智能复合材料（精选11篇）
智能复合材料 篇1
人或动物的身体划破出血或者骨折了，经过一段时间后，会自然愈合;蚯蚓、石龙子、海参等自然界的生物，都有自我修复的功能。受生物自愈原理启发，科学家设想，在制造飞机、舰船，或建造大桥、高楼的时候，能否使其中的一些关键材料也变得有“感觉”，有“反应”呢?能不能在某些材料中，添加一些特别的成分，使大桥在发生故障之前就能发出警报，或使舰船在出现裂痕时能自动修复呢?
这一大胆设想使一种新型材料——智能材料诞生了。到了20世纪90年代，科学家研制出一些智能材料，这些材料已经具备“发现故障”和“自我修复”的功能了。
科学家称智能材料为机敏材料。它把高科技的侍感器或敏感元件等与传统的材料结合在一起，使无生命的材料具有了“感觉”和“修复”能力。例如，人们将导电性能较好的碳素纤维与玻璃纤维等集束在一起，制得的智能材料，在较强外力作用下扭曲时，其中的碳素纤维因较脆而首先被部分或全部折断，从而使材料的电阻发生相应的变化，据此可预测出该材料的受损程度。再如在混凝土材料中，预先埋入大量装有裂纹修补剂的空心纤维，当混凝土受压开裂时，这些空心纤维也会裂开一个口子，从而释放出修补剂，把裂纹重新粘接起来。
当前，科学家已经能将体积极小的信号传感器和微电子计算器埋入材料中，这种智能材料在局部出现问题时，计算器收到信号后即会发出指令，使一些形状记忆合金和胶粘剂之类的物质发生变化，起到自动加固的作用。
智能材料尽管仅仅是起步，但它代表着未来材料发展的智能化趋势。目前，科学家们正在不断地研究，希望能从生命现象中进一步得到启发，以便找出更好的研究智能材料的数据和线索。
(选自中国华侨出版社《小学语文课堂同步拓展阅读》)
智能复合材料 篇2
②这一大胆设想，使一种新型材料——智能材料诞生了。到了20世纪90年代，科学家研制出一些智能材料，这些材料已经具备“发现故障”和“自我修复”的功能了。
③科学家称智能材料为机敏材料。它把高科技的侍感器或敏感元件等与传统的材料结合在一起，使无生命的材料具有了“感觉”和“修复”能力。例如，人们将导电性能较好的碳素纤维与玻璃纤维等集束在一起，制得的智能材料，在较强外力作用下扭曲时，其中的碳素纤维因较脆而首先被部分或全部折断，从而使材料的电阻发生相应的变化，据此可预测出该材料的受损程度。再如在混凝土材料中，预先埋入大量装有裂纹修补剂的空心纤维，当混凝土受压开裂时，这些空心纤维也会裂开一个口子，从而释放出修补剂，把裂纹重新粘接起来。
④当前，科学家已经能将体积极小的信号传感器和微电子计算器埋入材料中，这种智能材料在局部出现问题时，计算器收到信号后即会发出指令，使一些形状记忆合金和胶粘剂之类的特质发生变化，起到自动加固的作用。
⑤智能材料尽管仅仅是起步，但它代表着未来材料发展的智能化趋势。目前，科学家们正在不断地研究，希望能从生命现象中进一步得到启发，以便找出更好的.研究智能材料的数据和线索。
阅读题：
1、第③段运用了___说明方法，说明智能材料具有___的作用。(3分)
2、第④段加点的“自动”如何理解，结合文章加以说明。(2分)
高科技时代的智能材料 篇3
钢筋、混凝土、塑料、木材等材料，人们再熟悉不过了，它们中大多是没有知觉没有反应的“死”材料。它们只能被人所感知，自己无从感知外界情况：在出现“危机问题”时，它们不能告诉人们，也没法修理自己，只能“坐以待毙”。如今，一些“活”材料正逐步走进我们的生活，并将改变我们的生活。这就是聪明绝顶的智能材料。
大体来说，智能材料就是能感知环境（包括内环境和外环境）刺激，根据不断变化的外部环境和条件，及时地自动调整自身的结构和功能，并能相应地改变自身的状态和行为，从而使材料系统始终以一种优化方式对外界变化做出恰如其分的响应的材料。简单地说，就是智能材料要具备“发现故障”和“自我修复”的功能。但是现有的材料一般比较单一，难以满足智能材料的要求，所以智能材料一般由两种或两种以上的材料复合构成一个智能材料系统。为了“活”起来，智能材料系统要具有或部分具有如下的智能功能和生命特征：传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自我诊断能力、自我修复能力、自我调节能力等。
不要以为智能材料离我们很远，其实在我们熟悉的变色太阳镜中就含有智能材料。这种智能材料能感知周围的光线强弱，当周围的光线很强时，就自行变暗，当光线较弱时，就变得透明起来。不久以后，智能材料将普遍地在我们的生活中出现，如智能服装会自动调节大小、颜色和温度；变形建筑允许主人按一下键就能改变自身的形状，智能窗户会自动调节光线，智能墙壁可以变换颜色，房间和屋顶也能根据需求而扩展、收缩甚至改变外形。
会“报警”的智能材料
有一次，美国一架大型客机发生坠机事件，机上的270名乘客全部丧生。经过检查，原来是发动机上的一颗小小螺钉断裂造成机毁人亡。人与动物生病都有前兆，可以及时进行预防、医治，但飞机即使裂开了口子，也不会喊痛。于是有人设想：如果飞机在刚出现裂纹还没有断裂之前，自己能大呼“救命”，向人类发出警报，或者在出现裂纹后，自己能立即自动修补并加固，不就可以避免机毁人亡的悲剧了吗？
为了实现这个目标，曾有科学家设想在制造机翼的高性能复合材料中嵌入细小的光纤，这些纵横交错的光纤就如同机翼的神经，可以感受到机翼上承受的不同压力。通过测量光纤传输光时的各种变化，就能测出飞机机翼承受的不同压力。当异常情况发生时，光纤发生断裂，光传输中断，报警装置便发出警报，以便使机组人员及时采取防范措施。科学家还设想可以将一种智能材料薄片贴在机翼上，形成机翼的“智能皮肤”。这种智能材料的覆盖层可根据飞行员发出的电脑指令改变外形，一旦飞机的升降舵和方向舵失灵就可取代它们，使飞机能继续正常飞行。
会“修补”的智能材料
2006年8月5日，当人们聚集在巴基斯坦马尔丹市一座大桥上看洪水时，大桥突然坍塌，至少有60人在这起桥梁坍塌事故中被淹死。像这种事故多数是因材料发生疲劳断裂而引起的。为了不让悲剧再度上演，在建筑方面，科学家正集中力量研制使桥梁、高大的建筑设施以及地下管道等能自诊其“健康”状况，并能自行“医治疾病”的材料。
在这方面，英国伊利斯诺大学的研究已经有了成效。研究员研制出的一种新型智能混凝土，不是由水泥、沙石加水搅拌而成，而是把大量的空心纤维埋于混凝土中，在空心纤维里面装满了“裂缝修补剂”。一旦公路、桥梁或高层建筑开裂，空心纤维也会随之开裂，修补剂便从中流淌出来，自行填补在开裂的地方，使之愈合。
会“治病”的智能材料
英国科学家还在研制一种能让残疾儿童借助它“说话”的智能化衣料。残疾儿童穿上由这种独特的电子纺织材料制成的马甲，连接一个语音合成器，就可以简单地通过轻拍这种触敏性材料使别人明白其意思。
在医疗方面，智能材料还被应用于药物自动释放系统中。日本东京女子医学院已经推出一种能根据血液中的葡萄糖浓度而扩张和收缩的聚合物。当葡萄糖浓度低时，该聚合物会缩成小球；当葡萄糖浓度高时，小球则会伸展成带。借助这一特性，这一聚合物可制成人造胰细胞。将这种聚合物包封的胰岛素小球注入糖尿病患者的血液中，小球就可以模拟胰细胞工作。在血液中的血糖浓度高时，小球会释放出胰岛素，当血糖浓度低时，胰岛素被密封。这样，病人的血糖浓度就会始终保持正常的水平。
由于导电有机聚合物在微电流的刺激下可以收缩或扩张，因而具备将电能转变为机械能的潜力。该类聚合物的导电性使得电刺激可以在整个结构上传导，这样，在不破坏聚合物结构的情况下有可能产生较大幅度的形变。这类导电聚合物组成的装置在较小电流刺激下同样表现出明显的弯曲或伸张、收缩能力。目前澳大利亚智能聚合物研究所主要在两个项目上取得了一些进展。其一，通过将导电聚合物涂覆在预先定性的微纤维上，成功开发了更有序的聚合物装置。该装置可以产生比天然肌肉大15倍的力。计算显示，这种导电聚合物纤维最终将可以产生1000倍于天然肌肉的应力。其二，研究成功基于碳纳米管的聚合物致动器。这种致动器包括高度有序的纳米管，当电荷加到纳米管上或从纳米管上卸去时，这些纳米管能做出快速的尺寸改变。
会“记忆”的智能材料
你能记得自己刚出生时的情景吗？不记得吧？若不是听父母讲述，相信记忆力再好的人也不可能记得自己刚出生时的情景。但是有一种神奇的材料却记得自己“出生”时的样子，不管人们今后将它弄成什么样子，只要环境温度达到某个点，它就会“想起”自己“出生”时的模样，并恢复本来面目。这种现象被科学家称为“形状记忆效应”，具有这种效应的合金就被称为“形状记忆合金”，或称为“记忆合金”。
各种卫星通过无线电波将信号传送到地球上，发射无线电波当然离不开天线，令许多人不解的是，卫星天线的直径一般有数米，而且形状各异，那么，这些天线是如何被装进小巧的航天飞船里送上太空的呢？原来，这种天线是用具有形状记忆功能的合金材料制成的。直径数米的天线可降低温度，并压成一小团，然后装入航天飞船里。当天线在太阳光的照耀下温度升高到记忆温度时，天线的记忆力被唤醒了，恢复成“出生”时的样子。
智能超材料研究与进展 篇4
鉴于超材料具有高度的可设计性,为发展各类新型智能材料提供了理想的材料平台。目前发展出的超材料主要是一些被动型材料,如具有超常介电常数、磁导率、折射率的材料等,而在智能材料方面的应用尚待开发。尽管如此,智能超材料所涉及的内容依然很广泛,是一大类新型功能材料的总称,包括一些光学超材料、声学超材料(与弹性振动波相应,用于操纵和利用声子传播)、力学超材料(吸声介质,超黏滞材料)、热学超材料(调控热能的传输与转换)、声子晶体(超高精度控制单个声子,进而对动态温差调控)等。故而,本文尝试着从科学研究、关键技术和新产品应用三个层面,对智能超材料研究应用进行简要概述和厘清,并概略阐述其在国内外的研究发展状况和趋势。
