仿生智能材料

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1、 一、 仿生學(xué) 1、仿生學(xué)概念 2、生物材料與仿生材料 二、智能材料 1、什么是智能材料 2、智能材料的特征 3、智能材料的構(gòu)成 4、智能材料的應(yīng)用 一、 仿生學(xué) 1、仿生學(xué)概念 人類進(jìn)化只有500萬(wàn)年的歷史，而生命進(jìn)化已經(jīng)歷了約35億年。人類很早就認(rèn)識(shí)到生物具有許多超出人類自身的功能和特性。對(duì)生物的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、功能和行為等進(jìn)行研究，我們就會(huì)從自然中獲得解決問(wèn)題的智慧和靈感。 水 母 的 順 風(fēng) 耳 ， 仿 照 水 母耳 朵 的 結(jié) 構(gòu) 和 功 能 ， 設(shè) 計(jì) 了水 母 耳 風(fēng) 暴 預(yù) 測(cè) 儀 ， 能 提 前15小 時(shí) 對(duì) 風(fēng) 暴 作 出 預(yù) 報(bào) ， 對(duì)航 海 和 漁 業(yè) 的 安 全 都 有

2、重 要意 義 。 寶 馬 H2R氫 燃 料 汽 車 外 型和 設(shè) 計(jì) 的 靈 感 來(lái) 自 海 豚 、企 鵝 的 低 阻 身 材 。 圓 鼓的 前 臉 、 收 起 的 尾 部 ，極 小 的 正 鋒 面 ， 成 就 了其 0.21的 阻 力 系 數(shù) 。 同樣 ， 尺 寸 龐 大 的 寶 馬 7系得 益 于 其 流 線 造 型 ， 阻力 系 數(shù) 也 僅 為 0.29。 美 國(guó) 研 發(fā) 出 一 款 舉 世 無(wú) 雙的 “ 海 豚 潛 艇 ” ， 它 不 僅在 外 形 上 酷 似 海 豚 ， 而 且能 像 海 豚 一 樣 時(shí) 而 潛 入 水中 ， 時(shí) 而 躍 出 水 面 做 出 驚險(xiǎn) 刺 激 的 翻 騰

3、動(dòng) 作 。 仿 生 學(xué) (Bionics)：模仿生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、形狀、 原理、行為以及相互作用，建造技術(shù)系統(tǒng)，或者使人造技術(shù)系統(tǒng)具有生物系統(tǒng)特征或類似特征的科學(xué)，簡(jiǎn)而言之，仿生學(xué)就是“模仿生物的科學(xué)”。 仿生學(xué)是一門生命科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、信息科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程技術(shù)等學(xué)科相互滲透而結(jié)合成的一門邊緣科學(xué)。 2、生物材料和仿生材料 自然界存在的天然生物材料有著人工材料無(wú)可比擬的優(yōu)越性能。生物材料通常有兩個(gè)定義，一是有生命過(guò)程形成的材料，如結(jié)構(gòu)蛋白（蠶絲等）和生物礦物（骨、牙、貝殼等），另一個(gè)是指生物醫(yī)用材料(Biomedical materials),其定義隨醫(yī)用材料的發(fā)展不斷發(fā)展，指用于取代、修復(fù)活組

4、織的天然或人造材料。 天然生物材料是經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的自然選擇與進(jìn)化，在細(xì)胞調(diào)制下形成的，其基本組成單元很平常，但材料的微觀結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，具有空間上的分級(jí)結(jié)構(gòu)，通常是兩相或多相的復(fù)合材料，表現(xiàn)出人工合成材料無(wú)法比擬的性能。 生物體的啟示：生命體中特殊機(jī)能的智能化大多與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。如昆蟲復(fù)眼感光膜的視覺神經(jīng)纖維具微納米結(jié)構(gòu)（由緊密排列的柱狀的微絨毛構(gòu)成，絨毛的長(zhǎng)度約1-2um、直徑約60nm)；鯊魚皮膚表面具有排列有序的微小鱗狀突起 仿生材料（Bio-inspired）： 受生物啟發(fā)或者模擬生物的各種特性而開發(fā)的材料。 材料的仿生包括模仿天然生物材料的成分和結(jié)構(gòu)特征的成分、結(jié)構(gòu)仿生、模仿生物體中

