土木工程与建筑学院智能材料与建筑.doc

武汉武汉轻工大学轻工大学 题目 题目 智能材料与建筑智能材料与建筑 姓姓 名名 范范 迪迪 学学 院院 土木工程与建筑学院土木工程与建筑学院 专专 业业 工程管理工程管理 1103 班班 学学 号号 110602326 指导教师指导教师 范范 吉吉 君君 目录 一 什么是智能材料 1 一 智能材料概述 1 二 智能材料特征 1 三 智能材料的组成及工作原理 2 四 智能材料的分类 2 二 智能材料在建筑中的应用 3 一 智能建筑材料 3 1 智能混凝土 3 2 智能玻璃 4 3 智能玻璃幕墙 5 5 智能板材 6 6 环保砖 6 7 tim 材料 6 二 建筑中的具体应用 6 1 自愈合 功能 6 2 大型混凝土结构的安全性诊断 6 3 自诊断功能的碳纤维压敏混凝土结构 7 4 形状记忆聚合物 7 5 电致变色材料 7 6 含有光纤传感器的智能复合材料 7 三 结语 7 0 智能材料与建筑 摘要 摘要 智能材料已成为全球研究和开发的热点 随着智能材料的发展 智能材料在建 筑中的应用越来越广 本文介绍了智能材料的特征 组成 分类 智能建筑材料及其 在建筑中的应用 关键词 关键词 智能材料 智能建筑材料 建筑 一一 什什么么是是智智能能材材料料 一一 智智能能材材料料概概述述 智能材料是二十世纪 90 年代迅速发展起来的一类新型复合材料 智能材料目前还 没有统一的定义 不过 现有的智能材料的多种定义仍然是大同小异 大体来说 智 能材料就是指具有感知环境 包括内环境和外环境 刺激 对之进行分析 处理 判 断 并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料 具体来说 智能材料需具备以下内涵 1 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 2 具有驱动功能 能够响应外界变化 3 能够按照设定的方式选择和控制响应 4 反应比较灵敏 及时和恰当 5 当外部刺激消除后 能够迅速恢复到原始状态 二二 智智能能材材料料特特征征 1 传感功能 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 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 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 1 6 自修复能力 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 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 三三 智智能能材材料料的的组组成成及及工工作作原原理理 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 1 基体材料 基体材料担负着承载的作用 一般宜选用轻质材料 高分子材料 重量轻 耐腐蚀 具有粘弹性的非线性特征而成为首选 其次也可选用金属材料 以 轻质有色合金为主 2 敏感材料 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 3 驱动材料 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 常用驱动材料有形状记忆材料 压电材料 电流变体和磁致 伸缩材料等 这些材料既是驱动材料又是敏感材料 4 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 5 信息处理器 信息处理器是核心部分 它对传感器输出信号进行判断处理 四四 智智能能材材料料的的分分类类 智能材料分类方法有多种 一般若按功能来分可以分为光导纤维 形状记忆合金 压电 电流变体和电 磁 致伸缩材料等 若按来源来分 智能材料可以分为金属系 智能材料 无机非金属系智能材料和高分子系智能材料 根据智能材料模拟生物行为 的模式将其分为四类 1 智能传感材料 智能传感材料对诸如热 电和磁等外部信号刺激具有监测 感知和反馈的能力 是智能结构的必需组件 较典型的传感材料有压电材料 微电子传感器 光纤等 其 中光纤是在智能结构中最常使用的传感材料 它可以在非破损的情况下感知并获得被 测结构物全部的物理参数 如温度 变形 电场或磁场等 2 智能驱动材料 2 智能驱动材料对于温度 电场或磁场等变化具有产生形状 刚度 位置 固有频 率 湿度或其它机械特性响应的能力 目前常用的智能驱动材料主要有形状记忆合金 和电粘性液体等 3 智能修复材料 智能修复材料是模仿动物的骨组织结构和受伤后的再生 恢复机理 采用粘接材 料和基材相复合的方法 对材料损伤破坏具有自行愈合和再生功能 能恢复甚至提高 材料性能的新型复合材料 4 智能控制材料 智能控制材料对智能传感材料的反馈信息具有记忆 