表1给出了本文在智能超材料基础研究、关键技术和新产品应用三个层面上所要论述的要点。在科学研究层面上智能超材料的基础研究涉及:(1)超材料中多物理场耦合机制,即利用微结构单元间的多物理场耦合效应去实现超材料的智能响应;(2)新型人工原子与人工分子设计,即通过构造新型功能单元实现超常响应;(3)超材料与自然材料的融合,即利用天然功能材料的智能性质与超几何结构融合,以实现超常现象的探索和设计以及新机制的发现;(4)超材料可调性探索,即基于可变电路、几何结构、材料特性,对施加信号相位、振幅或频率的调制,改变超材料的热、力学和电磁性质;(5)新型传感型超材料探索,即基于超材料对电磁场局域增强及对周围环境的介电性敏感等特性,可用于无标记的生物检测及相关方面的研发。根据微结构单元类型和应用范围的不同,智能超材料的关键技术可分为以下六大重点方向:(1)智能电磁超材料,利用微结构单元类似于计算机的0/1开关属性,进行非周期阵列,以实现编程可控的响应输出;(2)智能机械超材料,三维网状金属固体结构,却类似于理想流体,极易流动,从而实现二维流体的响应性能;(3)智能热学超材料,可感知外部热源、主动响应的人工复合材料及结构,潜在应用于微纳米结构的热电转换;(4)智能耦合超材料,基于光子电路,通过亚波长尺度人工结构实现局域电磁场调控与位移矢量调控;(5)智能超材料新型设计与仿真技术;(6)智能超材料制备技术与材料基因工程。最后,在新产品研发应用中,可分为(1)微型天线及无线互联;(2)光电磁隐身;(3)医学图像上用的完美成像;(4)航空航天和交通车辆所用的智能蒙皮;(5)精密仪器制程与片上实验室集成型超材料。因此,本文将以智能超材料的关键技术为主线,基础研究和新产品研发为辅,简要地论述近年来智能超材料的发展现状趋势。
1 智能超材料研究概述
1968年Veselago首次提出“负折射率”的概念[10],具有这种负折射率性质的平板材料可以像透镜一样,使得平行入射光线汇聚到一点[11]。这与直觉相悖的研究结果拉开了超材料研究的序幕。超材料正是基于其微结构单元的几何结构与物性,如共振与激发、形状因子与手性等,以及它们空间排列所导致的关联与相互作用,从而实现许多自然材料所没有的,新颖的力、热、声、光等调控功能特性。从研究比较深入的光学电磁超材料,到声学、热学,及现在的机械超材料,超材料理论机制方面涉及电磁、机电、光热、光机等多物理场耦合,几何结构的实现方面多用金属谐振结构、介质谐振结构、声波谐振和非谐振人工原子及分子。目前科学基础研究主要考虑如何将现有超材料与自然材料相融合,实现超材料在不同频段的可调性,开发有源器件,从而不断深入地开发出新型的传感型超材料。相应地,超材料的微结构单元设计的任意性,物理过程的多样性,不同尺度的特殊性,派生出来了新型理论设计与仿真技术、制备技术与材料基因工程。鉴于智能超材料的新颖特性,可广泛应用于微型天线及无线互联、光电磁隐身、医学完美成像、国防民用各种交通工具的智能蒙皮、其他精密仪器制备和片上实验室等不同前沿领域。
1.1 智能电磁超材料
智能的电磁波调控又包括数字可编程超材料[12]、计算超材料[13]、光开关超材料[14]。这类智能超材料利用其微结构单元类似于计算机的0/1开关属性,进行非周期阵列,以实现编程可控的响应输出,如图2所示。可记忆超材料[15]则类似于忆阻器,不同的是基于光子电路,通过亚波长尺度人工结构实现局域电磁场调控,以实现在光电路中可记忆功能元器件的研发。智能电磁超材料涉及电磁多物理场耦合机制,可采用不同的谐振结构单元实现[16],图3演示了常用作为“人工原子”的亚波长微结构共振单元。
1.2 智能机械超材料
机械超材料源于声学超材料弹性波的传播行为过程中,可以看做是弹性的激发初始的人工材料设计。按所调控的弹性模量不同可分为:超强超硬超材料,可调节刚度超材料,负压缩性超材料,反胀、拉胀超材料和智能超流体。其中智能超流体,工业技术上又称为“金属水”,其本身是一种三维的几何拓扑网状金属固体结构,而其剪切模量近似于零,从而实现二维流体的响应性能。最具代表性的五模式材料[18](如图4),该材料6个分量等效弹性张量中有5个为0的本征值(只有1个非0),也就是横向几乎没有形变,类似于理想流体,难以压缩却极易流动。鉴于这种超材料极具潜力,科研人员将这一研究成果开发用于海底“无触感”斗篷隐身技术[19],如图5所示,也有研究者正在研制用于隐身的智能蒙皮材料。
图2具有0/1开关属性的数字可编程超材料进行智能电磁波调控[12](a)数字超平面0/1构成;(b)结构单元及其响应;(c),(d)利用两种不同的结构形式去调控光束散射Fig.2 The 1-bit digital metasurface and coding metasurface[12](a)consisting of two types of elements:‘0’and‘1’;(b)a square metallic patch unit structure(inset)to realize the‘0’and‘1’elements and the corresponding phase responses in a range of frequencies;(c),(d)two 1-bit periodic coding metasurfaces to control the scattering of beams by designing the coding sequences of‘0’and‘1’elements
图5“无触感”斗篷隐身技术理念,智能超材料将圆柱体隐匿起来,使其无法被手指感觉到[19]Fig.5 Illustration of the elasto-mechanical cloak:a rigid hollow cylinder embedded in a homogeneous three-dimensional pentamode metamaterial environment,any object can be placed inside of the hollow interior and thereby becomes“unfeelable”[19]
与此同时,俄罗斯雷洛夫国家研究中心进行工业化研制,开发了拥有定制化设计的结构和密度分布智能材料。这种设计可有效吸收和减弱声波的反射信号,从而显著提高潜艇的隐身能力。但这种智能超材料并不仅仅是为了使物体隐形,其目的是将物体的物理作用力隐藏起来,使物体无法被人感觉到。这种特别的智能超材料是一种在某些性质上类似液体的固体晶格,能够使外部施加的压力发生偏转,同时可以转移破坏性较大的地震波[20]。
智能机械超材料种类繁多,目前大部分在研究阶段[21]。在力学上“可编程”的超材料,其实像是一块多孔的橡胶板,经过特殊孔型及拓扑设计,可以在纵向和横向上进行压缩,表现出所谓“负刚度”或是刚度可调的性质。因此,这种智能机械超材料可以有效地吸收能量,可用于减震的汽车保险杠,或是根据不同地形调整舒适度的鞋子。还有其他反胀材料,如反弹陶瓷管制品,在被压缩到50%之后还能反弹复原。这对于脆性氧化铝陶瓷材料来说,将具有相当广泛的应用前景。
1.3 智能热学超材料
智能热学超材料是近年来才提出的新型热能利用和调控的智能材料。自然界中的传统材料,其热导系数在空间均匀分布,热量从温度高的一端直线流向温度低的一端,这是人们所熟知的热传导模式。然而,如果能实现空间热导系数的非均匀分布,通过对宏观热扩散方程的空间变化,则可以实现对热流方向的调控作用。这种通过人工改造而实现热导系数非均匀分布的材料被称为热超材料[22,23]。智能热学超材料是可感知外部热源、主动响应的人工复合材料及结构,潜在应用于微纳米结构的热电转换。一般可分为两大类:控制热流和利用热能;用声子进行信息传输和处理[24]。图6为基于隐热衣研制开发的热伪装器件。
图6智能热学超材料[25](a)热隐身器,中间蓝色人形(或者实验室中采用的铜柱)可被隐身;(b),(c)热伪装器(1)概念示意图;(2)物理实现图;(3)实验测量的瞬时温度场简况Fig.6 Thermal metamaterials[25](a)thermal cloaking;(b),(c)thermal camouflage;(1)corresponds to conceptual scheme;(2)corresponds to physical realization;(3)experimental measurement of transient temperature profiles
1.4 智能耦合超材料与隐身技术
现有隐身技术是通过减小作战平台对入射电磁波或声波的散射截面进行隐身,而超材料则不再是反射或吸收波,而是改变波的传播路线,使波发生弯曲,以达到绕射传播的目的从而实现隐身。因为极少有能量产生后向散射,超材料可以达到最佳的隐身效果。图7为近年来才开始研制生产用于球形隐身的概念模型[6]。智能超材料的超表面配置基于可编程智能耦合超材料,可实现不同频段,包括可见光的隐身[26],如图8所示。
1.5 新型传感型超材料与智能蒙皮
智能超材料的奇异性能很快在蒙皮技术领域得到拓展,在传感器市场已开展相关技术储备。如Toyota和BMW等著名汽车生产商已启动电磁超材料研发。根据Toyota中心研发实验室的报道,智能电磁超材料预期在车载雷达扫描系统、移动通信天线、电动马达用新型磁性材料和电磁兼容(EMC)中使用的高性能吸收与屏蔽材料中获得推广[27]。Toyota开发了新型的频率不敏感左右手复合漏波扫描天线,其具有宽波束扫描、高增益和易生产的优势。此外,LED头灯和红外成像夜视系统也是超材料的应用研究方向。图9展示了超材料在汽车行业的潜在和实际应用[28]。美国杜克大学的研究人员研制出了一种超材料图像传感器,无需镜头即可拍摄照片。通过在柔性基底上印制能够捕捉不同频率光线的超材料微结构,再加上一些电路板和软件,这部只有传感器的相机就可以进行拍摄。这一技术可取代传统摄像机应用在智能车辆蒙皮上。
在卫星通信行业,美国Kymeta公司借助智能电磁耦合超材料,采取全息技术实现对目标卫星的动态电子扫描对准。在近红外频段,智能热学超材料正在被研究用于控制热量定向辐射。美国Plasmonics公司与美国Sandia国家实验室利用超材料的非朗伯(non-Lambertian)辐射特性来设计和制作具有方向性的辐射表面。这种超材料表面的一个潜在应用是对卫星的热量控制。在能源领域,集成了超材料纳米复合材料的薄膜技术可以收集更宽角度的入射光线并吸收其中的可用频谱,显著提高太阳能转化的效率。在航空航天方面,采用超材料技术的纳米复合材料被用于调控宽角度入射的光线。在全球“工业4.0”进程持续深化、“智能+”应用领域不断扩大的背景下,超材料智能结构作为战略新兴产业及人工智能革命中的代表产品,具有巨大的发展空间和良好的市场前景。
