《智能材料 第2版》 课件全套 陈英杰 第1-11章 绪论、形状记忆合金-建筑智能化技术

智能材料进入智能材料第1章

绪论第2章形状记忆合金第3章压电材料第4章电磁流变体第5章智能纤维材料第6章智能高分子材料智能材料第7章其他传感元件第8章智能混凝土第9章结构控制第10章第11章智能橡胶与

智能弹性体建筑智能化技术智能材料绪论

第1章绪论§1.1材料发展的新纪元—智能材料

20世纪80年代中期提出概念，集感知、驱动和信息处理于一体，具备自感知、自诊断、自适应、自修复等功能。智能材料的概念来自于功能材料。功能材料：一类是对外界（或内部）的刺激强度，具有感知的材料，通称感知材料，用它可做成各种传感器；另一类是对外界环境条件（或内部状态）发生变化做出相应或驱动的材料，这种材料可以做成各种驱动（或执行）器智能材料绪论§1.1材料发展的新纪元—智能材料

智能材料绪论美国实用应用需求驱动了研究与开发Smart机敏日本哲学创新拟人智能的材料系统Intelligent智能高新技术的要求促进了智能材料的研制（1）材料科学与技术已为智能材料的诞生奠定了基础（2）功能材料特性的综合探索及微电子技术和计算机技术的发展（3）军事需求与工业界的介入，加速了实用化进程（4）土木工程全寿命周期智能化建造促使工程科学与信息科学的交叉融合，跨学科和多学科交叉的创新§1.2智能结构

智能材料绪论智能结构将智能材料形成的驱动件和传感元件紧密融合在结构中，同时也将控制电路、逻辑电路、信号处理、功率放大器等集成在结构中，通过机械、热、光、化学、电、磁等激励和控制，使智能结构具有自诊断、自适应、自学习、自修复、自增值、自衰减等能力工作原理：发展趋势：（1）智能材料集成化和小型化（2）开发神经中枢网络控制材料（3）完善智能材料的仿生功能§1.3智能材料的内涵和定义

智能材料绪论智能材料是对环境具有自感知和记忆、自适应、自修复能力的多功能新材料。内涵：特点：仿生，传感材料作为神经系统，驱动材料充当有机体的肌肉组织，而控制和计算系统像大脑一样进行实时反应。环境环境感知器输入中枢神经系统信息处理存储处理器执行器输出§1.3智能材料的内涵和定义

智能材料绪论机敏材料：料兼具感知和执行功能，如磁致伸缩材料、压电材料和形状记忆材料等。名称感知执行声发射材料√电感材料√电流变液√电致伸缩材料√光导纤维√磁致伸缩材料√√压电材料√√形状记忆材料√√电阻应变材料√感光材料√感知温度压力湿度位置速度加速度电场磁场声光辐射化学辐射生物环境响应机械响应电流流动物理性能功率控制化学行为生物行为环境反馈系统§1.3智能材料的内涵和定义智能材料绪论

自诊断自修复自强化自适应自动

动态平衡修补

现象自增值自变形信息识别反馈学习能力和预见性结构材料智能材料的属性具有上述结构形式的材料系统，就有可能体现或部分体现下列智能特性：（1）具有感知功能，可感知并识别外界（或内部）的刺激强度（2）具有信息传输功能，以设定的优化方式选择和控制响应（3）具有对环境变化作出响应及执行的功能（4）反应灵敏、恰当（5）外部刺激条件消除后能迅速恢复到原始状态§1.3智能材料的内涵和定义智能材料绪论智能材料与结构智能

处理执行

系统控制

系统传感

系统材料与结构定义：智能材料是根据需要选择两种或多种不同的材料按照一定的比例以某种特定的方式复合起来，或是材料集成，使这种新组合材料具有某种或多种机敏特性甚至智能化§1.4耗散结构与材料的内禀特性智能材料绪论耗材结构：定义与原理：从环境输入能量或（和）物质，使系统转变为新型的有序形态，即这种形态依靠不断地耗散能量或（和）物质来维持体现：为材料提供物质和能量输送可使其呈现生命活性，如金属材料疲劳及性能恢复的仿生设计

非生命系统P—材料材料的服役性能；C—材料的成分；S—材料的结构；M—材料的形貌。材料的仿生设计

θ—环境变量，它意味着环境向材料提供能量和物质就可使“死”的材料变成“活”的材料。§1.4耗散结构与材料的内禀特性智能材料绪论内禀特性：感知与传递：材料通过不同性能感知和传递信息，如应变电阻合金等感知信息（能源）特性执行功能：执行材料在力输入后启动，输出功能多样，如形状记忆合金等，其研究对智能材料发展重要依据智能（或机敏）材料定义中所确定的内涵，组成智能材料的组元材料可分为传感材料、信息材料、执行材料、自适应材料（仿生材料）以及两类支撑材料（能源材料和结构材料）。能源材料用作维持系统工作所需的动力，结构材料是支撑功能材料的基体材料或构件§1.5材料智能化智能材料绪论材料的自适应性：指材料具有类似生物的自养育、自诊断、自修复、自调整、自繁殖等能力，以适应环境变化，这些能力被归纳为自诊断、自调整、自适应、自恢复和自修复等“S特性”自诊断

