彭奎

摘要：本文從智能材料的力學(xué)特性及其基本原理出發(fā)，介紹了它們?cè)谕聊竟こ探Y(jié)構(gòu)中的一些應(yīng)用現(xiàn)狀，并簡(jiǎn)要介紹了智能材料的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：智能料；土木工程材；力學(xué)特性；展望

1、智能材料的類(lèi)型及其特性

壓電、壓磁、光纖、形狀記憶合金等智能材料，在當(dāng)代土木工程領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。智能材料根據(jù)其功能特點(diǎn)可劃分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是對(duì)外界或內(nèi)部的刺激強(qiáng)度，如應(yīng)力、應(yīng)變及物理、化學(xué)、光、熱電、磁、輻射等作用具有感知功能的材料，通稱(chēng)為感知材料。這類(lèi)材料主要有光導(dǎo)纖維、壓電陶瓷、壓電高分子材料、形狀記憶合金及其它各種類(lèi)型的傳感材料，也稱(chēng)之為為智能感知材料，其中尤以光導(dǎo)纖維最為重要。

另一類(lèi)是能對(duì)外界環(huán)境條件或內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)做出響應(yīng)或驅(qū)動(dòng)的材料，也稱(chēng)之為智能驅(qū)動(dòng)材料如形狀記憶合金、壓電材料、電致伸縮材料、磁致伸縮材料、電流變體、磁流變體和功能凝膠等。這些材料可根據(jù)溫度、電場(chǎng)或磁場(chǎng)的變化而自動(dòng)改變其形狀、尺寸、剛度、振動(dòng)頻率、阻尼、內(nèi)耗及其它一些機(jī)械特性，因而可根據(jù)不同需要選擇其中的某些材料制作各種執(zhí)行或驅(qū)動(dòng)元件。

智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具備傳感、控制和驅(qū)動(dòng)三個(gè)基本要素，能通過(guò)自身的感知進(jìn)行信息處理，發(fā)出指令并執(zhí)行和完成動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自檢測(cè)、自診斷、自監(jiān)控、自校正、自修復(fù)和自適應(yīng)等多種功能。通常，一種單一的功能材料要具備上述多種功能特性是很困難的，這就需要由多種材料組元復(fù)合或組裝而構(gòu)成一種新的智能材料。

2、智能材料在土木工程中應(yīng)用

2.1形狀記憶合金在土木工程中的應(yīng)用

形狀記憶合金（SMA）是一類(lèi)具有形狀記憶效應(yīng)的智能合金材料。具有形狀記憶效應(yīng)的合金包括Ni- Ti，Cu- Zn- A l，Cu- Al-Ni以及聚氨基甲醇乙醇等。

作為一種新型的功能性材料，形狀記憶合金其最顯著的優(yōu)點(diǎn)之一，就是在激發(fā)材料的形狀記憶效應(yīng)時(shí)，材料能產(chǎn)生很高的回復(fù)應(yīng)力（700 MPa 以上） 和回復(fù)應(yīng)變（8%左右），并且還具有很強(qiáng)的能量?jī)?chǔ)存和能量傳輸能力。

利用這一特性就可把材料埋植在各種結(jié)構(gòu)中，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的自增強(qiáng)、自增韌、自診斷和自適應(yīng)控制的研究與應(yīng)用，同時(shí)也可將材料制成智能型驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的裂縫、損傷、變形及振動(dòng)的主動(dòng)隔振等方面的研究與應(yīng)用。

形狀記憶合金的另一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)是相變偽彈性性能和相變滯后性能，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線在加卸載過(guò)程中形成環(huán)狀，這說(shuō)明材料在此過(guò)程中可吸收和耗散大量的能量。

試驗(yàn)結(jié)果表明，形狀記憶合金的相變回復(fù)力也很高，其值可達(dá)近400 MPa。因此，根據(jù)這一特性，就可研制具有相變偽彈性性能的形狀記憶合金被動(dòng)耗能器或被動(dòng)耗能控制系統(tǒng)，以便進(jìn)行土木工程結(jié)構(gòu)的被動(dòng)耗能抗震控制。

