仿生智能材料2011-5.ppt

5 1自修复自愈合陶瓷5 2自愈合混凝土 第5章自修复自愈合材料 自修复又称自愈合 是生物的重要特征之一 人们把产生缺陷时在无外界作用的情况下 材料本身自我判断 控制和恢复的能力称为自修复 第5章自修复自愈合材料 5 1自修复自愈合陶瓷 第5章自修复自愈合材料 氧化锆增韧陶瓷 微裂纹增韧和相变增韧ZrO2颗粒分散在陶瓷基体中为避免烧结块的开裂 常加入稳定剂以保持氧化锆的高温形态 第5章自修复自愈合材料 微裂纹增韧 部分稳定的ZrO2颗粒从烧结温度冷却到室温由于相变体积膨胀导致陶瓷基体产生压应力 形成微裂纹 可阻碍主裂纹的扩展 并使其偏转 吸收了裂纹扩展的能量 提高材料的强度和韧性 第5章自修复自愈合材料 相变增韧 应力诱导的相变增韧 ZrO2颗粒与基体的热膨胀系数不同 从烧结温度冷却到室温过程中ZrO2颗粒受到不同的作用力 当受到压应力时 相变会受到抑制 氧化锆马氏体相变温度随颗粒尺寸的减小而降低 因此此相变温度可降低到室温 当材料受到外加应力时 基体对ZrO2颗粒的压压力释放 ZrO2颗粒发生相变 并在陶瓷基体形成微裂纹 可阻碍主裂纹的扩展 吸收了裂纹扩展的能量 提高材料的强度和韧性 研究案例 多元增韧氧化锆复合陶瓷柱塞及氧化锆增韧陶瓷柱塞高压柱塞泵广泛用于油田车辆及工程机械氧化锆增韧陶瓷柱塞在油田柱塞式往复泵上的试制与实际应用过程 安装的陶瓷柱塞累计使用时间达到400天 寿命比普通钢制柱塞提高5倍以上 标志着其工业一现场试验取得成功 陶瓷柱塞作为结构陶瓷产品的种成熟产品 具有超高耐热性 高强度 高硬度 高耐磨性和优良的耐腐蚀性等综合特性特点 第5章自修复自愈合材料 5 2自愈合混凝土 第5章自修复自愈合材料 在混凝土原有的组成基础上掺加复合智能型组分 使混凝土材料具有一定的自感知 自适应和损伤自修复等智能特性的多功能材料 目前自诊断 自调节和损伤自修复等性能在一种混凝土结构中不能全部体现出来 只是初步具有某一种智能 确切的说是一种反应性能 特性 自诊断智能混凝土具有压敏性和温敏性等性能 普通的混凝土材料本身并不具有自感应功能 但在混凝土基材中掺入部分导电相组分制成的复合混凝土可具备自感应性能 目前常用的导电组分可分为三类 聚合物类 碳类和金属类 而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 第5章自修复自愈合材料 碳纤维水泥基材料在结构构件受力的弹性阶段其电阻变化率随内部应力线形增加 当接近构件的极限荷载时 电阻率逐渐增大 预示构件即将破坏 而基准水泥基材料的导电性能几乎无变化 直到临近破坏时 电阻变化率剧烈增大 反应了混凝土内部的应力 应变关系 碳纤维混凝土复合材料在受力时的电阻变化与所受荷载呈现的这种线性关系 反映了内部损伤状况的丰富信息 据此可以敏感有效的监测拉 弯 压等工况及静态和动态荷载作用下结构的内部情况 第5章自修复自愈合材料 不同纤维掺量的混凝土的温阻试验表明 在初始阶段 随温度的升高 均出现负温度系数NTC negativetemperaturecoefficient 效应 即电阻率随温度的提高而下降 当温度达到某一临界温度时 不含碳纤维的混凝土其电阻率出现一个平台 随温度无明显改变 而含有碳纤维的水泥基材料 则出现正温度系数PTC positivetemperaturecoefficient 效应 即电阻率随温度的升高而逐渐提高 碳纤维混凝土的这种温阻现象可以实现对大体积混凝土的温度自监控以及热敏元件和火警报警器等 可望应用于有温控和火灾预警要求的智能混凝土结构中 第5章自修复自愈合材料 第5章自修复自愈合材料 碳纤维混凝土具有电热 由电产生热 电力 由电产生变形 等效应 因此结构可对自身进行温度调节 可针对由于温度所产生的应力和变形进行调节 对自身的变形在一定范围内进行调节 国内研究表明 碳纤维混凝土具有良好的导电性 且通电后其发热功率十分稳定 可用其电热效应来对混凝土路面桥面和机场跑道等结构进行融雪化冰等 在寒冷地区 基于碳纤维混凝土的道路及桥梁路面的自适应溶雪和融冰系统的智能混凝土研究已经在欧美等国家展开 并取得了一定的进展 自修复智能混凝土以混凝土材料为基体 用内含粘结剂的空心胶囊 空心玻璃纤维或液芯光纤等埋植在其中 当混凝士材料受到损伤时 部分空心胶囊 空心玻璃纤维或液芯光纤破裂 粘结剂流到损伤处 使混凝土裂缝重新愈合 这一技术被广泛地应用在公路 地基 桥墩等建筑物中 第5章自修复自愈合材料 具有调整建筑结构承载力的自调节混凝土材料 在混凝土中埋入形状记忆合金 利用形状记忆合金对温度的敏感性和不同温度下恢复相应形状的功能 在混凝土结构受到异常荷载干扰下 通过记忆合金形状的变化 使混凝土结