5、形成材料的過(guò)程和加工制備仿生、模仿生物體系統(tǒng)功能的功能仿生。 二、 智能材料1、什么是智能材料？ 材料一般分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類。對(duì)結(jié)構(gòu)材料主要要求其機(jī)械強(qiáng)度，而對(duì)功能材料側(cè)重于其特有的功能。功能材料對(duì)來(lái)自外界或內(nèi)部的各種信息具有感知能力的敏感材料 在外界環(huán)境或內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)能對(duì)之作出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)并產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)材料 20世紀(jì)80年代，人們提出了智能材料的概念。如果能把感知、驅(qū)動(dòng)（執(zhí)行）和信息等三種功能材料有機(jī)地復(fù)合或集成于一體就可能實(shí)現(xiàn)材料的智能化。智能材料是繼天然材料、人造材料、精細(xì)材料之后的第四代功能材料。 智能材料(Intelligent material，Smart ma

6、terial )是一種能從自身的表層或內(nèi)部獲取關(guān)于環(huán)境條件及其變化的信息，并進(jìn)行判斷、處理和作出反應(yīng)，以改變自身的結(jié)構(gòu)與功能并使之很好地與外界相協(xié)調(diào)的具有自適應(yīng)性的材料系統(tǒng)。 智能材料需具備以下內(nèi)涵：（1）具有感知功能，能夠檢測(cè)并且可以識(shí)別外 界（或者內(nèi)部）的刺激強(qiáng)度，如電、光、 熱、應(yīng)力、應(yīng)變、化學(xué)、核輻射等；（2）具有驅(qū)動(dòng)功能，能夠響應(yīng)外界變化；（3）能夠按照設(shè)定的方式選擇和控制響應(yīng)；（4）反應(yīng)比較靈敏、及時(shí)和恰當(dāng)；（5）當(dāng)外部刺激消除后，能夠迅速恢復(fù)到原始 狀態(tài)。 智能材料必須具備感知、控制和驅(qū)動(dòng)三個(gè)基本要素。 智能材料一般由兩種或兩種以上的材料復(fù)合構(gòu)成一個(gè)智能材料系統(tǒng)。 智能材料 智能

7、材料在材料系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)中，可將傳感、控制 和驅(qū)動(dòng)三種職能集于一身，通過(guò)自身對(duì) 信息的感知、采集、轉(zhuǎn)換、傳輸和處 理，發(fā)出指令并執(zhí)行和完成相應(yīng)的動(dòng) 作，從而賦予材料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康自診 斷、偏差自校正、損傷自修復(fù)與環(huán)境自 適應(yīng)等智能功能和生物特征，以達(dá)到增 強(qiáng)結(jié)構(gòu)安全、降低能量消耗和提高整體 性能的目的的一種材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)。2. 智能材料的特征 3. 智能材料的基本結(jié)構(gòu) 智能材料不是一種單一的材料，而是一個(gè)由多種材料組元通過(guò)有機(jī)緊密復(fù)合或嚴(yán)格地科學(xué)組裝而構(gòu)成的材料系統(tǒng)，是一種智能機(jī)構(gòu)。 傳感器執(zhí)行器控制器 智能機(jī)構(gòu)材料自身能夠探測(cè)到外部環(huán)境狀態(tài)的變化能夠自動(dòng)地執(zhí)行改變材料狀態(tài)的指令能夠?qū)μ綔y(cè)到的外部環(huán)

8、境的變化作出判斷，并給出相應(yīng)的改變材料狀態(tài)的指令 智能材料的構(gòu)成 智能材料由基體材料、敏感材料、驅(qū)動(dòng)材料和信息處理器四部分構(gòu)成。 (1)基體材料 基體材料擔(dān)負(fù)著承載的作用，一般宜選用輕質(zhì) 材料。 首選高分子材料，因?yàn)槠渲亓枯p、耐腐蝕。 其次也可選用金屬材料，以輕質(zhì)有色合金為主。 (2)敏感材料敏感材料擔(dān)負(fù)著傳感的任務(wù)，其主要作用是感知 環(huán)境變化（包括壓力、應(yīng)力、溫度、電磁場(chǎng)、 PH值等）。 常用敏感材料：形狀記憶材料、壓電材料、光纖 材料、磁致伸縮材料、電致變色 材料、電流變體、磁流變體和液 晶材料等。 (3)驅(qū)動(dòng)材料因?yàn)樵谝欢l件下驅(qū)動(dòng)材料可產(chǎn)生較大的應(yīng)變和 應(yīng)力，所以它擔(dān)負(fù)著響應(yīng)和控制的任