存储 判断和决策能力 并 控制和修正智能驱动材料和智能修复材料的行为 微型计算机是智能控制材料的主要 代表 其控制算法由专门程序提供 在智能控制材料的制作过程中 响应的控制被存 储在更高层次的集成水平上 在实际应用时程序模拟人脑 具有多方位求解复杂问题 的能力 二二 智智能能材材料料在在建建筑筑中中的的应应用用 一一 智智能能建建筑筑材材料料 1 智能混凝土 智能混凝土 1 自感应混凝土 混凝土材料本身并不具备自感应功能 但在混凝土基材中复合部分导电相可使混 凝土具备本征自感应功能 目前常用的导电组分可分为 3 类 聚合物类 碳类和金属 类 其中最常用的是碳类和金属类 碳类导电组分包括 石墨 碳纤维及碳黑 金属 类材料则有金属微粉末 金属纤维 金属片 金属网等 碳纤维水泥基复合材料的电 阻变化与其内部结构变化是相对应的 如电阻率的可逆变化对应于可逆的弹性变形 而电阻率的不可逆变化对应于非弹性变形和断裂 应用这种复合材料可以敏感有效地 监测拉 弯 压等工况及静态和动态荷载作用下材料的内部情况 在疲劳荷载作用下 碳纤维混凝土材料的体积电导率还会随疲劳次数发生不可逆的降低 可以应用这一现 象对混凝土材料的疲劳损伤进行监测 另外 碳纤维混凝土除具有压敏性外 还具有 温敏性 因此还可以利用这种材料实现对建筑物内部和周围环境温度变化的实时监控 2 自调节混凝土 3 人们希望混凝土结构除了在正常负荷下 还能在受台风 地震等自然灾害期间 调整承载能力和减缓结构振动 混凝土本身是惰性材料 要达到自调节的目的 必须 复合具有驱动功能的组件材料 近年来 同济大学尝试在混凝土中复合电粘性流体来 研制自调节混凝土材料 电流变体 er 是一种可通过外界电场作用来控制其粘性 弹性等流变性能双向变化的悬胶液 在外界电场的作用下 电流变体可于 0 1ms 级时 间内组合成链状或网状结构的固凝胶 其初度随电场增加而变调到完全固化 当外界 电场拆除时 仍可恢复其流变状态 在混凝土中复合电流变体 利用电流变体的这种 流变作用 同样可在混凝土结构受到台风 地震袭击时调整其内部的流变特性 改变 结构的自振频率 阻尼特性以达到减缓结构振动的目的 为对某些特殊建筑物 如各类 展览馆 博物馆及美术馆等 实现稳定的湿度控制 最近日本学者研制的自动调节环境 湿度的混凝土材料自身即可完成对室内环境湿度的探测 并根据需要对其进行调控 这种混凝土材料同样也属于智能混凝土的一部分 3 自修复混凝土 自修复混凝土是模仿动物的骨组织结构和受创伤后的再生 恢复机理 在混凝土 传统组分中复合特性组分在混凝土内部形成智能型仿生自愈合神经网络系统 采用粘 接材料和基材相复合的方法 对材料损伤破坏具有自行愈合和再生功能 能恢复甚至 提高材料性能的一种新型复合材料 日本学者是将内含粘接剂的空心胶囊掺入混凝土 材料中 一旦混凝土材料在外力作用下发生开裂 空心胶囊就会破裂而释放粘接剂 粘接剂流向开裂处 使之重新粘接起来 起到愈伤的效果 美国伊利诺伊斯大学在 1994 年采用类似的方法制得自修复混凝土 所不同的是以玻璃空心纤维替代空心胶囊 其内注入缩醛高分子溶液作为粘接剂 并进而根据动物骨骼的结构和形成机理 尝试 制备仿生混凝土材料 2 智能玻璃 智能玻璃 玻璃作为建筑采光材料具有不可替代性 玻璃及其深加工制品作为装饰装修材料 的应用面正在逐年扩大 利用玻璃材料独具的光电特性制造的多功能材料将会在节能 绿色建筑中扮演重要角色 除了传统的节能玻璃制作工艺如中空玻璃 吸热玻璃和热 反射玻璃以外 近年来出现了很多的新技术新产品 1 光致变色玻璃 利用金属卤化物或光学变色塑料 当阳光中的紫外线越强 变色材料越暗 减少可见光通过 吸收热辐射 4 2 热变色玻璃 热变色材料会随着温度变化而 改变其光学特性 受热引起化 学反应或材料的相变 从而改变颜色 使太阳辐射被散射或被吸收 如在双层玻璃夹 层中含有一层水溶性聚合纤维 由聚合物分子受热产生定向排列使透明度改变 3 3 液晶玻璃 分散液晶在电场作用下产生定向排列 改变透明度 如其中的 针状液晶通电时晶体水平排列 玻璃变透明 断电时晶体竖直排列 玻璃吸收散射太 阳辐射 4 电致变色玻璃 通过低压直流电的驱动 使电变色材料 如 w03 变暗 能够 根据需要连续调 光 同时能消除日照中 99 的紫外线 5 电泳玻璃 双层玻璃面上有透明的导电涂层 中间充满悬浮液 当通电时 悬浮液中的黑色针状悬浮颗粒产生定向排列 改变透明度 根据电压大小也可连续调 光 上述各种智能玻璃的应用多侧重于减少太阳能对室内的热辐射 若从相反的能源 利用的角度出发 可使用德弗恩霍夫太阳能研究所发明的一种透光隔热材料 将阳光 转变为热能 通过窗体导入室内 同时又能保护室内热量不向外散发 可有效节约冬 季 取暖能耗 日本日前开发一种镶有发热玻璃的窗户叫 窗 暖 是在玻璃中熔入导电金属元 素 通入小功率电流使玻璃发热 可防止冬季结霜 消除室内空气因受冷而向下流动 夏季阻挡红外线等 3 智能玻璃幕墙 智能玻璃幕墙 