智能材料在土木工程中的应用

智能材料在土木工程中的应用[摘要]：智能材料是2l世纪的一种新型的材料、是材料科学发展的方向，而在当代的土木工程领域内，智能材料已经得到了广泛的应用。本文对智能材料的概念、类型及其特点进行介绍，论述了智能材料在土木工程中应用和研究现状。[关键词]:智能材料;土木工程;应用现状智能材料是一种能感知外界环境变化并自动改变自身特性以适应该变化，可实现自诊断、自调节、自适应、自修复等功能的新型复合材料，是近年来引起世界各发达国家重视的新材料高技术体系，其全新的构思源于仿生，目标是要获得类似人的各种功能的“活”的材料。智能材料的出现为土木工程材料与结构提供了新的发展方向，智能材料与结构系统在木土工程领域中有着巨大的应用潜力，目前压电、压磁、光纤、形状记忆合金等智能材料，在当代土木工程领域内也已得到了广泛应用。1智能材料的概念，类型及其特性1.1概念.智能材料（Intelligentmaterial），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料。1.2组成.目前智能材料主要有形状记忆合金、电流变体和磁流变体、磁致伸缩材料、压电材料等几大类。一般情况下智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。l）基体材料基体材料担负着承载的作用，一般宜选用轻质材料.基体材料首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀，尤其具有粘弹性的非线性特征.其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。2）敏感材料敏感材料担负着传感的任务，其主要作用是感知环境变化（包括压力、应力、温度、电磁场、PH值等）.常用敏感材料如形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色材料、电流变体、磁流变体和液晶材料等.3）驱动材料因为在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和应力，所以它担负着响应和控制的任务.常用有效驱动材料有形状记忆材料、压电材料、电流变体和磁致伸缩材料等.可以看出，这些材料既是驱动材料又是敏感材料，起到了双重作用，这也是智能材料设计时可采用的一种思路.4）信息处理器信息处理器是在敏感材料、驱动材料间传递信息的部件，是敏感材料和驱动材料二者联系的桥梁.1.3特性.因为设计智能材料的两个指导思想是材料的多功能复合和材料的仿生设计，所以智能材料系统具有或部分具有如下的智能功能和生命特征：1）传感功能：能够感知外界或自身所处的环境条件，如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学、核辐射等的强度及其变化。2）反馈功能：可通过传感网络，对系统输入与输出信息进行对比，并将其结果提供给控制系统。3）信息识别与积累功能：能够识别传感网络得到的各类信息并将其积累起来。4）响应功能：能够根据外界环境和内部条件变化，适时动态地作出相应的反应，并采取必要行动。5）自诊断能力：能通过分析比较系统的状况与过去的情况，对诸如系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予以校正。6）自修复能力：能通过自繁殖、自生长、原位复合等再生机制，来修补某些局部损伤或破坏。7）自调节能力：对不断变化的外部环境和条件，能及时地自动调整自身结构和功能，并相应地改变自己的状态和行为，从而使材料系统始终以一种优化方式对外界变化作出恰如其分的响应。2智能材料在土木工程中应用2．1形状记忆合金在土木工程中的应用形状记忆合金(SMA)是一类具有形状记忆效应(ShapeMemoryEffect)的智能合金材料。具有形状记忆效应的合金包括Ni—Ti，Cu—Zn—Al，Cu—Al—Ni以及聚氨基甲醇乙醇等。作为一种新型的功能性材料，形状记忆合金其最显著的优点之一就是在激发材料的形状记忆效应时，材料能产生很高的回复应力(700MPa以上)和回复应变(8％左右)，并且还具有很强的能量储存和能量传输能力。利用这一特性就可把材料埋植在各种结构中，进行结构的自增强、自增韧、自诊断和自适应控制的研究与应用，同时也可将材料制成智能型驱动器，进行结构的裂缝、损伤、变形及振动的主动隔振等方面的研究与应用。形状记忆合金的另一个显著的优点是相变伪弹性性能和相变滞后性能，其应力一应变曲线在加卸载过程中形成环状，这说明材料在此过程中可吸收和耗散大量的能量。试验结果表明，形状记忆合金的相变回复力也很高，其值可达近400MPa。根据这一特性就可研制具有相变伪弹性性能的形状记忆合金被动耗能器或被动耗能控制系统，以便进行土木工程结构的被动耗能抗震控制。目前，国外已将形状记忆合金耗能器用于砌体结构和钢筋混凝土结构的被动抗震控制设计，同时也有用于古建筑抗震加固的应用实例，还有将形状记忆合金制成主动阻尼控制系统的研究。用TiNi形状记忆合金作为隔音材料及探测地震损害控制的潜力已显示出来。