9、務(wù)。 常用有效驅(qū)動(dòng)材料：形狀記憶材料、壓電材料、 電流變體和磁致伸縮材料等。 (4)其它功能材料 包括導(dǎo)電材料、磁性材料、光纖和半導(dǎo)體材料等。 如：將光導(dǎo)纖維、形狀記憶合金和鎵砷化合物半導(dǎo)體 控制電路埋入復(fù)合材料中。光導(dǎo)纖維傳感元件(檢測(cè)結(jié)構(gòu)中的 應(yīng)變和溫度)形狀記憶合金執(zhí)行元件 (使結(jié)構(gòu)動(dòng)作 改變性狀)半導(dǎo)體控制電路控制系統(tǒng)(根據(jù)傳感元件的信 息驅(qū)動(dòng)元件動(dòng)作)智能材料 智能結(jié)構(gòu)的動(dòng)作流程圖識(shí)別分析判斷行動(dòng)驅(qū)動(dòng)元件自適應(yīng)地改變結(jié)構(gòu)形狀、剛度、位置、應(yīng)力狀態(tài)、固有頻率等智能材料 智能變色材料由于光、電、熱等外界條件的作用，使料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化從而改變材料對(duì)光波吸收的特性，使材料呈現(xiàn)出不同的顏色。

10、l光色玻璃l電致變色薄膜智能材料 光色玻璃(變色玻璃) 能夠隨照射光強(qiáng)的變化而改變顏色。原因：含有在光照下能發(fā)生可逆變化的亞穩(wěn)態(tài)色心：在光波的照射下，色心的光吸收特性發(fā)生改變，從而使光色玻璃表現(xiàn)出隨光照而改變顏色的特性。l同相型光色玻璃l異相型光色玻璃智能材料 同相型光色玻璃亞穩(wěn)態(tài)色心與玻璃基質(zhì)具有相同 的相。如：光學(xué)玻璃的組分中加入氧化鈰（選擇吸收） 色心：能變價(jià)的鈰離子紫藍(lán)光波4f5d鈰離子內(nèi)電子躍遷鈰離子恢復(fù)電子狀態(tài)4f5d光減弱玻璃逐漸由高透明 態(tài)轉(zhuǎn)向深黃褐色玻璃逐漸恢復(fù)高透明態(tài) 異相型光色玻璃亞穩(wěn)態(tài)色心是與玻璃基質(zhì)不同的 光敏晶相物質(zhì)。如：鹵化銀光色玻璃 色心：鹵化銀晶體玻璃組分中加

11、入鹵化銀光照(紫外到藍(lán)紫波段)析出游離態(tài)銀離子 對(duì)光散射強(qiáng)(著色狀態(tài))光化學(xué)反應(yīng)高溫熔融冷卻析出亞微米尺度的鹵化銀對(duì)光散射很小(高透明狀態(tài))無(wú)光照銀離子化合成鹵化銀去除光照室溫?zé)峒せ?光色玻璃的應(yīng)用：圖18 變色太陽(yáng)鏡汽車、飛機(jī)、船舶的前向玻璃或觀察窗玻璃，起防眩作用等。智能材料 電致變色薄膜電致變色現(xiàn)象(Electrochromism)材料在電場(chǎng)作用下所引起的顏色變化，這種變化是可逆的、連續(xù)可調(diào)的(透過(guò)率、吸收率、反射率三者比例關(guān)系可調(diào)）。應(yīng)用：智能窗(調(diào)節(jié)玻璃透光特性)機(jī)理：一些氧化物薄膜在電場(chǎng)的作用下能夠發(fā)生電子的交換，導(dǎo)致顏色的改變。 智能材料 智能窗結(jié)構(gòu)示意圖著色和退色的電化學(xué)反應(yīng)如

12、下： Ni1-xO(初始態(tài)) + yM+ + ye- MyNi1-xO (著色態(tài)) MyNil-xO (著色態(tài)) My-2N1-xO(退色態(tài)) + 2M+ + 2e-氧化還原的電化學(xué)反應(yīng)玻璃基片透明電極(氧化銦錫膜)離子注入膜快離子導(dǎo)體隔膜電致變色膜(-WO3、NiO薄膜) 藍(lán)色、灰色 法拉利首款自動(dòng)硬頂敞篷車玻璃車頂采用了利用電場(chǎng)變化來(lái)改變顏色的電致變色技術(shù)，可對(duì)透過(guò)率進(jìn)行5級(jí)調(diào)整。 智能窗的應(yīng)用：智能材料 汽車防眩目后視鏡汽車夜間行駛時(shí)根據(jù)后面行駛車輛前大燈射出的光線照射到后視鏡上產(chǎn)生的眩目光程度，自動(dòng)控制后視鏡的透光度，以減少后視鏡鏡面的反射光強(qiáng)度，使駕駛員既能舒服的通過(guò)后視鏡了解后面行

