要种类
1、形状记忆合金； 2,电流变体和磁流变体；
3,磁致伸缩材料； 4,压电陶瓷；
5,电致伸缩陶瓷； 6,智能材料系统；
7,光致变色玻璃； 8,电致变色材料；
84
1、形状记忆合金
一般金属材料 受到外力作用后，
首先发生 弹性变形,达到屈服点，就
产生 塑性变形, 应力消除后 留下 永久
变形 。
85
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,这种现象叫做 形状记
忆效应 （ SME）。
86
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,称为 形状记
忆合金（ SMA） 。
形状记忆合金 可以分为三种：
87
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 。
(1) 单程记忆效应
88
（ 2）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,
称为 双程记忆效应 。
89
（ 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 低温相 形状,
称为 全程记忆效应 。
90
三种 记忆效应 如下图所示。
目前，已开发成功的形状记忆合金有 TiNi
基 形状记忆合金,铜基 形状记忆合金,铁基 形
状记忆合金等。
91
最早关于 形状记忆效应的报道 是由
Chang及 Read等人 在 1952年 作出的。他们
观察到 Au-Cd合金中 相变的可逆性。
后来在 Cu-Zn合金中 也发现了同样的现
象，但当时并未引起人们的广泛注意。
92
直到 1962年,Buehler及其合作者在 等
原子比的 TiNi合金中,观察到 具有宏观形
状变化的 记忆效应，才引起了材料科学界
与工业界的重视。
到 70年代初,CuZn,CuZnAl、
CuAlNi等合金中也发现了 与马氏体相变有
关的 形状记忆效应 。
93
几十年来，有关 形状记忆合金 的研究
已逐渐成为国际 相变会议 和 材料会议 的重
要议题，并为此召开了多次 专题讨论会,
不断丰富和完善了 马氏体相变理论 。
94
在理论研究不断深入的同时,形状
记忆合金的应用研究 也取得了长足进步，
其应用范围涉及 机械, 电子, 化工, 宇
航, 能源 和 医疗 等许多领域。
95
形状记忆合金的具体应用
工业应用,
（ 1）利用 单程形状记忆效应 的 单向形
状恢复 。如管接头、天线、套环等。
96
（ 2） 外因性双向记忆恢复 。即利
用 单程形状记忆效应 并 借助外力随温
度升降做反复动作,如热敏元件、机
器人、接线柱等。
97
（ 3） 内因性双向记忆恢复 。即
利用 双程记忆效应 随温度升降做反复
动作,如热机、热敏元件等。
但这类应用 记忆衰减快, 可靠性
差,不 常用 。
98
（ 4） 超弹性的应用 。如弹簧、接
线柱、眼镜架等。
99
医学应用：
TiNi合金的 生物相容性 很好，利用其 形
状记忆效应 和 超弹性 的医学实例相当多。
如 血栓过滤器, 脊柱矫形棒, 牙齿矫形
丝, 脑动脉瘤夹, 接骨板, 髓内针, 人工关
节, 心脏修补元件, 人造肾脏用微型泵 等。
100
人工关节
101
人造牙齿
102
脊
柱
修
复
支
架
103
人造血管
104
心脏起搏器
105
人工心脏瓣膜
106
高科技应用展望：
20世纪是 机电学 的时代。 传
感 --集成电路 --驱动 是最典型的 机
械电子控制系统,但复杂而庞大。
107
形状记忆材料 兼有 传感 和 驱动 的
双重功能，可以实现 控制系统的 微型
化和智能化,如全息机器人、毫米级
超微型机械手等。
108
21世纪将成为 材料电子学 的时代。
形状记忆合金 的 机器人的动作,除了 温
度 外,不受任何环境条件的影响,可望
在 反应堆, 加速器, 太空实验室 等高技
术领域大显身手。
109
2、电流变体和磁流变体
电致, 磁致变体 智能材料大多是由 合
成材料 或 陶瓷材料 制成的, 具有 在电场或
磁场的作用下发生变性的能力, 其 变化的
大小 与 电场和磁场的强度 有关 。
110
科学家研制成功一种 电致变性材料,
这种材料 在接通电流时,可以 从液体变为
接近固体 。
如果向 空心复合梁 中充入 电流变性液
体材料, 在外电场的作用下,这种 液体材