1.6 智能超材料制备与基因工程
与自然材料设计一样,超材料也可以从基本结构单元,即材料基因为出发点,对材料的各种物理性质进行精确的计算和预测,揭示其材料的基本参数,或者说是材料基因组合,与宏观物理性质的相关规律[29]。但作为一种新兴的交叉应用科学,超材料的结构单元设计具有很大的任意性,物理过程的多样性,不同尺度的特殊性,使得超材料的计算模拟、材料的制备、实验测量和数据积累非常的庞杂[30]。多种几何结构形式的提出,但未能系统的比较和归纳,缺乏整体的协同创新和数据共享,这一发展模式,极大地限制了超材料向实际应用领域的发展。
图8智能耦合超材料的超表面隐身衣[26](a)以数千块细小的具有负阻抗金属片制成;(b)经计算编程将这些“特异材料”片排列成可以“抓取”微波,并令其路径变弯;(c)进而控制光线Fig.8 Schematics of smart coupled metamaterials[26](a)an ultrathin metasurface formed by structured metal(top)combined with lumped negative impedance converters based on complementary metal-oxide semiconductor technology;(b)assembly of an active non-Foster metasurface;(c)a mantle cloak designed for a dielectric infinite cylinder under transverse-magnetic illumination
在智能超材料新型设计与仿真中,相当数目的软件用于超材料的设计和计算。但是每个软件都有各自的局限性,只能用于某些特殊条件下的计算。同时,对于不同学科的超材料的研究,材料的制备、表征和测量等实验技术相差很大。针对以上超材料发展的状况,很有必要将超材料纳入材料基因组计划,从而建成完整的超材料高通量的实验平台,将为超材料的理论分析和计算提供实现的技术基础,并为超材料的应用开发提供数据和资料。这将大大加快超材料从基础研究向应用研究的转化速度。
2 智能超材料的国内外发展
2.1 国际智能超材料发展现状与趋势
在超材料基础研究方面,随着超材料研究的不断深入,智能超材料越来越广泛地涉及多种物理场的耦合效应,如电磁、机电、光热和光机耦合,实现超材料的智能响应。不仅需要考量几何结构整体,也需要考虑加入了微结构单元中非均匀体系,对机制的探究主要有美国杜克大学Smith团队[31],新加坡南洋理工大学Singh团队[32],德国斯图加特大学Giessen团队[33]。对于新型人工原子与人工分子设计,需考量涉及理论结构设计及实验论证的不同方面,美国加州大学伯克利分校张翔团队[34],德国耶拿大学Lederer团队[35],英国伦敦大学帝国理工学院Maier团队[36],相继提出了各种不同的谐振结构形式,如金属基、介质、声波和其他非谐振结构。对于超材料与自然材料相融合的理念[30],首先由我国清华大学周济团队提出,随后美国爱荷华州立大学Soukoulis团队[37]和德国卡尔斯鲁厄理工学院Rockstuhl团队[38],先后跟进探索及设计新机制。从现有线性无源系统,美国宾夕法尼亚州立大学[39],英国南安普敦大学[40]等对电磁超材料进行了可调性的探索。美国德州大学奥斯汀分校Alu团队[26]和德国达姆施塔特工业大学Jakoby团队[41]对新型传感型超材料进行了探索,研究电磁场局域增强及对周围环境的介电性敏感等特性。综合来看,这一领域的基础研究方面,优势的国家有德国、美国、新加坡和英国,优势的机构是德国卡尔斯鲁厄理工学院Wegener团队[17,18,19],美国杜克大学Smith团队[1,6,31],英国伦敦大学[36]。不过目前,智能超材料的研究多转向海内外的华人研究团队,例如我国清华大学[30],南京大学[9,21],香港科技大学[42],复旦大学[43]等及美国加州大学伯克利分校张翔[34],美国东北大学的Liu[44],佐治亚理工学院的Cai[45],新加坡南洋理工大学[32]等科研团队。
在智能超材料的关键技术方面,涉及四大类微结构单元类型,电磁、机械、热学和耦合超材料,以及设计仿真和材料制备两大方面的技术研发。智能电磁超材料,主要研究机构来自美国、新加坡、俄罗斯和英国等国,如美国宾夕法尼亚大学[39],英国的伦敦大学[36]。相比较,智能机械超材料起步较晚,在2012年由德国的Wegener团队[46]利用激光直写技术制备,由点接触的双锥结构构成。另外,美国华盛顿特区的国家研究中心Layman等[47]从理论上说明了当体模量与弹性模量的比值从较小的100增大至1000时,将从本质上导致弹性斗篷呈现完美的隐性性能。同样的,俄罗斯雷洛夫国家研究中心进行了拥有定制化设计的结构和密度分布等不同方向的研制开发。智能热学超材料也是近些年才提出的,在2008年我国复旦大学黄吉平团队等[48]将光学隐身的理念推广到热学领域并提出热学隐身衣的设计原理。在实验研究方面,哈佛大学的Sato团队[49],德国卡尔斯鲁尔工业大学Wegner团队[50],新加坡国立大学李保文、仇成伟联合团队[51,52],新加坡南洋理工大学[53]先后独自实现了热屏蔽/热隐身衣功能。在智能耦合超材料方面,有许多研究组正致力于通过亚波长尺度人工结构实现局域电磁场调控与位移矢量调控,如加州理工大学的Painter团队[54]、日本京都大学的Noda团队[55]和德国Ulm大学Unold团队[56]。在智能超材料结构设计仿真和材料制备两大方面关键技术,分别集中在美国亚利桑那大学[57]、法国巴黎第十一大学[58]、印度理工学院[59],美国普渡大学[60]和德国斯图加特大学[33]。总的说来,智能超材料关键技术的研究机构来自美国、德国,俄罗斯和英国等欧美国家,除智能热学超材料我国处于国际领先地位外,其他关键技术,尤其是智能机械超材料,由于领域内材料制备技术的局限,德国、美国和俄罗斯处于领先地位。
在超材料产品的工业应用方面,主要有Kymeta公司、分形天线系统公司、超材料技术公司、工业企业Haris公司、Kyocera无线公司、EMW等。大型航空航天和国防承包商包括洛克希德马丁公司、波音公司、雷神公司和三星公司。美国杜克大学Smith团队[1,6,31]在光电磁隐身和医学完美成像,美国斯坦福大学Byer-Fejer团队[61]在精密仪器制程与片上实验室处于领先水平。
2.2 国内智能超材料发展现状与水平
我国在智能超材料方向的基础研究和关键技术两方面与世界几乎同步,有相当好的研究基础。较有影响的研究团队包括:南京大学闵乃本、祝世宁、陈延峰等[9,21]在光学超晶格、光学超材料及声子晶体等方面的研究,集中在多种物理场的耦合机制、智能机械超材料、智能耦合超材料、智能超材料制备技术与材料基因工程等方面;香港科技大学的沈平、陈子亭等[62,63]对声超材料的有效介质理论等基础性的研究,体现在新型人工原子与人工分子设计和智能超材料新型设计与仿真技术;中国科学院物理研究所张道中、程丙英、李志远、顾长志等[64,65,66]进行了光子晶体、等离子体基元超材料、左手材料等领域的研究,如新型传感型超材料探索;清华大学周济等[67,68]在介质基及本征型超材料,尤其在超材料与自然材料的融合[30],超材料可调性探索,电磁、耦合和设计仿真等关键技术方面都进行了研究。东南大学崔铁军等[12,31]在微波超材料方面的研究,体现在新型人工原子与人工分子设计和数学编程。浙江大学孔金瓯、何赛灵、陈红胜等[69,70]对光学超材料进行了研究。西北工业大学赵晓鹏等[71]对分型超材料进行了研究。此外,西安交通大学徐卓、屈绍波[72]在智能光学超材料方面也做了相当多的探索。
在工业应用方面,我国深圳光启高等理工研究院在国际上首开超材料工业化的先河,该研究院目前拥有国际超材料应用方面70%以上的专利,在智能隐身材料、智能通信系统、超传感等领域已经有一些产业化成果[28]。在超材料标准方面,我国于2013年11月成立了由来自深圳光启高等理工研究院、中航工业集团公司、航天科工集团、清华大学、中国钢研科技集团、工业和信息化部电信研究院、中国标准化研究院、空军装备研究院、公安部第一研究所等单位的专家和学者组成超材料标准化委员会,目前已在国际上首次推出了超材料定义和规范等标准化文件。
总的来说,我国在智能超材料方面的基础研究处于国际先进水平。研究机构正积极开拓超材料研究领域,以南京大学、清华大学、东南大学、西北大学、浙江大学等为代表,在国际上已形成了有一定影响力的研究队伍,相关课题组也做了许多重要的开创性工作,引起了国际学术界的广泛重视。不过,除智能电磁、耦合超材料外,其他方面均处于起步阶段,还有很多基本问题需要研究。以智能超材料制备的核心技术为例,科研基础依然薄弱,我国应加大相关材料的基础研究以及研发升级等领域的投入,并制定相关的政策,从而使我国的智能超材料研发方面在弱势领域中赶超,在强势领域中保持优势。此外,科研成果的产业化水平仍然不高,亟待提高转化效率,缩短科研成果从实验室走向产业应用的时间。为此,应加强相关领域内的高校及科研院所与相关产业企业的合作,积极鼓励科研创新,促使我国企业拥有更多的自主知识产权,从而在相关领域形成国际竞争力。
3 结束语
综上所述,本文简要地就智能超材料进行了系统性的分类,并扼要地予以论述。基于基础研究、技术发展和新产品研发等方面,对国内外发展状况,进行了科学性的评述。但值得指出的是,智能超材料种类繁多芜杂,未尽之处,在所难免。本文尽最大努力列出智能超材料可能的发展方向,以期为有志深入此领域者,抛砖引玉。
(1)智能光学超材料,在于调控包括太赫兹在内的不同频段电磁波,在未来发展中,可能将更倾向于数学化可编辑控制领域或传感器复合型超材料。之前成熟的超材料技术将有望在实际生产生活及工业化进程中得到广泛的推广和应用。
(2)智能机械超材料,是基于多孔,折纸,五模式等复杂拓扑结构来调控弹性波的一类新兴超材料,许多基础研究性的工作尚待开展,尤其是如何将凝聚态物理晶体学领域的传统理论,转化为人工微结构的设计与表征。这些可能是智能机械超材料研究必须考虑的问题。