2. 2 壓電材料在土木工程中的應(yīng)用

將壓電體集成于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，利用壓電傳感元件感知結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)，并根據(jù)其輸出，再通過(guò)相應(yīng)的控制算法確定壓電作動(dòng)體的輸入，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主動(dòng)控制，是目前壓電類(lèi)智能結(jié)構(gòu)應(yīng)用研究的前沿和熱點(diǎn)。

為此，許多研究人員先后利用壓電陶瓷（ZPT） 作為加速度傳感器和驅(qū)動(dòng)體，研究了任意復(fù)雜激勵(lì)下，壓電層合結(jié)構(gòu)的主動(dòng)阻尼和被動(dòng)阻尼以及主動(dòng)振動(dòng)控制等問(wèn)題，還有的學(xué)者根據(jù)經(jīng)典復(fù)合板理論，采用加速度反饋控制方法，討論了利用壓電傳感元件實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料層合梁的主動(dòng)阻尼控制并進(jìn)行了試驗(yàn)研究。目前壓電材料和壓電堆技術(shù)廣泛應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)的靜變形控制能、噪聲主動(dòng)控制、健康監(jiān)測(cè)、安全評(píng)定和自適應(yīng)修復(fù)以及抗震抗風(fēng)等多個(gè)領(lǐng)域，其中把壓電堆技術(shù)用于建筑結(jié)構(gòu)的主動(dòng)抗震控制，并取得了很好的控制效果，造價(jià)也較低廉。

2. 3 光導(dǎo)纖維在土木工程中的應(yīng)用

光導(dǎo)纖維是一種由外包層和內(nèi)芯構(gòu)成的纖維狀光通信介質(zhì)材料，這種先進(jìn)的信息傳輸材料最先被用于通信傳輸系統(tǒng)，而且其研究發(fā)展速度很快。原因是作為信息載體的光子要比電子的速度容量與空間容量?jī)?yōu)越得多。

光子響應(yīng)速度比電子高出三個(gè)數(shù)量級(jí)。光子的高并行處理能力和高信息率等特性，使其具有遠(yuǎn)高于電子信息容量與處理速度的潛力。

光纖材料主要用于傳感、監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)距離信息傳輸。目前，在傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)中埋入光纖作為傳感元件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、裂縫、損傷、變形、振動(dòng)、鋼筋銹蝕和施工質(zhì)量等方面的自動(dòng)診斷、監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、控制和評(píng)價(jià)，同時(shí)再埋入驅(qū)動(dòng)元件（如形狀記憶合金等），并將控制元件和信息處理系統(tǒng)與之結(jié)合，形成具有智能功能的混凝土結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的自檢測(cè)、自診斷、自適應(yīng)和自修復(fù)等，也是智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在土木工程中的研究與開(kāi)發(fā)應(yīng)用的熱點(diǎn)和前沿。光纖材料是土木工程結(jié)構(gòu)健康診斷及其地震響應(yīng)主動(dòng)控制中傳感器設(shè)計(jì)的理想材料。

2. 4 壓磁材料在土木工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

磁流變液（MRF） 懸浮體系，在外加磁場(chǎng)的作用下，它們的粘性、塑性、彈性等流變性能會(huì)發(fā)生顯著的可逆變化。且當(dāng)外加場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)臨界值后，磁流變液會(huì)在幾毫秒內(nèi)從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)。在顯微鏡下可以觀察到，在磁場(chǎng)的作用下，磁流變液的分散相顆粒結(jié)成了沿磁場(chǎng)方向的鏈狀結(jié)構(gòu)。

由于磁流變液的特性可以在介于液體和固體的屬性之間進(jìn)行可控（由外加磁場(chǎng)直接控制流體的流變特性）、快速（響應(yīng)時(shí)間只有幾毫秒）和可逆的轉(zhuǎn)變的獨(dú)特性質(zhì)，而且對(duì)流體的特性實(shí)施控制時(shí)所需的能量又較低，變化動(dòng)態(tài)范圍大，易于大面積鋪放、成本低，磁流變液成為智能結(jié)構(gòu)中作動(dòng)器件的主要材料。目前，人們主要將磁流變液應(yīng)用到減振器、離合器、柔性機(jī)械卡具、機(jī)器人手臂、液壓閥門(mén)、直升機(jī)旋翼、油缸運(yùn)動(dòng)的控制橋路以及電源的高速開(kāi)關(guān)等各個(gè)領(lǐng)域。

