智能材料與結(jié)構(gòu)的研究

張悅 賈隆基

摘 要：未來社會(huì)發(fā)展的趨勢是智能化，智能化的首要問題是大力發(fā)展智能材料，智能材料的研究是材料科學(xué)研究的重要方向。智能材料的本質(zhì)特征是材料具有仿生功能，即材料能根據(jù)感受到的信息而自動(dòng)判斷、控制和調(diào)整以適應(yīng)外界條件變化 .誘人的智能時(shí)代正向我們走來， 為了迎接智能時(shí)代和促進(jìn)社會(huì)生活智能化 進(jìn)程 ，本文介紹了智能材料與系統(tǒng)（結(jié)構(gòu)）的基本概念， 探討了智能材料光明的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：智能材料;建筑;發(fā)展;趨勢

1 智能材料與結(jié)構(gòu)的特性

智能材料與結(jié)構(gòu)具有敏感特性、傳輸特性、智能特性和自適應(yīng)特性這四種最主要的特性以及材料相容性等。 在基礎(chǔ)構(gòu)件中埋入具有傳感功能的材料或器件 ，可使無生命的復(fù)合材料具備敏感特性;在基礎(chǔ)材料中建立類似于人的神經(jīng)系統(tǒng)的信息傳輸體系 ，可使結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具備信息傳輸特性。智能特性是智能材料與結(jié)構(gòu)的核心 ，也是智能材料與普通功能材料的主要區(qū)別。 要在材料與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)智能特性 ，可以在材料中埋入超小型電腦芯片 ，也可以埋入與普通計(jì)算機(jī)相連的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) ，從而使系統(tǒng)具備高度的并行性、容差性以及自學(xué)習(xí)、自組織等功能 ，并且在“訓(xùn)練”后能模仿生物體 ，表現(xiàn)出智慧。智能材料與結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)特性可以通過在材料系統(tǒng)中置入各種微型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。微型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由超小型芯片控制并可作出各種動(dòng)作 ，使材料系統(tǒng)能自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境中的應(yīng)力、振動(dòng)、溫度等變化或自行修復(fù)構(gòu)件的損傷。 目前常用的微型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由形狀記憶合金、磁致伸縮材料、電流變體等構(gòu)成。

一般說來 ，單一材料很難同時(shí)具備上述各種特性 ，通常要將多種材料復(fù)合或組裝 ，構(gòu)成智能材料系統(tǒng)或智能結(jié)構(gòu)體系。早期的智能材料往往是各種特性集于一身 ，因此種類很少 ，形狀記憶材料、光致變色玻璃是這類材料的代表。 70年代末光纖傳感技術(shù)的出現(xiàn)和微電子技術(shù)的高速發(fā)展 ，給智能材料與結(jié)構(gòu)的研究注入了新的活力 ，帶來了觀念上的轉(zhuǎn)變 ，科技工件者開始對(duì)智能材料的四大特性分別進(jìn)行處理 ，按需要分別進(jìn)行設(shè)計(jì) ，在此基礎(chǔ)上“裝配”性能優(yōu)異的智能材料與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。 因此 ，智能材料與結(jié)構(gòu)的研究往往不是研制單獨(dú)一種材料 ，使之具備多種智能特性 ，而是根據(jù)需要在基體材料中埋入某些具有一種或多種智能特性的新材料或器件 ，從而使材料與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具備智能特性。 智能特性往往不是在單一材料中予以表現(xiàn) ，而是在最終的結(jié)構(gòu)體系中才得以展現(xiàn)。