(3)智能热学超材料,是如何用人工微结构来控制热流和利用热能。这一超材料要么与纳米尺度声子晶体结合,要么与其他物理场耦合,方能真正展示智能热学超材料本身的独创新颖性。
(4)新型的人工原子及微结构单元的设计将在未来超材料设计中占有相当的比重,尤其是目前DNA编码技术和MOF研究的开展,更加有利于地促进人工原子系统理性的设计。
对智能材料的感想 篇5
随着科学技术的发展，材料学科在近些年来也有非常大的发展，其中最典型，最具有发展潜力的就是：智能材料。但并不是所有的材料都叫智能材料，智能材料的材料：智能材料，是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。科学家预言，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。一般说来，智能材料有七大功能，即传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力。具体来说，智能材料需具备以下内涵：具有感知功能，能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激强度，如电，光，热，应力，应变，化学，核辐射等；具有驱动功能，能够响应外界变化；能够按照设定的方式选择和控制响应；反应比较灵敏,及时和恰当；当外部刺激消除后,能够迅速恢复到原始状态。
一般来说智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。基体材料担负着承载的作用，一般宜选用轻质材料。一般基体材料首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀，尤其具有粘弹性的非线性特征。其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。敏感材料担负着传感的任务，其主要作用是感知环境变化（包括压力、应力、温度、电磁场、PH值等）。常用敏感材料如形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色材料、电流变体、磁流变体和液晶材料等。因为在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和应力，所以它担负着响应和控制的任务。常用有效驱动材料如形状记忆材料、压电材料、电流变体和磁致伸缩材料等。可以看出，这些材料既是驱动材料又是敏感材料，显然起到了身兼二职的作用，这也是智能材料设计时可采用的一种思路。其它功能材料包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。
现如今，智能材料的应用十分的广泛。如在建筑方面，科学家正集中力量研制使桥梁、高大的建筑设施以及地下管道等能自诊其“健康”状况，并 能自行“医治疾病”的材料。在医疗方面，智能材料和结构可用来制造无需马达控制并有触觉响应的假肢。这些假肢可模仿人体肌肉的平滑运动，利用其可控的形状回复作用力，灵巧地抓起易碎物体，如盛满水的纸杯等。因为智能材料结构不仅象一般功能材料一样可以承受载荷，而且它还具有了其他功能材料所不具备的功能，即能感知所处的内外部环境变化，并能通过改变其物理性能或形状等做出响应，借此实现自诊断、自适应、自修复等功能。所以，智能材料在军事应用中具有很大潜力，它的研究、开发和利用，对未来武器装备的发展将产生重大影响。智能材料的军事应用主要涉及到以下几个方面：智能蒙皮，结构监测和寿命预测减振降噪，环境自适应结构。美国的一项研究表明，在机翼结构中使用磁致伸缩致动器，可使机翼阻力降低85%。美国波音公司和麻省理工学院联合研究在桨叶中嵌入智能纤维，电致流变体时可使桨叶扭转变形达几度。美国陆军在开发直升机旋翼主动控制技术，将用于RAH-66武装直升机。美国防部和航空航天局也在研究自适应结构，包括翼片弯曲、弯曲造型/控制面造型等。
相信，随着以后材料科学的发展以及智能材料的突破，我们的医疗设备，住宅，马路，大桥，各类发电站，各类电器都会广泛的使用智能材料。相信到时候我们将会生活在一个智能化与信息化结合的新时代，这也意味着我们的生活会越来越美好，越来越舒适，越来越安全。
何小伟
智能复合材料 篇6
【关键词】 智能材料;结构;新进展
近年来,国际上关于智能材料的研究和学术活动十分活跃,我国对这一新兴学科的研究也十分重视,国家自然科学基金、航空基金等从1993年起每年都将智能材料列入研究计划项目。将对智能材料的设计原理和几类智能材料的发展状况作概括介绍。
一、智能材料及其结构概述
智能材料是模仿生命系统、能感知环境变化并能实时地改变自身的一种或多种性能参数、自身可作出所期望的能与变化后的环境相适应的、自我调整的复合材料或材料的复合。它是同时具有感知功能即信号感受功能(传感器功能)、自己判断并自己作出结论的功能(情报信息处理机功能)和自己指令并自己行动的功能(执行机构功能)的材料(感知、反馈、响应是其三大基本要素)。
智能材料与结构涉及到三个概念:智能材料、智能器件和智能结构。智能材料包括感知材料和驱动材料。感知材料是一类对外界或内部的应力、应变、热、光、电、磁、辐射能和化学量等参量具有感知功能的材料,用它们可以制成各种传感器件;驱动材料则是能对环境条件或内部状态变化作出响应并执行动作的材料,用它们可以制成各种驱动器件。
智能结构则是由材料和器件所构成的,集传感、信号处理、控制和驱动于一体的材料系统或结构体系,它能感知环境或内部参量,进行信息处理,发出指令,执行并完成动作,从而实现自诊断、自修复和自适应等多种功能。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。
二、几种智能材料研究的发展
智能材料的基本组元有:光导纤维、压电材料、电磁流变体、形状记忆合金、磁致伸缩材料、各类半导体敏感材料和高分子智能材料,所有这些都在智能材料和系统中有着广泛的应用。以下介绍几种智能材料研究的新进展:
1.磁致伸缩材料
目前磁致伸缩智能材料的主流是稀土磁致伸缩材料,稀土超磁致伸缩材料是近期才发展起来的一种新型功能材料。这种材料在电磁场的作用下可以产生微变形或声能,也可以将微变形或声能转化为电磁能。对于磁致伸缩智能材料的应用,目前美国位居各国之首,其成功标志在于开发出了一系列用于军事目的的尖端产品,如美国已成功地将其应用于舰艇水下声纳探测系统以及导弹发射控制装置等。
但是我国对磁致伸缩智能材料新产品的开发还处于起步阶段,也已呈现出良好的发展势头。如中国长江水利委员会应用这种材料,开发出了大功率岩体声波探测器,应用于三峡工程和地球物理勘探;辽河油田应用这种材料,开发出了井下物理法采油装量;东北大学和大连理工大学应用这种材料,拟在进给和精密定位方面进行联合开发。
2.磁流变材料
磁流变材料是由悬浮于载体液中的可磁化粒子构成,它是一种新型的智能材料,在建筑结构防震和机械振动控制领域有较大的应用前景。在外加磁场作用下,磁流变装置能产生连续可控的阻尼力对振动系统的振动特性进行控制。由于磁流变阻尼器具有优良的可控阻尼性能,在建筑结构、车辆工程和机械工程中都有重要的应用价值。曾有人预言,在汽车工业上,21世纪将是磁流变液的世纪。
3.压电材料
压电智能材料可以将压强、振动等迅速转变为电信号或将电信号转变为振动信号,也就是说压电材料在外电场的作用下可以产生微小变形,也可以将微小变形转变为电信号。且新一代的压电材料还具有了条件反射和指令分析的能力,其特征和运转方式类似于人的神经系统,可执行类似于大脑的指令。压电材料的这种独特功能,使其在智能材料系统中具有广阔的应用前景。
(1)压电陶瓷驱动器。由于压电陶瓷具有把电能转变为机械能的能力,当应用系统通电给压电陶瓷时,使材料的自发偶极矩发生变化,使材料的尺寸发生改变,这种效应能产生200～300的微应变,据报道,88层的压电陶瓷片做成的驱动器可在20ms内产生50μm的位移,响应速度之快是其它材料所无法比拟的,是高精度、高速驱动器所必须的材料,已应用在各种跟踪系统、自适应光学系统、机器人微定位器、磁头、喷墨打印机和扬声器等。
(2)压电传感器。由于压电材料对于所加应力能产生可测量的电信号,在高智能材料系统中可用做传感器。PVDF压电陶瓷的压电性比石英高3～5倍,压电系数值更高,并且可以做得很薄,可贴在物体表面,非常适合做传感器。在机器人上做触觉传感器可感知温度、压力,采用不同模式可以识别边角、棱等几何特征。同时这种材料具有热释电效应,可用作温度传感器。科学家最近研制成功一种压电晶体,如果将其放入壁纸中,就可以大大减小冰箱或空调机的噪声,给住户创造了一个安静的居住环境。
4.形状记忆合金
一般金属材料受到外力作用后,首先发生弹性变形,达到屈服点,就产生塑性变形,应力消除后留下永久变形。但有些材料,在发生了塑性变形后,经过合适的热过程,能够回复到变形前的形状,这种现象叫做形状记忆效应(SME)。具有形状记忆效应的金属一般是两种以上金属元素组成的合金,称为形状记忆合金(SMA)。目前已开发成功的形状记忆合金有TiNi基形状记忆合金、铜基形状记忆合金、铁基形状记忆合金等。形状记忆合金的具体应用如下:
(1)工业应用。a.利用单程形状记忆效应的单向形状恢复。如管接头、天线、套环等。b.外因性双向记忆恢复。即利用单程形状记忆效应并借助外力随温度升降做反复动作,如热敏元件、机器人、接线柱等。c.内因性双向记忆恢复。即利用双程记忆效应随温度升降做反复动作,如热机、热敏元件等。但这类应用记忆衰减快、可靠性差,不常用。d.超弹性的应用。如弹簧、接线柱、眼镜架等。
(2)医学应用。TiNi合金的生物相容性很好,利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多。如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓内针、人工关节、避孕器、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等。
5.光纤基础智能材料
