壓電智能材料

壓電陶瓷雖然材料體系比較成熟，應用廣泛，但是壓電陶瓷非常脆，不適合于大面積鋪放。壓電聚合物的出現(xiàn)，解決了這個問題。聚偏二氟乙烯(PVDF)是典型的聚合物壓電材料，20世紀60年代末期,其壓電效應被日本人發(fā)現(xiàn)。PVDF以偏氟乙烯(CH2=CF2)作為單體聚合而成，其分子式為CH2一CF2。PVDF屬于半結晶型聚合物，主要有兩種晶型，在晶型I中，分子構型是鋸齒形的，每個晶胞由兩個鏈與兩個單體單元組成；在晶型I中，聚合物鏈為TGTG'型(反式-反左式-反式-反右式)構型，每個晶胞由兩個鏈與四個單體單元組成。

PVDF的主要缺點是受使用溫度的限制，一般不能超過100℃，而壓電陶瓷的使用溫度可達20℃，由于壓電陶瓷與聚合物在力學性能和介電性能方面存在很大差異，故二者復合可以優(yōu)勢互補，克服壓電陶瓷的脆性和壓電聚合物受溫度限制的缺點。壓電復合材料的出現(xiàn)、應用和發(fā)展始于20世紀80年代初期，將壓電聚合物和壓電陶瓷按一定的組分比例(如體積比或質量比)、空間幾何分布及連通方式復合在一起，使之兼具壓電陶瓷和壓電聚合物的優(yōu)點，并且能夠成倍地提高材料的壓電性能。例如壓電陶瓷的壓電應變系數(shù)較高，但是它的壓電電壓系數(shù)卻較低，這限制了它在超聲測量方面的應用，壓電復合材料很好地克服了這個缺點。由于壓電性具有張量性質，故可以根據(jù)條件計算出復合材料性能的優(yōu)值，再通過設計及復合工藝提高這些優(yōu)值的張量系數(shù)，而減小另一些張量系數(shù)，從而實現(xiàn)復合后的性能優(yōu)勢。

壓電效應是Pierre Curic和Jacques Curic兄弟于1880年發(fā)現(xiàn)的。在某些特定方向上對某些電介質晶體(α-石英晶體)施加機械應力(拉或壓)時，晶體內部正、負電荷中心將發(fā)生相對位移而產生極化，從而使晶體兩端表面出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，其電荷密度與外力成正比，這種在機械應力的作用下使電介質晶體產生極化并形成晶體表面電荷的現(xiàn)象稱為壓電效應(或正壓電效應)。Curie兄弟發(fā)現(xiàn)壓電效應以后的第二年(即1881年)，Lippmann依據(jù)熱力學方法，預先推知應有逆壓電效應存在。幾個月后，Curie兄弟便用實驗方法驗證了這一點。

①Pb( Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PZT三元系壓電陶瓷

該三元系壓電陶瓷是最早發(fā)現(xiàn)的具有鐵電性的三元系固溶體,也是應用較為廣泛的三元系統(tǒng)。由于Pb( Mg_1/3Nb_2/3)O₃的居里溫度為-15℃，室溫下為順電體，介電常數(shù)很大，故隨著Pb( Mg_1/3Nb_2/3)O₃含量的增加,固溶體的介電常數(shù)增大、居里溫度降低、機電耦合系數(shù)減小。若采用添加不等價離子化合物或用Ba² 、Sr² 、Ca² 等置換Pb² 的方法對該三元系統(tǒng)進行改性，其性能還可進一步優(yōu)化。這類材料廣泛地應用于拾音器、微音器、濾波器、變壓器等方面。

②Pb( Mg_1/3Sb_2/3)O₃-PZT三元系壓電陶瓷

該三元系壓電陶瓷的特點是耦合系數(shù)不高，但可以在較寬的范圍內調節(jié)，并且其機械品質因數(shù)高，介質損耗小，具有優(yōu)良的穩(wěn)定性，在陶瓷濾波器和機械濾波器的換能器應用方面具有獨特的優(yōu)勢。

③Pb(Sb_1/2Nb_1/2)O₃-PZT三元系壓電陶瓷

該三元系壓電陶瓷的主要特點是諧振頻率的溫度穩(wěn)定性好，受機械力和電氣負荷影響小，抗老化性能優(yōu)良。本系材科在大功率超聲發(fā)生器、高電壓發(fā)生裝置以及其他機電換能器上應用較多，尤其適用于惡劣環(huán)境中的應用。

(1)驅動器方面的應用。這個方向更多的研究集中在主動控制上，智能材料系統(tǒng)中最成熟的應用領域大概就是對振動和噪聲的主動控制。它是指采用智能控制方法有選擇地控制輻射振動模。因為并不是所有的振動模都輻射“具有危險性”的聲波，減少系統(tǒng)的質量和功耗也同樣是必須考慮的因素。因而最好的辦法是“感覺”輻射“具有危險性”的輻射波振動模，并使用分布在整個結構中的驅動器(壓電材料或電致流變體)對產生的該振動模進行控制。即利用壓電陶瓷傳感和驅動作用相結合，實現(xiàn)壓電陶瓷的動態(tài)柔度系數(shù)可調。利用這種剛度的自適應，便可控制結構的振動。選擇壓電陶瓷(電致伸縮材料)作為驅動器，考慮的主要因素是低功耗、耐久性、疲勞特性、穩(wěn)定性和溫度/環(huán)境效應等問題，同時還要考慮控制器的小型化。

