第一章智能材料概述

智能材料要求材料体系集感知、驱动和信息处理于一体，它源于功能材料，并结合现代信息技术进行处理与反馈指令，表现出类似生物体的属性，具有自感知、自诊断、自适应和自修复等功能。它是新材料领域中正在形成的一门新的交叉学科，也是一种非常重要的先进材料，在航天航空、交通工程、建筑和结构工程及医学等领域，具有十分广阔的应用前景。

●1.1 智能材料的概念

智能材料是一个由多种材料组元通过有机的紧密复合或严格的科学组装而构成的材料系统，能适时地感知与响应外界环境的变化,实现自检测、自诊断、自修复、自适应等多种功能，具有感知、反馈和响应三要素。

●1.2 智能材料的特性

智能材料模仿了生命系统的感知和驱动功能。组成智能材料的各组元材料具有各自的内禀特性，具有传感器、处理器和执行器功能，各司其职。通过设计可以使智能材料具有传感功能、反馈功能、信息积累和识别功能、学习能力和预见性功能、响应性功能、自修复功能、自动动态平衡及自适应功能等。

●1.3智能材料与智能材料结构

智能材料系统集成了智能与生命特征，包含作为传感器、执行器和控制器的智能材料，而将智能材料紧密融合在结构中，并具有感知和控制等功能的结构则为智能材料结构。智能材料要真正实现智能化，不仅要有结构作为依托，还需要以智能系统作为载体。

●1.4 智能材料的类型与合成方法

智能材料包括金属系智能材料，无机非金属系智能材料和高分子系智能材料。纤维及颗粒形式的复合、多层薄膜复合、多孔架材料组装以及材料内部结构周期的纳米化等是智能材料的重要合成方法。

●1.5 智能材料的应用

智能材料与材料学、电子学、人工智能、信息技术、计算机技术、生物技术和生命科学等许多前沿科学及高技术密切相关，在航天航空、汽车、土木工程和医学等领域，具有十分重要的现实用途和极为广阔的应用前景。

第二章仿生智能材料

对生物的结构、形态、功能和行为等进行研究，我们就会从自然中获得解决问题的智慧和灵感。天然生物材料表现出的优异强韧性、功能适应性及损伤愈合能力，是传统人工合成材料无法比拟的。仿生智能材料就是模仿天然生物材料的成分和结构特征，模仿生物体的系统功能等，使材料成为具有感知环境刺激，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类似生物智能特征的材料。

●2.1仿生智能材料的概念

本节主要介绍几个概念：仿生学、天然生物材料、仿生材料、智能材料和仿生智能材料。仿生学就是“模仿生物的科学”。天然生物材料是由生物过程形成的材料，如结构蛋白和生物矿物。仿生材料指受生物启发或者模拟生物的各种特性而开发的材料。智能材料是指感知环境刺激后，能够采取一定的措施进行适度响应的材料。仿生智能材料就是仿生材料的智能化。

●2.2天然生物材料的结构仿生

20世纪90年代，材料科学研究者开始主动投身于天然生物材料的结构研究,目的是探明其多极结构和优良性能以及多极结构的形成过程，以其抽象出材料模型，制备出高性能的仿生材料。例如，仿贝壳珍珠层结构的增韧陶瓷，仿长骨哑铃状结构的仿生晶须，仿天然蜘蛛丝的人造基因蜘蛛丝“生物钢”，仿木年轮结构的壳聚糖棒材，仿竹结构的建筑物、机翼，等等。本节将对以上结构仿生材料一一介绍。

●2.3仿生智能纳米界面材料

在本节中，我们主要介绍自然界中的几种具有特殊表面性能的生物体，以及基于这些生物体的仿生智能纳米界面材料的设计与应用实例。包括：模仿荷叶超疏水表面和自清洁性的人工仿生荷叶，可以做到不沾水、不沾油；模仿蝴蝶翅膀表面多功能性的超疏水反光子晶体；模仿水黾腿部超疏水结构的水上行走机器人，可被用于环境监控；模仿壁虎脚底黏附能力的碳纳米管壁虎脚和聚酰亚胺壁虎带。

●2.4仿生传感器

仿生传感器是目前热门的研究领域，是基于生物学原理并结合现代工程技术设计出的一种新型传感器。人们对人或动物的各种感觉进行模拟，研制出了自动捕获和处理信息，模仿人或动物行为的装置，这就是仿生传感器。机器人使用的传感器就是仿生传感器的典型应用，目前各国对此类传感器的研制和开发都非常重视。本节将介绍几种常见的仿生传感器，包括视觉传感器、听觉传感器、触觉传感器、味觉传感器和嗅觉传感器。