光导纤维具有感知和传输双重功能,具有直径小、柔韧性好、质量轻、抗电磁干扰、传输频带宽、可埋入性好、便于波分、时分复用和可进行分布式传感等优点,可用于制作各种传感器,测量温度、压力、位移、应力、应变等多种物理量并具有极高的灵敏度。因此光纤已成为当前智能材料与结构研究中首选的信息传感及传输载体,光纤传感技术则成为智能材料与结构的技术基础之一。
三、未来热点应用
智能材料与结构发展异常迅速,虽然还是一个不成熟的领域,但由于应用迫切,其应用研究与基础研究并行发展。作为一种新技术,它在航空航天、国防军事、建筑、纺织、医学、汽车等部门都有着广阔的发展前景,其未来热点应用主要集中在以下几个方面:
(1)仿生学和航空航天。随着智能材料与结构的发展“,个人航空器”取代汽车已不再是科幻小说。目前已存在可调机翼的飞机,但像生命有机体一样可以伸缩和有反应能力的飞机和航天器将是研究的热点。
(2)智能传感器。随着智能材料和人工智能技术特别是微型计算机技术的迅速发展,智能传感器将在各个高新技术领域得到应用。目前研制的智能材料传感器如光纤传感器、压电传感器、微芯片传感器等在各领域的应用已经取得一定成效,未来的智能材料传感器应具有更强大的功能。如:传感器自身能消除异常值和例外值,提供更全面、更真实的信息;除了自适应和自调节功能外,还有一定的智能算法及自学习功能;可通过数字通信接口而实现网络化和远程控制等。
(3)智能化住宅。智能材料的发展,特别是毫米塑料设想的提出,使智能化住宅的梦想离现实越来越近。可任意改变颜色的墙壁,根据人体需要可随时调节温度的水流,随着季节变化可控温度和湿度的房屋,所有的电器都是触摸式的,永远不会再有触电的危险,地震后房屋可以自动修复……这种理想的智能化住宅将显著提高人们的生活质量。
20世纪是机电学的时代。传感——集成电路——驱动是最典型的机械电子控制系统,但复杂而庞大,形状记忆材料兼有传感和驱动的双重功能,可以实现控制系统的微型化和智能化,如全息机器人、毫米级超微型机械手等。21世纪将成为材料电子学的时代。形状记忆合金的机器人的动作除温度外不受任何环境条件的影响,可望在反应堆、加速器、太空实验室等高技术领域大显身手。
参考文献
[1]余海湖.智能材料与结构的研究及应用[J].武汉理工大学学报.2001
[2]程显文.智能材料在土木工程中的应用[J].工程与建设.2006
[3]张煦.通用汽车在智能材料技术应用领域取得新突破[J].技术纵横轻型汽车技术.2007
[4]刘小峰.神奇的智能材料[J].科技视野.2007
仿生智能材料研究进展 篇7
一、仿生智能材料
1. 智能材料的仿生特点
从生物学角度看, 人类能够对外界做出主动性反应是因为人体具有收集、分析外界信息并做出适当反应的能力。收集信息需要“神经元” (如触觉神经、视觉神经等) , 分析信息需要“大脑”, 对信息做出适当反应需要“肌肉”;“神经元”、“大脑”及“肌肉”相互之间的信息传递则需要“神经网络”。因此, 与人类相类似, 具有仿生功能的智能材料和由它所构成的系统应具备以下四个要素: (1) 含有附着的、埋入的或内在的传感器, 它是智能材料的“神经元”, 用以感知外界变化并收集外界信息。 (2) 含有中央处理器, 它是智能材料和结构的“大脑”, 用它对传感器所收集到的外界信息进行分析、处理并发出适当的、适时的动作指令。 (3) 有附着的、埋入的或内在的执行器, 它是智能材料的“肌肉”, 其作用是根据中央处理器发出的反应指令进行相应的动作, 因而也称之为动作器。 (4) 拥有通信网络, 它是智能材料和结构的“神经网络”, 担负着传感器、执行器与中央处理器相互间的信息传输任务。此外, 智能材料和结构还应具有与人的骨架功能相类似的先进复合材料, 用以支承、连接这些硬件系统和受控结构。由此可以看出, 智能材料是一种用来描述自身含有传感器、执行器、中央处理器及通信网络的仿生材料。它具有与生物体相类似的自适应功能, 能够对周围外界环境的变化作出适时、灵敏和恰当的反应。关于智能材料的研究是一门交叉科学, 它吸引了一大批化学、物理学、材料学、系统控制、计算机等广泛领域的专家。他们正在联合起来共同攻关, 做第一个“敢吃螃蟹”的人, 致力于开发出新型、实用的智能材料。
2. 智能材料的特征
因为设计智能材料的两个指导思想是材料的多功能复合和材料的仿生设计, 所以智能材料系统具有或部分具有如下的智能功能和生命特征:
(1) 传感功能 (Sensor) 能够感知外界或自身所处的环境条件, 如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学、核辐射等的强度及其变化。
(2) 反馈功能 (Feedback) 可通过传感网络, 对系统输入与输出信息进行对比, 并将其结果提供给控制系统。
(3) 信息识别与积累功能能够识别传感网络得到的各类信息并将其积累起来。
(4) 响应功能能够根据外界环境和内部条件变化, 适时动态地作出相应的反应, 并采取必要行动。
(5) 自诊断能力 (Self-diagnosis) 能通过分析比较系统目前的状况与过去的情况, 对诸如系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予以校正。
(6) 自修复能力 (Self-recovery) 能通过自繁殖、自生长、原位复合等再生机制, 来修补某些局部损伤或破坏。
(7) 自调节能力 (Self-adjusting) 对不断变化的外部环境和条件, 能及时地自动调整自身结构和功能, 并相应地改变自己的状态和行为, 从而使材料系统始终以一种优化方式对外界变化作出恰如其分的响应。一般来说智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。
二、国内外仿生智能材料研究现状
1. 国外仿生智能材料研究现状
美国伊利诺伊大学的一位建筑学副教授卡罗琳·德赖, 目前正在研制一种自行愈合的混凝土。他设想把大量的空心纤维放入混凝土中, 当混凝土开裂时, 事先装有“裂纹修补剂”物质的空心纤维也会裂开, 并释放出粘结修补剂把裂纹牢牢地“焊”在一起防止混凝土断裂。美国的桥梁专家正在研究当桥梁出现问题时一种能够自动加固的材料。美国密执安州立大学的穆凯席·甘迪教授则在研究一种能自动加固的直升飞机水平旋翼叶片。
DNA大分子本身具有智能性。如何将其引入先进材料系统, 使其具有商业价值, 这就需将生物大分子与合成分子材料螯合, 美国杜邦公司正从事这方面研究与开发。
1990年, 意大利比萨大学工程学家德·罗西, 根据人类皮肤有表皮和真皮组织的特点, 为机器人仿制一种由外层和内层组成的人造皮肤, 这种皮肤具有弹性, 厚度也和真皮肤差不多。
日本的仿生学家对构成人体的许多材料的特点极为感兴趣, 并进行研究以便有朝一日能用于工业上。比如日本仿生设计调查委员会主任、东北大学金属材料研究所教授小松启正在研究人的牙齿结构。人的牙齿是由成分不太相同的三种结构组成的, 且牙齿不直接附着在腭骨上, 而是由结实的纤维和齿槽牢固地连接在一起。这种绝妙的构造, 他认为对设计防止噪声的列车新干线会有所帮助。
日本的和田浩尔则在研究贝壳材料, 因为贝壳一旦受到损伤其破损部分就会发生钙化, 巧妙地进行自行修复。日本的科研人员认为, 搞清这些原因, 有可能找到“无生命”的材料自我修复线索。
日本日立造船技术研究所的研究员一色浩则正在研究鲸鱼和海豚的尾鳍和飞鸟的鸟翼, 希望有朝一日能发明像尾鳍和鸟翼那样轻而柔软、既能折叠又很结实的材料。若能如愿, 人们就很方便地利用自然界的波浪能和风能以更充分地享受大自然对人类的惠赐。
东京工业大学理学部教授本川I达雄则在研究人们喜欢的美味佳肴——海参。他发现, 当人在捕捉海参时, 海参身体就变硬, 但并不逃跑, 而海参受到鱼类攻击时, 都会自己“切掉”身体的一部分而逃掉。海参越受袭击, 其皮就变得越硬, 于是就联想到, 如果人的皮肤也有这种特性, 即使到了老年也可以不产生皱纹。更有人反过来设想, 如果能利用海参的外皮组织的相反特性, 即在受到强烈的碰撞时, 能变成软的外皮, 受碰的物件也可能免受破损。
2. 国内仿生智能材料研究现状
目前, 国内对智能材料结构的研究一般都集中在对它的自诊断、自适应功能的研究上, 对于自修复的研究尚处于起步阶段。南京航空航天大学的智能材料与结构航空科技重点实验室, 在我国的智能复合材料研究领域处于领先地位。2001年, 南京航空航天大学的杨红提出了利用空心光纤来实现智能结构的自诊断、自修复。该文首创了用于智能结构的空心光纤研究方法, 并对其进行了应用基础研究。同济大学混凝土材料研究国家重点实验室等研究的仿生自诊断和自修复智能混凝土是模仿生物对创伤的感知和生物组织对创伤部位愈合的机能, 在混凝土传统组分中复合特殊组分即所谓的第六组分, 如仿生传感器、含胶粘剂的液芯纤维等, 使混凝土内部形成智能型仿生自诊断、自愈合网络系统。
三、仿生智能材料的应用
1. 在建筑方面
科学家正集中力量研制使桥梁、高大的建筑设施以及地下管道等能自诊其“健康”状况, 并能自行“医治疾病”的材料。英国科学家已开发出了两种“自愈合”纤维。这两种纤维能分别感知混凝土中的裂纹和钢筋的腐蚀, 并能自动粘合混凝土的裂纹或阻止钢筋的腐蚀。粘合裂纹的纤维是用玻璃丝和聚丙烯制成的多孔状中空纤维, 将其掺入混凝土中后, 在混凝土过度挠曲时, 它会被撕裂, 从而释放出一些化学物质, 来充填和粘合混凝土中的裂缝。防腐蚀纤维则被包在钢筋周围。当钢筋周围的酸度达到一定值时, 纤维的涂层就会溶解, 从纤维中释放出能阻止混凝土中的钢筋被腐蚀的物质。
智能混凝土是材料学的一个研究分支, 其起源可追溯到上世纪六十年代, 当时的苏联科学家采用碳墨为导电组分制备了水泥基导电复合材料。八十年代末期, 日本土木工程界的研究人员设想并着手开发构筑高智能结构的所谓“对混进变化具有感知和控制功能”的智能建筑材料。美国在1993年, 由于有国家科学基金的资助, 开办了与土木建筑有关的智能材料与智能结构的工厂。然而, 正如前面所说, 智能混凝土材料是具有若干个S行为的材料, 即具有自我诊断功能 (self-diagnosis) 、自我调节功能 (self-tuning) 、自我恢复功能 (self-recovery) 、自我修复功能 (self-repair) 等多种功能的综合, 缺一不可, 以目前的科技水平, 制备完善的智能混凝土材料是相当困难的, 也是不现实的。