传统玻璃幕墙技术的大量使用会带来严重光污染 大量能源消耗 视线干扰 室 内卫生质量下降等问题 为解决这些问题 智能玻璃幕墙技术已先后在德国 英国等 西欧国家得到发展 智能玻璃幕墙广义上包括玻璃幕墙 通风系统 空调系统 环境 监测系统 楼宇自动控制系统 其技术核心是一种有别于传统幕墙的特殊幕墙一一热 通道幕墙 它主要由一个单层玻璃幕槽和一个双层玻璃幕墙组成 与传统玻璃幕墙相 比 智能玻璃幕墙无论是从设计构思 还是内容组成和工作过程各方面看 都是一个 各专业协调合作的多功能系统 不仅有玻璃支撑结构 还包括建筑内部环境控制和建 筑服务系统 通过智能玻璃幕墙可以控制室外光线 提供通风 由于智能玻璃幕墙为 3 层玻璃 外侧为全封闭式 可大大减少外界噪声对建筑内部的干扰 4 智能涂料 智能涂料 5 随着涂料材料功能性的增强 智能涂料的新功能将在生态住宅中得到新的应用 轻质热敏型涂料将在冬天温度下降时 将起居室颜色从夏季的浅色调变为适合冬天的 温暖的深色调 智能涂料也可被用来在白天吸收能量 而在夜晚通过电流或热的形式 释放出来 智能涂料也可以拥有健康卫生功能 涂料中植入抗菌聚合体可杀死家里的 细菌 带有吸收性能的涂料可用来消除烟味和其它令人不快的味道 并且排斥灰尘的 性能也可以保证改善的卫生状况 5 智能板材 智能板材 由德国拜耳材料科技集团研制的新型建筑材料 模克隆多层紫外线防护 iq relex 板材 在赤日炎炎的夏季 能反射太阳光的紫外线 减少室内的热量 在寒 冷的冬季 会允许阳光通过 最大程度地利用阳光提供温暖 这种智能型聚碳酸酯板 材 还具有质轻 坚固 耐腐蚀性好 易加工等优点 并且与目前市场上的标准板材 相比 该材料能降低辐射 50 以上 是建筑墙面和顶棚的理想用材 6 环保砖 环保砖 一种使用形式是利用自身多孔结构和表面涂覆材料 有效吸收汽车尾气和一氧化 碳等 有害气体 另有一种 烧结型透水保湿路面砖 用工业废料制成 具有良好的 透水透气性 实现环保加生态的双重效果 7 tim 材料材料 一种半透明绝热塑料 transpar ent insulted material 用保护玻璃 遮阳卷 帘 tim 层 空气层 吸热面层 结构层等制成复合透明隔热 外墙 拓展了传统复合 墙体的保温隔热功能 兼有采 光隔热吸热流通空气等作用 二二 建建筑筑中中的的具具体体应应用用 1 自愈合自愈合 功能功能 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 并智能材料能自行 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 6 2 大型混凝土结构的安全性诊断 大型混凝土结构的安全性诊断 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 目前已 解决了钢筋混凝土中埋置光导纤维的技术 埋人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 如光纤传感 器可控制空调 电力 火警 还可测量压力 控制温度和电动阀门等 在基 桩中埋入偏振型或分布式光纤传 感器 可直接判断基桩是否出现破坏 目前正在研究的是在结构中埋人压电加速度计 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震智能 建筑物 3 自诊断功能的碳纤维压敏混凝土结构 自诊断功能的碳纤维压敏混凝土结构 将碳纤维材料作为导电材料加人到水泥浆中 当纤维用量合适且制备工合适时 硬化电阻的特性会随外界的压力变化而变化 也即对应力敏感 当结构内的应力接近 损伤区或破坏区时即可自动报警 这就是具有自诊断功能的碳纤维压敏混凝土结构 利用这一特性 可用于大坝 桥梁及重要的工程结构 实现结构在线监测和损伤评估 该技术已在长江三峡工程的围堰上应用 并取得较好的效果 4 形状记忆聚合物 形状记忆聚合物 应用 异型管接合材料 仪器内部线路集合 线路终端的绝缘保护 通讯电缆的 接头防水 钢管线路结合处的防护等工程 5 电致变色材料 电致变色材料 近年来利用薄膜材料的电致变色特性制造了 电开关 自动控制灵巧窗 用于建 筑采光等 电致变性材料还可以用作在地震时能自动加固建筑物的基础 在地震多发 区应用智能结构的建筑物通过振动控制 将大大提高建筑物的抗震性 6 含有光纤传感器的智能复合材料 含有光纤传感器的智能复合材料 复合材料中埋入光纤传感器和执行器是应用前景最广 技术基础最成熟的一种智 能材料 智能结构 大型智能构件 如桥梁 建筑物 大坝的水泥预制件 测量 结构的载荷大小 振动幅度 温度和应力分布 应变 扭曲 蠕变 层解 微裂及其它损伤 用于 载荷引起的结构疲劳和地震灾害预测等军用及民用大型设施 三三 结结语语 7 智能材料与结构 这门课程已接近尾声 虽然这门课程是作为一门选修课 但 我觉得这门课程的内容应用十分广泛如军事 医疗 建筑等方面 在现实生活中也是 非常有