智能高分子材料讲解共49页文档

近年来高分子凝胶作为软湿件( 近年来高分子凝胶作为软湿件(Soft and Wet Wares) 材料成为智能高分子材料中的重要研究领域。 材料成为智能高分子材料中的重要研究领域。由于此类 智能凝胶在柔性执行元件、微机械、药物释放体系、 智能凝胶在柔性执行元件、微机械、药物释放体系、分 离膜、生物材料等方向有诱人的应用前景， 离膜、生物材料等方向有诱人的应用前景，因此目前这 方面的研究十分活跃。 方面的研究十分活跃。 自然界的一些生物(如海参等) 自然界的一些生物(如海参等)的原始器官主要为水 凝胶，它能够对外界的接触迅速作出响应， 凝胶，它能够对外界的接触迅速作出响应，或柔软的躯 体瞬间变得僵硬或部分体壁变为黏性物质。 体瞬间变得僵硬或部分体壁变为黏性物质。生物体肌肉 收缩、 收缩、松弛的分子机理为肌浆球蛋白和肌动蛋白纤维的 互相滑移，肌肉收缩和松弛时，肌浆球蛋白间的纤维( 互相滑移，肌肉收缩和松弛时，肌浆球蛋白间的纤维(可 交联为凝胶状)产生很大的收缩或溶胀。 交联为凝胶状)产生很大的收缩或溶胀。在许多类似的自 然现象的启示下， 然现象的启示下，人们日益重视对高分子凝胶特别是刺 激响应性智能凝胶的研究。 激响应性智能凝胶的研究。
5） 表面活性剂
聚合物和表回活性剂相互作用的研究源自蛋白质和天 然脂质的缔合， 然脂质的缔合，其后扩展到与合成表面活性剂缔合的研 最近水溶性合成聚合物（如聚氧化乙烯） 究。最近水溶性合成聚合物（如聚氧化乙烯）与离子型 和非离子表面活性剂的相互作用更引起了许多研究者的 注意。 注意。表面活性剂添加至聚合物溶液中会形成聚合物表 面活性剂配合物，从而使聚合物的物理性质发生变化， 面活性剂配合物，从而使聚合物的物理性质发生变化， 其作用可归结为四类： 其作用可归结为四类： ①聚合物构象变化，如线团-球转变和线团-杆转变； 聚合物构象变化，如线团-球转变和线团-杆转变； ②聚合物牌剂相界面上相分离区扩展和位移； 聚合物牌剂相界面上相分离区扩展和位移； ③形成复合微相； 形成复合微相； ④溶胀凝胶转变的位移和流变性能变化。 溶胀凝胶转变的位移和流变性能变化。

哪些类型？
2、什么是形状记忆高分子材料？如何分类？举
例说明形状记忆高分子材料的应用。
3、什么是高分子凝胶？智能高分子凝胶的结构
有什么特点？
智能材料——对于外界环境的物理或化学刺 激，自身的某些物理、化学性质发生相应突变 的材料。 又称“机敏材料”。smart material
智能材料属于仿生材料。
智能金属材料 智能材料 智能无机非金属材料
智能高分子材料
智能高分子材料 intelligent polymer ——对于外界环境的物理或化学刺激，自身
的某些物理、化学性质发生相应突变的高分
子材料。
生物组织——天然高分子凝胶
如海参、肌肉组织
刺激响应性智能高分子凝胶——“软湿”材料
高分子凝胶 ——是指三维网络结构的高分子化合物与溶剂
组成的体系。
可以溶胀，但不溶解。
水凝胶 绝大多数天然凝胶，许多合成凝胶
有机凝胶 化学凝胶
物理凝胶
智能型高分子凝胶的结构特点： ①三维高分子网络与溶剂组成的体系；
日本研制出形状记忆塑料——苯乙烯和丁二
烯共聚物。
当加热至60℃时，丁二烯部分开始软化，而
苯乙烯仍然保持坚硬，以此来保持形状记忆功
能。
热致形状记忆高分子的应用
——热收缩管
热收缩管主要用于仪器内线路集合、线路终
端的绝缘保护、通讯电缆的接头防水、钢管线
路接合处的防腐工程、异径管的连接。
热致形状记忆高分子的应用
葡萄糖响应高分子凝胶配合物形成的
胰岛素释放微囊
原理：PVA凝胶与硼酸聚合物可以产生可逆的键合形
成配合物，当葡萄糖分子渗入后，PVA凝胶与硼酸聚
合物间的键合被葡萄糖所取代，大分子间的键合解离，