美国加州大学伯克利分校的日本学者J.-S.Ryu和东京理工大学的Nobuaki Otsuki教授应用电化学技术对钢筋混凝土裂缝实施愈合作了一些研究, 并取得了一定实验性成果。
2. 在飞机制造方面
科学家正在研制具有如下功能的智能材料:当飞机在飞行中遇到涡流或猛烈的逆风时, 机翼中的智能材料能迅速变形, 并带动机翼改变形状, 从而消除涡流或逆风的影响, 使飞机仍能平稳地飞行。可进行损伤评估和寿命预测的飞机自诊断监测系统。该系统可自行判断突然的结构损伤和累积损伤, 根据飞行经历和损伤数据预计飞机结构的寿命, 从而在保证安全的情况下, 大大减少停飞检修次数和常规维护费用, 使商业飞机能获得可观的经济效益。此外, 还有人设想用智能材料制成涂料, 涂在机身和机翼上, 当机身或机翼内出现应力时, 涂料会改变颜色, 以此警告。
3. 在医疗方面
智能材料和结构可用来制造无需马达控制并有触觉响应的假肢。这些假肢可模仿人体肌肉的平滑运动, 利用其可控的形状回复作用力, 灵巧地抓起易碎物体, 如盛满水的纸杯等。药物自动投放系统也是智能材料一显身手的领地。日本推出了一种能根据血液中的葡萄糖浓度而扩张和收缩的聚合物。葡萄糖浓度低时, 聚合物条带会缩成小球, 葡萄糖浓度高时, 小球会伸展成带。借助于这一特性, 这种聚合物可制成人造胰细胞。将用这种聚合物包封的胰岛素小球, 注入糖尿病患者的血液中, 小球就可以模拟胰细胞工作。血液中的血糖浓度高时, 小球释放出胰岛素, 血糖浓度低时, 胰岛素被密封。这样, 病人血糖浓度就会始终保持在正常的水平上。
4. 军事方面
在航空航天器蒙皮中植入能探测激光、核辐射等多种传感器的智能蒙皮, 可用于对敌方威胁进行监视和预警。美国正在为未来的弹道导弹监视和预警卫星研究在复合材料蒙皮中植入核爆光纤传感器、X射线光纤探测器等多种智能蒙皮。这种智能蒙皮将安装在天基防御系统平台表面, 对敌方威胁进行实时监视和预警, 提高武器平台抵御破坏的能力。智能材料还能降低军用系统噪声。美国军方发明出一种可涂在潜艇上的智能材料, 它可使潜艇噪声降低60分贝, 并使潜艇探测目标的时间缩短100倍。
5. 智能皮肤
研制出触觉灵敏、能够自我修复、自我愈合的“智能皮肤”是人类梦寐以求的愿望, 如今这一理想正在变为现实。用光纤材料或高分子材料制成能像人的手那样可以“感觉”和“动作”的传感器与执行器;运用电子技术和计算机技术制造出能够像人的大脑那样可以分析判断、逻辑推理及综合理解的微型数据信息处理系统;将这些传感器、执行器及控制系统埋入到结构材料之中就形成了一种具有类似人皮肤那样功能的复合智能材料结构。这种“智能皮肤”不仅可以用来制成飞机的机翼和机身的蒙皮, 以防止鸟撞飞机等意外事故的发生;而且, 它还可以用在潜艇上, 吸收来自声纳的反射波, 使其摆脱敌方声纳系统的监控, 成为一个真正的“秘密”武器。
6. 智能生活用品
在日常生活方面, 智能材料结构也具有广阔的应用前景。在不久的将来, 家庭中由智能材料结构制成的物品到处可见:坐椅可根据人的体型调整其形状和温度, 使人能更好地解除疲劳;餐桌可使用磁感应来保持食品的温度;墙壁上的智能装饰材料能够改变颜色和纹路, 使人们免受洗衣机、吸尘器、抽油烟机等家电带来的噪声之苦;由电致变色智能材料制成的“智能灵巧窗”可以随气候的变化和人们的活动而自适应地调节热流和采光。此外, 用在高级轿车挡风玻璃上的智能雨刷可自动感觉雨量的大小并将其调节到最佳的运动速度。“随身听”是当代青年人所喜欢的娱乐用品之一。它上面的磁头定位器是由智能材料———压电陶瓷晶片制成的。这种压电陶瓷定位器可以控制磁带始终垂直地贴紧磁头, 精确地沿着磁道轨迹运动, 使我们能够听到悦耳动听的音乐。
四、结束语
超小型智能复合开关的研制 篇8
关键词：无功补偿,智能化,磁保持继电器,复合开关,电容器
本文介绍了一种超小型智能化复合开关,它体积轻便,安装简单,其智能化模块更适用于电网控制[1,2,3,4,5,6]。
1 投切电容器
智能型复合开关投切装置充分整合了接触器和晶闸管控制投切装置的优点,电压过零时投入,电流过零时切除,晶闸管接通后,功耗小,发热量低,并可根据智能控制灵活制定工作模式,极大提升了开关的可靠性。
2 复合开关电路设计
本文介绍的超小型智能复合开关是由以下几部分构成:单相供电电路,单片机控制电路,晶闸管与继电器电路,交流信号检测反馈电路。该智能复合开关完全体现了体积轻巧便捷的优点,其电路板长宽仅为69.46 mm和77.47 mm,且采用背部飞线的方法将大电流、大功率器件引出,更加强了电路板的安全可靠度。与三相低压并联电容器实验后证明,该电路稳定持久,智能控制完全达到预期目标,信号显示清晰明了,且晶闸管部分发热小,电路安全系数高。
2.1 单相供电电路
单相供电电路原理框图见图1。
单相供电电路模块是为了给51单片机及大功率驱动芯片ULN2003进行供电而设计的,该供电模块先从三相380 V电压中提取220 V电压,再将220 V交流电压经12 V的变压器进行变比的降低,得到12 V交流电压,但12 V的交流电压仍然无法给器件供电,于是再将其流过整流桥进行全波整流(为了减少器件所占体积,该处采用的是小型圆桥),输出得到稳定的12 V直流电压,又经滤波电容后,再经三端稳压芯片及滤波电容后就取得了稳定的5 V直流电压[7]。
2.2 单片机控制电路
为了更好地实现晶闸管与继电器的时序控制及整个电路的智能控制,该部分采用了常规单片机芯片89S52,为了更严格控制电路体积大小,采用了QFP贴片封装。
此部分电路如图2所示分为4个模块,复位电路的控制主要是针对系统安全保证机制的可靠性进行设计的,它能有效地防止系统进入死循环或程序跑飞。串口通信控制则是为了实现将单片机的数据传输到计算机端,进而实现计算机对单片机的直观控制。光耦驱动电路的控制,是由于单片机输出端口无法给予很大电流来驱动MOC3081光耦芯片,于是就采用了大功率、高耐压的ULN2003对光耦进行驱动,具有平稳、速度快、精度高等优点。交流信号反馈控制,采用了检测电路对三相交流各相电压进行检测,当检测交流信号传输进来时,通过相应处理后立即传送给单片机,单片机进而通过串口通信给予电脑信号进行识别,或者通过LED灯进行有规律的闪烁来通报交流信号的出现与消失[8]。
2.3 晶闸管与继电器电路
晶闸管与继电器电路采用的是常用的MOC3081光电隔离芯片、BTA41双向晶闸管和磁保持继电器。磁保持继电器特点为利用线圈两端输入的一定方向、大小的正向或反向支流脉冲来实现触点的变换,即利用脉冲来驱动磁保持继电器的接通与切断,且当线圈断电(脉冲消失)后仍可实现自保持功能[9]。
其电路原理如图3所示,当单片机接收投入信号时,ULN2003输入引脚为高,此时相应的MOC3081脚应为低电平。又当光耦检测到交流零点时,也即AIN=AOUT=0时,给4脚触发脉冲,使BTA41晶闸管开始投切电容,达到无涌流投入电容器的目的[10]。又经单片机控制,延迟约100 ms后,此时晶闸管已稳定工作,单片机再控制继电器闭合,闭合继电器接触点,使其承载晶闸管的大电流与电容器正常工作,避免了晶闸管功率过大导致发热烧坏芯片的问题。当单片机检测到断开信号后,控制继电器断开接触点,最后再控制晶闸管在电流过零时断开,此时智能复合开关完全切除,达到了无过电压的目的[11]。
2.4 交流信号反馈控制
交流信号反馈控制电路的设计是为了检测电容器端是否有交流电压。如图4所示,AOUT端为电容器端,N为零线端,当AOUT有220 V交流电压时,先经过稳压管VD1,VD1的目的是半波整流,R1和R2起的是限流和分压的作用,R3的作用是防止过电流流入,C1的作用为滤波,VD2起的是保护作用。
3 复合开关投切时序控制
复合开关投切时序图如图5所示。其中指示灯1为晶闸管控制显示灯,指示灯2为继电器控制显示灯,指示灯3为故障显示灯[12]。
4 复合开关在低压无功补偿的应用
根据2种无功补偿方式,复合开关与电容器的连接方案分为共补开关和分补开关2种:共补开关用于投切三相电容器,即三角形接法的电容器,通常由同样接成三角形的降压变压器二次绕组进行供电;分补开关用于投切单相电容器,采用的是Y型接法,其原理图如图6所示[15]。
5 复合开关投切实测数据
为验证该复合开关的可靠性,采用了自愈式低压并联电容器与其进行实验,实验数据如表1所示。
注:ICN为电容器额定电流;UCN为电容器额定电压;Ip为单相电流;Up为相电压;Ul为线电压。
6 结语
智能复合材料 篇9
1 铁塔材料智能管理信息系统的原理
铁塔材料智能管理信息系统的运行原理为:经营部拿到加工图纸后, 预算员按照图纸材料清单和杆塔明细编制材料预算, 系统根据材料预算和库存情况生成采购计划;技术部完成技术放样后, 导入单个塔型的加工清单, 系统根据现有任意一个库存或多个库存给出最优下料方案, 并对照采购计划中的配料方案找出差异, 经人工调整后, 最终形成发料单。如果缺料, 则系统会保留该塔型未发料的数据。所缺的材料到货后, 系统会自动发出预警信号, 发料员可根据预警信号完成剩余材料的发料工作。
铁塔材料智能管理系统分为基础参数设置、下料管理、采购管理、仓储管理、预警提醒和综合决策分析六个模块。通过局域网服务器, 该系统可实现多机免安装操作, 且其多种数据库和操作系统可保证数据的安全性和唯一性。此外, 铁塔材料智能管理信息系统还预留了接口, 可派生新系统或与其他系统对接。
2 铁塔材料智能管理信息系统的特点
2.1 兼顾最优下料与生产效率
该系统采用先进的基于线性规划原理的下料算法, 根据数控角钢生产线的参数, 可对无法满足生产要求的零件号分组, 并重新按照线性规划原理下料, 直至生成满足生产要求的下料结果。
2.2 自动化程度高
该系统的所有下料加工参数可自定义, 通过多种组合方式, 结合库存可制订最佳的材料使用方案和加工方案, 并可通过调整参数得到多种下料方案。此外, 该系统还可生成采购计划单、放样单和发料单等, 且这些单据均支持二次修改。
2.3 库存利用效率高
