第十一章_智能材料与结构

第十一章 智能材料与结构

智能材料结构(Smart/Intelligent Materials and Structures) 是一门新兴起的多学科交叉的综合科学。80年代后期，随着材料技术和大规模集成电路的进展，美国军方提出了智能材料与结构的设想和概念，并开展了大规模的研究。智能材料与智能结构系统是近年来飞速发展的一个领域，这一领域的研究也越来越受到人们的重视。自1998年美国弗吉尼亚大学召开了关于“智能材料结构和数学问题”专题学术讨论会以来，智能材料系统的研究成为材料科学与工程的热点之一，有人甚至称21世纪是智能材料的世纪，目前美国已有几十家公司经营智能材料结构的产品。人们之所以如此关注智能材料系统是因为它在建筑、桥梁、水坝、电站、飞行器、空间结构、潜艇等振动、噪声、形状自适应控制、损伤自愈合等方面具有良好的应用前景。

第一节 智能材料的概念及分类

智能材料结构的诞生有着一定的背景。80年代末期，复合材料普遍使用，为解决它的强度和刚度变化等问题，使得驱动元件和传感件较为容易地融合进入材料，组成整体，从而具有多种用途，同时驱动元件和传感件材料的发展以及材料集成技术上的突破，也促进了智能材料结构的出现。材料科学的发展，使得人们对机械、电子、动作等材料的多方面性能耦合进行研究，微电子技术、总线技术及计算机技术的飞速发展，解决了信息处理和快速控制等方面的难题，这些都为智能材料结构的出现提供了有利条件。

1.1智能材料的概念及其特点

智能材料系统和结构的有关名称定义目前尚不统一，但一般智能材料系统都应该具有敏感、处理、执行三个主要部分。一般来说，智能材料是能够感知环境变化(传感或发现的功能) ，通过自我判断和自我结构(思考和处理的功能) ，实现自我指令和自我执行(执行功能) 的新型材料。该材料具有模仿生物体的自增值性、自修复性、自诊断性、自学习性和环境适应性。将具有仿生命功能的材料融合于基体材料中，使制成的构件具有人们期望的智能功能，这种结构称为智能材料结构。它是一个类似于人体的神经、肌肉、大脑和骨骼组成的系统，而基体材料就相当于人体的骨骼。而智能材料是能够感知环境变化，通过自我判断和结论，实现和执行指令的新型材料。智能材料的研究就是将信息与控制融入材料本身的物性和功能之中，其研究成果波及了信息、电子、生命科学、宇宙、海洋科学技术等领域。它的研究开发孕育着新一代的技术革命。智能化将成为21世纪高分子材料的重要发展方向之一。

例如光导纤维、形状记忆合金和镓砷化合物半导体控制电路埋入复合材料中，光导纤维是传感元件，能检测出结构中的应变和温度，形状记忆合金能使结构动作，改变性状，控制

电路根据传感元件得到的信息驱动元件动作。因此融合于材料中的传感元件相当于人体的神经系统，具有感官功能，驱动元件相当于人体的肌肉，控制系统相当于人的大脑。智能材料与普通功能材料的区别如图11－1所示。

被动结构 控制结构 智能结构

图11-1 智能材料与普通功能材料的区别

1.2 智能材料分类

智能材料的分类方法很多。根据材料的来源，智能材料包括金属智能材料无机非金属系、智能材料及高分子系智能材料。

金属系智能材料由于其强度比较大耐热性好且耐腐蚀性能好，常用在航空航天和原子能工业中作为结构材料。金属材料在使用过程中会产生疲劳龟裂及蠕变变形而损伤，所以期盼金属系智能材料不但可以检测自身的损伤，而且可将其抑制，具有自修复功能，从而确保使用过程中的稳定性。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的初步智能性是考虑局部可吸收外力以防止材料整体变坏。目前此类智能材料在电流变流体、压电陶瓷光质变色和电质变色材料等方面发展较快。

