智能材料与结构的研究

张悦 贾隆基

摘 要：未来社会发展的趋势是智能化，智能化的首要问题是大力发展智能材料，智能材料的研究是材料科学研究的重要方向。智能材料的本质特征是材料具有仿生功能，即材料能根据感受到的信息而自动判断、控制和调整以适应外界条件变化 .诱人的智能时代正向我们走来， 为了迎接智能时代和促进社会生活智能化 进程 ，本文介绍了智能材料与系统（结构）的基本概念， 探讨了智能材料光明的应用前景和发展趋势。

关键词：智能材料;建筑;发展;趨势

1 智能材料与结构的特性

智能材料与结构具有敏感特性、传输特性、智能特性和自适应特性这四种最主要的特性以及材料相容性等。 在基础构件中埋入具有传感功能的材料或器件 ，可使无生命的复合材料具备敏感特性;在基础材料中建立类似于人的神经系统的信息传输体系 ，可使结构系统具备信息传输特性。智能特性是智能材料与结构的核心 ，也是智能材料与普通功能材料的主要区别。 要在材料与结构系统中实现智能特性 ，可以在材料中埋入超小型电脑芯片 ，也可以埋入与普通计算机相连的人工神经网络 ，从而使系统具备高度的并行性、容差性以及自学习、自组织等功能 ，并且在“训练”后能模仿生物体 ，表现出智慧。智能材料与结构的自适应特性可以通过在材料系统中置入各种微型驱动系统来实现。微型驱动系统由超小型芯片控制并可作出各种动作 ，使材料系统能自动适应环境中的应力、振动、温度等变化或自行修复构件的损伤。 目前常用的微型驱动系统由形状记忆合金、磁致伸缩材料、电流变体等构成。

一般说来 ，单一材料很难同时具备上述各种特性 ，通常要将多种材料复合或组装 ，构成智能材料系统或智能结构体系。早期的智能材料往往是各种特性集于一身 ，因此种类很少 ，形状记忆材料、光致变色玻璃是这类材料的代表。 70年代末光纤传感技术的出现和微电子技术的高速发展 ，给智能材料与结构的研究注入了新的活力 ，带来了观念上的转变 ，科技工件者开始对智能材料的四大特性分别进行处理 ，按需要分别进行设计 ，在此基础上“装配”性能优异的智能材料与结构系统。 因此 ，智能材料与结构的研究往往不是研制单独一种材料 ，使之具备多种智能特性 ，而是根据需要在基体材料中埋入某些具有一种或多种智能特性的新材料或器件 ，从而使材料与结构系统具备智能特性。 智能特性往往不是在单一材料中予以表现 ，而是在最终的结构体系中才得以展现。

2 智能材料与结构的研究

大型混凝土结构的安全性诊断 ，是国内外智能材料系统研究的重点之一 .日本东京大学柳田博明等人将碳素纤维和玻璃纤维组合，埋入混凝土中， 以检测混凝土的应力状态和形变量 .两种纤维在电学性能及力学性能方面的互补性 ，使纤维在增加强度的同时， 还能通过纤维电阻的变化分析出混凝土中的受力状态、形变程度和破坏情况，起到诊断裂纹和警报损伤甚至预测服役寿命的作用 .它们已经把这种纤维增强的混凝土智能材料成功地应用于银行等重要结构设施的防盗报警墙体.我国沈荣大等人研究的一种对压力敏感的压敏混凝土材料 ，有较好特色和实用性.他们在混凝土中加入 1 %的碳素短纤维后， 其电阻会随所承受压力而明显变化 。根据其电阻变化的特征， 可以判断出混凝土材料的安全期、损伤期和破坏期， 达到诊断效果.将这种复合材料做成规则块状传感器，埋入大型混凝土结构中，并辅以网络结构系统， 可以判断出大型构件所受压力的位置和受力面积大小.如果内部各个部位的温度不同 ，会产生电动势差 ，进而可以通过检测各部位电动势的变化 ，来判断大型结构部件内部温度场的分布情况，形成所谓温敏混凝土.还可以利用电热效应对混凝土结构加热， 研究者称之为自适应混凝土.这些将碳素纤维复合材料与光纤传感器结合形成的结构，可望应用于三峡等大型工程的一些重要位置 。

评估钢筋混凝土结构的强度以及建筑结构的完整性是土木工程中一项很重要的技术 .对建筑结构的性能进行预先的检测和预报 ，不仅会大大减少结构的维护费用， 而且能避免对人类造成的危害.在钢筋混凝土结构中埋入传感器，并组成网络 ，就可以实时监测结构的完整性和性能， 并能进行通讯和设备控制.智能结构在这方面具有很好的应用前景， 目前的应用主要集中在高层建筑、桥梁、水坝等方面.目前已解决了钢筋混凝土中埋置光导纤维的技术 ，埋入的光导纤维可以用作通讯 、强度监测， 代替原来的导线 ，并实现整个建筑物的办公自动化.目前正在研究的是在结构中埋入压电加速度计， 利用驱动件制成可改变结构层面刚度的主动抗振剪切板，以及具有控制系统的抗地震智能建筑物 .对于承受循环应力的材料 ，尤其是运载工具，会由于疲劳而发生破坏.智能结构应在裂纹萌生后， 由传感器指示裂纹位置， 并指挥相应的驱动器动作， 使裂纹尖端形成压应力 ，防止裂纹继续扩展。

3 结语

智能材料结构的重要性体现在它的研究与材料学 、物理学、化学 、力学、电子学 、人工智能 、信息技术、计算机技术、生物技术、加工技术及控制论 、仿生学和生命科学等许多前沿科学及高技术密切相关， 它具有巨大的应用前景和社会效益 .尽管智能材料结构的应用尚处于初级阶段 ， 研究工作在许多方面有待于新的突破，但它依然前景光明 ，并会像计算机芯片那样引起人们的重视 ， 推动诸多方面的技术进步 ，开拓新的学科领域并引起材料与结构设计思想的重大变革。

智能化是现代人类文明发展的趋势 ，要实现智能化 ，智能材料是不可缺少的重要环节 .智能材料是材料科学发展的一个重要方向 ，也是材料科学发展的必然.智能材料结构是一门新兴起的多学科交叉的综合科学.智能材料的研究内容十分丰富 ，涉及许多前沿学科和高新技术，智能材料在工农业生产、科学技术、人民生活、国民经济等各方面起着非常重要的作用 ，应用领域十分广阔 .智能材料结构系统的研究应用必将把人类社会文明推向一个新的高度。

参考文献

[1] 蒙彦宇. 压电智能骨料力学模型与试验研究[D].大连理工大学，2013.

[2] 吴克恭. 埋入压电材料的智能复合材料结构振动主动控制理论和实验研究[D].西北工业大学，2003.

[3] 余海湖，赵愚，姜德生.智能材料与结构的研究及应用[J].武汉理工大学学报，2001（11）：37-41.

作者简介：张悦（1985.11-），女，汉族，辽宁沈阳人，工学学士;

贾隆基（1983.4-），男，汉族，辽宁沈阳人，工学学士。