材料學的發展歷程:天然材料|||火成材料|||合成材料||||復合材料||||智能材料。
材料科學的發展特點:超提純、量子化、復合化、智能化和可設計性。
材料科學的發展本質上是材料復合化和智能化的過程。
材料的智能化包括材料功能的復合和仿生材料。
材料的智能化體現在:√生物信息化√生物材料智能化√功能材料智能化√結構材料智能化。
材料的自適應性:
材料適應環境變化的能力或功能，即“S特性”，包括自診斷、自調整、自適應、自恢復和自修復。
材料的敏捷性用來評價和表征材料的敏捷性。RND和DNA的MSQ被定義為1000。
智能結構的智商用於評價和表征結構的動態響應能力，細胞的MIQ定義為1000。
智能材料的定義:具有感知環境（包括內部環境和外部環境）刺激並對其進行分析、處理和判斷，並采取壹定措施做出適當反應的智能特性的材料。
智能材料需要有內涵:
（1）感知功能:檢測和識別外部或內部刺激，如電和光（2）驅動功能:對外部變化做出反應；（3）可以以設定的方式選擇和控制響應；（4）反應迅速、及時和適當；（5）當刺激被去除時，它可以迅速恢復到原始狀態。
嵌入式智能材料:在基體材料中嵌入三種具有傳感、動作和處理功能的原始材料。傳感元件收集和檢測外部環境給出的信息，並控制處理器命令和激勵驅動元件執行相應的動作。
（1）基礎材料:承重，適用於輕質材料（2）敏感材料:感知環境變化（3）驅動材料:響應環境，主要產生應變或應力（4）信息處理器:信息處理和分析。
按智能材料的功能分:光纖、形狀記憶合金、壓電、電流變液和電致伸縮材料。
根據智能材料的來源，它們是金屬基智能材料（形狀記憶合金和形狀記憶復合材料）、無機非金屬基智能材料（壓電陶瓷）和聚合物基智能材料（智能分子膜和智能聚合物熔劑）。
設計智能材料的兩種思路:多功能復合和材料仿生設計：組成:智能傳感元件、驅動元件和控制元件。
智能材料應具有以下生命特征（1感知功能（2反饋功能）（3信息識別和積累功能）
智能設備:傳感器（組件）、驅動器（組件）、控制器（組件）
傳感器（組件）:功能:“感應”外部信息。
對傳感器的要求:
體積小而薄，不影響結構形狀；與原始結構材料的良好耦合；性能穩定可靠；傳感覆蓋面廣；
頻率響應應該很寬；良好的電氣和電磁兼容性；外部幹擾小；可以在建築物的溫度和濕度範圍內工作。
常見的傳感材料:壓電陶瓷|壓電薄膜|光纖|電阻應變|半導體元件。
驅動器（元件）功能:“執行”功能，並自適應地改變結構形狀、剛度、位置、應力、阻尼等參數。
對致動器的要求:與結構基體材料結合良好，結合強度高；靜強度和疲勞強度高；
刺激作用方法簡單、安全；對基體材料無影響，激發所需能量小；激振後變形大，激振力可控；在反復激勵的作用下，性能可以保持穩定；頻響寬、響應快、可控。
常見的驅動材料:壓電陶瓷、壓電薄膜、壓電復合材料、形狀記憶合金、電致伸縮材料和磁致伸縮材料。
智能結構:在基體材料（復合材料）中嵌入傳感元件和驅動元件形成智能結構；智能結構具有壹定的類生命功能；妳能感受到外界環境的變化，並對這種變化做出瞬間的主動反應；它具有自診斷、自適應、自修復和壽命預測的能力，以及通過自動駕駛完成特定功能的能力。
智能結構系統:外部激勵→感知反應→智能結構系統（控制器、傳感器、驅動器）
正壓電效應:在應時上放置重物時，應時表面會出現電荷，電荷與施加的壓力成正比，即正壓電效應；
壓電材料廣泛應用於各種行業:燃氣竈點火器、超聲波清洗機、智能手機、壓電傳感器、聲納、雷達。
壓電材料的分類:單晶壓電材料、壓電陶瓷、壓電聚合物和壓電復合材料。
單晶壓電材料:具有各向異性的天然或人工單晶鐵電材料。