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。

根据结构来分，智能材料结构可以分成两种类型，分述如下：

（1）嵌入式智能材料

在基本材料中嵌入具有传感、动作和控制处理功能的三种原始材料，传感元件采集和检测外界给予的信息，控制处理器指挥驱动元件执行相应的动作。

（2）材料本身具有一定的智能功能

某些材料微结构本身具有智能功能，能够随着环境和时间改变自己的性能，例如自滤波玻璃和受辐射时能自衰减的InP 半导体等。

目前智能材料结构在英语中采用两种写法：一为INTELLIGENT MATERIAL STRUCTURE；另一为SNART MATERIAL STRUCTURE。“INTELLEGENT ”的中文翻译为“智能”，它的定义是具有智慧和智力，有思考和推理的本领；和具有敏捷的体会、解释和正确决定的本领。“SMART ”的中文翻译为“机敏”，他的定义为具有和显示出思维的机灵和感受的敏捷性，即具有联想及计算能力，敏捷快速有效的能动性和有生气的活度。目前很多文章中也将“SMART ”翻译成“智能”。严格讲，“INTELLGENT MATERIAL STRUCTURE”比“SMART MATERIAL STRUCTURE”要复杂，要高级，前者是仿生命功能的材料，具有识别、分辨、判断、动作等额外功能；后者只能敏捷识别和动作，不具有分析判断的能力。

第二节 智能材料结构的信息处理方法

图11-2智能结构的动作流程图

图11-2是智能结构的动作流程图。首先识别外界参数，通过分析、判断，然后行动。其中行动是依靠埋入材料中的驱动元件来实现，它能够自适应的改变结构形状、刚度、位置、应力状态、固有频率、阻尼摩擦阻力等。

对驱动元件的要求是：

（1）驱动元件应能和结构基体材料很好结合，具有高的结合强度；

（2）驱动元件本身的静强度和疲劳强度要高；

（3）激励驱动元件动作的方法要简单和安全，对结构基体材料无影响，激励的能

量要小；

（4）激励后的变形量要大，并能伴随着产生激励力，而且能够控制；

（5）驱动元件在反复激励下，保持性能稳定；

（6）驱动元件的频率响应要宽，响应速度快，并能控制。

正在研究和使用的驱动元件有形状记忆合金、压电元件、电流变材料、磁致伸缩材料、磁变流材料、胶体材料等。当前的驱动元件还不能全部满足上述要求，只能在几个方面具有特点，也就是每种驱动元件都有他们的特色，但也存在问题。

（1）提高驱动元件本身的性能，满足上述六条要求；

（2）改善驱动元件的激励方法；

（3）研究多种激励元件组合使用的方法，达到取长补短的目的；

（4）研究新型的复合驱动元件；

（5）研究驱动元件在材料中的布置方案。

传感器、致动器和控制器是智能结构的重要部分。传感器要求有高度感受结构力学状态的能力，在振动系统中即能把位移、速度或加速度等信号转换成电信号输出，它直接反应实时的振动状态，所以它必须有足够的可靠性、敏感性和较高的反应速度，以便能迅速、准确地得到振动信息；另外，还要求其具有体积小，易于集成的特点。致动器是执行信息处理单元发出的控制指令，并按照规定的方式对外界或内部状态和特性变化作合理的反应，直接将控制器输出的电信号转变为结构的应变或位移，具有改变智能结构形状、位置及其它机械特性的能力。控制器位于结构之中，由具有控制功能的硬件电路或电脑芯片与软件组成，是智能结构的神经中枢。

智能结构的设计中首先要明确应用目标，然后分析控制目标的具体要求，确定智能结构中复合材料的控制输入和输出的形式。最关键的问题是必须运用已知材料的特性、振动理论以及自动控制理论，建立合理的数学模型，构建控制系统，并选择有效的控制策略。

第三节 智能材料结构中的驱动元件及形状记忆合金

20世纪90 年代以来，研究方向倾向民用，特别是智能土建结构的研究与发展，加速了智能材料与结构的全面发展，这一时期国际上各种学术研讨会也特别多，在美国、日本、法国、德国、意大利等国都召开了学术会议或是专题学术研究会。

3.1智能材料结构中的驱动元件

目前研究投入较多的智能材料的驱动元件主要有作为执行器的开关记忆材料（含形状记忆合金、陶瓷、薄膜三个类型）；压电材料（含压电陶瓷、压电聚合物）、电致流变体磁致流变体；作为敏感器的光钎传感器等。利用这些材料的功能，加上精细的复合设计和制作便得到聚传感、驱动和控制于一体的智能材料。