●2.5仿生机器人

仿生机器人是模仿自然界中生物的外形、运动原理或行为方式，能从事生物特点工作的机器人。它是仿生学的先进技术与机器人领域的各种应用的最佳结合。仿生机器人是机器人发展的最高阶段，它既是机器人研究的最初目的，也是机器人发展的最终目标之一。本节将分别介绍三种仿生机器人：仿生物机器人，主要指外形模仿生物的机器人；仿人机器人，主要指模仿人外形的机器人，也包括仿人的机械臂和仿人步行；以及生物机器人。

第三章压电材料

压电智能材料是一类具有压电效应的材料，由于智能材料与结构的发展，赋予这类材料以极强的生命力。压电智能材料可以实现力学信号和电学信号的相互转换，也即压电元件既能作传感器又能作驱动器，实现了传感元件与动作元件的统一。

●3.1压电材料与压电效应

本节介绍了压电材料的定义、发展历史和相关的物理概念。

●3.2压电材料的性能表征

本节介绍了压电效应和压电材料性能的表征。

●3.3 压电材料

压电材料包括压电陶瓷、压电聚合物和压电复合材料等，本节介绍了这几类常用压电材料的结构、性能特点、制备方法和发展过程。

●3.4 压电材料的应用

将压电材料应用于智能材料与结构中，尤其在材料损伤自诊断、自适应、减振与噪声控制等方面有其独特的用途。而且新一代的压电材料还具有了条件反射和指令分析的能力。其特征和运转方式类似于人的神经系统。可执行类似于大脑的指令。压电材料的这种独特功能，使其在智能材料系统中具有广阔的应用前景。

第四章形状记忆合金

在高温下处理成一定形状的金属急冷后，在低温相状态下经塑性变形为另一种形状，再加热到高温相成为稳定状态的温度时，通过马氏体逆相变恢复到低温塑性变形前的形状的现象为形状记忆效应。具有这种效应的金属，通常是由两种以上的金属元素构成的合金，即为形状记忆合金。不仅某些金属具有形状记忆效应，某些陶瓷和高聚物材料也具有形状记忆效应。

●4.1形状记忆效应

本节介绍了形状记忆效应、形状记忆效应的发现及产生原理。

●4.2形状记忆合金的特征

本节在介绍形状记忆效应微观机理的基础上，详细介绍了形状记忆合金的伪弹性和超弹性、形状记忆效应的三种形式、热滞回线和热滞面积、晶体学特征等其它特性。

●4.3形状记忆合金

形状记忆合金主要有三类：Ti-Ni基形状记忆合金、Cu基形状记忆合金、Fe基形状记忆合金。铁磁形状记忆合金是在传统形状记忆合金的基础上发展而来，它同时具有形状记忆效应和铁磁性，其形状记忆效应除了可由温度、应力控制外，还可以通过磁场进行控制。

●4.4形状记忆陶瓷与聚合物

本节介绍了一种典型的形状记忆陶瓷材料，氧化锆陶瓷；介绍了形状记忆聚合物的形状记忆原理和主要种类。

第五章超磁致伸缩材料

超磁致伸缩材料在磁场作用下具有较强的磁致伸缩效应和极大的磁致伸缩系数，尺寸或体积可以得到更大的改变，且比电致伸缩材料具有更大的应变和更宽的适用温度范围。因此，将它作为智能传感或驱动元件用材料有着更显著的效果。

●5.1 磁致伸缩效应

本节介绍了磁致伸缩效应和效应来源、磁致伸缩分类以及磁致伸缩材料的技术参数。

●5.2 超磁致伸缩材料

稀土超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应比一般磁致伸缩合金高一个数量级，它是具有立方MgCu2结构的Laves相化合物，主要制备方法有定向凝固法和粉末冶金法。

●5.3超磁致伸缩材料的智能化应用

超磁致伸缩材料在大应变、强力和高功率密度及高精度、快速响应以及高可靠性等方面是任何传统技术无法比拟的，被广泛应用于海洋探测、航空航天、军事、电子电器、精密医学等诸多智能化应用领域。

第六章软物质

软物质指的不是结构简单的物质，如纯净的晶体或液体，而是内部结构相当复杂的材料，包括液晶、高分子材料、生物有机材料和胶体等。软物质在其柔软的外观下存在着复杂的相对有序的结构，其结构常常介于固体与液体之间。而相对于微弱的结构变化和外界影响，软物质通常会表现出相当显著的响应和变化，具有弱刺激、强响应的特征。

●6.1软物质的定义

所有处于简单流体和结晶固体状态之间的物质均可认为是软物质，它涉及了对小作用起大响应的所有物理化学体系。复杂性和柔性是软物质的两个本质特征，具有内能低而熵大的特点，属熵致相变。

