智能材料與結(jié)構(gòu)

2020年2月21日，《教育部關(guān)于公布2019年度普通高等學(xué)校本科專業(yè)備案和審批結(jié)果的通知》（教高函〔2020〕2號），公布“2019年度普通高等學(xué)校本科專業(yè)備案和審批結(jié)果”的“新增審批本科專業(yè)名單”有新專業(yè)“智能材料與結(jié)構(gòu)”。 2100433B

黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)

湖南：湖南科技大學(xué)

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(yuǎn)意義 4

第二節(jié)智能材料結(jié)構(gòu)與系統(tǒng) 6

一、智能材料結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)用基礎(chǔ)材料 6

二、智能結(jié)構(gòu)與系統(tǒng) 11

三、智能材料系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)的應(yīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)用 23

四、智能壓電材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的發(fā)展前景 24

第二節(jié)壓電陶瓷 25

一、壓電陶瓷的基礎(chǔ) 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(chǔ) 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(fù)合材料 52

一、簡介 52

二、壓電陶瓷/聚合物復(fù)合材料的設(shè)計 53

三、壓電陶瓷/聚合物復(fù)合材料的制備工藝 55

四、壓電陶瓷/聚合物復(fù)合材料的性能 57

五、幾種典型的壓電復(fù)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(chǔ) 65

一、簡介 65

吁

二、國內(nèi)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(yīng)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(chǔ)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(chǔ)知識 165

二、已批量生產(chǎn)應(yīng)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(fù)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(chǔ)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(shè)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(yīng)用 237

第六章智能凝膠 244

第一節(jié)基礎(chǔ)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(zhì) 245

四、智能型凝膠的應(yīng)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(luò)智能凝膠 263

七、納米金/智能凝膠復(fù)合物 265

八、鉀離子響應(yīng)型單分散智能凝膠微球 266

九、智能凝膠微機械元件的設(shè)計 268

第三節(jié)刺激響應(yīng)型有機小分子凝膠 270

一、簡介 270

二、刺激響應(yīng)型有機小分子凝膠的類型與特性 271

第七章智能光導(dǎo)纖維 287

第一節(jié)智能光纖的要求 287

一、對智能光纖的技術(shù)要求 287

二、智能材料中的特種光纖 288

三、智能材料結(jié)構(gòu)中光纖傳感器的結(jié)構(gòu)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(shù) 341

四、塑料光纖的性能 348

五、塑料光纖的應(yīng)用 350

參考文獻(xiàn) 352"

智能材料是一種能感知外部刺激，能夠判斷并適當(dāng)處理且本身可執(zhí)行的新型功能材料。智能材料與智能結(jié)構(gòu)有著巨大的潛在的應(yīng)用前景，其發(fā)展將推動和帶動許多方面的技術(shù)進(jìn)步。本書介紹了智能材料的仿生構(gòu)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(gòu)成原理，應(yīng)用領(lǐng)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(xué)生、研究生及教師閱讀。

智能材料是材料科學(xué)不斷向前發(fā)展的必然結(jié)果，是信息技術(shù)溶入材料科學(xué)的自然產(chǎn)物，它的問世，標(biāo)志和宣告第5代新材料的誕生，也預(yù)示著在21世紀(jì)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(nèi)已成為材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的熱點之一，甚至有人把21世紀(jì)稱為智能材料世紀(jì)。

如果說20世紀(jì)的人類社會文明的標(biāo)志是合成材料，那么下個世紀(jì)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(xué)同樣承擔(dān)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(diào)節(jié)、修飾和修復(fù)。已經(jīng)知道高分子具有軟物質(zhì)的最典型的特征，即易于對外場作出響應(yīng)。軟物質(zhì)（soft matter）是指易于發(fā)生變形的那類物質(zhì)。軟物質(zhì)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(zhì)帶來重要的影響。軟物質(zhì)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(zhì)等。軟物質(zhì)在物質(zhì)科學(xué)的研究中被越來越多的提及，產(chǎn)生了研究軟物質(zhì)的專門學(xué)科－－軟物理（soft physics）。軟物質(zhì)可以用來研究凝聚態(tài)物理學(xué)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?fù)淙毕荩╰opological defects）之間的聯(lián)系。軟物質(zhì)研究的另一方面的意義是軟物質(zhì)的應(yīng)用。前面提及的軟物質(zhì)所包括的那些物質(zhì)，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(xué)變軟的提法。軟物質(zhì)的研究雖然主要還是在凝聚態(tài)物理的學(xué)術(shù)圈中進(jìn)行，但其研究領(lǐng)域則涉及數(shù)學(xué)、化學(xué)、化工、材料、生物及其交叉學(xué)科，被認(rèn)為是下個世紀(jì)物質(zhì)科學(xué)及其相關(guān)學(xué)科中的重點研究內(nèi)容之一。因此在高分子化學(xué)的研究中，引進(jìn)軟物質(zhì)的概念，利用外場的變化構(gòu)建高分子材料的特殊結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)外場作用下高分子材料的作用和功能的實時調(diào)制，應(yīng)是高分子智能材料研究的重要內(nèi)容。

廣義上的智能材料也應(yīng)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(zhì)，因此軟物質(zhì)科學(xué)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(zhì)分子的自組裝，但卻沒有蛋白質(zhì)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(jié)構(gòu)，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(zhì)分子或有特定序列結(jié)構(gòu)的合成高分子，研究這些表面分子折疊的方法、規(guī)律、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，再通過化學(xué)環(huán)境、溫度和應(yīng)力等外場來調(diào)節(jié)這些軟有序結(jié)構(gòu)，從而控制外界信號向合成膜內(nèi)的傳遞，實現(xiàn)生物活性的形成和調(diào)控，嘗試合成高分子生命材料。