压电材料在受到应力作用时会产生电荷分布，同样在压电材料上外加电压时，会发生形

变，成为逆压电效应，因此压电材料即可做传感材料又可做执行材料。压电材料分为陶瓷压电材料如石英、钛酸钡等和有机聚合物压电材料如片聚二氟乙烯树脂（PVDF ）。在同样单位应力作用下，有机聚合物压电材料产生的电场强度要比陶瓷压电材料大若干倍。同时具有较优良的加工性能，制备智能材料不受形状的限制，因此有机聚合物压电材料更适合制备智能材料。

压电陶瓷还可以象制作玻璃纤维一样制作压电陶瓷纤维。这种压电陶瓷纤维可与聚氨脂复合制成热释电复合材料、电光复合材料以及半导体铁电纤维，压电纤维的主要应用就是制成压电复合材料，集传感与驱动于一体。

3.2形状记忆材料及性能

形状记忆合金是智能材料结构中最先应用的一种驱动元件, 它集感知和驱动于一体。该元件在高温下定形后冷却到低温并施加变形，从而形成残余形变。当材料加热时，材料的残余形变消失，并回复到高温下所固有的形状。再进行加热或冷却时，形状保持不变，这就是所谓的形状记忆效应(Shape Memory Effect), 就象合金记住了高温状态的形状一样。具有形状记忆效应的金属通常是两种以上金属的合金，称为形状记忆合金(Shape Memory Alloys, SMA.)。

材料在高温下制成特定形状，在低温任意变形，加热时再恢复为高温形状，重新冷却还保持高温时的形状时，我们称之为单程记忆效应。例如目前国内商品化的NiTi 形状记忆合金丝，在低温马氏体组织时，加外力使合金应变

对材料进行特殊的处理，使材料能够记住高温和低温状态的两种形状，即加热时恢复高温形状，低温时恢复低温形状，我们称之为双程形状记忆效应或可逆形状记忆效应。例如对NiTi 合金经过一定的热处理训练，不仅在马氏体逆相变过程中能完全回复到变形前的状态，而且在马氏体相变过程中也会自发地发生形状变化，回复到马氏体状态的形状，而且反复加热冷却都会出现上述现象。

此外还有一些合金称为全方位形状记忆合金，在冷却到更低的温度，可以出现与高温时取向相反，形状相同的现象。NiTi 合金的全方位记忆薄片的模式图见图11-3。将试样在钢管中成型后，在400～500︒C 进行时效处理，去除约束后的形状如图11-3(a)所示； 当试件冷却到M f ’时，形状接近直线状态，如图11-3(b)；冷却到M f 以下时，试件的形状发生180︒C

翻转，如11-3(c)所示；加热到A f 和 Af ’以上时，试件就反向变化成图11-3(d)和(e)的形状。

高于A f ’的形状(a)和低于M f 的形状(f)之间是可逆的。

图11-3 NiTi合金的全方位记忆薄片的模式图

M f ’/Af ’为中间相变态温度

图11-4（a ）是一般金属材料的应力应变曲线，当应力超过弹性极限，卸除应力后，留下永久变形，不会回复原状；图11-4（b ）是超弹性材料的应力应变曲线，超过弹性极限后应力诱发母相形成马氏体，当应力继续增加时，马氏体相变也继续进行，当应力降低时，相变按逆向进行，即从马氏体转向母相，永久变形消失这种现象叫超弹性记忆小效应（PME ）；图11-4（c ）是合金母相在应力作用下诱发马氏体，并发生形状变化，去除应力后，除弹性部分外，形状并不回复原状，但通过加热产生逆变，便能恢复原形。这种现象叫作形状记忆效应（SME ）。

图11-4 超弹性材料和形状记忆材料的应力－应变曲线

(a)一般金属 (b)超弹性材料 (c)形状记忆合金

形状记忆效应是由于马氏体相变造成的。除钢铁外，大多数合金中的马氏体相变是可逆的，即冷却时由母相P 转变为马氏体相M ，即P →M ，加热时马氏体相M 又逆向转变为母相P ，即M →P 。根据热力学观点，母相与马氏体的化学自由能在T 0温度时相等，不发生转变，必