该系统可统计和判断库存 (含采购未入库) 物资与预采购物资的差值, 实现高效率的库存利用。其统计公式为:预采购计划=本工程原材料需求计划+未加工塔型需求计划 (已报采购计划) -现有库存-购未到货。
2.4 具有缺料统计和预警功能
在用户验收货物时, 该系统可记录某材料的到货情况与使用情况的对比数据, 从而实时统计缺料情况;按照不同工程、塔型分类别地统计缺料, 并体现在系统首页, 从而实时提醒物资部补缺和发料, 如图1所示。
2.5 可实现智能仓储管理
该系统可全面实现对多仓库、多库区的智能管理, 并根据每个库区存放材料的类型和数量智能提示入库位置, 且具有智能推荐出库功能。此外, 采用该系统后, 盘点移库可实现一键式管理。
2.6 可提供数据化的决策依据
该系统能从多个角度统计和分析数据信息, 从而为加工生产提供数据基础, 为领导决策提供数据支持。此外, 该系统中所有的报表都支持导出和打印。
3 结束语
综上所述, 铁塔材料智能管理信息系统通过结合成熟的求解方法与软件系统, 可自定义设置加工参数。该系统的应变能力较强, 可定期或不定期地盘点库存物资, 从而及时发现和调整库存中缺少或多出的物资。采用该系统后, 机械下料代替了人工下料, 大幅提高了物资管理效率和原材料利用率;可按照原材料的规格划分库位, 从而使发料人员能快速找到需要发出的原材料, 经实测, 员工的发料效率提高了20%左右。
该系统符合国家电网公司设备机具集约化管理工作的总体部署和建立现代物流体系的具体工作要求, 改变了传统的仓储管理模式, 实现了仓储管理由粗放型向精益化、由传统型向标准化的转变。
参考文献
智能复合材料 篇10
在包括炉外精炼的钢铁生产过程中, 由于受钢水面渣层厚度、底吹氩流量、大包耐火层、电网电压波动、液压伺服系统及控制调节比例阀放大板的精度与零漂变化等因素影响, 对象难以用数学模型描述, 故此, 近年来国内大力采用智能控制技术来解决, 但电极调节系统具有高度的非线性、时变性和相当的复杂性, 单靠一种智能控制方式已无法满足控制要求, 因此迫切需要设计某种综合的、集成的智能控制策略来解决复杂的控制问题。本文提出了基于复合智能控制策略的集成系统控制方案, 较好地解决了精炼炉电极升降控制问题。
1 复合控制系统方案
精炼炉的冶炼一般采用一个控制模型。本文分析了精炼炉电极升降过程中不同弧长对控制的精度和灵敏度要求不同, 采用电流平衡控制, 确定升降过程中不同状态的最佳电流目标值, 再根据需要选取不同的控制方法, 以提高电极升降控制的精度及灵敏度。
在电极下降初期, 此时偏差量较大, 电极与钢液面之间未产生电弧, 为了提高起弧速度, 电极可快速下降。起弧后, 如吹氩导致钢液面波动较大时, 负偏差量较大, 电极如不能快速响应时, 则容易产生短路, 此时要求控制灵敏度较高, 对控制精度相对较低, 采用快速最优 (Bang-Bang) 控制, 可实现无超调快速调整。电极弧长与目标弧长偏差量中等时, 吹氩扰动相对较小, 希望兼顾快速性和精度, 采用模糊控制。白渣精炼时, 炉况相对平稳, 要求控制精度更高, 采用PID控制。图1为电极升降智能复合控制系统框图。
2 控制器设计
2.1 快速最优 (Bang-Bang) 控制
电极调节系统是一个位置控制系统, 设以时间最短为目标, 以功率最大作为约束条件, 以电极调节阀允许最大速度输出达到快速调节的目的设计调节器, 称为Bang-Bang控制, 在电极运动速度受到约束的条件下, 电极运动相迹图和开关线如图2所示。
由图2可知, 对于任一初态, 只要判断弧长偏差量x1 (t) =ei=Ls-Lp是否达到L或-L, 便可以确定开关时刻实现快速控制。设电极平衡位置为零, 系统初态t=0时弧长偏差量为x1 (0) , 电极初速度为x2 (0) , 则电极运动方程为
x1 (t) =x2 (t)
x2 (t) =α (t)
式中:x1 (t) 为电极位移量, 即弧长偏差量;x2 (t) 为电极移动速度;α (t) 为电极移动加速度。
|α (t) |≤αM (1)
式 (1) 表示电极运动加速度受限制。
由图2可知, AO段相迹方程为
BO段的相迹方程为
则开关线相迹方程为
事实上, 由于电极运动速度受限制, 当电极加速到限制速度时即可作如下方程。
由式 (5) 可得:
同理在[R_]区有
则控制律为
这里采用电弧电流Ih与弧长关系在线测取Lp。设取电弧炉炼钢过程一相电极的等效电路如图3所示。
图3中, U1为相电压, XL为感抗, R为电阻, Uh为电弧电压 (简称弧压) , Ih为电弧电流 (简称弧流) 。
而弧压与弧长关系为
Uh=βLp+α (10)
式中:α为阴极和阳极区电压降和, V;β为电弧系数, 即弧柱电压梯度, V/mm。
由式 (9) 和式 (10) 有
根据以上结论, 可以编制快速最优 (Bang-Bang) 控制子程序流程图如图4所示。
2.2 模糊控制
通常的二维模糊控制器都是以偏差e (t) 和偏差变化率ec (t) 作为输入, 而在电极调节系统的过渡过程中, 不同时域所要求的性能指标的重点是不同的, 因此将时间t作为控制策略的一个重要的参考因子是非常必要的。因而以时间t替代ec (t) 作为输入, 构成新的二维Fuzzy 控制器。
1) 时间t和偏差e (t) 的模糊化。
首先取时间t的模糊子集t= {负大, 负中, 负小, 零, 正小, 正中, 正大}, 设定其相应的语言变量T的模糊子集为T={NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB}, 取偏差|e (t) |的模糊子集为|e (t) |= (很大, 大, 中, 小) , 设定其相应的语言变量E的模糊子集E={VB, B, M, S}。
T和E的语言变量值最终是通过三角形隶属函数来描述。由于它的形状仅与直线斜率有关, 因此适合于有隶属函数在线调整的模糊控制。
2) Kp控制器。
PD控制器中, 比例增益Kp增大, 可以加快电极调节系统的响应, 减少系统稳态误差, 提高控制精度, 但是Kp过大会使系统产生超调, 甚至导致系统不稳定;反之减小Kp, 能使系统稳定裕度增大, 减少超调量, 却降低了系统精度, 使过渡过程时间延长。因此, 实现Kp自调整将可以随时改变系统的静态和动态性能, Kp参数的控制作用原理图如图5所示。
图5中, Vd为被控制量V的给定值, Up为Kp控制作用的输出。模糊逻辑控制器 (fuzzy logic controller, FLC) 的输出量为Kp的增量ΔKp, 其模糊子集为{NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB }。
3) 模糊控制规则的建立。
根据专家的控制经验和直觉推理, 经过整理、加工和提炼后构成模糊控制规则 (亦叫经验归纳法) 。对于二维模糊控制器, 采用Mandani控制规则, 得表1所示的模糊控制规则表。
表1给出的控制规则Rz具有如下关系:
式中:Ai为偏差的语言变量模糊子集;Bj为时间的语言变量模糊子集;Ck为ΔKp的语言变量模糊子集。
定义模糊关系为
RE=A×C RKP=B×C
则 UPZ=E·RE∧T·RKP
其控制输出Up为
从而实现了参数ΔKp的在线调整。
4) 模糊推理。
模糊规则确定后, 接着进行模糊推理 (亦称为似然推理) , 其一般形式为
if E=VB and T=NB then ΔKp= NB
if E=B and T=NB then ΔKp=
当给定的前提为模糊集时, 可以采用似然推理方法进行推理, 假设有如下2条推理:
R1:if E=A1 and T=B1 then ΔKp=C1
R2:if E=A2 and T=B2 then=C2
已知E=e0, T=t0 则根据它们的隶属函数μAi (e0) , μBi (e0) (i=1, 2 是相邻2个模糊子集的序号) , 可以求出合成度为
ω=μAi (e0) ∧μBi (t0) (14)
则对于序号为i的规则其推理结果为
μCi (ΔKpi) =ω∧μCi (ΔKpi) (15)
实际上, 式 (16) 已获得推理的结果, 表示模糊控制的规则推理功能已经完成。但是, 至此所得结果仍是1个模糊值, 不能直接用来作控制量, 还必须作1次转换, 求得明确的控制量输出, 即为解模糊。
5) 解模糊。
解模糊通常使用中心法来实现, 中心法使用max的方法, 将推理求和后算出, 其中心 (比例增益的增量ΔKpo) 为
2.3 PID控制
PID 控制采用下列增量式经典方程
其离散化方程为
由式 (19) 不难编制出PID控制程序。
3 智能复合控制问题
根据弧长偏差量ei组成简单规则集来实现智能复合控制, 主要规则有
1) IF ei≥X1 THEN Ue=-Um, Bang-Bang控制, 电极快速上升;
2) IF ei≤-X1 THEN Uc=+Um, Bang-Bang控制, 电极快速下降;
3) IF X2<|ei|≤X1 THEN Uc=模糊控制算法输出;
4) IF X3<|ei|≤X2 THEN Uc=PID控制算法输出;
5) IF |ei|≤X3 THEN Uc=0。
上述规则集符合二次满映射条件, 因此这种规则控制的系统是完全可控的。
对于规则集还可以根据给定弧流及实际弧流进行模糊推理得到不同控制算法的切换点, 即上述的X1, X2, X3。
4 仿真结果及现场运行效果
电极升降控制系统按图1进行仿真, 系统数据源于某厂实际运行的70 t LF炉。系统在单位阶跃输入下智能复合控制和PID控制的输出过渡过程波形如图6所示。智能复合控制系统在方波输入下的输出波形如图7所示。
从实验结果可看出, LF炉电极升降系统采用智能复合控制, 吸取了Bang-Bang控制、模糊控制、PID控制各自的长处, 克服其不足, 在同一条件下, 提高了系统的控制精度和跟踪能力。智能复合控制的响应速度比一般PID控制快5倍;智能复合控制静差为 PID控制的20%。
该控制方案进行了长时间调试及实验, 取得了良好的控制效果和大量实际数据, 达到了预期的设计目的, 为今后的电极调节提供了一种新的方法。
参考文献
[1]李少远.智能控制的新进展[J].控制与决策, 2002, 17 (2) , 137-140.
