智能材料的特性及其在土木工程中的应用研究

2016年第23卷第12期

专题研究

智能材料的特性及其在土木工程中的应用研究

陈妹臻

(湖南师范大学附属中学，湖南长沙410006)

摘要：智能材料属于一种新型工业材料，具有传感、反馈、响应、自诊断、自修复功能，有着良好的发展前景。主要针对

该种材料的特性及在土木工程中的应用进行分析。关键词：doi智能材料；issn

特性；土木工程 ： 10. 3969/j. . 1006 - 8554. 2016.12.142

〇引言

智能材料是一种能够感知外部刺激，并做出判断与相应的 处理反映的新型科技材料。它是继天然材料、合成高分子材料 和人工设计材料之后的第四代材料，是现代科技材料研究的重 要方向之一。在不久的将来，智能材料的成批成产和应用必将 引发材料制造界的革命。1智能材料的类型及特点

智能材料（Intelligent material

)目前还没有统一的定义。不

过，对其多种定义大同小异。大体来说，智能材料就是指具有 感知环境(包括内环境和外环境)刺激，对之进行分析、处理、判 断，并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料。智能 材料分为感知材料和智能驱动材料两大类。感知材料能够感 知外部环境或者内部的刺激强度;而智能驱动材料则是一种可 以响应外部环境变化或内部状态变化的的材料。

智能材料结构具有以下几种特性:①传感功能:感知外部 刺激。②反馈功能:通过网络将输人输出信息进行比较，并且 反馈给控制系统。③响应功能:根据外界刺激或内部变化，做 出相应的动作。④自诊断能力：通过分析判断，对出现的问题 进行自我诊断。⑤自修复能力：通过自繁殖、自生长等再生机 制，进行受损部分的修复。

2智能材料在土工工程中的应用 2.1 形状记忆合金的应用

形状记忆合金的特点就是具有形状记忆效应，它在记忆过 程中能够产生回复应变，并且具有较强的传输存储能力。形象 地说形状记忆智能材料能够在高温下变成一定形状的金属，等 转换到低温状态又能够塑变成另一形状，等再到高温状态时就 能转变回去的性能。形状记忆智能材料最初应用在拉曼F

14

战斗机上，通过它制造机翼，能够有效达到降低阻力和跨音速

激波的作用。形状记忆合金在自动探测和主动控制方面也有 较大的发展，包括振动和噪声的主动控制及隔振和裂纹的主动 探测和控制两个方面。2.2压电材料的应用

压电效应是指在材料表面施加外力的时候，材料表面产生 电荷的现象，这种现象叫做正压电效应。反之，在材料表面施 加电场会使材料表面变形的现象，叫做逆压电效应。目前已经 生产的压电智能材料有压电陶瓷、压电聚合物和压电复合材料 等等。压电陶瓷的性能稳定、耐热和耐湿性都非常好。它的传 感性能好，并且易于改性。非常适合于和其他材料制成自适应 结构。

压电聚合物智能材料声阻抗和介电常数都很小，柔软性 好，耐击穿。它已经用在了识别盲文书信和不同级别的砂纸制 造上。压电聚合物有着较高对环境温度和压力的敏感度，利用 这一材料，美国的Pia

大学研发了皮肤传感器。

2.3光导纤维的应用

在最初的传感材料的研究中，人们最关心的问题就是光纤 维材料的植人，是否会引起原材料的损伤。事实证明它对原材 料的压缩和拉伸强度都没有造成影响，同时也没有对层间断裂 韧性产生影响。

目前人们制造出了各种埋人式传感器，它的作用包括:① 对复合材料加工过程中的缺陷进行监测报告。②对于飞行器 的实时状态进行报告。③对利用光纤传感器和神经网络处理 器对结构进行在线评估。目前已经生产试用的光纤传感器有 ①微弯光纤时域反射分布应变传感器。②动态偏振光纤应变 传感器。③干涉应变传感器。④Bragg Gtrating

分布传感器。

与这些传感器相结合，发展了诸如光纤反射放大成像技术、光 纤应变接线盒等新型技术。2.4压磁材料的应用

磁流在外加磁场的影响下，会出现可逆性变化，且这种变 化是可控、快速的，因此，压磁材料也是土木工程中常用的新型 材料。在土木工程中，各类大跨度桥梁、高层建筑、电视塔等等 都采用了压磁材料，在土木工程中表现出良好的应用前景，可 以用于声呐系统、超声器件以及精密定位控制系统中。3智能材料在土木建筑及混凝土方面的应用

智能结构在土木建筑方面的应用主要体现在高层建筑、桥 梁、水坝等方面。①在混凝土固化检测中的应用。利用埋人式 光纤传感器有效检测由于温度变化引起的温度梯度以及水化 热温差引起的内应力的问题。②在混凝土砖和大坝上的应用： 利用光纤传感器检测工程结构的变形造成的破坏，对大坝缝隙 变化和大坝状态进行长期动态地监测。③在房屋建筑中的应 用:通过埋人光纤对建筑系统以及辅助设施进行管理和控制； 对建筑结构进行监测和损伤评估;对高层建筑的基桩进行监 测，判断基桩的状态是否良好。4结语

尽管智能材料的研发和使用还存在着许多的不足，但是相 信随着科技的进步，智能材料的性能会得到大幅提高。智能材 料元器件也会逐渐朝着小型化、多功能和高功率方向发展。将 来的建筑结构也会发展成为主动式智能建筑结构，这对于利用 太阳能、节省能源有着重要作用，同时在抗震、降噪、抗风自然 灾害方面也会发挥它独有的作用。参考文献：

[1] J李朝忠，王志广.智能材料及其在绿色建材中的应[].中国西部科技，2010(2).[2] 高飞J

，唐宁，李晓.智能材料与结构在土木工程领域的应用[].上海建材，2016(3).[3] J

李朝忠，王志广.智能材料及其在绿色建材中的应[].中国西部科技，2010(2).

223用

用