须温度低于T 0，母相才有转变为马氏体的趋势，同时还必须克服非化学自由能增量和相变时

存在的相变阻力，即温度冷到M s 马氏体相变才开始进行。随着温度下降，马氏体量会逐渐

增多，直到M f 温度时，马氏体转变才终止。同样理由，马氏体要可逆的转为母相，加热温

度必须高于T 0温度，而且要加热至A s 温度时，母相才开始形成，直至A f 温度逆变才完成。

通常称：

M s − 马氏体相变（P →M ）开始温度；

M f − 马氏体相变（P →M ）终了温度；

A s − 马氏体转变为母相（马氏体逆相变M →P ）的开始温度；

A f − 马氏体相变为母体（马氏体逆相变M →P ）的终了温度。

形状记忆材料分三类：形状记忆合金，形状记忆陶瓷和形状记忆薄膜。形状记忆合金已广泛用于医疗设备、航空、航天、仪器仪表、机器人、自动控制以及人造卫星、能量转换等领域。近年来在陶瓷材料、超导材料以及高分子材料中发现各具特色的形状记忆效应，引起了世界各国学者的广泛关注。

3.2.1形状记忆合金

形状记忆合金是研究最早的一种材料，它的操作功能主要分为5个方面。

①单程记忆效应：在低于M f 温度之下时，加压力样品变形，去掉压力时不能完全恢复，

当加热到A f 之上时残存的形变才能恢复。

②双程记忆合金效应，当温度冷却到Mf 之下时自发的形变产生，当温度再升到Af 之上时形变恢复。

③形变恢复应力，在Mf 温度下样品受压变形，去掉压力，保持在位置上再加热，这时恢复应力产生。

④做功状态，在Mf 温度之下样品受压变形，卸掉压力，再加上重量W ，将样品加热到Af 之上，形变应力产生并且做功，称为功输出。

⑤超弹性或伪弹性效应，在Af 温度之上时，加较大压力时样品变形从A 到B ，当压力卸载后样品的形变又完全恢复。

形状记忆合金这些特有的功能与外界温度和内部的马氏体相应密切相关。例如从高温到低温的滞回线，应力—温度的关系，应力—压力的关系，以及应力—压力—温度三者之间的关系。

目前虽然有许多形状记忆合金体系，但能够商品化的只有少数几个，如Ni —Ti 、Ni —Ti —Cu 、Cu —Zn —Al 合金体系，接近商品化的Cu —Al —Ni 和Fe —Mn —Si 合金体系，而具有潜在应用的体系有Ni —Al 和Ni —Ti —Zi 合金体系，目前在制备或性能上还有一些缺陷。

在所有形状记忆合金体系中Ni —Ti 合金是最具有使用价值的，有人做过数百万次实验，发现其恢复性能仍然保持。

1． TiNi形状记忆合金

等原子比的TiNi 合金是应用的最早的形状记忆合金，其中Ni 元素的质量分数为55～56％。根据使用目的不同可选用适当的合金成分。它性能优越，稳定性好，具有特殊的生物相容性，因而得到广泛的应用, 特别在医学与生物上的应用是其他形状记忆合金所不能替代的。由于合金成分不同，相变可以有不同路径。

在材料使用过程中，表征材料记忆性能的主要参数包括记忆合金随温度变化所表现出的形状恢复程度，回复应力，使用中的疲劳寿命，即经历一定热循环或应力循环后记忆特性的衰减情况。此外, 相变温度及正逆相变的温度滞后更是关键参数。而上述这些特性又与合金的成分成材工艺热处理(包括冷热加工) 条件及其使用情况等密切有关。

TiNi记忆合金的相变温度对成分最敏感。Ni 含量每增加0.1%，相变温度会降低10 C 。第三元素对TiNi 合金相变温度的影响也极为引人注目。Fe 、Co 等过渡族金属的加入均可引起Ms 下降。其中Ni 被Te 置换后，扩大了R 相稳定的温度范围，使R 相变更为明显。用Cu 置换Ni 后，Ms 变化不太大，但形状记忆效应却十分显著，因而可以节约合金成本。并且由于减少相变滞后，使该类合金具有一定的使用价值。

为获得记忆效应, 一般将加工后的合金材料在室温加工成所需要的形状并加以固定，随后在400-500之间加热保温数分钟到数小时(定形处理) 后空冷，就可获得较好的综合性能。