[2]梁正敏.高阻抗电弧炉[J].工业加热, 2001, 30 (3) , 21-24.
土木工程建设中智能材料的应用 篇11
20世纪70年代, 在建筑项目领域中使用智能材料的想法及理念, 率先由美国提出, 且在经过大量的测试和试验之后, 得出了智能材料所具备的基本特征。而随着各部门对土木工程建设重视度的不断提高, 以及相关技术的不断创新和改进, 在土木工程建设领域还逐渐发展出了自适应建筑结构的材料、机敏材料及智能材料等。
1.1 智能材料的概念
目前, 在土木工程建设领域中, 对于智能材料的定义还缺乏一定的标准和统一性。总体而言, 在土木工程建设领域中, 一般智能材料主要是指能够感知内部环境及外界环境的, 并能够准确地判定及处理分析建筑, 同时还具有相应的适度性的建筑材料。智能材料是继天然材料、人工合成材料、高分子材料等之后, 逐渐在建筑领域内发展出来的一种新型施工材料, 其能够在日后的土木工程建设中发挥出更大的作用。
1.2 智能材料的特征
在土木工程建筑建设中, 其所使用到的智能材料, 一般具备以下几个基本特征:自适应功能、自我修复建筑结构的功能、识别和积累信息的功能、相应功能、自诊断功能、传感功能和反馈功能等。而目前在土木工程建设的过程中, 所使用的智能材料主要具有以下特征:1智能材料能够准确地感知外界环境, 还能对环境中存在的刺激及其强度进行精准的检测, 如应变量、化学能、核辐射、热能、光能及应力等;2智能材料还具备驱动功能, 能够适应外界的相应变化;3智能材料还能根据预先设计的方式, 对自身进行相应的控制, 并能够对具体的方式进行相应的选择;4智能材料还能快速地对外界的刺激进行反应, 且这一反映非常恰当;5智能材料能够在外界的刺激消失之后, 以最短的时间、最快的速度恢复到最初的状态。
2 土木工程建设中智能材料的应用
2.1 压电材料
在传统的建筑结构中, 一般应用的压电体为集成式, 其主要是通过传感压电的原件对建筑结构的振动模式和状态加以感知, 并根据其输出的感知结果, 来确定控制算法应输入的压电体, 以实现结构振动的主动控制, 这也是智能结构中展开压电类研究与应用的前沿领域[1]。目前, 一些研究人员主要利用陶瓷压电体作为加速驱动与传感器, 对控制主动振动及主被动阻尼在压电层合结构中的问题进行相应的研究。近年来, 随着堆技术与压电材料的不断发展, 促使智能材料中的压电类材料的研究与应用也变得更加广泛。目前, 土木工程建设中应用的压电材料, 一般更注重健康监测、安全评定、控制静变形能及主动控制噪声等方面, 并且取得了非常好的效果。
2.2 形状记忆合金
在土木工程建设中, 一种具有记忆形状效应的合金智能材料, 即为形状记忆合金。其是一种具有新型功能的智能材料, 优势主要是:在发挥材料的记忆形状效应时, 其能够产生8%左右的应变回复, 以及大于700MPa的应力回复, 并且具备的传输与储存能量的功能非常强[2]。在该智能材料的应用过程中, 这一优势促使其能够在各种建筑结构中都能灵活应用, 并且还能实现建筑结构的适应控制、增强、增韧及自我诊断等方面的研究和应用。同时, 该智能材料还能够用于智能驱动器的研制, 并且在结构振动、裂缝、损伤及变形等方面都能展开相应的研究和应用。而形状记忆合金这类智能材料的另一个优势是, 具有一定的相变滞后及相变伪弹等性能。在加卸载过程中, 其应变-应力曲线能够形成环状, 这就意味着该智能材料在此过程中能够将较多耗散的能量重新吸收回来。形状记忆合金材料的相变回复应力高达400MPa, 根据其特性还能对控制被动耗能的系统进行研究和开发, 且研制出来的系统还能够获得一定的相变伪弹功能, 因而能够用于土木工程建设中的被动控制耗能抗震。一般在建筑结构的底部或者层间安装一个控制被动耗能的系统, 就能够对建筑结构的层间变形进行相应的感知, 并且能够对地震能量进行适当的消耗。经有关研究表明, 形状记忆合金耗能器安装之后, 大约可以吸收的地震能量在2/3左右, 且对结构的位移具有显著的抑制作用。
2.3 压磁材料
在外界加磁场的影响下, 磁留悬浮变液体系所具备的各种流变性质均能产生非常显著的可逆变化。当临界值低于外加场强时, 这一变液就会从液体状态快速转变成固体状态, 同时利用显微镜进行观察, 可以看到:在磁场的作用下, 这一变液的相分散颗粒能够顺着磁场的方向逐渐形成连状结构。处于固体与液体之间的变液, 其能够结合自身的特点, 即可逆性质、可控性质及快速性等, 对流体的特性实时控制, 但此时需要的能量较低, 因而在土木工程建设的智能结构中, 一般动器件所用的材料主要为磁流变液。同时, 在土木工程建设领域, 大跨度的桥梁、高层建筑及电视塔等结构, 其所使用的压磁材料, 主要是用于半主动控制地震。另外, 在压磁材料的相关研究中, 磁致伸缩的材料也获得了社会的广泛关注。这种智能材料的磁致伸缩功能非常强, 机械能及电磁能之间能够实现有效的逆转换, 因而在土木工程建设中具有十分广阔的应用前景, 这一智能材料主要适用于控制精密定位、声呐系统、超声大功率器件等各个建筑领域。
2.4 光导纤维
在土木工程建设中, 光导纤维主要由两部分构成, 即内芯与外包层, 其是一种光通信的纤维状介质材料, 主要是在通信传输系统中, 最初使用先进的传输信息技术, 其在容量与速度上, 信息载体的光子要大于电子这一载体, 因而其发展速度非常快。光子主要具备一定的高信息率及高并行的信息处理能力, 其能充分发挥出信息处理速度与容量中存在的潜力。光导纤维在远距离信息传输、传感及监测等各个方面, 都能获得广泛的应用。在传统的土木工程建设的混凝土结构中, 使用光导纤维作为传感的原件, 能够实现对各项结构指标的实时诊断、控制、检测、评价及预报等功能, 并且在买入驱动元件如形状记忆合金之后, 就能将信息控制元件及处理系统有机结合起来, 促使土木工程建设的混凝土结构能够获得一定的智能功能, 从而达到自动修复及诊断混凝土结构的目的。另外, 在混凝土结构中, 对于地震响应的主动控制及诊断等, 设计的传感器中使用的材料比较理想的就是光导纤维材料。
3 智能材料未来发展趋势
在土木工程建设中, 智能材料未来的发展趋势主要表现如下:首先, 对结构状态进行实时检测和监控, 在土木工程建筑结构中, 驱动元件及集成传感的原件, 能够利用网络对结构状态进行实时监控, 从而确保土木工程的基础结构和设施的可靠性与安全性;其次, 能够对土木工程建设的结构形状与材料进行自适应, 这样土木工程结构就能对运动进行承载和传递, 同时还能对结构的特性进行检测与改变;最后, 能够对抗震、降噪、抗风及减振等进行自适应控制。
4 结语
在土木工程建设过程中, 智能材料的应用非常广泛, 同时使用的各种元件也逐渐趋向于高功率化、多功能化及小型化。在土木工程建筑结构中, 连接元件、耦合原件、驱动系统、传感系统和复核控制系统等的应用, 促使土木工程建筑逐渐朝着智能化、主动式的结构方向发展, 因而能够为人们的日常生活和工作提供更加安全舒适的环境。
摘要：近年来, 随着国民经济的不断提高, 土木工程建设也获得了极大的发展。基于此, 对土木工程建设中智能材料的应用进行深入的研究, 分析智能材料的概念及特点, 从而对其具体的应用作详细的阐述。
关键词：土木工程,建设施工,智能材料,应用
参考文献
[1]黄浦时.关于智能材料在土木工程建设中的研究[J].数字化用户, 2013 (11) :27.