●6.2软物质的分类

软物质可以分为胶体 、聚合物、液晶、 电流变液、磁流变液、颗粒物质和泡沫体系等，它们在自然界、生命体、日常生活和生产中广泛存在。

●6.3 软物质的特征

本节介绍了软物质的弱力强反应、自组织特性、熵弹性、流变性和“反常”的力学行为特征。

第七章电（磁）流变液

在智能材料系统与结构的驱动材料中，电（磁）流变液是使用性能较为突出的材料，它们具有响应速度快、工作能耗低、致动力变化范围大等优点。电（磁）流变液均是悬浮体系，在外加电场或磁场的作用下，黏性、塑性、弹性等流变性能都会发生显著的可逆变化，可用于减振器、离合器、柔性机械卡具、机器人手臂等各个领域。

●7.1电流变效应与电流变液

电流变效应是指某些复杂液体在一定的电场强度作用下，在毫秒之间流变性能发生急剧、可逆化的效应。它的特征是流体粘度随场强连续地无级变化直至固化，可实现在液态和固态，或在液体属性和固体属性间快速和可控的转换，且液态和固态的转换是完全可逆的。解释电流变效应产生机理的有介电极化理论、双电层机理、水桥理论和电泳机理。

●7.2电流变液的组成与应用

电流变液由分散介质、分散颗粒和添加剂组成。根据分散颗粒的不同，通常电流变液可以分为无机电流变材料、聚合物基电流材料和复合材料基电流变材料。由于电流变液具有在外加电场作用下液态与固态间快速可逆变化的特点，同时应用电流变液具有无噪声、低损耗及对电场的快速响应能力，电流变液已被广泛应用于自适应智能复合材料结构、动力传递、机器人手臂、液压阀门等工程结构。

●7.3 磁流变液和磁流变效应

在强磁场作用下，磁流变液能在瞬间从流动性良好的、具有一定粘滞度的牛顿流体，转变为具有相当屈服剪切力的粘塑性体直至固体，呈现可控的屈服强度，而且这种变化是可逆的，当磁场移去之后，又立即恢复液态。当前可用偶极矩理论、相变理论和磁畴理论来解释磁流变液的这种转变现象。

●7.4磁流变液的组成与应用

磁流变液是由磁性粒子、基础液和添加剂混合而成的悬浮体。与电流变液相比，磁流变液的最大屈服强度与剪切强度约高一个数量级，在输出功率上也有较大幅度的提高。磁流变液可于汽车、飞机、桥梁和建筑物的振动吸收和阻尼器，减震器等，在机械工程、振动控制、精密加工以及航空航天领域都有着广阔的应用前景。

第八章智能纤维

智能纤维是指当纤维所处的环境发生变化时，纤维的长度、形状、温度、颜色和渗透速率等随之发生敏锐响应，即突跃性变化的纤维。它能够感知环境的变化或刺激(机械、热、化学、光、湿度、电磁等)，并能做出反应。其机械性能高，能加工成多种产品。1979年问世的形状记忆丝绸被认为是最早的智能纤维。本章将重点介绍几种智能纤维，包括变色纤维、导电纤维、光导纤维和智能凝胶纤维。

●8.1 变色纤维

变色纤维是在受到光、热、压力、水分或辐射等外界刺激后可逆、自动改变颜色的纤维。光致变色纤维是指在一种波长的光的照射下发生变色，而在另一种波长的光的作用下又会回到原来的颜色的纤维。热致变色纤维的颜色能随着温度的改变而发生可逆的变化。电致变色纤维是指在电流或电场的作用下发生可逆变色现象的纤维。应力变色纤维可在外在应力的刺激下改变纤维表面或内部结构，从而使得纤维的布拉格反射光谱发生改变。

●8.2导电纤维

导电纤维是通过电子传导和电晕放电而消除静电的功能性纤维。它不仅可以用来消除静电，而且可以吸收电磁波，用于电信号的探测和传输等。导电纤维可分为金属导电纤维、碳素导电纤维、导电聚合物纤维和导电玻璃纤维，它在导电纤维传感器、导电纤维执行器、电磁波屏蔽和吸附材料、服装和医疗保健等领域有着广泛应用。

●8.3光导纤维

光导纤维简称光纤，是一种把光能闭合在纤维中而产生导光作用的光学复合材料，具有感知和单向传输功能，有着频带宽、损耗低、重量轻、抗干扰能力强和工作性能可靠等优点，可分为单模光纤和多模光纤。光导纤维最著名的应用是用作光纤传感器，可探测应变、温度、位移、物质化学浓度、加速度、压强、电流、磁场以及其他的一些信号，是迄今为止发展最为成熟的纤维传感器。

●8.4智能凝胶纤维

高分子凝胶是由具有三维网络结构的聚合物与低分子介质共同组成的多元体系，它对溶剂组分、温度、pH值、光、电场、磁场等的变化能产生可逆的、不连续或连续的体积变化，表现出智能。本节将重点介绍几种智能凝胶纤维，包括温敏凝胶纤维、光敏凝胶纤维、pH值敏感型凝胶纤维和电场敏感型凝胶纤维。它们在人工肌肉与人工皮肤、药物载体、智能多功能服装等领域有着广泛应用。