13、駛車輛及行人的情況，又能安全駕駛汽車。 汽車防眩目后視鏡是當(dāng)前玻璃制造業(yè)前沿產(chǎn)品-電致變色玻璃在汽車上的應(yīng)用。智能材料 4 . 智能材料的應(yīng)用在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用智能材料與住宅智能化 與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相聯(lián)系的智能材料 閱讀材料智能材料 在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用 （1）智能蒙皮 光纖作為智能傳感元件用于飛機(jī)機(jī)翼的智能蒙皮中，或者在武器平臺(tái)的蒙皮中植入傳感元件、驅(qū)動(dòng)元件和微處理控制系統(tǒng)制成的智能蒙皮，可用于預(yù)警、隱身和通信。 （2）結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)和壽命預(yù)測(cè) u采用光纖傳感器和聚偏氟乙烯傳感器的智能 結(jié)構(gòu)可對(duì)機(jī)翼、機(jī)架以及可重復(fù)使用航天運(yùn) 載器進(jìn)行全壽命期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、損傷評(píng)估和壽 命預(yù)測(cè)；u空間站等大型在軌系統(tǒng)采用光纖智

14、能結(jié)構(gòu)， 可實(shí)時(shí)探測(cè)由于交會(huì)對(duì)接碰撞、隕石撞擊或 其他原因引起的損傷，對(duì)損傷進(jìn)行評(píng)估，實(shí) 施自診斷。 （3）環(huán)境自適應(yīng)結(jié)構(gòu) 智能結(jié)構(gòu)制成的自適應(yīng)機(jī)翼，能夠?qū)崟r(shí)感知外界環(huán)境的變化，并可以驅(qū)動(dòng)機(jī)翼彎曲、扭轉(zhuǎn)，從而改變翼型和攻角，以獲得最佳氣動(dòng)特性，降低機(jī)翼阻力系數(shù)，延長(zhǎng)機(jī)翼的疲勞壽命。 在機(jī)翼結(jié)構(gòu)中使用磁致伸縮致動(dòng)器，可使機(jī)翼阻力降低85%。 智能材料與住宅智能化 （1）多功能磚 具有變通性和智能性。主要由四個(gè)分層構(gòu)成：第一層是功能層，能感受來(lái)自周圍的聲能、熱能、光能，并能控制這些能量的輸出；第二層是通訊層，能為居住者提供內(nèi)外通信聯(lián)系的通道；第三層是輸送通道，可以用來(lái)輸送水和其它材料；第四層面膜是

15、磚材的最上層，也具有多功能性。如壁膜可以使墻壁產(chǎn)生不同的色彩和圖案；傳感膜可以接收聲波、熱能和可見光并予以減弱或增強(qiáng)；地膜可產(chǎn)生耐久的色彩和圖案；界面膜可連接內(nèi)外通信線路。 （2）食物器皿 在毫微塑料的桌面上旋轉(zhuǎn)的碗不僅能測(cè)知食物的存在，而且可以根據(jù)用戶的需要自行形成各種形狀的碟子，供準(zhǔn)備、烹調(diào)和上菜時(shí)使用。并且這種盛食物的碗還具有保溫和在不使用冰箱的情況下保鮮的功能。 （3）座椅 用毫微塑料制作的坐椅不僅功能將大大增加，而且也將增加舒適程度。使用毫微塑料能改變椅座面的柔韌性和彈性，也可以形成各種型式的椅座面。毫微塑料可以形成所需的任何圖案或結(jié)構(gòu)，還能改變座椅本身的結(jié)構(gòu)。由于不同年齡段的人對(duì)溫

16、度舒適性的要求有很大區(qū)別，座椅還可以隨心所欲地升溫和降溫，甚至對(duì)人們喜愛的舒適溫度具有記憶功能。 與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相聯(lián)系的智能材料 （1）人造肌肉 生物彈性材料能模擬活體生物，而且其力量 和反應(yīng)速度均接近于人體的肌肉。 生物彈性材料可以應(yīng)用于人體組織的修復(fù)， 具有與生物體的相容性，隨著傷口的愈合， 這種聚合物就會(huì)在體內(nèi)逐漸降解，最后將會(huì) 消失。 （2）人造皮膚意大利比薩大學(xué)的科研人員為了使機(jī)器人與 真人更接近，讓它的皮膚具有感覺功能，研 制成功一種人造皮膚智能材料。 材料可以感知溫度、熱流的變化以及各種應(yīng) 力的大小，并且有良好的空間分辨力。 這種智能材料還可以分辨表面狀況，例如， 粗糙度、摩擦力等。