已试验了桥梁和建筑物中的应用，因此作为隔音材料及探测损害控制的应用已成为一个新的应用领域。2．2压电材料在土木工程中的应用将压电体集成于传统的结构中，利用压电传感元件感知结构的振动模态，并根据其输出，再通过相应的控制算法确定压电作动体的输入，以实现结构振动的主动控制，是目前压电类智能结构应用研究的前沿和热点。为此，许多研究人员先后利用压电陶瓷(ZPT)作为加速度传感器和驱动体研究了任意复杂激励下压电层合结构的主动阻尼和被动阻尼以及主动振动控制等问题，还有的学者根据经典复合板理论，采用加速度反馈控制方法讨论了利用压电传感元件实现复合材料层合梁的主动阻尼控制并进行了试验研究。特别是近年来压电材料和压电堆技术的迅速发展，为压电类智能结构的研究和应用开辟了许多新领域。目前压电材料和压电堆技术广泛应用于土木工程结构的静变形控制能、噪声主动控制、健康监测、安全评定和自适应修复以及抗震抗风等多个领域。2．3光导纤维在土木工程中的应用光导纤维是一种由外包层和内芯构成的纤维状光通信介质材料，这种先进的信息传输材料最先被用于通信传输系统，而且其研究发展速度很快。原因是作为信息载体的光子要比电子的速度容量与空间容量优越得多。光子响应速度比电子高出三个数量级。光子的高并行处理能力和高信息率等特性，使其具有远高于电子信息容量与处理速度的潜力。目前，在传统的混凝土结构中埋人光纤作为传感元件进行结构强度、裂缝、损伤、变形、振动、钢筋锈蚀和施工质量等方面的自动诊断、监测、预报、控制和评价，同时再埋人驱动元件(如形状记忆合金等)，并将控制元件和信息处理系统与之结合，形成具有智能功能的混凝土结构，从而实现混凝土结构的自检测、自诊断、自适应和自修复等，也是智能材料结构系统在土木工程中的研究与开发应用的热点和前沿。光纤材料是土木工程结构健康诊断及其地震响应主动控制中传感器设计的理想材料。早在20世纪80年代的时候美国就已经将光纤维材料应用于桥梁的振动监测，我国也已经将光纤材料用于三峡大坝健康监测和安全评定系统中。2．4压磁材料在土木工程结构中的应用磁流变液(MRF)悬浮体系，在外加磁场的作用下，它们的粘性、塑性、弹性等流变性能会发生显著的可逆变化。且当外加场强超过临界值后，磁流变液会在几毫秒内从液态变为固态。在显微镜下可以观察到，在磁场的作用下，磁流变液的分散相颗粒结成了沿磁场方向的链状结构。由于磁流变液的特性可以在介于液体和固体的属性之间进行可控(由外加磁场直接控制流体的流变特性)、快速(响应时间只有几毫秒)和可逆的转变的独特性质，而且对流体的特性实施控制时所需的能量又较低，变化动态范围大，易于大面积铺放、成本低，磁流变液成为智能结构中作动器件的主要材料。目前，人们主要将磁流变液应用到减振器、离合器、柔性机械卡具、机器人手臂、液压阀门、直升机旋翼、油缸运动的控制桥路以及电源的高速开关等各个领域，已设计出了一些应用磁流变液的高性能参数可控的减振器、离合器、隔振器等新产品，在土木工程领域主要应用于高层建筑、电视塔、大跨网架和大跨桥梁等土木结构地震的半主动控制。另外，磁致伸缩智能材料也在土木工程的研究中得到了广泛的重视。磁致伸缩智能材料是一类磁致伸缩效应强烈，具有高磁致伸缩系数并具有电磁能／机械能可逆转换功能的材料。磁致伸缩材料在智能材料与结构领域中光纤材料主要用于传感、监测和远距离信息传具有较好的应用前景，目前这类材料已广泛用于声纳系统、大功率超声器件、精密定位控制、各种阀门和驱动器件等。3结语.智能材料与我们的生活息息相关，其在土木工程结构中的研究与应用更是展现出独特的优越性能和广阔的应用前景，智能材料的发展将推动结构的智能监测与诊断系统的研究与应用，为结构自修复、自愈合功能的研究和设计提供应用基础。智能材料与结构系统及其应用技术的兴起与发展不仅意味着结构功能的增强，结构使用效率的提高和结构设计形式的优化，更重要的是对传统土木工程的结构设计、建造、维护及使用控制等许多观念的更新起了重大的推进作用。参考文献：[1]郑智能，张永兴，董强.智能材料及其在土木工程中的应用.重庆交通学院学报.2005,06[2]邓友生,孙宝俊.智能材料系统及其在土木工程中的应用研究.建筑技术.2005,36(2)[3]任勇生.智能材料在土木结构监测和振动控制中的应用.太原理工大学学报.2000,05[4]谢建宏,张为公,梁大开.智能材料结构的研究现状及未来发展.材料导报.2006,11.[5]程显,文关群.智能材料在土木工程中的应用.工程与建设.2006,01感想：冬季学期研讨课结束了，虽然只有短短五周，却学到了不少东西。印象最深的是程老师的全英文PPT，虽然看不懂，但深深体会到材料学科的学术严谨之风，更觉高端大气上档次，让人一下子静下心来投入到课程中去。也许是氛围太严肃了吧，每节课都有打瞌睡的人，自己有时候也克制不住，听着听着就快睡了，毕竟这是充斥着一大堆陌生学术名词的理科课，兴奋点不多。所以，在此提点小小建议供老师参考：1，可在每节课上适当放几分钟科学视频等引起我们的兴趣，让我们“兴奋”起来。2，分小组时应明确组长的责任与作用，并对组长和课堂展示的同学（两者不能为一人）以加分为奖励，鼓励同学们积极参与小组讨论与竞选。最后，衷心地希望“智能材料与科学”这门课可以越办越精彩，同时也祝老师万事如意，新春快乐啦。