2 智能材料與結(jié)構(gòu)的研究

大型混凝土結(jié)構(gòu)的安全性診斷 ，是國內(nèi)外智能材料系統(tǒng)研究的重點(diǎn)之一 .日本東京大學(xué)柳田博明等人將碳素纖維和玻璃纖維組合，埋入混凝土中， 以檢測混凝土的應(yīng)力狀態(tài)和形變量 .兩種纖維在電學(xué)性能及力學(xué)性能方面的互補(bǔ)性 ，使纖維在增加強(qiáng)度的同時(shí)， 還能通過纖維電阻的變化分析出混凝土中的受力狀態(tài)、形變程度和破壞情況，起到診斷裂紋和警報(bào)損傷甚至預(yù)測服役壽命的作用 .它們已經(jīng)把這種纖維增強(qiáng)的混凝土智能材料成功地應(yīng)用于銀行等重要結(jié)構(gòu)設(shè)施的防盜報(bào)警墻體.我國沈榮大等人研究的一種對(duì)壓力敏感的壓敏混凝土材料 ，有較好特色和實(shí)用性.他們?cè)诨炷林屑尤?1 %的碳素短纖維后， 其電阻會(huì)隨所承受壓力而明顯變化 。根據(jù)其電阻變化的特征， 可以判斷出混凝土材料的安全期、損傷期和破壞期， 達(dá)到診斷效果.將這種復(fù)合材料做成規(guī)則塊狀傳感器，埋入大型混凝土結(jié)構(gòu)中，并輔以網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)， 可以判斷出大型構(gòu)件所受壓力的位置和受力面積大小.如果內(nèi)部各個(gè)部位的溫度不同 ，會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢差 ，進(jìn)而可以通過檢測各部位電動(dòng)勢的變化 ，來判斷大型結(jié)構(gòu)部件內(nèi)部溫度場的分布情況，形成所謂溫敏混凝土.還可以利用電熱效應(yīng)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)加熱， 研究者稱之為自適應(yīng)混凝土.這些將碳素纖維復(fù)合材料與光纖傳感器結(jié)合形成的結(jié)構(gòu)，可望應(yīng)用于三峽等大型工程的一些重要位置 。

評(píng)估鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以及建筑結(jié)構(gòu)的完整性是土木工程中一項(xiàng)很重要的技術(shù) .對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行預(yù)先的檢測和預(yù)報(bào) ，不僅會(huì)大大減少結(jié)構(gòu)的維護(hù)費(fèi)用， 而且能避免對(duì)人類造成的危害.在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中埋入傳感器，并組成網(wǎng)絡(luò) ，就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)構(gòu)的完整性和性能， 并能進(jìn)行通訊和設(shè)備控制.智能結(jié)構(gòu)在這方面具有很好的應(yīng)用前景， 目前的應(yīng)用主要集中在高層建筑、橋梁、水壩等方面.目前已解決了鋼筋混凝土中埋置光導(dǎo)纖維的技術(shù) ，埋入的光導(dǎo)纖維可以用作通訊 、強(qiáng)度監(jiān)測， 代替原來的導(dǎo)線 ，并實(shí)現(xiàn)整個(gè)建筑物的辦公自動(dòng)化.目前正在研究的是在結(jié)構(gòu)中埋入壓電加速度計(jì)， 利用驅(qū)動(dòng)件制成可改變結(jié)構(gòu)層面剛度的主動(dòng)抗振剪切板，以及具有控制系統(tǒng)的抗地震智能建筑物 .對(duì)于承受循環(huán)應(yīng)力的材料 ，尤其是運(yùn)載工具，會(huì)由于疲勞而發(fā)生破壞.智能結(jié)構(gòu)應(yīng)在裂紋萌生后， 由傳感器指示裂紋位置， 并指揮相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器動(dòng)作， 使裂紋尖端形成壓應(yīng)力 ，防止裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。

3 結(jié)語

智能材料結(jié)構(gòu)的重要性體現(xiàn)在它的研究與材料學(xué) 、物理學(xué)、化學(xué) 、力學(xué)、電子學(xué) 、人工智能 、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、生物技術(shù)、加工技術(shù)及控制論 、仿生學(xué)和生命科學(xué)等許多前沿科學(xué)及高技術(shù)密切相關(guān)， 它具有巨大的應(yīng)用前景和社會(huì)效益 .盡管智能材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用尚處于初級(jí)階段 ， 研究工作在許多方面有待于新的突破，但它依然前景光明 ，并會(huì)像計(jì)算機(jī)芯片那樣引起人們的重視 ， 推動(dòng)諸多方面的技術(shù)進(jìn)步 ，開拓新的學(xué)科領(lǐng)域并引起材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想的重大變革。

智能化是現(xiàn)代人類文明發(fā)展的趨勢 ，要實(shí)現(xiàn)智能化 ，智能材料是不可缺少的重要環(huán)節(jié) .智能材料是材料科學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要方向 ，也是材料科學(xué)發(fā)展的必然.智能材料結(jié)構(gòu)是一門新興起的多學(xué)科交叉的綜合科學(xué).智能材料的研究內(nèi)容十分豐富 ，涉及許多前沿學(xué)科和高新技術(shù)，智能材料在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)、人民生活、國民經(jīng)濟(jì)等各方面起著非常重要的作用 ，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊 .智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的研究應(yīng)用必將把人類社會(huì)文明推向一個(gè)新的高度。

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作者簡介：張悅（1985.11-），女，漢族，遼寧沈陽人，工學(xué)學(xué)士;

賈隆基（1983.4-），男，漢族，遼寧沈陽人，工學(xué)學(xué)士。