17、 （3）在藥物自動(dòng)投入系統(tǒng)上的應(yīng)用 科學(xué)家正在研制一種能根據(jù)血液中的葡萄糖 濃度而擴(kuò)張收縮的聚合物，這種聚合物可制 成人造胰細(xì)胞，將它注入糖尿病患者的血液 中，小球就可模擬胰細(xì)胞工作，使病人的血 糖濃度始終保持在平常的水平上。 60年 代 初 的 一 天 ， 美 國(guó) 海 軍 軍 械 實(shí) 驗(yàn) 室 的 研 究 人 員 領(lǐng) 來(lái)了 一 批 鎳 鈦 合 金 絲 ， 也 許 是 制 造 過(guò) 程 中 處 理 不 當(dāng) ， 合 金 絲 被弄 彎 了 ， 他 們 只 能 一 根 一 根 地 將 合 金 絲 校 直 。 有 人 順 手 把 校直 的 合 金 絲 堆 放 在 爐 子 的 旁 邊 。 這 時(shí) 意 外 的

18、 事 情 發(fā) 生 了 ， 一些 校 直 的 的 合 金 絲 在 爐 溫 的 烘 烤 下 ， 不 一 會(huì) 兒 就 恢 復(fù) 到 原 來(lái)彎 曲 的 形 狀 。 于 是 不 得 不 重 新 校 直 合 金 絲 。 起 初 ， 他 們 沒(méi) 有在 意 ， 還 是 把 校 直 的 合 金 絲 堆 放 在 爐 旁 ， 結(jié) 果 合 金 絲 又 彎 曲了 ， 這 種 現(xiàn) 象 重 復(fù) 出 現(xiàn) 了 多 次 ， 直 到 人 們 把 校 直 的 合 金 絲 換了 一 地 方 堆 放 ， 不 再 受 到 爐 溫 的 烘 烤 以 后 ， 合 金 絲 才 繼 續(xù) 保持 挺 直 的 形 狀 。 軍 械 實(shí) 驗(yàn) 室 的 研 究 人

19、 員 緊 緊 地 抓 住 了 上 述 的 意 外 的 事 情 ，開 展 反 復(fù) 的 實(shí) 驗(yàn) 研 究 ， 終 于 發(fā) 現(xiàn) 含 50%鎳 和 50%鈦 的 合 金 在 溫度 升 高 40 以 上 時(shí) ， 能 “ 記 住 ” 自 己 原 來(lái) 的 形 狀 。 科 學(xué) 家 把 這 種 現(xiàn) 象 叫 做 形 狀 記 憶 效 應(yīng) ， 具 有 記 憶 功 能 的 合 金 稱 為 形 狀 記 憶 合 金 。 閱讀材料有 記 憶 的 金 屬 科 學(xué) 家 早 在 60年 代 就 發(fā) 現(xiàn) 了 鈦 鎳 合 金 是 有“ 記 憶 ” 的 。 這 種 “ 記 憶 金 屬 ” 制 成 的 衛(wèi)星 自 展 天 線 在 升 空 前

20、只 有 巴 掌 大 小 ， 到 了太 空 加 熱 后 就 會(huì) 展 開 到 四 五 米 ！ 3. 形狀記憶合金 形狀記憶效應(yīng)(Shape Memory Effect):一旦取消外力或改變溫度,使發(fā)生塑性變形后的合金又能恢復(fù)原來(lái)的形狀。 形狀記憶效應(yīng)有三種形式:單向形狀記憶效應(yīng)、雙向形狀記憶效應(yīng)和全方位形狀記憶效應(yīng)。 冷卻冷卻冷卻冷卻冷卻變形變形變形加熱加熱加熱高溫時(shí)形狀 (a) (b) (c) 5、 科 普 展 覽 會(huì) 上 有 一 種 神 奇 的 金 屬 花 ，記 憶 合 金 ” 花 朵 ” ， 它 的 花 瓣 是 用 記 憶合 金 制 成 的 ， 具 有 記 憶 能 力 ， 燈 光 一 照會(huì)