酸碱致变色高分子
这类高分子材料在酸碱环境变化时可以发生颜色变化。它们 通常由酸碱响应性高分子和有机染料组成，通过酸碱环境变 化引起高分子构象变化，进而导致染料聚集状态的变化，表 现出不同的颜色。
氧化还原响应
氧化还原敏感高分子
这类高分子材料能够感知氧化还原环境的变 化，并产生相应的物理或化学变化。例如， 在氧化条件下，氧化还原敏感高分子可以发 生氧化反应，从而改变其物理性质，如溶解 度、粘度、电导率等。
制备技术
将单体和小分子添加剂溶解在适当的溶剂中，然后在 一定条件下进行聚合或缩聚反应，最后将溶剂脱去制
备智能高分子材料。
输入 标题
熔融法
将单体加热至熔融状态，然后在一定条件下进行聚合 或缩聚反应，最后冷却固化制备智能高分子材料。
溶液法
辐射法
利用特定的模板引导单体聚合或缩聚反应，制备具有 特定结构和性能的智能高分子材料。模板法可以获得
智能高分子材料的制造成本较高 ，限制了其广泛应用。
04
安全性问题
智能高分子材料的生物相容性和 长期使用安全性仍需进一步验证
。
发展前景
应用领域拓展
随着技术进步，智能高分子材料有望在更多领域 得到应用，如医疗、航空航天、新能源等。
降低成本
通过技术改进和规模化生产，智能高分子材料的 制造成本有望降低，促进其普及。
发展趋势
未来智能高分子材料将朝着多功能化 、集成化、微型化和智能化方向发展 ，有望在更多领域发挥重要作用。
02
智能高分子材料的响应 机制
温度响应
热敏性高分子
这类高分子材料能够感知温度变化，并 产生相应的物理或化学变化。例如，在 温度升高时，热敏性高分子可以发生相 变或产生可逆的化学键交换，从而改变 其物理性质，如溶解度、粘度、颜色等 。

酸碱性质
配位性质
一些高分子智能材料可以与金属离子 发生配位反应，可以用于制备金属配 合物和催化剂等。
一些高分子智能材料具有酸碱性质， 可以用于制备离子交换树脂和酸碱传 感器等。
热学性质
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热稳定性 高分子智能材料的热稳定性与其分子链结构和聚 集态结构密切相关，一些高分子智能材料可以在 高温下保持稳定的性能。
历史与发展
历史
高分子智能材料的研究始于20世纪80年代，随着材料科学、 物理学、化学等学科的发展，高分子智能材料逐渐成为研究 的热点。
发展
近年来，高分子智能材料在传感器、驱动器、智能复合材料 等领域的应用不断拓展，为未来智能化、多功能化的发展提 供了重要支撑。
特点与优势
特点
高分子智能材料具有感知、响应和自适应能力，能够对外界环境或刺激因素作出 快速、灵敏的响应，并表现出良好的稳定性和可重复性。
高分子智能材料全解课件
• 高分子智能材料的概述 • 高分子智能材料的挑战与解决方
01
高分子智能材料的概述
定义与分类
定义
高分子智能材料是指具有感知、响应 和自适应能力的功能材料，能够对外 界环境或刺激因素作出响应，并表现 出一定的智能行为。
分类
根据其响应方式和功能特点，高分子 智能材料可分为刺激响应型、自适应 型和生物仿生型等。
辐射接枝
利用辐射引发高分子智能材料表面上 的自由基，与其它单体进行接枝聚合。
化学镀
在高分子智能材料表面沉积金属或非 金属镀层，提高其导电性、耐腐蚀性 等性能。
04
高分子智能材料的应用领域
电子信息领域
电子信息领域是高分子智能材料应用的重要领域之一。高分子智能材料在电子信息领域中主要用于制 造电子元件、电路板、传感器、执行器等。它们具有优异的电性能、稳定性、耐高温和耐腐蚀等特性， 能够满足电子信息领域对高性能材料的需求。

