压电压磁材料在土木工程中的应用与前景.pdf

2 0 1 2 年1 2 月 嘲目麓商 综述与交流 【文章编号 1 6 7 3 - 0 0 3 8 ( 2 0 1 2 3 5 - 0 3 0 7 - 0 3 压电压磁材料在土木工程中的应用与前景 杨爽 ( 江西同济建筑设计咨询有限公司) 摘要：在当代的土木工程领域内智能材料已经得到了广泛的应用，以压电、压磁、光纤、形状记忆合金( S M A ) 等几种 智能材料为主，本文主要从压电压磁智能材料的力学特性及其基本原理出发，介绍了它们在土木工程结构中的一些应用 现状及相关研究，并对其发展前景作了展望。 关键词：压电压磁；智能材料；土木工程；应用前景 1 压电材料和压磁材料 1 1 压电材料 压电材料是一种特殊的弹性体，除了具有一般弹 性体的弹性性质外，还具有压电效应，而且压电效应是 可逆的。当压电晶体在外力作用下发生形变时，在它的 某些相对应的面上会产生异号束缚的电荷，这种没有 电场作用，只是由于形变产生的极化现象称为正压电 效应。当对压电晶体施加一电场时，不仅产生了极化， 同时还产生了形变，这种由电场产生形变的现象称为 逆压电效应。逆压电效应的产生是由于压电晶体受到 电场作用时，在晶体内部产生了应力，这种应力称为压 电应力，通过它的作用产生压电应变。利用压电材料的 正、逆压电效应，压电元件既可作为传感元件，又可作 为执行器件。由于压电元件可以做成片状，体积小，重 量轻，对结构自身的固有特性没有太大的影响，目前在 智能结构中得到了越来越多的应用。P Z T 就是典型的具 有正逆压电效应的功能材料，它是指错钦酸铅P b ( Z r ， T i ) 0 3 功能陶瓷，是A B 0 3 型钙钦矿结构，z r ，T i 处于氧 八面体的中心，P b 处于氧八面体的间隙。P Z T 压电陶瓷 的居里温度高、压电性强、易掺杂改性、稳定性好，应用 非常广泛。当P Z T 作为执行器件时，利用其逆压电效 应，在P z T 的两个电极上施加不同极性的电压，它将产 生一定的机械变形，从而对材料施加作用力。通过合理 布置P Z T 在材料结构中的位置、设计其形状和所施加 的电压便可实现主动控制，如振动主动控制、形状主动 控制以及损伤主动控制等。利用正压电效应，P Z T 元件 可作为传感器件使用。外界物理量如力、温度等作用于 压电陶瓷时，由于正压电效应以及热释电效应，压电陶 瓷将感应出一定量的电荷，通过附加电路测量出这部 分电荷，就可获知外部物理量的大小。 1 2 压磁材料 1 2 1 磁致伸缩材料 纯镍，N i F e ，N i C O ，F e A l 及F e C O 等材料在外加磁 场作用下，其尺寸、体积等会发生改变，故称这类材料 为磁致伸缩材料。“超磁致伸缩材料”则指国外2 0 世纪 8 0 年代末新开发的新型功能材料 2 1 。主要是指稀土一铁 系金属间化合物。这类材料具有比铁、镍等大得多的磁 致伸缩值，其磁致伸缩系数比一般磁致伸缩材料高约 1 0 2 1 0 3 倍。如美国海军军械研究所发明的大磁致伸缩 材料T e 如n o l D ，一种T b F e D v 合金，其应变是镍合金的 5 0 倍，是压电陶瓷的1 0 5 0 倍，弹性模量可达( 2 5 3 5 ) x l O l o M P a ，是制作大能量驱动器的良好材料。目前的磁 致伸缩材料仅用于小型机构的控制。 1 2 2 电，磁流变体 电流变体( E l e c t r o r h e O l o g i c a ln u i d ，简称，E R ) 和磁 流变体( M i g n e t o r h e O l o g i c a lF l u i d 简称M R ) 都是可控流 体，它们分别用不导电或不导磁的母液( 常为硅油或矿 物油) 和均匀散布其中的固体电解质颗粒( 常为无机非 金属材料、有机半导体材料或高分子金属材料) 或磁性 颗粒制成的悬浮液，在电场或磁场作用下，E R M R 中的 固体颗粒会形成一束束纤维状的链，横架于电场或磁 场的两极之间。这样，对于平行于两极的剪切力而言， E 删R 在电场磁场的作用下，就能从流动性良好且具 有一定粘滞度的牛顿流体转变为有一定屈服剪应力的 粘塑性体，即所谓的“固化”，这种特性称为电磁流变效 应。 2 压电压磁材料在土木工程中的应用 2 1 压电材料在土木工程中的应用 将压电体集成于传统的结构中，利用压电传感元 件感知结构的振动模态，并根据其输出，再通过相应的 控制算法确定压电作动体的输入，以实现结构振动的 主动控制，是目前压电类智能结构应用研究的前沿和 热点。