随着工业智能化的快速发展,智能化技术在航空航天、土木工程、医疗国防和汽车工程等多领域,都具有举足轻重的作用。功能材料作为智能感知和实现机械系统智能化的基础,工业智能化发展广义上来说就是先进功能材料结构的大量应用,并利用具有激励响应特征的功能材料结构帮助甚至替代人体实现各个功能。因此,在汽车工程领域,汽车智能化发展不仅对电动化、自动化、信息化及网联化等基础技术有着较高依赖,而且对高精度、高效能功能材料也有着迫切需求。尽管在过去的十年功能材料技术发展的十分迅速,但如何通过合理的功能材料力学参数优化和结构特征设计来达到实际应用需求,仍旧是现代功能材料研究急需解决的重大问题。为解决上述问题,为了提高和优化广泛使用的功能材料的性能,挖掘它们在智能工程领域的实际应用潜力,本文针对实际应用前景最为广泛的机电响应压电和压阻功能材料,建立了粘弹性多物理场机电耦合理论解析模型和复杂形状非线性材料属性的多重物理场数值计算有限元仿真模型,定性和定量的研究分析了粘弹性力学参数对功能材料机电响应特性的影响规律。研究发现在相同载荷条件下较小弹性模量的压电复合功能材料能产生更大形变(应变),从而能提高压电复合功能材料能量收集器的机电响应性能;此外,粘性机械能损耗对其压电输出的影响也是不可忽略的,且通过合理控制调节功能材料的粘弹性机械力学参数能达到提高优化其机电响应性能的目的。论文根据理论研究和有限元仿真模拟结论,利用切孔和多孔结构在调整功能材料机械行为的优势,系统研究了切孔结构压电和多孔结构压阻功能材料的机电响应特性。本文利用小缝隙切孔结构在调整优化结构材料机械特性上的优势,通过有限元仿真模拟、理论分析和试验验证相结合的方法,从结构优化的角度,系统研究分析了不同切孔设计压电功能材料机电响应特性及应用,揭示了不同小缝隙切孔结构参数对压电功能材料机械性能和机电耦合性能的影响,提出了利用小缝隙切孔结构科学有效提高优化压电功能材料机电响应特性及其能量回收器机电转换效率的方法途径,并实例应用于日常环境低风速(1.8~3.0 m/s)风能回收发电。研究发现将切孔结构引入压电功能材料能量收集器,不仅能有效可行的改良优化其自身机械性能,实现理想的机械特征,如:高顺应性(~0.12 mm/N)、高拉伸性、高失效强度(失效应变,~26%)和可控泊松比(-0.56~0.38)等;而且在动态加载情况下,小缝隙切孔结构的引入能有效的降低材料结构的固有频率(当切孔尺寸比例达到0.75时,其第一阶共振频率从120 Hz降到~45 Hz),从而使得PVDF压电材料结构样品的共振频率控制到日常环境中机械振动频率范围内,增强机电转换输出(~120%)。本文还针对机电响应压阻功能材料及其力学传感器,利用多孔结构,从结构特征优化角度,通过理论分析、数值模拟计算和试验验证相结合的方法,系统研究多孔结构压阻功能材料机电响应特性及应用,提出了通过介孔结构设计提高压阻功能材料机电响应特性及其力学传感器机械感应灵敏度的方法,利用简易的“铸造-蚀刻”牺牲模板方法,制造了具有良好弯曲柔韧性的介孔结构超敏压阻功能材料力学传感器,不仅实现了超低功能材料成本(~$1.5/g)柔性触觉力学传感器的超敏传感性能(应变计灵敏系数,GF~306),相较传统碳纳米管复合材料压阻传感器的力学感应性能(GF<6)提高了约50倍;而且设计制造的介孔结构压阻触觉传感器对不同压力范围内机械载荷都具有快速(响应时间~70 ms)感应能力,包括:极小水滴载荷(1.5~2.5 Pa)、蟑螂移动脚步(~50 Pa)、循环手指轻触(100~500 Pa)和不同质量砝码载荷(50 Pa~25 kPa)。