简而言之，它是一种能感知外部刺激， 简而言之，它是一种能感知外部刺激，能 够判断并适当处理且本身可执行的新型功 能材ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ。 能材料。
智 能 高 分 子 材 料 耳 机
智能材料的设计构思 智能材料的设计构思
材料开发的历史： 材料开发的历史： 开发的历史
结构材 料
功能材 料
智能材 料
人工智能材料的水平反映 人工智能材料的水平反映——生物计算机的未来模 材料的水平反映——生物计算机的未来模 式 软件功能引入材料 能量传递 要求材料有寿命预告，自修复、自分解、 要求材料有寿命预告，自修复、自分解、甚至自学 自增殖、 习、自增殖、自净化和可应对外部刺激积极自变的 动态功能
智能高分子材料
小组成员： 谭洁 刘颖
方禄辉
马亚飞
智能材料
所谓智能材料系指对环境可感知且响应， 并具有功能发现能力的新材料。 它是受集成电路技术启迪而构思的三维组 件模式的融合型材料，是于不同层次结构 上寓于自检测(传感功能) 上寓于自检测(传感功能)、自判断、自结论 (处理功能)和自指令、执行(执行功能)所设 处理功能)和自指令、执行(执行功能) 计出的新材料。而细胞为生物体材料的基 础，它本身就集传感、处理和执行3 础，它本身就集传感、处理和执行3种功能 于一体，故细胞即可作为智能材料的蓝本 。
智能材料：越战纪念墙再设计 智能材料：
墙上的每一块砖代表一个 阵亡的士兵， 阵亡的士兵，当观众的手 触摸到某一块砖时， 触摸到某一块砖时，此块 砖会在记忆弹簧的力量推 动下渐渐凸出来， 动下渐渐凸出来，同时藏 在砖内mp3将播放该士兵 在砖内mp3将播放该士兵 的相关信息。 的相关信息。 当手中的余 温散去，电力耗尽， 温散去，电力耗尽，砖会 慢慢缩会墙内

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（2）形状记忆高分子材料
形状记忆高分子（Shape Memory Polymer,SMP ）是指具 有初始形状的制品，在一定的条件下改变其初始形状并固定 后，通过外界条件（如热、光、电、化学感应）等的刺激， 又可恢复其初始形状的高分子材料。
医疗器材-固定创伤部位的器材
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记忆起始态
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5.2.2.2 PH敏感性凝胶
PH敏感性凝胶是其体积能随环境的PH值的变化而变化的高分子 凝胶。这类凝胶通过交联形成大分子网络。网络中具有可解离的基 团，如弱酸性基团和碱性基团。其网络结构和电荷密度随pH的变化 而变化，并对凝胶网络的渗透压产生 影响，导致凝胶的体积发生不连续变
化。也就是说，当PH值发生变化时， 水凝胶体积随之变化。
智能材料具备下列智能特性：
(1)具有感知功能，可探测并识别外界（或内部）的刺激强度，
如应力、应变、热、光、电、磁、化学、辐射等； (2)具有信息传输功能，以设定的优化方式选择和控制响应； (3)具有对环境变化作出响应及执行的功能； (4)反应灵敏、恰当；
(5)外部刺激条件消除后能迅速回复到原始状态。
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聚氨酯 异氰酸酯、多元醇和链增长剂聚合而成。 固定相为部分结晶相，可逆相为在Tg发生玻璃态 与橡胶态可逆变化的聚氨酯软段。形状恢复温度为-
30～70℃，选择适宜的原料种类和配比就可以调节Tg。 目前已制得Tg分别为25℃、35℃、45℃和55℃的形状 记忆聚氨酯材料。
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（3）智能织物
原因是自由离子定向移动会造成凝胶内外离子浓度不均，产生渗透压变化引起 凝胶变形。再一个原因是自由离子定向移动会造成凝胶内不同部位pH值不同，从 而影响凝胶中聚电解质电离状态，使凝胶结构发生变化，造成凝胶形变。 Page 31