21、綻 開 。 雙程CuZnAl記憶合金花 采用CuZnAl記憶合金片，以熱水或熱風(fēng)為熱源，開放溫度為65 85，閉合溫度為室溫?；ɡ僦睆?0mm,展開直徑200mm。動(dòng)作幅度為1800。另外，可據(jù)用戶要求訂做。 工業(yè)常用形狀記憶合金作開關(guān)，用于火警探測(cè)系統(tǒng)等。 由于生物相容性好，Ti-Ni合金是目前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域使用的唯一的形狀記憶合金。 形狀記憶合金更多的潛在應(yīng)用是埋置在材料里組成智能復(fù)合材料。 記憶釘子 菲 力 浦 公 司 研 制 了 一 種 由 “ 記 憶 金 屬 ” 制 成 的 釘 子 ,把 它 安 在 汽 車 外 胎 上 ， 當(dāng) 氣 溫 降 低 、 公 路 結(jié) 冰 時(shí) ， 釘子 會(huì) “ 自

22、動(dòng) ” 從 外 胎 里 伸 出 來(lái) ， 防 止 車 輪 打 滑 。 “記 憶 金 屬 ” 食 道 架 能 在 喉 部 膨 脹 成 新 的 食 道 。 必 要 時(shí)只 要 向 食 道 里 加 上 冰 塊 ， “ 食 道 ” 又 會(huì) 遇 冷 收 縮 ， 從 而 可輕 易 取 出 ， 使 失 去 進(jìn) 食 功 能 的 食 道 癌 患 者 提 高 了 生 活 質(zhì) 量 。 記憶食道支架 用 這 種 “ 記 憶 金 屬 ” 造 出 汽 車 ， 萬(wàn) 一 被 撞 癟 ， 只 要澆 上 一 桶 熱 水 就 可 恢 復(fù) 到 原 來(lái) 的 形 狀 。汽車 人 們 蓋 上 用 記 憶 合 金 絲 混 合 羊 毛 織 成 的

23、 毛 毯 后 ， 如毛 毯 溫 度 過(guò) 熱 ， 它 就 會(huì) 自 動(dòng) 掀 開 一 部 分 ， 適 當(dāng) 降 低 溫度 ， 使 人 睡 得 更 安 穩(wěn) 。記憶毛毯記憶照明燈 法 國(guó) 巴 黎 用 形 狀 記 憶 合 金 制 造 的 城 市 照 明 燈 ， 有 兩 瓣隨 著 燈 的 亮 滅 而 逐 漸 張 開 或 合 上 的 金 屬 葉 片 。 白 天 ， 路 燈熄 滅 ， 葉 片 合 上 ； 傍 晚 ， 路 燈 亮 起 燈 泡 發(fā) 熱 ， 葉 片 受 熱 而逐 漸 張 開 ， 使 燈 泡 顯 露 出 來(lái) 。 形狀記憶合金的特點(diǎn)形狀記憶合金材料是一種新型的功能材料，其特點(diǎn)是在一定的外力作用下可以改變其形

24、態(tài)(形狀和體積)，但當(dāng)溫度升高到某一定值時(shí)，它又可完全恢復(fù)原來(lái)的形態(tài)。 通過(guò)形狀記憶合金模仿肌肉的收縮來(lái)實(shí)現(xiàn)人工肌肉的功能。用背部的金屬纖維振動(dòng)翅膀 形狀記憶合金的用途（一）在航空上的應(yīng)用月球上的“奇葩”在室溫下用形狀記憶合金制成拋物面天線，然后把它揉成直徑5厘米以下的小團(tuán)，放入阿波羅11號(hào)的艙內(nèi)，在月面上經(jīng)太陽(yáng)光的照射加熱使它恢復(fù)到原來(lái)的拋物面形狀。這樣就能用空間有限的火箭艙運(yùn)送體積龐大的天線了。 宇 宙 飛 船 登 月 的 月 面 天 線 宇 宙 飛 船 登 月 之 后 ， 為 了 將 月 球 上 收 集 到 的各 種 信 息 發(fā) 回 地 球 ， 必 須 在 月 球 上 架 設(shè) 直 徑 為