对于冷加工后成形困难的材料，可以在800以上进行高温退火，这样在室温极容易成形，随后于200-300保温使之定形. 此种在较低温度处理的记忆元件及形状回复特性较差。

富Ni 的TiNi 合金需要进行时效处理, 一则为了调节材料的相变温度, 二则可以获得综合的记忆性能. 处理工艺基本上是在800-1000固熔处理后淬入冰水, 再经400-500时效处理若干时间(通常为500 1小时). 随着时效温度的提高或时效时间的延长, 相变温度Ms 相应下降. 此时的时效处理就是定型记忆过程。

为了使合金式样反复多次的在升温和降温中可逆的发生形状变化(即双向记忆), 最常用的方法是进行记忆训练(又称锻炼) 。首先如同单向记忆处理那样获得记忆效应, 但此时仅可记忆高温相的形状。随后在低于Ms 温度, 根据所需的形状将试件进行一定限度的可以回复的形状。加热到Af 以上温度, 试件回复到高温态形状后, 降温到Ms 以下, 再变形试件使之成为前述的低温所需形状, 如此反复多次后, 就可获得双向记忆效应, 在温度升降过程中, 试件

均可自动的反复记忆高低温时的二种形状。这种记忆训练实际上就是强制变形。

对于Ti-51%(原子分数)Ni 合金不仅具有双向记忆性能, 而且在高温与低温时, 记忆的形状恰好是完全逆转的。这是由于与基体共格的Ti11Ni14析出相产生的某种固定的内应力所致。

无论上述何种记忆处理, 为了保持良好的形状记忆特性, 其变形的应变量不得超过一定值, 该值与元件的形状、尺寸、热处理条件、循环使用次数等有关, 一般为6％(不包括全方位记忆处理). 同时在使用中, 在形状记忆合金受约束状态下, 要避免过热, 也即记忆高温态的温度只需稍高于Af 温度即可。

2. 铜基形状记忆合金

尽管形状记忆合金具有强度高、塑性大、耐腐蚀性好等优良性能, 但由于成本约为铜基记忆合金的十倍而使之应用受到一定限制。因而近二十年来铜基形状记忆合金的应用较为活跃, 但需要解决的主要问题是提高材料塑性改善对热循环和反复变形的稳定性及疲劳强度等。

铜基形状记忆合金的相变温度对合金成分和处理条件极敏感。例如Cu-14.1Al-4.0Ni 合金在1000固熔后分别淬入温度为10与100介质中, 其合金的Ms 对应为-11与60。因此实际应用中, 可以利用淬火速度来控制相变温度。

无论是CuZnAl 还是CuAlNi 合金, 相变温度对Al 含量都很敏感。下列经验公式可供合金设计时参考:

CuZnAl Ms =2221 -52x (%Zn(质量分数)) -137x(%Al(质量分数))

CuAlNi Ms =2293 -45x (%Ni(质量分数)) -134x(%Al(质量分数))

CuAlNi 等铜基合金在反复使用中，较易出现试样断裂现象，其疲劳寿命比NiTi 合金低2-3个数量级。其原因是铜基合金具有明显的各相异性。在晶体取向发生变化的晶界面上，为了保持应变的连续性，必会产生应力集中，而且晶粒越粗大，晶面上的位移更大，极易造成沿晶开裂。目前在生产中，已通过添加Ti 、Zr 、V 、B 等微量元素，或者采用急冷凝固法或粉末烧结等方法使合金晶粒细化，达到改善合金性能的目的。

3. 铁基形状记忆合金

早期发现的铁基形状记忆合金FePt 和FePd 等由于价格昂贵而未能得到应用。直到1982年有关FeMnSi 记忆合金研究论文的发表，才引起材料研究工作者极大的兴趣。尤其由于铁基形状记忆合金成本低廉、加工容易，如果能在回复应变量小、相变滞后大等问题上得到解决或突破，可望在未来的开发应用上有很大的进展。