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固定相：聚合物交联结构或部分结晶结构，在工作 温度范围内保持稳定，用以保持成型制品 形状即记忆起始态。 可逆相：能够随温度变化在结晶与结晶熔融态（Tm） 或玻璃态与橡胶态间可逆转变（Tg），相应 结构发生软化、硬化可逆变化—保证成型制 品可以改变形状。
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两相结构：固定相＋可逆相
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3.其他种类形状记忆高分子材料
• 3.1电致形状记忆高分子材料
• 定义：它是热致型形状记忆高分子材料与 具有导电性能物质（如导电炭黑、金属粉 末及导电高分子等）的复合材料。 • 其记忆机理与热致感应型形状记忆高分 子相同, 该复合材料通过电流产生的热量使 体系温度升高, 致使形状回复, 所以既具有导 电性能，又具有良好的形状记忆功能。
1.3.1 分类
•
SMP记忆过程即完成：
记忆起始态 固定变形态 恢复起始态
引发形状记忆效应的外部环境因素：
物理因素：热能，光能，电能和声能等。
化学因素：酸碱度，螯合反应和相转变反应等。
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•
故根据记忆响应机理，形状记忆高分子可 以分为以下几类:
1）热致感应型SMP 2）光致感应型SMP 3）电致感应型SMP 4）化学感应型SMP
物理交联结构 固定相 化学交联结构
热塑性SMP
热固性SMP 结晶态
热致感应SMP 相结构
可逆相（物理交联结构）
玻璃态等
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2.1热致SMP形状记忆过程
加热
2.1热致SMP形状记忆过程
以热塑性SMP为例
A
B
(1) 热成形加工： 将粉末状或颗粒状树脂加热融化使固定相和软 化相都处于软化状态，将其注入模具中成型、冷却，固定相硬化， 可逆相结晶，得到希望的形状A，即起始态。（一次成型）

智能高分子
秦鹏 胡书厚 刘盛松 齐耀辉
智能金属材料
功能材料
智能材料
智能无机非金属材料
智能高分子材料
多水平结构层次 较弱的分子间作用力 侧链易引入官能团 便于分子设计和精细控制 质轻易涂覆 利于感知判 断环境实现 环境响应
智能材料与普通材料的区别
智能材料特征
传感功能 反馈功能 信息识别与积累功能 响应功能 自诊断能力 自修复能力 自调节能力
对应力形状体积色泽等有记效 应
热适应性，可逆收缩性
智能高分子 凝胶 智能高分子 复合材料 智能高分子膜
三维高分子网络与溶剂 组成的体系，体积相转变 集成传感器、信息处理器 功能驱动器，多学科交叉产物 选择性渗透、选择性吸附和分离 等 膜的组成、结构和形态的变化
下面简要的介绍三种智能高分子材料： 智能高分子膜 记忆功能高分子材料 智能高分子凝胶
液膜分离
浓度差
杂质
记忆功能高分子材料（shape memory polyme r)
形状记忆是指具有初始形状的制品，经形变固定之后，通过 加热等外部条件刺激手段的处理，又可使其恢复初始形状的 现象,可分为热致感应型，光致感应型，电致感应型，化学感 应型四种。 记忆起始态
应力记忆高分子材料 形状记忆高分子材料 体积记忆高分子材料 色泽记忆高分子材料
4）按功能分类 日本著名高分子学者清水刚夫将膜按功能分为： 分离功能膜 气体/液体分离膜、离子交换膜、化学功能膜 能量转化功能膜 浓差能量转化膜、光能转化膜、机械能转化膜、电 能转化膜，导电膜 生物功能膜 探感膜、生物反应器、医用膜
几种主要分离膜的分离过程
膜过程 微滤 推动力 压力差 传递机理 颗粒大小形状 透过物 水、溶剂溶解物 截留物 膜类型 纤维多孔膜