为此，许多研究人员先后利用压电陶瓷( z 作 为加速度传感器和驱动体研究了任意复杂激励下压电 层合结构的主动阻尼和被动阻尼以及主动振动控制等 问题，还有的学者根据经典复合板理论，采用加速度反 3 0 7 万方数据 综述与交流 童卸目麓商 2 0 1 2 年1 2 月 馈控制方法讨论了利用压电传感元件实现复合材料层 合梁的主动阻尼控制并进行了试验研究。特别是近年 来压电材料和压电堆技术的迅速发展，为压电类智能 结构的研究和应用开辟了许多新领域。目前压电材料 和压电堆技术广泛应用于土木工程结构的静变形控制 能、噪声主动控制、健康监测、安全评定和自适应修复 以及抗震抗风等多个领域，其中文献3 1 把压电堆技术 用于建筑结构的主动抗震控制，并取得了很好的控制 效果，造价也较低廉。此外，也有将压电材料与普通控 制装置相结合的半智能型混合抗震控制及半智能型主 动抗震控制等方面的研究。 2 2 压磁材料在土木工程结构中的应用 磁流变液( M R F ) 悬浮体系，在外加磁场的作用下， 它们的粘性、塑性、弹性等流变性能会发生显著的可逆 变化M 。且当外加场强超过临界值后，磁流变液会在几 毫秒内从液态变为固态。在显微镜下可以观察到，在磁 场的作用下，磁流变液的分散相颗粒结成了沿磁场方 向的链状结构。由于磁流变液的特性可以在介于液体 和固体的属性之间进行可控( 由外加磁场直接井制流 体的流变特性) 、快速( 响应时间只有几毫秒) 和可逆的 转变的独特性质，而且对流体的特性实施控制时所需 的能量又较低，变化动态范围大，易于大面积铺放、成 本低，磁流变液成为智能结构中作动器件的主要材料。 目前，人们主要将磁流变液应用到减振器、离合器、柔 性机械卡具、机器人手臂、液压阀门、直升机旋翼、油缸 运动的控制桥路以及电源的高速开关等各个领域。目 前己设计出了一些应用磁流变液的高性能参数可控的 减振器、离合器、隔振器等新产品。目前在土木工程领 域主要应用于高层建筑、电视塔、大跨网架和大跨桥梁 等土木结构地震的半主动控制。例如文献4 1 曾将M R F 液半主动控制系统与理想的主动控制系统的效果进行 比较，表明前者效某要好于后者，后来这些结论也被实 验所证实。另外，磁致伸缩智能材料也在土木工程的研 究中得到了广泛的重视。磁致伸缩智能材料是一类磁 致伸缩效应强烈，具有高磁致伸缩系数并具有电磁能 机械能可逆转换功能的材料。磁致伸缩材料在智能材 料与结构领域中具有较好的应用前景，目前这类材料 已广泛用于声纳系统、大功率超声器件、精密定位控 制，各种阀门和驱动器件等。 3 压电压磁材料应用前景和展望 目前在土木工程领域内，压电压磁智能材料的研 究主要在以下两方面的应用研究最受重视： ( 1 ) 结构健康的实时检测与监控。这主要是指将先 进的传感元件和驱动元件集成在传统的土木结构中， 利用它们构成的网络对结构的裂缝、损伤、疲劳、冲击、 缺陷、腐蚀等状态进行实时监测和控制，以确保重大土 木工程结构和基础设施的安全可靠，降低其维修费用I l l 。 ( 2 ) 结构减振抗震抗风降噪的自适应控制。结构的 动力响应一直是土木工程设计中的一个非常重要的问 题，特别是对于高层建筑和桥梁等大型土木工程结构 的抗震抗风问题更是如此，而智能材料的开发与应用 就可为之提供一个更为有效的新途径，从而使结构的 自适应控制成为可能。上述应用研究皆涉及智能材料 结构系统的下述技术领域：智能材料结构系统的集 成技术。传感器和驱动器的制备与应用技术。信号 信息的处理与传输技术。人工智能与自控制技术。 现有智能材料的改性研究及新型智能材料的超前研究 等。目前，虽然智能材料还有这样或那样的不足，但是， 随着研究的深人，智能材料的性能将得到进一步的改 善。智能材料在许多领域都具有巨大的潜在应用前景， 其研究涉及材料科学、化学、力学、生物、微电子技术、 分子电子学、计算机控制、人工智能等学科与技术。智 能材料结构( 或自适应材料结构) 的概念系统地提出于 2 0 世纪8 0 年代初期，并在8 0 年代末期和9 0 年代以来 得到了飞速的发展 a l 。随着智能结构的进一步研究，并 且随着元件的小型化、高功率化和多功能化，人们有希 望把传感系统、控制系统和驱动系统以及藕合，连接元 件都复合在建筑结构中，那时的建筑结构，将成为主动 式智能建筑结构，它能有效地利用太阳能，并能有效地 抵抗地震、风振等自然灾害的侵袭；那时的建筑物将能 给人们提供更安全、更舒适和更节能的生产、生活、学 习和工作的环境。 