铁基形状记忆合金的最大回复应变量为2％，超过此形变量将产生滑移变形，导致ε－马氏体与奥氏体界面的移动发生困难。

具有形状记忆效应的合金系已达二十多种，但其中得到实际应用的仅集中在TiNi 合金与CuZnAl 合金，CuAlNi 及FeMnSi 系记忆合金也在开发应用中。这些合金由于成分不同，生产和处理工艺的差异，其性能有较大的差别。即使同一合金系，成分的微小差别也会导致使用温度的较大起伏。在记忆元件的设计、制造及使用中，不仅关心材料的相变温度，还必须考虑其回复力、最大回复应变、使用中的疲劳寿命及耐腐性能等。一般来说，TiNi 合金记忆特性好，但价格昂贵。铜基记忆合金成本低，有较好的记忆性能，但稳定性较差，而FeMnSi 系合金虽然价格便宜、加工容易，但记忆特性稍差，特别是可回复应变量小。因此实际应用要综合考虑材料的用途、使用环境、使用方法及成本等各因素，以便选取合适的形状记忆合金。例如要求性能稳定，需要反复使用的较精密的元件，一般采用TiNi 合金，而对于象火警警报器等只需一次动作的元件就往往选用CuZnAl 合金。

3.2.2形状记忆陶瓷

近几年来人们又开发出形状记忆陶瓷，可在电场作用下发生形变。与形状记忆合金相比，这种材料由于电场改变速度和范围比温度大的多，因而影响速度快，使用范围宽，不足之处是应变范围还不够大（0.08—1%），但这也许适合某些特定的场合。

图11-5 形状记忆陶瓷的结构图

形状记忆陶瓷的结构图如图11-5所示。它是典型的钙钛矿结构，点阵结构为E2型，空间群为O12，一般分子式为ABO3，A 和B 为金属离子，这里A 是（Pb 2+）B(Zr4+、Ti 4+) 离子。

图 11-6 PZT 平衡相图

通过调整温度和A 、B 的组成钙钛矿晶体的形状会发生改变，如图11-6所示。不同量的离子置换PZT 时产生相变，四面体结构和六面体结构均为铁电相，而八面体结构为反铁电相，当施加电场时会诱使反铁电相转变铁电相，从而产生应力。当铁电体至于电场中时，由于材料的极化导致应力的产生，对于反铁电体，由于内部含有两个极性相反的区域，宏观极性抵销，当施加电场时，只有很小的应力产生。如果反铁电体相的组成接近铁电相的组成，施加一个大电场，就可以使反铁电相转变为铁电相，相变伴随着晶格变形，导致净体积增长，产生形变，相变形式如下：

AFE 电场 当电场降低，材料回复到原始状态还是保持铁电相状态，取决于材料的确切组成，一般在相图边界线上的亚稳态比较容易形成形状记忆陶瓷。

图11-7镜面自适应结构

形状记忆陶瓷主要用于在空间光学望远镜的自适应调整上，图11－7为镜面调整示意图，可用在哈伯望远镜、日冕仪等，另外形状记忆陶瓷还有希望用作能量储存执行元件。

3.2.3 形状记忆薄膜

形状记忆合金薄膜有较大的比表面和较高的响应速度。主要采用溅射或电化学方法制备Ti —Ni 、Cu —Zn 、Au —Cd 等薄膜。形状记忆合金薄膜具有一些潜在的应用，如可能应用在智能结构的阻尼器，微机械手、微弹簧中。

3.3 形状记忆合金的应用

从20世纪70年代开始形状记忆合金得到真正的应用，至今已有二十多年，应用领域

极广，从精密复杂的机器到较为简单的连接件、紧固件，从节约能源的形状记忆合金发动机到过电流保护器等处处都可反映出形状记忆合金的奇异功能及简便、小巧、灵活等特点。用作连接件，是记忆合金用量最大的一项用途。选用记忆合金作管接头可以防止用传统焊接所引起的组织变化，更适合于严禁明火的管道连接，而且具有操作简便，性能可靠等优点。

用作控温器件的记忆合金丝被制成圆柱形螺旋弹簧作为热敏驱动元件。其特点时利用形状记忆特性，在一定温度内，产生显著的位移或力的变化。再配以用普通弹簧丝制成的偏压弹簧就可使阀门往返运动。也就是具有双向动作的功能。当温度降低时，偏压弹簧压缩形状记忆弹簧，使阀门关闭，从而产生周而复始的循环。目前，我国已在热水器等设备上装有CuZnAl 记忆元件。