自然界中的大多數晶體都具有壓電效應，如應時、電氣石和若歇爾鹽。
應時（二氧化矽）:良好的均勻性和高居裏點；高阻抗和大機械Q值；性能非常穩定，損耗低，可用於極高頻率；絕緣性好，可在高壓下使用等。
由於應時具有許多優越的性能，它被廣泛使用，特別是用於標準傳感器，如計算機設備中的時間振蕩器。缺點:機電轉換效率低，系統環路增益低。
多晶壓電陶瓷:為了改善壓電材料的性能，人工合成了鈦酸鋇等壓電多晶體，它們具有較高的壓電系數。
壓電陶瓷:與其他壓電材料相比的優勢:√原材料價格低廉；√機械強度好，易加工；√不同的偏振模式和形狀可以獲得各種振動模式；√作為驅動器:重復性好，高頻穩定可靠，靜態能耗低，排量大。
壓電陶瓷是應用最廣泛的，在超聲波應用領域中處於絕對地位。
壓電聚合物:壹種具有壓電效應的新型合成半結晶聚合物；其壓電效應基於極性分子的旋轉，目前性能最好的是聚偏氟乙烯（PVDF）。
PVDF（壓電薄膜）:極性最強的聚合物之壹；
優點:材料柔軟，聲阻抗小，與水匹配性好，適用於醫學超聲診斷聲場測試的水聽器和換能器。
缺點:信噪比不理想，機電耦合系數不夠大，機械損耗和介電損耗比較大，品質因數小。
壓電復合材料:由分散混合在高分子材料中的強介電陶瓷顆粒組成，其處理和用途與高分子壓電材料相同；其壓電性能不僅取決於陶瓷顆粒，還取決於作為基質的聚合物材料的類型，如氧化鋅（Zn0）、硫化鎘（CdS）和氮化鋁（A1N）。
壓電陶瓷的制備過程:配料、混合研磨、預燒結、二次研磨、造粒、成型、塑料射出、形狀加工、電極塗覆、高壓極化和老化測試。
壓電陶瓷的極化機理:在壹定溫度下（t
正壓電效應:對壓電材料施加壓力產生電位差；在力的作用下發生變形，上下表面積累的電荷被釋放；機械能→電能
逆壓電效應:當施加電壓時，產生機械應力；在電場作用下，極化加強，材料變形；電能→機械能
壓電應變常數:應力不變時電場強度產生的應變與電場強度的比值；或者當電場恒定時，由應力引起的電-政治偏移與應力的比率。
壓電電壓常數:電位移壹定時，應力產生的電場強度與應力的比值；或者當應力不變時，電位移產生的應變與電位移的比值。
壓電耦合系數k？（0-1）:表示壓電體將機械能轉換為電能或將電能轉換為機械能的轉換系數；機電耦合系數越大，能量轉換效率越高；
電流變液（ER）:由高介電常數和低電導率的介電顆粒分散在低介電常數的絕緣液體中形成的懸浮體系；它具有電流變特性，能夠快速可逆地響應電場。
在電場作用下，表觀粘度急劇增加，屈服強度呈指數增長，表現出類固體性質；
去除外部電場:流體回到流動狀態。
電流變液的組成
基液:煤油、礦物油、植物油、矽油等。，具有良好的絕緣性、耐高壓性、低粘度和良好的流動性。
介電顆粒:無機材料（矽膠、矽鋁酸鹽、復合金屬氧化物、復合金屬氫氧化物）。
聚合物材料（聚合物半導體顆粒）復合材料（無機材料、聚合物材料復合材料）
相關添加劑:水、酸、堿、鹽類物質和表面活性劑，以增強懸浮液的穩定性和電流變效應。
磁流變液（MR）:由基液和均勻分散的具有高磁導率和低磁滯的磁性固體顆粒組成的懸浮液；
流變特性:（1）零磁場條件下，呈現低粘度牛頓流體特征；（2）強磁場作用下的高粘度低流動性賓漢流體；
磁流變特性由磁場控制，可逆且響應快。
磁流變液的組成
基液:礦物油、合成油、矽油、水等磁性顆粒:鐵、鈷、鎳等磁疇材料，具有高磁導率。
相關添加劑:懸浮劑、抗氧化劑和其他添加劑用於改善其性能。
電流變和磁流變性能比較（均為智能材料）
ER:具有高介電常數和低電導率的介電顆粒；低介電常數的絕緣液體（絕緣）；添加劑
