高分子智能材料全解课件

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1、高分子智能材料高分子智能材料孙慧孙慧 一、一、智能材料智能材料基本原理基本原理1、什么是智能材料、什么是智能材料2、智能材料的特征、智能材料的特征3、智能材料的构成、智能材料的构成4、智能材料的分类、智能材料的分类1、什么是智能材料？、什么是智能材料？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。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。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

2、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。独角仙的外壳可以随着外界空气变潮湿其外壳的颜色由绿色变成黑色。它所呈独角仙的外壳可以随着外界空气变潮湿其外壳的颜色由绿色变成黑色。它所呈现的外壳结构特征将成为未来一种现的外壳结构特征将成为未来一种智能材料智能材料的重要特性，科学家可以依据这的重要特性，科学家可以依据这种特征研制作为湿度探测器的新型材料，它可用于在食品加工厂监控湿气指数。种特征研

3、制作为湿度探测器的新型材料，它可用于在食品加工厂监控湿气指数。2、智能材料的特征、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和：（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、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，适时动态地作出相应的反应，并采取必要行动。（5）自诊断能力：能通过

4、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。3、智能材料的构成、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。（1）基体材料）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。（2）敏感材料）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

5、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。（3）驱动材料）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。图所示为智能材料的基本构成和工作原理。、高分子智能材料 高分子智能材料，人称机敏材料，它是通过有机和合成的方法，使无生命的有机小分子材料通过各类反应形成相对分子质量较大的并且具有了特定“感觉”和“知觉”的新型材料。4 4、高

6、分子智能材料的分类、高分子智能材料的分类智能高分子凝胶形状记忆高分子材料智能织物智能高分子膜（1）智能高分子凝胶 智能高分子凝胶是一种三维高分子网络和是一种三维高分子网络和溶剂组成的体系。这类高分子凝胶材料可随溶剂组成的体系。这类高分子凝胶材料可随环境的变化而产生可逆的、非连续的体积变环境的变化而产生可逆的、非连续的体积变化。化。根据溶胀剂不同两类：高分子水凝胶和根据溶胀剂不同两类：高分子水凝胶和高分子有机凝胶高分子有机凝胶用途 高分子凝胶的溶胀收缩循环可用于化学高分子凝胶的溶胀收缩循环可用于化学阀吸附分离、传感器和记忆材料。循环提供阀吸附分离、传感器和记忆材料。循环提供的动力可用于设计化学发

7、动机，网孔的可控的动力可用于设计化学发动机，网孔的可控性可用于药物释放体系。性可用于药物释放体系。（2）形状记忆高分子材料 具有形状记忆功能的高分子材料 高分子材料的形态记忆功能由其特殊的内高分子材料的形态记忆功能由其特殊的内部结构所决定。部结构所决定。在其内部存在着互相结合成网状的架桥，架桥的存在使高分子链间不发生滑动。把它加热到高于Tg 温度使之变形后,再冷却至室温,由于高分子链运动变形使之保持一定状态。再重新加热到Tg 以上温度，残留的翘棱被释放出来,恢复到原来架桥出现时的状态。用途n医学方面 形状记忆高分子树脂可形状记忆高分子树脂可代替传统的石膏绷带，具代替传统的石膏绷带，具有生物交接

8、的形状记忆高有生物交接的形状记忆高分子材料可以用作组合缝分子材料可以用作组合缝合器材、止血钳等。合器材、止血钳等。n航空方面 形状记忆高分子树脂被形状记忆高分子树脂被用于记忆的振动控制。用于记忆的振动控制。n其他方面 热收缩膜和热收缩管热收缩膜和热收缩管（3）智能织物v具有智能性的织物，防水透湿、温度调节、形状记忆、颜色变化等。v压力绷带，这类织物具有这类织物具有可逆收缩，受潮湿时收缩，可逆收缩，受潮湿时收缩，干燥后恢复到原始尺寸，干燥后恢复到原始尺寸，湿态收缩率可达湿态收缩率可达35%35%。在血。在血液中收缩，在伤口所产生液中收缩，在伤口所产生的压力有止血作用，绷带的压力有止血作用，绷带干

9、燥时压力消除。干燥时压力消除。v调温纤维（4）智能高分子膜 高分子膜材具有物质渗透和分离功能，现正以生体膜为模型研究开发刺激响应性多肽膜，利用可逆的构象及分子聚集体变化，制成稳定性优异的膜材。它主要有超分膜、分离膜、控制释放膜、诊断用人工细胞膜和仿生治疗系统。1、在军事领域中的应用与现代医学相联系的高分子智能材料主动震动声控二.高分子智能材料的使用领域1、在军事领域中的应用 目前，在各种军事领域中，高分子智能材料的应用主要涉及到以下几个方面：（1）智能蒙皮 例如光纤作为智能传感元件用于飞机机翼的智能蒙皮中，或者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、

10、隐身和通信。（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。（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。（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。2、与现代医学相联系的智能材料、与现代医学相联系的智能材料 （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

11、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。美国加州大学洛杉矶分校的研究人员所美国加州大学洛杉矶分校的研究人员所制造出的一种人造肌肉制造出的一种人造肌肉 （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。（3）人工关节（4）人造血管3、主动震动控制 震动会极大地降低工程系统的性能，采用压电材料、形状记忆材料或电致流变体的智能结构均可实现振动的主动控制，提高系统的性能。在地震多发区应用智能结构的建筑物能通过振动控制，将大大提高建筑物的抗震性。美国科学家最近检验了一种设想，即利用一种智能合金作为固定桥梁道路的缆绳，它能在地震过程中伸长，而在震后重新收紧并将桥梁道路拉回原来的位置。这样，高架桥梁道路就有可能避免在地震中四分五裂。利用镍钛诺形状记忆合金（SMA）制成的缆索能够有助于抵御地震或者飓风 小结 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。如果说20世纪的人类社会文明的标志是合成材料，那么下个世纪将会是智能材料的时代。谢谢！谢谢！