利用偏压弹簧使形状记忆元件具有双向动作功能的还有机器人手臂、肘、腕、指等动作、电流断路器、自动干燥箱以及空调机风向自动调节器等。上述元件都是利用形状记忆合金在回复到高温态时强度高，而在低温马氏体相态下较软的特性，在低温时，借助偏动弹簧的弹力使之变形。设计中，记忆元件与偏动弹簧不一定在同一轴上，根据需要以不同方式、不同角度配合以完成特定的往返动作需要。

形状记忆合金作为机械执行器的主要优点有：

① 机械结构简单、紧凑、安全、常见的结构有丝状和螺圈状。

② 在无重力的工作条件下能产生清洁、静音的无火花的操作，特别适合航天航

空领域。

③ 高的能/重比，在比较了所有的执行器机械后人们得出结论，在低重力情况下（

④ 高阻尼性能，在冲击波和震动能量下，SMA 的阻尼效率高达90%。

工业上常用形状记忆合金作开关，用于电路冷却阀门、火警探测系统、阻尼装置等。 医学上主要利用形状记忆合金的超弹性性质，最成功的应用是用于牙科矫正术上的正牙线上，它可以在歪斜的牙上产生很小的而又持续的力使歪牙扶正。

用于医学领域的记忆合金除了具备所需要的形状记忆或超弹性特性外，还必须满足化学和生物学等方面可靠性的要求。一般植入生物体内的金属在生物体液的环境中会溶解成金属离子，其中某些金属离子会引起癌病、染色体畸形等各种细胞毒性反应，或导致血栓等，总称为生物相容性差。只有那种与生物体接触后会形成稳定性很强的钝化膜的合金才可以植入生物体内。在现有的实用记忆合金中，经过大量实验证实，仅TiNi 合金满足上述条件。

因此TiNi 合金是目前使用的唯一的记忆合金。

TiNi 合金在医学上应用较广的有口腔牙齿矫形丝以及外科中各种矫形棒、骨连接器、血管夹、凝血虑器等。近年来血管扩张元件等应用也见报道。

牙齿矫形丝是利用TiNi 合金相变伪弹性特点，使合金丝处理成超弹性丝。由于应力诱发马氏体相变使弹性模量成非线性变化，当应变增大时，矫正力却增加不多。因此佩带娇正丝时，即使产生很大的变形也能保持适宜的矫正力，不仅操作方便，疗效好，而且可减轻患者的不适感。TiNi 合金的超弹性功能使应变高达10％仍不会发生塑性变形。

图11－8 是用于矫形丝的各种材料的负载与变形曲线。由对比可见，传统用的不锈钢和CoCr 合金的弹性系数大，相对于很小的变形就需要较大的负载，而且产生明显的永久变形。TiNi 合金丝明显优于前者。

图11-8用于矫形丝的各种材料的负载与变形曲线

脊柱侧弯矫形用哈氏棒通常是用不锈钢制成，但由于植入人体后以及在随后使用中，矫正力明显下降，甚至在半个月后下降55％，故通常必须进行再次手术以调整矫正力，使患者在精神上、肉体上承受较大痛苦。改用形状记忆合金只需一次安放固定手术。一般是将TiNi 合金棒记忆处理成直棒，然后在Ms 以下温度（通常是冰水）弯成与人体畸形脊柱相似的形状（弯曲应力小于8％），立即安放于人体内并加以固定。手术后通过体外加热使温度高于体温5－10℃，这时TiNi 合金棒逐渐回复到高温相状态，产生足够的矫正力。

其它如骨折、骨裂等所需要的固定钉或固定板都是将TiNi 合金的Af 温度定在体温以下。先将合金板（或合金钉等）按所需形状记忆处理定形，在手术时，将定形板在冰水中（