MR:具有高磁導率和低磁滯的磁性固體顆粒；基液（導電或非導電）；相關添加劑
電流變和磁流變都可以控制流體，具有流變特性並且是可逆的。
電流變液的流變特性受電場控制，而磁流變液的流變特性受磁場控制。
形狀記憶效應:金屬材料受到外力作用後，會發生彈性變形→達到屈服點→塑性變形；應力消除後，它們的永久變形無法恢復到初始狀態。然而，壹些材料在塑性變形後，經過適當的熱處理後可以恢復到變形前的形狀。
形狀記憶合金:具有形狀記憶效應的材料，通常是由兩種或兩種以上金屬元素組成的合金。
形狀記憶效應的機理:馬氏體相變理論:馬氏體發生逆相變形成其母相（奧氏體），其形狀得到恢復；變形後，將發生馬氏體轉變的合金加熱到馬氏體轉變和逆轉的最終溫度以上，使低溫馬氏體變回高溫母相，並恢復到變形前的原始形狀。當它再次冷卻時，它通過內部彈性能恢復到馬氏體的形狀。
記憶效應包括:單向記憶效應；雙向記憶效應；全程記憶效應。
單向記憶效應:形狀記憶合金在低溫下變形，加熱後可恢復變形前的形狀。這種只存在於加熱過程中的形狀記憶現象被稱為單向記憶效應。單向記憶效應是由金屬晶體結構的變化引起的。
雙向記憶效應壹些合金在加熱時恢復高溫相形狀，在冷卻時恢復低溫相形狀。
有些合金可實現雙向記憶，持續冷卻到較低溫度時，可出現與高溫時完全相反的形狀，形狀記憶“飽滿”；這是雙向記憶的壹個特例。
相變過程中存在滯後現象；相變遲滯具有非線性特性，影響SMA驅動器的控制精度；相變溫度與應力有關。
超彈性特性:有些形狀記憶合金在外力作用下可發生形變，在外力撤除後室溫下可恢復原狀；它具有比普通金屬大得多的變形恢復能力，可以承受更大的變形。
機理:馬氏體在室溫下不穩定，並轉變為奧氏體。
形狀記憶合金的分類:鐵基形狀記憶合金；銅基形狀記憶合金；鎳鈦基形狀記憶合金
鐵基形狀記憶合金的分類:基於熱彈性馬氏體相變:主要是Fe-Pt、Fe-Pd和Fe-Ni-Co-Ti。
基於非熱彈性的可逆馬氏體相變:鐵錳矽鐵鉻鎳錳矽鈷
銅基形狀記憶合金的優點:形狀記憶；超彈性；高阻尼；良好的導電性
鎳鈦基形狀記憶合金:成分:1: 1鎳鈦原子和少量添加劑如銅和鐵。
優點:膨脹率在20%以上；疲勞壽命達到107次；阻尼特性比普通彈簧高10倍；耐腐蝕性優於目前最好的醫用不銹鋼，機體排異小。
形狀記憶合金的應用:形狀記憶合金驅動器:鎳鈦基形狀記憶合金；仿生魚；飛機模型；形狀記憶無線通信天線；SMA輪胎；航天器的減振:醫學應用-骨固定器
形狀記憶聚合物:當壹些聚合物被加熱時，當溫度超過玻璃化轉變溫度時，聚合物可以恢復其原始塑性變形，有時高達400；這種效應類似於形狀記憶效應（SME），稱為形狀記憶聚合物（SMP）。
形狀記憶聚合物的特點:①高形變；②形狀恢復溫度可以通過化學方法調節；③形狀恢復應力普遍較低；④抗疲勞能力差；⑤只有單向記憶功能。
主要的形狀記憶聚合物:聚降冰片烯；反式1，4-聚異戊二烯；苯乙烯-丁二烯共聚物；聚氨酯奶酪
形狀記憶聚合物的應用:醫療器械-外科縫合線；熱收縮套管；容器的外包裝和襯裏；建築用緊固銷；形狀記憶纖維
光纖:光纖的簡稱；它是壹種由玻璃或塑料制成的纖維，是壹種光傳輸工具。
光纖通常由纖芯、包層、保護套和塗層組成；纖芯:由玻璃、應時或塑料制成的圓柱體，直徑約為5 ~ 150 μm；包層:玻璃或塑料，直徑為100-200um；保護套:起到保護光纖的作用。
光纖的分類:按傳輸方式分為單模光纖和多模光纖；
單模光纖:（1）纖芯直徑很小，接受角小，傳輸模式少；（2）光纖傳輸性能好、頻帶寬、線性度和靈敏度好，但制造難度大；（3）單模光纖原則上只能傳輸壹個模塊的光。
