智能材料結構系統在工程設備中的應用

孟代江

（衛輝市第一中學，河南 衛輝 4 5 3 1 0 0）

智能材料結構系統在工程設備中的應用

孟代江

（衛輝市第一中學，河南 衛輝 4 5 3 1 0 0）

本文闡述智能材料所具有的敏感性、傳輸性、智能性、自適應性、相容性等特性，結合智能材料結構系統在工程設備中的實際應用，分別從光導纖維、功能凝膠、形狀記憶合金、壓電材料、電/磁流變體等方面進行了分析。

智能材料；結構系統；工程設備；特性；應用

智能材料的應用讓工程設備的結構和性能發生重大變化，極大的擴大了設備的應用領域，讓設備的應用效能得到提升。智能材料結構系統并不是單一的，其是一個組合系統，由傳感系統、信息處理胸膛、控制系統、驅動系統組成，將很多具有特殊功能的材料組合在一起，將這些材料應用到結構構件之中，憑借特殊材料的性能讓設備具有“智能性”，達到自我診斷、自我調節的作用。智能材料結構系統在工程設備中的應用已經日漸成為設備發展的重要趨勢，是設備優化的重要途徑。

1 智能材料結構體系在工程設備應用中的重要性

智能材料結構體系在工程設備中的應用具有劃時代的作用和意義，是其他措施與設備結合所無法比擬的。首先智能材料結構體系的應用讓工程設備具有了“智能性”，很多材料所具有的特性都通過結構體系融入到設備的應用之中，讓設備在應用過程中具有了各種智能材料的“智能”，從而讓設備也更加“聰明”。其次，智能材料結構體系的應用極大的節省了設備設計制造過程中的成本，提升了設備企業的利潤空間。智能材料相比較傳統材料在應用中更加具有優勢，不僅材料成本本身價格低廉，而且其使用壽命更長。第三，智能材料結構體系的應用讓設備具有了“活性”，能夠建設工程建設中因為設備問題所造成的各種事故，有效提升了工程建設的質量和效率。

2 智能材料所具有的特性

2.1 敏感特性

在復合材料融入智能材料時，需要考慮到融入材料的環境敏感性，光導纖維傳感器等材料就可以對環境多種參數產生敏感反應，光導纖維傳感器可以與多種復合材料相融合，且伴隨著光纖傳感技術進步，光導纖維已經成為制作傳感器的重要原料，而且可以準確的應用于聲、光電、熱、力等各類參數的檢測當中，快速了解到各類參數的分布情況。

2.2 傳輸特性

智能材料結構除了能夠對環境參數做出反饋之外，還承擔著信息傳遞的任務，這使得智能材料能夠像人類神經一樣更加智能化的接收和傳遞信息，另外，智能材料的設計越來越精密，小小的材料卻承載著巨大的信息總量。光導纖維傳遞信息是當前最為常用的一種智能材料信息傳遞材料。

2.3 智能特性

智能材料的智能性不僅體現在對環境多種參數的敏感性、傳輸性，最重要的是借助相關科技，材料還能夠對這些參數的分布、性質、變化等做出動態的分析、判斷和反饋，而且能夠像人一樣進行“學習”，并根據環境參數變化去主動適應環境。相關人員利用智能材料展開學習和模擬，就能夠有效實現材料結構的仿生智能。隨著計算機科技的創新，智能材料智能化程度也不斷提升，當前也在積極探索如何利用計算機來構建信息網絡系統，比如應用電腦芯片。

2.4 自適應特性

智能材料中往往會包含一些微型驅動部件，并在超小的芯片控制下來完成相應的動作，這樣一來，智能材料就能夠快速適應環節的變化，比如感知環境中出現的應力，震感或者溫濕度等，還可以通過自檢等來對系統等問題進行自我修復。比如記憶合金或者伸縮性的材料，都具有極高的自適應性。

2.5 相容性

智能材料相容性主要體現在相容材料的強度、材料表面、材料尺寸和材料場分布等方面。比如，如果埋入材料與原材料強度相距過大，就會影響原材料的強度，甚至降低原材料的效能發揮；再如，埋入的材料往往需要經過處理來提高與原材料相容性，常用的如光導纖維碳化處理；埋入的材料體積應當要比原材料小很多，這樣才不至于影響原材料固有的特性；為了避免材料之間產生應力或者振動作用，埋置的部件所具有的場分布性應當以不影響原材料為好。