形状记忆合金更多的潜在应用是埋置在材料里组成智能复合材料，如美国把在F —16战斗机机翼上。用于自修复功能，在机器人上用来制造人造肌肉。

第四节 智能材料的应用

首先开展智能材料结构研究的是美国军界，约在1984年美国陆军科研局就旋翼飞行器技术研究给于赞助，研究内容是减小旋翼桨叶的振幅和扭曲。美国空军着重于航空和航天飞行器智能表层的研究，将该项目落实在美国空军科研项目预测Ⅱ中，被认为是急需发展的，有创始性的项目，美国空军莱特研究和发展中心的航空设备实验室又规划了智能表层的发展路线图。1988年以后，美国各大学和航空航天机构的公司、研究所都参与研究，他们设计的面很广，并且取得创造性的进展。同时美国国防部FY92_FY96的边缘科学研究规划（即代号UR1）及陆军科研局和海军科研局都给于智能材料与结构探索者赞助。UR1资助课题包括材料科学、结构方程、单一和复合智能结构的数学模型、驱动器、传感器、控制系统和处理方法、多体结构动力学、结构识别以及气动弹性修正等。陆军科研局的规划则着重于旋翼飞行器和地面运输装置，例如减小结构件的振动和增大气动力学稳定性，加强旋翼飞行器的控制能力和损伤的检测，减轻和修理损伤部分。海军规划则着重于水中潜艇噪声强度的控制。

智能材料结构技术很快被土木工程、船舶、海上陆架、汽车、医学等行业看中，认为它将会引起这些行业的新的技术革命，为此，分别制定了5年、10年规划，投入大量资金。

日本继美国以后，在日本技术局主持下，开展智能材料结构的研究。它们与美国联合组成专门研究小组，特别在自适应结构方面已取得了很大进展。接着欧洲、澳洲、亚洲等国也积极开展智能材料结构的研究工作，目前智能材料结构的研究范围和涉及的行业还在不断扩大。

航空和航天飞行器方面的重点研究内容之一是智能表层。智能表层功能之一是能够自动地检测出周围环境的变化，并自动适应环境，一般飞机上检测环境的传感器如图11-9所示，他们应和结构材料融合成整体；另一功能是适合于当前的电子战，即具有识别、人为干扰、隐蔽通讯、威胁警告和电子保障系统，如图11—10所示。对于材料内部的缺陷和损伤，智能表层能够进行自诊断、自修复、自适应；还能够抑制噪声和振动；对于航空和航天飞行器座舱能够自动通风、报暖和冷却。

图11－9飞机上检测环境的传感器

图11－10 飞机智能表层的电子对抗功能

在航空和航天飞行器结构方面，另一主要研究方向是翼面的气动弹性设计。以往的飞机在发动机推力作用下通过改变舵面的角度来提高升力，这种情况下，在升力提高的同时，阻力也增大。如果在翼面中埋入传感元件和驱动元件，利用驱动元件改变机翼翼面下表面的曲度，就可以使机翼具有足够的升力，并且不增大阻力。也可以利用驱动元件改变机翼前缘和后缘的角度等，传感元件检测动作的情况和程度，以达到自适应气动弹性控制。

对于建筑方面，目前已解决了在钢筋混凝土中埋置光导纤维的技术。埋入的光导纤维可以用作通讯、强度检测，代替原来的导线，并实现整个建筑物的办公自动化。智能建筑结构的用途见图11－11。

显示台

图11－11 智能建筑结构的用途

目前正在研究的是在结构中埋入压电加速计，利用驱动件制成可改变结构层面刚度的主动抗震剪切板，以及具有控制系统的抗地震智能建筑物。

对于承受循环应力的材料，尤其时运载工具，会由于疲劳而发生破坏。智能结构应在裂纹萌生后，由传感器指示裂纹位置，并指挥相应的驱动器动作，使裂纹尖端形成压应力，防止裂纹继续扩展。

智能材料结构在体育和医疗用具方面也有很多应用，例如可以将部分网球拍的网丝换成形状记忆合金丝，用开关控制激励形状记忆合金丝，这样的网球拍具有不同的柔性，击出的球具有不同的力度，使对方无法估计球的落点和力度。智能材料结构在医学上的用途更广，如利用形状记忆合金丝治疗肺血拴和连接断骨，矫正骨骼畸形等；又如智能医用胶带，不仅能加快伤口愈合，防止感染并能在伤口愈合后自动脱落，使病人无痛苦；另外医学上需要用智能材料结构制造出人工胰、脏肝、胃等器官。

智能材料结构在服装方面也大有应用前景，如用智能材料制成的服装，其尺寸、导热性和孔隙度能随着周围环境（温度、湿度）的变化而变化，保证使用者美观和舒服。

智能玻璃是一种新型的智能材料，它的光学特性可以根据入射光线的波长和强度而改变。例如在热天，可以滤掉热辐射，但又能通过可见光；在冬天能够防止热损耗，使室内保温。