料就会变硬,从而使梁变成僵硬状。
111
将 电致变性 现象与 传感器 结合起
来，就可以实现使 复合梁随着负载的
变化 而 改变其性质 。这将是 装配结构
智能化的 一个突破性的新起点。
112
电致变性材料 还可以用作 在地震
时 能 自动加固建筑物的基础 。
此外,磁致变性材料 在 机电工业
中也有广泛的用途。
113
3、磁致伸缩材料
目前 磁致伸缩 智能材料的主流是 稀土
磁致伸缩材料, 稀土超磁致伸缩材料 是近
期才发展起来的一种新型功能材料。
114
磁致伸缩材料 在电磁场的作用
下 可以产生 微变形或声能,也可以
将微变形或声能 转化为 电磁能 。
115
磁致伸缩智能材料 具有 磁 致伸缩
值大, 机械响应速度快 和 功率密度高
特点，在国防、航空航天和高技术领
域应用极为广泛。
116
磁致伸缩智能材料的主要用途
（ 1）由于 稀土超大磁致伸缩材料 比 传
统材料 在性能上有了惊人的提高，所以在
电器、家电、通讯器材、电脑 等生产领域，
稀土磁致伸缩材料 逐渐取代了 传统的磁致
伸缩材料和电致伸缩材料,使产品升级和
更新换代更加容易。
117
（ 2）由于 稀土超大磁致伸缩材料 的独
特的性能，可被用于 开发新一代的元器件,
如 精密控制系统 （如油料控制、导弹发射
控制装臵等）,声光发射系统 （如信号处
理、声纳扫描、超声、水声等），以及 换
能器、驱动器 等的开发。
118
对于 磁致伸缩智能材料 的应用，目前，
美国位居各国之首,其成功标志在于开发
出了一系列 用于军事目的的尖端产品,如
舰艇水下声纳探测系统 以及 导弹发射控制
装臵 等。
119
我国对 磁致伸缩智能材料 新产品的开
发 也呈现出良好的发展势头。
如开发出的大功率 岩体声波探测器,
应用于 三峡工程和地球物理勘探 ；开发出
的 井下物理法采油装臵 ；
120
4、压电陶瓷
⑴ 压电效应
⑵ 陶瓷的压电机理
⑶ 压电陶瓷材料的组成与种类
121
⑴ 压电效应
在某些晶体材料上 施加机械力 时，晶体
表面会 产生电荷,这种现象称 正压电效应 。
在一定范围内,电荷密度与作用力成正比 。
相反，在晶体上 施加电场 时，晶体会 产
生几何变形,称 逆压电效应 。
122
晶体的对称性 决定了材料 能否产
生压电性 。
显然，压电效应只存在于 没有对
称中心的晶体 中。
123
压电效应的本质
机械作用 (应力与应变 )引起了晶体
的极化,从而导致 介质两端表面 出现
相反的束缚电荷 。
124
(2) BaTiO3陶瓷的压电机理
BaTiO3晶体中, 氧
形成八面体, Ti位于氧
八面体的中心, Ca处于
八个八面体的间隙 。
Ba
O
Ti
125
① 陶瓷 由许多 排列无序的小晶粒 构成，
具有 各向同性, 不显示压电性 。
经 电场处理 后，陶瓷 存在剩余极化强度
,它 是以 束缚电荷的形式 表现出来，且由 各
向同性 变成 各向异性,从而 具有压电性 。
126
由于束缚电荷的作用,在陶瓷片两极板上 吸
附了一层表面电荷（如图所示）,这些 吸附电荷
与片内 束缚电荷 数量相等, 符号相反,起 屏蔽和
抵消 片内极化强度对外界的作用 。
Ti
电场处理后的陶瓷片
127
②当在瓷片上加一个 与极化方向平行的
外力时, 在应力的作用下 瓷片发生形变,即
极化方向 c轴被压缩,使 Ti4+位移变小,片内
极化强度变小,因而 释放出部分原来被吸附
的表面电荷,这就是被压缩后出现的压电效
应 (正压电 )。其过程示意所示：
128
Ti
电场处理后的陶瓷片
外力的作用
陶瓷的正压电效应示意图
129
当压力撤去后, 陶瓷片恢复原状 (膨胀
过程 )，这时 c轴变长, Ti4+位移增大, 陶瓷
片内极化强度也变大,因此，电极上 又吸
附一部分自由电荷 而出现充电现象。
130
③当在瓷片上施加 与极化方向相同的 电
场 时，此时 增大了极化强度,表示 Ti4+位移
增大, 晶胞 c轴变长,瓷片发生 伸长形变,
此时,电能变为机械能 (逆压电 )。此过程示
意如下：
131
Ti
电场处理后的陶瓷片
电场的作用
陶瓷的逆压电效应示意图
132
另外，对于 铁电晶体 来说，它不
仅具有 自发极化 的性质，而且这种 自
发极化的方向 会 因外电场的方向 而产
生 反向 。
133
⑶ 压电陶瓷材料的组成与种类
无机压电材料 共有两种：
压电晶体 (如石英 SiO2)；
压电陶瓷 。
134
压电陶瓷材料的 组成与种类 十分