(2)傳感器方面的應用

壓電材料首選的應用就是做壓力傳感器。如壓電聚合物PVDF材料可以做得很薄(200~300 μm或更薄)，可貼于物體表面，很適合做傳感器，故自1969年以來很快得到應用。單軸膜(只有一個極化方向)可以測量單向應力，雙軸膜則可測定平面應力。由于它對壓力十分敏感，所以常用于觸覺傳感器，識別布萊葉盲文字母和區(qū)分砂紙級別。PVDF膜在機器人上做觸覺傳感器、可感知溫度、壓力；采用不同模式可以識別邊角、棱等幾何特征。還有報道稱這種膜已用于檢測和監(jiān)控鋁結構和硼/環(huán)氧樹脂復合材料修復情況及復合材料結構的沖擊損傷。

第一章概述 1

第一節(jié)簡介 1

一、智能材料的概念與范疇 1

二、智能材料的分類 2

三、智能材料的特點 3

四、開發(fā)智能材料的作用與長遠意義 4

第二節(jié)智能材料結構與系統(tǒng) 6

一、智能材料結構與系統(tǒng)用基礎材料 6

二、智能結構與系統(tǒng) 11

三、智能材料系統(tǒng)與結構的應用 15

第二章智能壓電材料 20

第一節(jié)簡介 20

一、壓電材料的種類、結構和主要性能 20

二、壓電材料在智能材料系統(tǒng)中的作用 21

三、應用 23

四、智能壓電材料系統(tǒng)和結構的發(fā)展前景 24

第二節(jié)壓電陶瓷 25

一、壓電陶瓷的基礎 25

二、壓電陶瓷材料 31

第三節(jié)壓電聚合物 39

一、壓電聚合物的基礎 39

二、聚偏氟乙烯(PVDF)壓電塑料 47

三、芳香族聚脲壓電塑料 48

第四節(jié)壓電復合材料 52

一、簡介 52

二、壓電陶瓷/聚合物復合材料的設計 53

三、壓電陶瓷/聚合物復合材料的制備工藝 55

四、壓電陶瓷/聚合物復合材料的性能 57

五、幾種典型的壓電復合材料 60

第三章智能磁致伸縮材料 65

第一節(jié)智能磁致伸縮材料的基礎 65

一、簡介 65

吁

二、國內外磁致伸縮智能材料研究現(xiàn)狀 65

三、磁致伸縮智能材料的應用 66

第二節(jié)智能磁致伸縮合金 69

一、超磁致伸縮合金 69

二、鐵鎳基高溫磁致伸縮合金 72

三、Fe81Ga19磁致伸縮合金 74

四、超磁致伸縮合金Tb Dy Fe 76

五、磁致伸縮Dy0郾65Tb0郾25Pr0郾1Fex 合金 84

六、多晶稀土—鐵系超磁致伸縮合金棒材 85

七、稀土超磁致伸縮合金 87

第三節(jié)電致伸縮陶瓷 88

一、簡介 88

二、電致伸縮陶瓷———PMN 90

三、PZN - PT - PMN 電致伸縮陶瓷 93

四、BLTZ 電致伸縮陶瓷 95

五、電致伸縮陶瓷致動器 96

第四章智能形狀記憶材料 101

第一節(jié)研究與發(fā)展現(xiàn)狀 101

一、形狀記憶合金 101

二、形狀記憶陶瓷 104

三、形狀記憶聚合物 107

第二節(jié)形狀記憶合金 108

一、基礎知識 108

二、鎳鈦形狀記憶合金 111

三、銅基形狀記憶合金 134

四、鐵基形狀記憶合金 144

五、金屬間化合物形狀記憶合金 146

六、形狀記憶合金薄膜 152

第三節(jié)形狀記憶陶瓷 158

一、形狀記憶陶瓷材料 158

二、正鈮酸鑭形狀記憶陶瓷 161

三、Ce - Y - TZP 形狀記憶陶瓷 163

第四節(jié)形狀記憶聚合物 165

一、基礎知識 165

二、已批量生產應用的形狀記憶聚合物品種與性能 171

三、形狀記憶纖維增強高分子復合材料 178

四、可降解形狀記憶聚合物 182

五、電活性聚合物 184

第五章智能流變體 192

第一節(jié)電流變體 192

一、基礎知識 192

二、電流變體的品種與特點 201

三、電流變體的研制實例 206

第二節(jié)磁流變體(液) 218

一、簡介 218

二、磁流變體的組分設計與制備 224

三、磁流變體的研制 228

第三節(jié)電磁流變體 234

一、簡介 234

二、制備方法與性能影響因素 235

三、電磁流變體的應用 237

第六章智能凝膠 244

第一節(jié)基礎知識 244

一、智能凝膠的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展 244

二、凝膠的定義與分類 245

三、凝膠的性質 245

四、智能型凝膠的應用 249