4 结论 压电压磁材料在土木工程领域的应用研究已取得 了显著的成绩，极大地影响了结构设计理念和多学科 交叉应用的发展，但这只是刚开始，随着智能材料和技 术的发展，加入了智能材料的土木工程结构已展现出 其优越的性能和广阔的应用前景。 参考文献 【l 】李传兵，廖昌荣，张玉磷，等压电智能结构的研究进展，压电与 声光，2 0 0 2 ，2 4 ( 1 ) ：4 2 4 7 【2 】高蕉，阎石，周光宇，智能材料与土木工程结构振动控制，山 西建筑2 0 0 5 ，3 1 ( 2 0 ) 3 K a m a d aT A c t i v ec o n t r o lo fs t r u c t u r e sw i t hs m a r t st r u c t u r e s u s i n g P Za c t u a t o r 椰I n r e l L M a t e r S y s L A n ds t r u c ，1 9 9 7 ，8 ( 6 ) 4 D y k eS J M o d e l i n ga n dc o n t r o lo fm a g n e t o rh e o l o g i c a l da m p e r sf o r s e i s m i c r e s p o ns e r e d u c t i o n J S m a r tM a t e r i a l sa n ds t r u c t u r e ，1 9 9 6 ，5 ： 5 6 5 - 5 7 5 万方数据 2 0 1 2 年1 2 月 葡目囊窿 综述与交流 【文章编号】1 6 7 3 - 0 0 3 8 ( 2 0 1 21 3 5 - 0 3 0 9 - 0 3 纤维及织物阻燃技术综论 周卫红 ( 云南金相消防检测有限公司) 摘要：随着国民经济迅猛发展，人们对于环保、安全等意识不断加强。在建筑、医疗、生活的必需品中，人类越来越看 重安全、舒适。衣物在我们生活当中充当重要位置不言而喻，近几年来，因织物燃烧而引起的火灾事件在全世界范围内不 断增加，造成了重大生命财产的损失，研究织物阻燃技术成为一个重要的话题。就目前来说，研究织物阻燃技术主要在两 个技术方面进行探究：如何生产舒适的阻燃纤维；对织物进行阻燃整理。本文通过对纤维及织物阻燃技术的现状加以 诠释，通过现状的分析给提出阻燃纤维的改进方法和阻燃剂的阻燃机理，来预测对织物阻燃方法和发展趋势。 关键词：火灾；纤维；高聚物；阻燃剂；稳定性 1 引言 近几年以来，我国因织物燃烧而引起的火灾不计 其数，据有关部门不完全统计，近十年来，我国发生的 火灾平均每年3 万4 万起，死亡人数3 千人上下，火灾 的损失达到2 0 亿元，而在这些火灾事件中，由衣物直 接或间接因起占总数3 4 。可想而知，发展纤维及织物 阻燃技术迫在眉睫。 2 织物阻燃技术发展状况 为了保证生命财产安全，世界各发达国家早在6 0 年代初期，已经开始对织物提出阻燃技术的要求，并且 制订了比较完善的各类纺织品阻燃标准和消防法规， 并从纺织品的种类和使用场所来限制使用非阻燃纺织 品。阻燃纺织品应用领域非常广泛，从最简单的人们身 上的衣物、玩具到家庭装饰用的窗帘、账篷、汽车选用 织物。有些发达国家已经下达规定，3 1 m 以上的高层建 筑、地下通道、剧院、酒吧、游戏厅、旅馆等公共场所所 使用的窗帘、帷幕、地毯以及老弱病幼者所使用的床上 用品和衣服都必须符合国家阻燃织物的标准。阻燃织 物应用的领域如表1 。 目前，阻燃织物主要分为两大类：织物所选用的 纤维本身具有阻燃性能，例如：聚酰亚胺2 0 8 0 纤维、聚 酰胺一酰亚胺纤维等，这些高性能纤维已经大量应用 到人们日常生活生产当中。利用对常规纤维进行改 性的方法取得阻燃的性能。由于其成本高，生产技术不 成熟，就目前技术条件的限制，选用常规阻燃纤维比较 表1 阻燃织物的主要领域 类别应用 防护服：捐历、炉丽、焊工寺上作服和车服 服装 一般服装：睡衣、婴幼儿等服装 家庭装饰用：地毯、窗帘、墙布等 床上用：毛毯、床罩等 家居用：椅套、台布等 交通运输用：车、船、飞机等装饰布 非服装 军事用：炮衣、账篷布等 工业用：滤布等 公共场所用：影剧院幕布等 其他：假发、人造毛皮、长毛绒玩具等 普遍，在高端科技领域选择性的使用改性常规纤维材 料。进入2 1 世纪以来，