广泛，压电陶瓷 在组成上 可以是 二元、
三元和四元系统 ； 在结构上 可以有
ABO3型 钙钛矿结构 或 钨青铜结构 。
135
最常用的压电陶瓷 有 钛酸铅 PbTiO3
(PT),锆钛酸铅 Pb(Ti1-xZrx)O3 (PZT),改
性锆钛酸铅 及 三元系压电陶瓷 。
所谓 三元系 是指 在 PZT二元系基础上
添加第三组元化合物 。
136
一般 第三组元化合物 大都是 A(B‘B“)O3
型 复合钙钛矿型 化合物。如 铌镁锆钛酸铅
Pb(Mgl/3Nb2/3)xZryTizO3,铌锌锆钛酸铅
Pb(Znl/3Nb2/3)xZryTizO3等。
137
三元、四元系压电陶瓷 具有在 更
宽广范围内 调整组成和性能的优点,
有利于制备 高性能的压电陶瓷 。
138
5、电致伸缩陶瓷
压电材料 加上电场之后,不仅存在 逆压
电效应 产生的应变，而且还存在 一般电介质
在电场作用下产生的应变,并且 该应变与电
场强度的平方成正比,后一效应称为 电致伸
缩效应 。
139
即 电致伸缩效应 是一种 高阶非线性机电
耦合效应,外加电场所产生的 应变 s可表示为
S = dE + ME2 + NE3 + …
式中,dE是一阶的线性耦合效应，即压
电效应；系数 d称为压电常数； ME2,NE3，
… 为高阶的非线性耦合效应，或电致伸缩效
应；系数 M,N等为电致伸缩常数。
140
电致伸缩陶瓷 是利用 电致伸缩效
应 产生微小应变,并能 由电场非常精
确地加以控制 的陶瓷。
141
由于 高阶耦合效应 非常微弱,通常
电致伸缩效应是指 二阶效应 。
大多数材料的电致伸缩效应都非常
小，而在 电致伸缩陶瓷 中，此效应为 应
变的主体 。
142
6、智能材料系统
兼具 传感与驱动性能 的压电陶瓷，
在构筑 智能系统的功能材料 中，是重要
的材料之一。
143
压电材料 具有 机电, 声, 光, 热, 弹 等
多种功能及其 耦合效应,可用作 压力、温度
、光 等多种 传感器 。
压电驱动器 又具有 位移控制精度高
(0.01?m),响应快 (10?s),推动力大 (40MPa)
,驱动功率低 和 工作频率宽 等优点。
144
一些实用化及正进行研究的 压
电类智能材料系统 如下：
145
(1)智能雨刷
这是利用 BaTiO3陶瓷的压电效应 制
成的，它可以 自动感觉雨量 并 自动调节挡
风玻璃上的雨刷至最佳速度 。
146
(2)高级轿车中的减震装臵
这是利用 正压电效应, 逆压电效应 和
电致伸缩效应 的叠合 研制成的 智能减震器,
这套智能系统具有 识别路面 (粗糙度 )并进
行 自我调节 的功能，可以 使粗糙路面产生
的振动减至最低,从而 提高乘坐舒适性 。
147
(3)有源消声
用于 振动频率低于 500Hz的消声,是
由 压电陶瓷拾音器, 谐振器, 模拟声线圈
和 数字信号处理集成电路 组成。
(4)智能安全系统及智能传输系统
148
(5)利用组合功能效应来设计和
制备新型智能材料和器件
这类 智能材料系统,是由 两种或两种以
上功能陶瓷 进行 组合后 形成的一种 新型复合
陶瓷功能块,这种 复合功能块 会呈现 一些新
效应,称为 组合功能效应 。
149
(6)用压电陶瓷制备仿生物
模仿自然界生物具有的特性 构思仿生
物,研究 像尾鳍和鸟翼那样柔软, 能折叠
又很结实的 智能材料用作 智能机翼,并 有
效利用自然界的波浪和风能 。
150
(7)压电陶瓷马达
它是利用压电陶瓷的 逆压电效
应, 直接 把电能转换成机械能 输出,
而不需要 通常使用的电磁线圈 。
151
这种新型 压电陶瓷马达,具有 结
构简单, 起动快, 转矩大, 体积小,
功耗低 等特点，主要用作 自动控制、
机器人 等的致动器。
152
(8)压电陶瓷 Pachinkom游戏机
它是由若干层 锆钛酸铅 (PZT)压
电陶瓷块 构成的,压电块 既作为 传
感器 又作为 执行器 。
153
压电陶瓷 Pachinkom游戏机
154
① 当 金属球 落到 陶瓷压电块 上时,球的冲击
力 产生 压电电压 ；
② 电压脉冲 通过 反馈系统 加以 放大和调整,
然后 返回并施加到 压电块的 执行器部分 ；
③ 陶瓷压电块 突然 膨胀变形, 把金属球抛出
压电块所在的孔,使球 沿着螺旋轨道 爬出，落入
另一孔内，再盘旋上升，如此周而复始。
155
科学家最近研制成功一种 压电晶体,
如果将其 放入壁纸中,就可以大大 减小冰