25、 好幾 米 的 半 月 面 天 線 。 要 把 這 個(gè) 龐 然 大 物 直 接 放 入宇 宙 飛 船 的 船 艙 中 幾 乎 是 不 可 能 。 科 研 人 員 先 用硬 度 和 剛 性 非 常 好 的 鎳 鈦 合 金 在 40 以 上 制 成 半球 面 的 月 面 天 線 ， 再 讓 天 線 冷 卻 到 28 以 下 。 這時(shí) 合 金 內(nèi) 部 發(fā) 生 了 結(jié) 晶 構(gòu) 造 轉(zhuǎn) 變 ， 變 得 非 常 柔 軟 ，很 容 易 把 天 線 折 疊 成 小 球 似 的 一 團(tuán) ， 放 進(jìn) 宇 宙 飛船 的 船 艙 里 。 到 達(dá) 月 球 以 后 ， 宇 航 員 把 變 軟 的 天線 放 在 月 面 上

26、 ， 借 助 于 太 陽(yáng) 光 照 射 或 其 它 熱 源 的烘 烤 使 環(huán) 境 溫 度 超 過(guò) 40 ， 這 時(shí) 天 線 像 一 把 折 疊傘 自 動(dòng) 張 開 ， 迅 速 投 入 正 常 的 工 作 。 閱讀材料 形狀記憶合金的用途（二） 在 醫(yī) 學(xué) 上 的 應(yīng) 用 合 金 作 為 驅(qū) 動(dòng) 元 件 ， 具 有 可 動(dòng) 的 肩 、 肘 、 腕 及手 指 的 微 型 機(jī) 械 手 。 手 指 和 手 腕 靠 TiNi合 金 螺旋 彈 簧 的 伸 縮 實(shí) 現(xiàn) 開 閉 和 彎 曲 動(dòng) 作 ， 肘 和 肩 是靠 直 線 狀 的 TiNi合 金 絲 的 伸 縮 做 彎 曲 動(dòng) 作 ， 各個(gè) 形 狀 記 憶

27、合 金 驅(qū) 動(dòng) 元 件 都 由 直 接 通 上 的 脈 寬可 調(diào) 電 流 加 以 控 制 。 6、 醫(yī) 療 上 用 鎳 鈦 形 狀 記 憶 合 金 制 造 牙齒 的 矯 正 器 、 凝 血 過(guò) 濾 器 ， 腦 動(dòng) 脈 瘤 手術(shù) 夾 鉗 、 人 造 心 臟 瓣 膜 、 脊 椎 矯 正 器 、骨 折 部 位 的 定 位 夾 具 等 ， 給 病 人 帶 來(lái) 福音 。 將 “ 記 憶 金 屬 ” 做 成 “ 金 屬 食 道支 架 ” ， 能 在 患 者 喉 部 膨 脹 成 新 的 食 道 ，必 要 時(shí) 只 要 向 食 道 里 加 冰 塊 ， “ 食 道 ”又 會(huì) 遇 冷 收 縮 ， 從 而 可 輕 易

28、 取 出 。 隨 著 社 會(huì) 的 發(fā) 展 ， 我 們 對(duì) 金 屬 的 認(rèn) 識(shí) 也 在 增加 。 并 且 ， 也 希 望 新 的 材 料 的 誕 生 。 也 許 在不 遠(yuǎn) 將 來(lái) ， 我 們 都 會(huì) 擁 有 一 輛 由 “ 記 憶 金 屬 ”制 作 的 汽 車 ， 我 們 再 也 不 怕 把 汽 車 碰 撞 的 凹凸 不 平 而 心 痛 惋 惜 了 。 這 種 “ 記 憶 金 屬 ” 即是 鎳 鈦 合 金 。 如 把 這 樣 一 塊 金 屬 進(jìn) 行 加 熱 ，它 將 形 成 一 定 的 形 態(tài) 。 冷 卻 后 ， 任 意 揉 皺 ，或 使 它 彎 曲 ， 再 加 熱 后 ， 它 又 恢 復(fù) 了

29、原 狀 。變 形 汽 車 科 學(xué) 家 還 用 記 憶 合 金 做成 食 道 支 架 ， 對(duì) 失 去 進(jìn)食 功 能 的 食 道 癌 患 者 來(lái)說(shuō) ， “ 記 憶 金 屬 ” 食 道架 能 在 喉 部 膨 脹 成 新 的食 道 ， 必 要 時(shí) 只 要 向 食道 里 加 上 冰 塊 ， “ 食 道 ”又 會(huì) 遇 冷 收 縮 ， 從 而 可輕 易 取 出 。 人 造 食 道 一 般 眼 鏡 架 于 耳 上 ，使 人 感 到 不 自 在 。本 設(shè) 計(jì) 引 用 記 憶 金屬 ， 適 合 頭 部 不 同形 狀 和 大 小 ， 兼 具防 滑 作 用 ， 不 佩 戴時(shí) ， 可 置 于 頭 上 ，防 止 遺 失