〔6〕智能织物 防水透湿织物、变色纺织品、调温纺织品、智
能平安防护纺织品等。
8
4.2 高分子凝胶及体积相转变
高分子凝胶：复合体系
网络的交联结构——使它不溶解而保持一定的形状； 亲溶剂型基团——使它可被溶剂溶胀。
体积相转变： 溶胀相
收缩相
凝胶的体积随外界环境因子变化而产生不连续 变化的现象——凝胶的体积相转变。
★聚丙烯酸(PAAC)和聚N, N－二甲基丙烯酰胺 (PDMAAM)网络互穿形成的聚合物水凝胶 机理：氢键的形成与断裂。
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(2)光敏感性凝胶 由于光辐射(光刺激)而发生体积相转变的凝胶
机理一：聚合物链上的光敏感分子的经光辐照后 发生光异构化，伴随几何结构的改变， 发生不连续的相转变。
机理二：光敏感分子发生光解离作用(即遇光分解 产生的离子化)，使凝胶内外离子浓度差 改变，造成凝胶渗透压突变，促使凝胶发 生溶胀做出光响应。
机理：随外界pH值变化，酸、碱基团的解离或 质子化程度相应改变，导致聚合物网络 结构单元的离子键或氢键状态改变；
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(1) pH敏感性凝胶
★聚丙烯酸〔羧基电离〕
高pH值：溶胀 正、负离子间相互吸引——凝胶收缩；
(3)记忆功能高分子材料 结构特征：网络中含有大量易水解或质子化的酸、碱基团(如羧基或氨基)。 结构特征：网络中含有大量易水解或质子化的酸、碱基团(如羧基或氨基)。
体积发生变化的临界转化温度——低临界溶解温度 (lower critical solution temperatureture，LCST)。
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高温收缩型 温度低于LCST时溶胀，高于LCST时收缩。
★聚异丙基丙烯酰胺(PNIPA) 机理：疏水基团的疏水作用。
低温收缩型 温度低于LCST时收缩，高于LCST时溶胀。

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药物释放体系的功能
（1）药物控制释放功能：使特定部位的血药浓度 维持在要求的合理范围内；
（2）药物靶向释放功能：使药物只输送到治疗目 标部位；
（3）药量少； （4）毒副作用小，安全、可靠； （5）使用方便，易于被患者接受； （6）具有一定的物理和化学稳定性。
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药物释放体系的分类 按药物在体系中的存放形式 (1)贮存器型药物释放体系 1.利用高分子材料的成膜性制成的微包囊，药 物包于其中； 2. 药物释放速率由高分子材料的种类及微包囊 的膜厚控制。
• 8.6.2 智能药物释放体系
8.6.2.1 概念的提出及含义 8.6.2.2 刺激响应性
8.6.2.3 靶向药物释放体系
29Βιβλιοθήκη 8.6.1 药物释放体系8.6.1.1 概述
“药物治疗”
药物
+
给药方式
药物释放体系(Drug Delivery System，DDS)
代替常规药物制剂，能够在固定时间内、按照 预定方向向全身或某一特定器官连续释放一种或 多种药物，并且在一段固定时间内，使药物在血 液和组织中的浓度能稳定于某一适当水平。
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特 点： 类细胞膜结构—易吸收、生物降解性、易代谢；
物理包裹，不改变药物分子结构—降低药物毒性， 减少药物用量；
可激活机体的自身免疫功能；
靶向性——利用药物载体的释放系统改变药物的 动力学和体内分布,使药物只作用于病变部位的靶 组织,而避免作用于正常细胞的作用特点。
(1)天然靶向性； (2)物理靶向性； (3)配体靶向性。
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8.6.1.2 药物释放体系的载体材料
作用： 药物缓释、导向、用药方便
种类： 高分子材料 *天然高分子材料 *改性的天然高分子材料 *合成高分子材料。