箱或空调机的噪声,给住户创造了一个安
静的居住环境。
156
7,光致变色玻璃
光致变色玻璃 是一种能 在光的激
发下 发生变色反应 的玻璃。
157
含卤化银 的 碱铝硼硅酸盐 光色玻璃受到
紫外光和可见光 照射时,氯化银晶体分解为
Ag和 Cl原子，析出的 银原子团簇 使玻璃颜色
变深，从而 阻止阳光的透过 。
发生的光化学反应如下：
158
式中,h?1为 短波激活光能 ； h?2为 长
波光源光能 ；△为 加热退色效应 。
),(),( 0000,
2
IBrClAgIBrClA h ??? ??? ????? ?
h?1
玻璃变色过程中，发生的光化学反应如下：
159
在没有紫外线照射时，原来分解产生的
银和卤素原子 又 重新结合 恢复为 无色的氯化
银 AgCl,原于团簇解体,玻璃 (镜片 )褪色。
因此，变色眼镜 在阳光下 变深, 在室内
则恢复 透明 。
160
若配料中加入少量 敏化剂,就能显
著地 提高敏感性,并 增大光致变色的变
暗能力 。
如加入 Cu2O时,Cu+ 是一种增感剂。
161
Cu+在氯化银晶体中 作为 空穴的捕
获中心,它 的存在增加了光解银原子
Ag0的浓度，使玻璃的变暗灵敏度大大
提高。
h?1
?
?
?? ??? ??? 20
,2 CuAgCuAg h ?
162
光致变色玻璃 具有 随光的波长和强度的
变化而自动调节光的透过率 的自适应特性，
因而被称为 光敏型智能玻璃,除用作 变色眼
镜 外，还用作 汽车防护玻璃, 航天器窗口,
激光防护,以及 装饰 等。
163
8,电致变色材料
电致变色的原理 是 在外加电场作用下,
材料由于 电子、离子的双注入 导致 结构或价
态发生可逆变化,进而 调节材料的透过与反
射特性,表现为 材料颜色的变化 。
164
电致变色器件 通常由 多层结构 组成，即
透明电极 /电致变色薄膜 /离子储备层 /电极 。
当 两组电极之间建立电场 时，离子 由离
子储备层 经过离子导体 在电致变色膜中 发生
注入和抽出,从而导致 电致变色薄膜的光学
性能发生变化 。
165
无机电致变色材料 有 NiO,?--WO3。
近年来利用 薄膜材料 的 电致变色特性
制造了“电开关” 自动控制灵巧窗,用于
建筑采光 等。
166
第四节 热点应用
1,仿生学和航空航天用智能材料
2、智能传感器
3、象鸟一样飞的空中轿车
4、太阳能智能服装
167
1、仿生学和航空航天用智能材料
“个人航空器”,“空中汽车” 的核心
技术是“智能”材料。这种物质具有神奇的
特性，它可以根据指令弯曲、可以“感受”
压力、当放入磁场中，还可以从液态变成固
态。
168
现在有些飞机已经具有可调机翼，如挪威
的 F-14雄猫飞机和 B-1超音速轰炸机。这些飞机
将刚性的机翼通过巨大、沉重的曲轴安装在机
身上。
作为对比，形态工程的科学家们所设想的
机翼可以根据指令而展开。这种机翼是使用
“形态记忆”合金或其他新颖的材料制成，可
以弯曲产生新的形状。
“形态记忆”合金具有独特的性能，当提
供足够的热量后，它可以很快的恢复原有形状，
任何形状都可以最终恢复成它原有的状态。
169
在形态工程研究的新型材料中，形态记忆合
金相对比较普通。观察一颗子弹穿过一层自
体愈合材料，材料被子弹穿射后便很快愈合
了！
170
科学家们同时研究可定制变化的压电材
料。这种物质随电压而变化，当扭曲这种压
电材料时就会有电压产生，相反，如果对其
提供电压则材料便会弯曲。
利用这种特性，将其设计做应变传感器
或“作动器”，安装在机器中作为可产生微
小动作，例如移动飞机的副翼。结合微电子
技术，这些材料可以从根本上提高未来飞机
的设计水平。
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如果展望未来的 20年，我们认为飞机
已经可以随时进行分布式的自我评估和维
修。要想达到这样的技术水平，需要在机
翼中分布安装作动器和传感器，这如同人
体的工作，我们有遍布全身的肌肉和神经，
所以我们能意识到身体发生的变化并通过
一些途径对这些变化产生反应。
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“仿生学”这项从自然获取知识的实践，
已经导致骨头仿生品和其它多种仿生品
的研究。
骨头之所以轻，是因为它内部的多
孔结构，但它也非常坚固。兰利研究中
