智能材料的应用
潇湘学院机设七班 刘志勇 1053010726
1．在军事领域中的应用
智能材料结构用于军事，并不是一个新鲜的话题，就象所有高新科技的发现必然会应用于军事一样，它是随着智能材料的发展也在不断发展的一个领域。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。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：
（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、隐身和通信。
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和天基防御系统空间平台研制含有多种传感器的智能蒙皮；美空军莱特实验室进行的结构化天线（即把天线与蒙皮结构融合在一起）研究；美海军则重点研究舰艇用智能蒙皮，以提高舰艇的隐身性能。
（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。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；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。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，及其它可监测复合材料层裂的传感器自诊断技术等。
（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。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。
（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。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。
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。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。
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。
2．智能材料与住宅智能化
让我们先来设想一下，未来的住宅会是什么样子：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；……。这是多么美妙的一幅未来图画！在以前或者还会把它当作幻想和科幻小说来看，但是随着智能材料的发展，尤其是毫微塑料设想的提出，智能化住宅已经不再只是梦想。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。下面让我们来了解几种未来的智能产品。
（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四个分层构成。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，如果是内墙壁砖的话，还能控制和改变墙的功能；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。住户还可以挑选合适的带“面膜”的砖材。面膜是砖材的最上层，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；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。面膜的设置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。
（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行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。
（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。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。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。
（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。
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。
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。无论安装在室内的任何地方，都能和多功能砖牢固地砌合，从而解决上下水的问题。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置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。
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
3．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。
（2）人造皮肤
意大利比萨大学的科研人员为了使机器人与真人更接近，让它的皮肤具有感觉功能，研制成功一种人造皮肤智能材料，这种材料可以感知温度、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）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。
（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”。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。
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。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。
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。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。
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。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，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。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。
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。预计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。
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。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。
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。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。主动振动控制自适应结构，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，用传统的设计方法不能消除这种作用，并且不能简单地从传感器中滤去结构振动信息，必须从结构优化、阻尼减振方面考虑。智能结构则是解决大型柔性结构相互干扰作用最有效的手段。
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。
智能材料的应用
潇湘学院机设七班 刘志勇 1053010726
1．在军事领域中的应用
智能材料结构用于军事，并不是一个新鲜的话题，就象所有高新科技的发现必然会应用于军事一样，它是随着智能材料的发展也在不断发展的一个领域。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。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：
（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、隐身和通信。
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和天基防御系统空间平台研制含有多种传感器的智能蒙皮；美空军莱特实验室进行的结构化天线（即把天线与蒙皮结构融合在一起）研究；美海军则重点研究舰艇用智能蒙皮，以提高舰艇的隐身性能。
（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。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；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。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，及其它可监测复合材料层裂的传感器自诊断技术等。
（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。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。
（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。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。
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。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。
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。
2．智能材料与住宅智能化
让我们先来设想一下，未来的住宅会是什么样子：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；……。这是多么美妙的一幅未来图画！在以前或者还会把它当作幻想和科幻小说来看，但是随着智能材料的发展，尤其是毫微塑料设想的提出，智能化住宅已经不再只是梦想。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。下面让我们来了解几种未来的智能产品。
（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四个分层构成。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，如果是内墙壁砖的话，还能控制和改变墙的功能；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。住户还可以挑选合适的带“面膜”的砖材。面膜是砖材的最上层，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；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。面膜的设置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。
（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行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。
（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。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。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。
（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。
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。
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。无论安装在室内的任何地方，都能和多功能砖牢固地砌合，从而解决上下水的问题。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置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。
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
3．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。
（2）人造皮肤
意大利比萨大学的科研人员为了使机器人与真人更接近，让它的皮肤具有感觉功能，研制成功一种人造皮肤智能材料，这种材料可以感知温度、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）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。
（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”。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。
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。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。
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。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。
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。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，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。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。
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。预计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。
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。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。
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。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。主动振动控制自适应结构，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，用传统的设计方法不能消除这种作用，并且不能简单地从传感器中滤去结构振动信息，必须从结构优化、阻尼减振方面考虑。智能结构则是解决大型柔性结构相互干扰作用最有效的手段。
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。