质子化程度相应改变，导致聚合物网络
结构单元的离子键或氢键状态改变；
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(1) pH敏感性凝胶 ★聚丙烯酸（羧基电离） 高pH值：溶胀 低pH值：收缩 ★壳聚糖 (CS － NH2) 与聚丙二醇聚醚 (PE) 的半 互穿聚合物
冷却 加热
混浊
★离子化的部分水解聚丙烯酰胺凝胶置于水－丙酮溶 液中 随溶剂浓度和温度变化，凝胶溶胀或收缩数倍。
新的研究领域：灵巧凝胶、智能凝胶
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智能高分子材料的研究内容：
(1)智能高分子凝胶 ——刺激响应性高分子凝胶 受到环境刺激时会随之响应，发生结构、物
理性质、化学性质变化的凝胶。
单一响应性 —— 压力、温度、光强、电 ( 磁 ) 场、 组成、pH值、离子强度、特异 的化学物质刺激； 双(多)重响应性——热-光、磁－热、pH值－离 子刺激等。
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(2)光敏感性凝胶Fra bibliotek由于光辐射(光刺激)而发生体积相转变的凝胶
机理一：聚合物链上的光敏感分子的经光辐照后 发生光异构化，伴随几何结构的改变， 发生不连续的相转变。
机理二：光敏感分子发生光解离作用 ( 即遇光分解 产生的离子化 ) ，使凝胶内外离子浓度差 改变，造成凝胶渗透压突变，促使凝胶发 生溶胀做出光响应。
接触电场：部分水解的聚丙烯酰胺凝胶浸入50% 的丙酮水溶液中 非接触电场：聚乙烯醇(PVA)与聚丙烯酸(PAA) 共混物弯曲
应用：化学开关、药物释放体系、人工肌肉 17
4.3.2 化学刺激响应性
(1) pH敏感性凝胶
随pH值的变化发生溶胀或收缩的凝胶。 结构特征：网络中含有大量易水解或质子化的 酸、碱基团(如羧基或氨基)。 机理：随外界 pH 值变化，酸、碱基团的解离或

从图中可看出，随应力的强度变化，传感 器频率也随之相应变化。
展望

智能高分子的研究涉及众多基础理论的探 索，贯穿信息、电子、生命科学、宇宙、 海洋科学等领域。不少成果已在高科技、 高附加值产业中得到应用，成为了高分子 材料的重要发展方向之一。，智能材料的 研制和大规模应用将导致材料科学发展的 重大革命 。
智能高分子材料
小组成员： 郭园 刘婷婷 刘晓娟 邹义勇 罗中苹 张艳芳
内容提要

什么是智能高分子材料 智能材料的设计构思


智能高分子材料的分类
智能高分子材料应用举例及其机理 智能高分子材料展望


什么是智能高分子材料
智能高分子材料是 智能材料的重要组 成部分，是通过分 子设计和有机合成 的方法，使有机材 料本身具有生物所 赋予的高级功能： 自修与自增殖值能 力、识别与鉴别能 力、刺激响应与环 境应变能力等。
智能轮胎
定义：智能轮胎是指能够收集、传输有关自身技术性能 状况及所处环境的所有信息，并对这些信息作出正确判 断和处理的轮胎。 基本功能：检测轮胎的压力和温度。 智能轮胎的核心：安装在轮胎上的传感器。 根据目前的研究状况，智能轮胎传感器主要可以分为： 集成MEMS传感器、胎面阻抗传感器、超声波传感器、 电磁传感器、无源无线声表面波传感器和虚拟传感器。
智能材料：越战纪念墙再设计

墙上的每一块砖代表一个 阵亡的士兵，当观众的手 触摸到某一块砖时，此块 砖会在记忆弹簧的力量推 动下渐渐凸出来，同时藏 在砖内mp3将播放该士兵 的相关信息。 当手中的余 温散去，电力耗尽，砖会 慢慢缩会墙内
热电材料

热电材料是一类能够实现热能和电能之间 直接转换的特殊功能材料 19世纪———金属热电材料 20世纪50年代———半导体热电材料 目前———声子玻璃电子晶体型热电材料

智能高分子说课材料
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(名 言网)
13、遵守纪律的风气的培养，只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
பைடு நூலகம்
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联