心的科学家将聚合微球体注入到所期望
形状的复合材料的壳体中，然后对这些
球体进行加热，这样，这些微球体就如
同细小的肥皂泡一样溶合到一起。这样
的结构与骨头一样。
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2、智能传感器
传感器（ Sensor）,传统上一般指能够
感知到某种物理量（如电、光、磁等）、化
学量（如浓度,PH值等）、生物量（如细
菌等）等的信息，并将该信息转化为有用信
息的装臵。
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传感器通常由敏感元件（感应
变化）、转换元件（将变化转化为
有用信息）和其他辅助元件组成。
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随着智能材料和人工智能技术特别是
微计算机技术的迅猛发展，在许多智能化
要求比较高的高新技术应用领域提出了智
能传感器（ Intelligent Sensor or Smart
Sensor） 的要求。
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智能传感器是一种将传感器与微型计算
机集成在一块芯片上的装臵。它的主要特征
是将敏感技术和信息处理技术相结合，使其
除了具有感知的本能外，还具有认知的能力
。
目前研制的智能材料传感器主要有光纤
传感器、压电传感器和微芯片传感器等。
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一般认为，智能传感器应具备以下条件：
（ 1）由传感器自身能消除异常值和例外
值，提供比传统传感器更全面、更真实的信息。
（ 2）具有信息处理功能，如自动补偿功
能。
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（ 3）具有信息存贮及自诊断功能。
（ 4）具有自适应和自调节功能。
（ 5）具有智能算法及自学习功能。
（ 6）可以有数字通信接口，能实现网
络化或远程通信。
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3、象鸟一样飞的空中轿车
据美国国家宇航局官员发布消息称，
该局下属的一个研究机构目前正在对鸟类
和昆虫的飞行技术进行研究，准备在此基
础上，利用一些最先研制的带有特殊属性
的“智能”材料制造出全新的“空中轿车
”。
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与当今这些坚硬的、无“知觉”的笨
重材料制造的飞机相比，可以想象“智能”
材料将会为航空设计带来多大的变化。
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4、太阳能智能服装
据 4月 14日出版的英国《新科学家》杂志
报道，德国斯图加特大学电子物理研究所的马
丁 ·罗扬纳及其同事正在发明一种以太阳能为能
源的新型化学纤维智能材料，可将手机和电子
记事本直接在衣服上接通。
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这种可与微电脑连接的高科技衣服现已研
制出样品，也许很快就会正式上市。
科技之光报道，这种新纤维和袖珍太阳能
计算器一样，由 3层薄薄的硅酮材料组成，外
层是阴阳两极导体。当构成光线的光子与含有
大量电子的第一层材料接触时，电子会向电子
量稍少的下两层材料里移动，形成电流。
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尽管这种科技三明治模式的材料早已为人
所知，但科学家这次采用了一种新技术，将非
晶体状硅酮以圆筒形式合成，从而能很容易地
制成柔软的太阳能导线，并能织入任何质地的
衣料。这种太阳能导线能抵卸紫外线，耐热，
且可在洗衣机中洗涤。如果使用这种纤维做船
帆，甚至足以给一艘帆船上的器械充电。
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不过，在产品实用化之前，科学家还
面临其他挑战，其中之一是如何把分散在
衣料中的不同能量发射点的电流归成几个
点区，形成接头处，以便与外界连接，变
成真正的电插头。