30、。記 憶 眼 鏡 防 火 煙 灰 缸 日本研制出用記憶金屬制造的煙灰缸，可自動(dòng)將吸煙者置于煙灰缸邊上的香煙熄火。這種煙缸利用記憶金屬隨溫度變形的特點(diǎn)，當(dāng)香煙燃至一定的程度，處于水平狀態(tài)下的金屬片外端就會(huì)自動(dòng)抬起，使煙頭傾斜落入缸內(nèi)，這種煙灰缸能有效的避免吸煙者因忘記熄滅香煙而發(fā)生火災(zāi)，很受吸煙者歡迎。 法 國(guó) 巴 黎 用 形 狀 記 憶 合 金 制 造 的 城 市 照明 燈 ， 有 兩 瓣 隨 著 燈 的 亮 、 滅 而 逐 漸 張開 或 合 上 的 葉 片 。 白 天 ， 路 燈 熄 滅 ， 葉片 合 上 ， 傍 晚 之 后 ， 葉 片 受 燈 泡 熱 度 的作 用 而 逐 漸 張 開 ，

31、讓 燈 泡 顯 露 出 來(lái) 。 記 憶 照 明 燈用 記 憶 金 屬 制 成 的 釘 子 安 在 汽 車 的 外胎 上 ， 當(dāng) 遇 氣 溫 降 低 公 路 上 結(jié) 有 冰 霜時(shí) ， 釘 子 會(huì) 自 動(dòng) 從 外 胎 里 伸 出 來(lái) ， 防此 輪 胎 打 滑 。 記 憶 釘 子 記 憶 合 金 管 的 接 頭 記 憶鉚釘 形狀記憶合金的用途歸納 (1)汽車：后霧燈罩、手動(dòng)變速箱的防噪音裝置、燃料蒸發(fā)氣體排出控制閥；(2)電子設(shè)備：電子爐灶換氣門的開閉器、空調(diào)風(fēng)向自動(dòng)調(diào)節(jié)器、咖啡牛奶沸騰感知器、電飯鍋壓力調(diào)節(jié)器、電磁調(diào)理器過(guò)熱感知器、溫泉浴池調(diào)理器等；(3)安全器具：過(guò)熱報(bào)警器、火災(zāi)報(bào)警器、煙灰缸滅

32、火栓等；(4)醫(yī)療方面：人工牙根、牙齒矯正絲、導(dǎo)線等；(5)生活用品：自動(dòng)干燥庫(kù)門開閉器、衛(wèi)生間洗滌器水管轉(zhuǎn)換開關(guān)、空調(diào)進(jìn)出口風(fēng)向調(diào)節(jié)器、浴池保溫器、玩具、路標(biāo)方向指示轉(zhuǎn)換器、家庭換氣門開閉器、防火擋板、凈水器熱水防止閥、恒溫箱混合水栓溫度調(diào)節(jié)閥、眼鏡固定件、眼鏡框架、胸罩絲、釣魚線、便攜電話天線、裝飾品等。 非 晶 態(tài) 合 金 和 金 屬 玻璃 1960年 ， 美 國(guó) 科 學(xué) 家 皮 杜 威 等 首 先 發(fā) 現(xiàn) 某 些液 態(tài) 貴 金 屬 合 金 ， 如 金 硅 合 金 等 在 冷 卻 速 度 非 常快 的 情 況 下 ， 當(dāng) 金 屬 內(nèi) 部 的 原 子 來(lái) 不 及 ” 理 順 ”位 置 ， 仍 處 于 無(wú) 序 的 紊 亂 狀 態(tài) 時(shí) ， 便 馬 上 凝 固 了 ，成 為 非 晶 態(tài) 金 屬 。 這 些 非 晶 態(tài) 金 屬 材 料 的 結(jié) 構(gòu) 與玻 璃 的 結(jié) 構(gòu) 極 為 相 似 ,所 以 又 稱 為 “ 金 屬 玻璃 ” 非 晶 態(tài) 合 金 制 品 可 以 由 液 體 金 屬 一 次 直接 成 型 ， 省 去 了 鑄 、 鍛 等 加 工 工 序 ， 而 且 邊 角 余料 可 全 部 回 收 ， 能 極 大 節(jié) 省 能 源 和 材 料 。 閱讀材料大 塊 金 屬 玻 璃 Class is over.Bye-bye!