3 智能材料結構系統在工程設備中的應用

3.1 光導纖維

光纖是寬帶中最重要的材料，其一般內層介質的折射率要高于外層的，通過反射來實現內外層折射，從而實現光信息的傳輸，而且能量損耗小，傳播距離遠。所以，光纖也被用于各類光信號變化的數據監測，當前光纖機敏混凝土就是利用了光纖的信號傳導性而設計的，從而通過信號變化的分析，能夠及時有效的發現混凝土中的問題，比如變形、裂縫、溫度變化、應力過高等，智能化的對混凝土結構進行全程監控和問題診斷。在實際應用中，光纖機敏混凝土已經較為成熟的應用到混凝土施工過程中，能夠很好地對混凝土溫度數據采集，并對其出現的裂縫進行診斷，但是由于光纖敏感性過高，測量的規模較窄，因此耐久性較差，存在諸多的局限。

3.2 功能凝膠

功能凝膠即常說的愈合材料，該種材料能夠根據環境中的壓力或者溫濕度變化而自我調整，其材料具有較高的黏合性。比如將功能凝膠埋入一些脆性管道內部，一旦管道某些位置受到外部作用而出現斷裂，其中的凝膠就可以自動填充到這些裂縫部位，起到拼合裂痕的效果，最終實現裂縫飛自我“愈合”，因此被稱為自愈合機敏混凝土。并且，通過實驗也可以得知，管道內凝膠壓力對于裂縫的愈合具有非常重要的作用和影響，保證管道內的壓力穩定，對于促進裂縫愈合非常有幫助。

3.3 形狀記憶合金

形狀記憶合金主要材料就是具有形狀記憶性的金屬，記憶合金在高溫下定型，當它被置于常溫環境中時即使產生變形，也會在去除作用后而恢復原狀，其彈性較強，如果將記憶合金放置到工程施工所用的混凝土中，則就可以形成形狀記憶合金機敏混凝土，這樣一來就可以在混凝土出現裂縫后自我進行形狀調整和自我監測。另外，利用形狀記憶合金的超彈性，則可以將形狀記憶合金做成結構耗能阻器，以更大限度的提升耗能器的抗疲勞性。此外，通過對記憶合金的使用，可以對結構進行驅動，可以通過加熱對結構的振動頻率進行改變，從而優化設備的各種性能。

3.4 壓電材料

壓電材料主要有正壓電和逆壓電兩種，將壓電材料制作成為傳感部件，就能夠對混凝土等結構的變形及應力進行檢測，再借助一些電壓驅動原件來對結構出現的變形進行調整。從當前壓電材料的應用情況來看，大多被用于對結構振動的控制，也用作傳感器記驅動部件的原材料。在對結構振動控制時，需要將壓電材料埋入結構的高應變位置，然后借助壓電傳感器等的振動監測，手機相關參數數據，然后利用公式等計算出壓電驅動器的傳入值，從而對結構振動進行調控。雖然理論上該方式可行，也有過相關的成功案例，但是受限于壓電調料的極限應變量的局限性，因此很難被成熟應用到土木工程結構振動的調控工作中，需要進一步的研究和實踐。

3.5 電/磁流變體

電/磁流變體具有一定的可控性，主要是利用相應的磁性和電解質懸浮液等，借助磁場感應，來實現電磁的流體的纖維態，使液態的懸浮液從流體編程具備應力屈服性的粘塑性體，即實現液態的固化，當前電/磁流變體最普遍的應用就是在可調節的阻尼器及半主動控制器中，有效提升了控制器的反應速度，大大降低了其能耗性，但是在對土木工程結構振動的控制方面還難以有效應用。但是，我們也必須看到電流變體不能用作主動控制的驅動器，因為它的出力十分有限，無法達到土木工程結構振動的主動控制力要求。其應用的效能還需要進一步予以改善，在長期放置穩定性、溫度適應性等方面還需要進行深入研究和探索。

4 結語

智能材料無論從其物理參數還是從其分部情況來看，都是絕佳的設備應用基礎物料，將其應用到工程設備中可以說是將其價值發揮到極致，能夠促使設備得到進一步的提升和優化。但同時也必須認識到，智能材料與工程設備的結合還有很大的提升空間，這就需要相關人員對兩者的結合應用進行積極地研究，讓智能材料更好地與設備融合在一起，為設備的智能化提供基礎，為人工智能理論的應用提供支撐。

[1]陳晨.智能材料系統在土木工程中的應用[J].四川建筑，2 0 1 2,0 2:2 4 3~2 4 4.

[2]王純皓.智能材料結構系統在土木工程中的應用[J].中外企業家，2 0 1 5,1 8:2 2 3.

[3]李銳星，秦發祥，彭華.2 0 4 9年的中國:科技與社會愿景展望智能材料愿景展望[J].新型工業化，2 0 1 5,1 2:1~3 3.

[4]高飛，唐寧，李曉.智能材料與結構在土木工程領域的應用[J].上海建材，2 0 1 6,0 3:1 5~1 7.

T P 2 7 4；T B 3 8 1

A

1 6 7 1-0 7 1 1（2 0 1 7）0 1（上）-0 1 4 0-0 2