文档介绍：第3章智能复合材料
(ICM)与结构
概述
定义:
智能复合材料(Intelligent CM, Smart Materials)与结构是在复合材料基础上发展起来的一项高新技术,它是一种由传感器、信息处理器和功能驱动器等部分构成的新型复合材料。不同于结构材料和功能材料,它能通过自身的感知,获取外界信息,作出判断和处理,发出指令,具有执行和完成功能,所以单一材料不可能实现,往往要由多种材料组元复合构成。智能复合材料是信息科学融入材料科学的产物。
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智能复合材料结构是一类集成有传感元、驱动元的主动材料系统,除了具有感知、驱动功能外,还同时具有自动控制和计算学习的功能。这种基于仿生学概念发展起来的最先进的复合材料,能够适时地感知和调整材料的各种状态,以适应内外环境的变化,实现自检测、自诊断、自调节、自恢复、自我保护等多种特殊功能。
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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;(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。智能材料又可以称为敏感材料,其英文翻译也有若干种,常用的有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,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。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。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:(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。(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。
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(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,适时动态地作出相应的反应,并采取必要行动。(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。(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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分类:
复合材料智能结构分为被动控制式和主动控制式两类。
被动控制式智能结构低级而简单(亦称为机敏结构),只传输传感器感受到的信息,如应变、位移、温度、压力和加速度等,结构与电子设备相互独立。
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主动控制式是一种智能化结构,具有先进而复杂的功能,能主动检测结构的静力、动力等特性,比较检测结果,进行筛选并确定适当的响应,控制不希望出现的动态特性。
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智能复合材料的构成:
(1 )基体材料
基体材料主要起承受载荷的作用,一般选用轻质材料,其中高分子材料因重量轻、耐腐蚀等优点而受到人们的重视。也可选用金属材料,尤其以轻质有色合金为主。
(2 )传感器部分(敏感材料)
传感器部分由具有感知能力的敏感材料构成。它的主要作用是感知环境的变化,如温度、压力、应力、电磁场等,并将其转换为相应的信号。这种材料有形状记忆合金、压电材料、光纤、磁致伸缩材料、PH致伸缩材料、电致变色材料、电致粘流体、磁致粘流体、液晶材料、功能梯度材料和功能塑料合金。
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