多模光纖:（1）纖芯尺寸大，傳輸模式多，易於制造，但性能差，帶寬窄；（2）多模光纖允許多個模塊的光同時在光纖中傳播。
災變光纖:折射率突變，呈鋸齒形傳播，色散高，成本低，短距離低速傳輸。
漸變光纖:折射率逐漸降低，以正弦形式傳播，信號失真小，帶寬大，傳輸距離遠。
光纖傳輸的優點:頻帶寬、損耗低、重量輕、抗幹擾能力強、保真度高、工作性能可靠、成本降低。
光纖傳輸損耗:光信號在光纖中傳播時，由於某種原因造成的光能衰減，單位為dB/km。
本征:固有損耗，包括散射、固有吸收等。
彎曲:光纖彎曲時光散射造成的損耗；擠壓:擠壓時光纖輕微彎曲造成的損耗。雜質:光纖中的雜質吸收和散射傳播的光，導致損耗。不均勻:材料折射率不均勻造成的損耗。對接:不同的軸線和不同的端面。
光纖傳感器的基本結構包括:光源:產生光信號，LED或LD光調制器:將物理量轉換為光信號，光電探測器\解調器:檢測並解調為電壓信號。
光纖傳感器分為功能性光纖傳感器、非功能性光纖傳感器和光纖傳感器。
功能型（全光纖）光纖傳感器:光纖作為傳感元件:對外界信息具有敏感性和檢測能力，“傳”與“感”融為壹體；
光纖起著傳輸光的作用；利用光學特性（光強、相位、偏振態等）的變化。）的光纖在外界因素（彎曲和相變）的作用下，實現了“感覺”的功能；傳感器中的光纖是連續的，增加其長度可以提高靈敏度。
非功能性光纖傳感器；
光纖只起到引導光的作用，只“傳輸”而不“感知”，外界信息的“感知”功能依賴於其他具有物理性質的功能組件；不連續光纖，不需要特殊光纖和特殊技術，容易實現，成本低；低靈敏度，用於靈敏度不太高的場合。
光纖傳感器:以光纖為探頭，接收被測物體輻射或被其反射、散射的光；
典型例子:光纖激光多普勒測速儀、輻射式光纖溫度傳感器等。
根據調制解調原理，光纖傳感器可分為強度調制、相位調制、波長調制和偏振態調制。
強度調制:被測物體的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射的變化，從而導致光強的變化。
相位調制:利用外界因素引起的光波在光纖中的相位變化來檢測各種物理量；
相位調制光纖傳感器:被測能量場改變了在光纖中傳播的光波的相位，然後通過幹涉測量技術將相位變化轉換為光強變化，從而檢測出待測物理量；
光波的相位由光纖波導的物理長度、折射率及其分布以及波導的橫向幾何尺寸決定。
檢測相位變化:由於光的頻率很高，光電探測器無法檢測到相位變化，因此需要通過光幹涉技術將相位調制轉換為幅度調制；光纖傳感器中經常使用馬赫-曾德爾幹涉儀和其他儀器來完成這壹過程。
光纖布拉格光柵傳感器（波長調制型）:FBG（光纖布拉格光柵）傳感器。
根據光學現象，光纖傳感器分為:
幹涉類型:調頻型、調相型，結構復雜，靈敏度和分辨率高；
非幹涉型:強度調制型，結構簡單。
典型幹涉儀和光纖幹涉儀:馬赫森德幹涉儀法布裏-珀羅幹涉儀邁克爾遜幹涉儀薩格納克幹涉儀
常用的光纖幹涉傳感器是利用上述原理通過光纖實現的幹涉型光纖傳感器。
邁克爾遜幹涉儀；
幹涉原理:當兩束光除以激光束的光程差小於激光器的相幹長度時，光電探測器探測到的兩束相幹光束相互幹涉，相位差為:
馬赫-曾德爾光纖幹涉儀:通過移動平面鏡的位移獲得兩束相幹光束的相位差，產生幹涉。
Sagra光纖幹涉儀:利用賽格納克效應產生延遲:
法布裏-珀羅幹涉儀:由兩個平行的部分透射平面鏡組成，其反射率通常大於95？；
95%的激光輸出光？會反射回激光，剩下的5？光將穿過平面鏡並進入幹涉儀的諧振腔。
幹涉的原理是多光束幹涉，幹涉光強的變化如下:
光纖傳感器的特性:
光纖傳感器的應用:風力發電設備、航空、土木工程、空中客車A3X。