另外，磁致伸縮智能材料也在土木工程的研究中得到了廣泛的重視。

磁致伸縮智能材料是一類(lèi)磁致伸縮效應(yīng)強(qiáng)烈，具有高磁致伸縮系數(shù)并具有電磁能/機(jī)械能可逆轉(zhuǎn)換功能的材料。磁致伸縮材料在智能材料與結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中具有較好的應(yīng)用前景，目前這類(lèi)材料已廣泛用于聲納系統(tǒng)、大功率超聲器件、精密定位控制、各種閥門(mén)和驅(qū)動(dòng)器件等。

3、智能材料的前景

目前在土木工程領(lǐng)域內(nèi)，智能材料的研究主要在以下三方面的應(yīng)用研究最受重視：

（1）結(jié)構(gòu)健康的實(shí)時(shí)檢測(cè)與監(jiān)控。這主要是指將先進(jìn)的傳感元件和驅(qū)動(dòng)元件集成在傳統(tǒng)的土木結(jié)構(gòu)中，利用它們構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)對(duì)結(jié)構(gòu)的裂縫、損傷、疲勞、沖擊、缺陷、腐蝕等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，以確保重大土木工程結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施的安全可靠，降低其維修費(fèi)用。

（2）形狀自適應(yīng)材料與結(jié)構(gòu)。智能材料的研究與出現(xiàn)不僅可使土木工程設(shè)計(jì)人員所期盼的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)的誕生成為可能，而且更重要的是它代表著先進(jìn)的新型材料與傳統(tǒng)的土木工程設(shè)計(jì)人員所期盼的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)的誕生成為可能，而且更重要的是它代表著先進(jìn)的新型材料與傳統(tǒng)的土木工程結(jié)構(gòu)相結(jié)合這一重大的學(xué)科研究發(fā)展方向。

自適應(yīng)結(jié)構(gòu)既具有承受荷載和傳遞運(yùn)動(dòng)的能力，同時(shí)還兼有檢測(cè)（應(yīng)力、應(yīng)變、裂縫、損傷、溫度等）、動(dòng)作（改變結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變分布和結(jié)構(gòu)外形及位置等）和改變結(jié)構(gòu)特性（結(jié)構(gòu)阻尼、固有頻率、光學(xué)特性、周?chē)姶艌?chǎng)分布）諸多智能功能，因此其應(yīng)用前景非常廣闊。

（3）結(jié)構(gòu)減振抗震抗風(fēng)降噪的自適應(yīng)控制。結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)一直是土木工程設(shè)計(jì)中的一個(gè)非常重要的問(wèn)題，特別是對(duì)于高層建筑和橋梁等大型土木工程結(jié)構(gòu)的抗震抗風(fēng)問(wèn)題更是如此，而智能材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用就可為之提供一個(gè)更為有效的新途徑，從而使結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)控制成為可能。

目前，雖然智能材料還有這樣或那樣的不足，但是，隨著研究的深入，智能材料的性能將得到進(jìn)一步的改善。智能材料在許多領(lǐng)域都具有巨大的潛在應(yīng)用前景，其研究涉及材料科學(xué)、化學(xué)、力學(xué)、生物、微電子技術(shù)、分子電子學(xué)、計(jì)算機(jī)控制、人工智能等學(xué)科與技術(shù)。

4、結(jié)束語(yǔ)

智能材料在土木工程中的重要應(yīng)用，是自動(dòng)化控制技術(shù)發(fā)展、計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)的重要階段的產(chǎn)物，因此，土木工程的未來(lái)深受高科技材料發(fā)展的影響，對(duì)此我們國(guó)家需要長(zhǎng)久的對(duì)其研究下去，采取新方法，引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，從而提高我們國(guó)家對(duì)于智能材料在土木工程中的應(yīng)用，增加我國(guó)建筑的各種性能。

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