第二節(jié)智能高分子凝膠 250

一、智能高分子凝膠的品種與特點 250

二、N -異丙基丙烯酰胺系共聚及互穿智能凝膠 251

三、微波等離子體引發(fā)合成P(AMPS/ NIPA)智能凝膠 254

四、殼聚糖基智能凝膠 256

五、PVCF 中空纖維智能凝膠膜 261

六、聚乙烯吡咯烷酮半互貫網(wǎng)絡智能凝膠 263

七、納米金/智能凝膠復合物 265

八、鉀離子響應型單分散智能凝膠微球 266

九、智能凝膠微機械元件的設計 268

第三節(jié)刺激響應型有機小分子凝膠 270

一、簡介 270

二、刺激響應型有機小分子凝膠的類型與特性 271

第七章智能光導纖維 287

第一節(jié)智能光纖的要求 287

一、對智能光纖的技術要求 287

二、智能材料中的特種光纖 288

三、智能材料結構中光纖傳感器的結構及特點 290

四、研究與發(fā)展方向 292

第二節(jié)玻璃光纖 293

喻

一、石英玻璃光纖 293

二、氟化物玻璃光纖 301

三、硫系玻璃光纖 315

第三節(jié)塑料光纖 328

一、簡介 328

二、塑料光纖纖芯材料 332

三、塑料光纖制備技術 341

四、塑料光纖的性能 348

五、塑料光纖的應用 350

參考文獻 352"

如果說20世紀的人類社會文明的標志是合成材料，那么下個世紀將會是智能材料的時代。在這個智能材料的時代，高分子化學同樣承擔著不可替代的作用。智能材料是材料的作用和功能可隨外界條件的變化而有意識的調節(jié)、修飾和修復。已經知道高分子具有軟物質的最典型的特征，即易于對外場作出響應。軟物質（soft matter）是指易于發(fā)生變形的那類物質。軟物質不僅在一般的剪切作用下可發(fā)生畸變和流動，而且小的熱漲落也會對其性質帶來重要的影響。軟物質包括高分子、生物大分子、液晶、膠體及乳膠和微乳膠這類物質等。軟物質在物質科學的研究中被越來越多的提及，產生了研究軟物質的專門學科－－軟物理（soft physics）。軟物質可以用來研究凝聚態(tài)物理學中的一些核心問題，如對稱性（symmetry）、低能量激發(fā)（low－ener- gy excitation）和拓撲缺陷（topological defects）之間的聯(lián)系。軟物質研究的另一方面的意義是軟物質的應用。前面提及的軟物質所包括的那些物質，實際都是有著明顯的使用價值。也許正是因為如此，又出現(xiàn)了材料科學變軟的提法。軟物質的研究雖然主要還是在凝聚態(tài)物理的學術圈中進行，但其研究領域則涉及數(shù)學、化學、化工、材料、生物及其交叉學科，被認為是下個世紀物質科學及其相關學科中的重點研究內容之一。因此在高分子化學的研究中，引進軟物質的概念，利用外場的變化構建高分子材料的特殊結構，實現(xiàn)外場作用下高分子材料的作用和功能的實時調制，應是高分子智能材料研究的重要內容。

廣義上的智能材料也應包括生命材料。由于生物大分子和合成高分子都屬于軟物質，因此軟物質科學的研究也有助于高分子生命材料的研究，雖然合成高分子也能模仿蛋白質分子的自組裝，但卻沒有蛋白質分子那樣的生命活性。這是因為合成高分子的分子鏈缺少確定的序列結構，不能形成特定的鏈折疊。如果在合成高分子膜的表面附著上蛋白質分子或有特定序列結構的合成高分子，研究這些表面分子折疊的方法、規(guī)律、結構和活性，形成具有生命活性功能，比如排斥和識別功能的軟有序結構，再通過化學環(huán)境、溫度和應力等外場來調節(jié)這些軟有序結構，從而控制外界信號向合成膜內的傳遞，實現(xiàn)生物活性的形成和調控，嘗試合成高分子生命材料。

智能材料是一種能感知外部刺激，能夠判斷并適當處理且本身可執(zhí)行的新型功能材料。智能材料與智能結構有著巨大的潛在的應用前景，其發(fā)展將推動和帶動許多方面的技術進步。本書介紹了智能材料的仿生構思，并重點介紹了智能金屬材料、智能無機非金屬材料、智能高分子材料、智能藥物釋放體系、智能聚合物微球、智能膜材、智能纖維、仿生工程材料等的構成原理，應用領域及其發(fā)展前景。

本書是科普讀物，主要供管理人員、科技人員和在校大學生、研究生及教師閱讀。

智能材料是材料科學不斷向前發(fā)展的必然結果，是信息技術溶入材料科學的自然產物，它的問世，標志和宣告第5代新材料的誕生，也預示著在21世紀將發(fā)生一次劃時代的材料革命。近年來，智能材料的研究在世界范圍內已成為材料科學與工程領域的熱點之一，甚至有人把21世紀稱為智能材料世紀。