陶瓷材料自修复铝锅和不锈钢餐具自适应水结冰§1.5材料智能化智能材料绪论材料和结构的智能属性评定。为了判断自适应性能力的大小，材料机敏度和结构智商的概念被提出。构成材料机敏性的关键在于其感知功能和驱动功能。目前的智能材料通常是有源机敏材料，它比无源机敏材料的机敏度更高。材料的机敏度和结构的智商将可能成为衡量材料智能化的判据智能材料的复合准则复合材料的复合效应线性效应非线性效应平均效应相乘效应平行效应诱导效应相补效应共振效应相抵效应系统效应智能材料具有多级结构层次,包括有多个材料组元或控制组元功能的传递常常是通过能量转换和物质传输来实现的§1.5材料智能化智能材料绪论。智能材料的分类智能传感材料对刺激强度监测感知反馈智能驱动材料对机械特性响应或驱动智能修复材料自行愈合和再生功能智能控制材料感信智控驱修多决行§1.5材料智能化智能材料绪论。基本

组元压电

材料电(磁)流变液形状记忆材料磁致伸缩材料智能高分子材料光导

纤维§1.6应用前景及发展趋势智能材料绪论航空航天飞行器方面直升飞机旋翼轮叶智能蒙皮实现精确控制智能结构翼面的气动弹性设计飞行状态的监测§1.6应用前景及发展趋势智能材料绪论纺织品方面电子纺织品防撞服装军事战斗服补充维C

T恤探测服汽车方面压电陶瓷光导纤维电(磁)流变液形状记忆合金§1.6应用前景及发展趋势智能材料绪论大型混凝土结构的安全性诊断光纤传感器在混凝土固化监测中的应用土木工程方面§1.6应用前景及发展趋势智能材料绪论白鹤滩水电站分布式拉曼散射光纤温度传感系统白鹤滩水电站大坝中埋设近6000支温度计，80000米的测温光纤以及数千支大坝变形、渗流、渗压等监测仪器，它们就像遍布大坝全身的“神经末梢”，用于感知混凝土温度、环境温度等信息，监控大坝内部的应力、应变、渗流等情况，并将关键信息反馈给大坝的神经中枢智能建造信息管理平台，平台及时将收集到的参数进行实时分析判断，并将分析结果实施推送给现场管理人员，帮助管理人员及时掌握现场情况，采取适当措施，保证任何细小的异常情况能在第一时间得到妥善处理§1.6应用前景及发展趋势智能材料绪论建筑系统和辅助设施的管理和控制结构监测和损伤评估试验应力分析§1.6应用前景及发展趋势智能材料绪论智能自修复混凝土桥梁检测§1.6应用前景及发展趋势智能材料绪论针对智能材料本身的性能优势，未来在土木工程领域的应用研究主要有下列一些方面：（1）结构的健康监测与保养（2）形状自适应材料与结构（3）结构减振抗震抗风降噪的自适应控制（4）智能材料在绿色建筑及被动式建筑中的应用。这些问题的进一步研究将有助于工程质量的提高，有助于降低工程灾害性事故的概率，有助于强化工程的安全可靠性，有助于推动土木工程领域的高技术发展，有助于建筑的绿色节能环保，有助于为土木工程领域注入新的发展动力与机遇§1.7思考题智能材料绪论1什么是智能材料?常见的智能材料有哪些?2简述智能材料的发展。3什么是智能材料结构?智能材料结构有哪些特点?4简述智能材料的发展趋势。5简述发展智能材料的可行性。6智能材料內部应具有哪些生物功能?7什么是耗散结构?8执行材料有哪些?感知材料有哪些?9材料的自适应性是指什么?10智能材料分为哪几类?各有哪些功能?11智能材料有哪些基本组元?12智能材料在航空航天方面有哪些应用?13智能材料在土木工程方面有哪些应用?14简述智能材料在纺织品、汽车领域、体育和医疗方面的应用。智能材料形状记忆合金

第2章形状记忆合金智能材料形状记忆合金

§2.1形状记忆合金的发展和机理定义：形状记忆合金（ShapeMemoryAlloys，简称SMA）是一种具有特殊性能的合金材料，能够在特定条件下“记忆”其原始形状，并在外界刺激下恢复到该形状。智能材料形状记忆合金§2.1形状记忆合金的发展和机理发展：1933发现某些合金在加热与冷却过程中，马氏体会随之收缩与长大1963美国海军武器实验室的W.J.Buehler博士研究小组发现等原子比NiTi合金具有良好的形状记忆效应1970美国首先将NiTi形状记忆合金用于宇宙飞船天线，并在医学领域等方面广泛应用1984每年专利约1000项，应用领域涉及电气、机械、运输、化学、医疗、能源、生活用品等目前智能材料结构与系统的研究又将形状记忆合金的应用推向更广泛的研究领域智能材料形状记忆合金§2.1形状记忆合金的发展和机理机理1：马氏体相变形状记忆合金中的马氏体可以随温度的降低而长大，随温度的升高而缩小，这种随温度变化而发生变化的马氏体叫热弹性马氏体马氏体加热MfAsMsAf冷却母相温度电阻Ms=马体相变的起始温度Mf=马体相变的终止温度As=马体逆相变的起始温度Af=马体相变的终止温度智能材料形状记忆合金§2.1形状记忆合金的发展和机理机理2：形状记忆效应在外应力作用下产生一定限度的应变后，去除应力，应变不能完全恢复（弹性部分恢复），在随后加热过程中，当超过马氏体相消失的温度时，材料能完全恢复到变形前的形状ε0σε0σ加热普通金属材料形状记忆体效应智能材料形状记忆合金§2.1形状记忆合金的发展和机理机理3：伪弹性应力诱发马氏体相变引起的，应力应变关系不符合胡克定律的变形行为叫做伪弹性。与一般材料的弹性相比，形状记忆合金伪弹性有两个特点：①其可恢复应变量可达8%，比一般金属材料的弹性应变量高很多；②恒弹性，即在应力恒定的条件下能够产生较大的应变。ε0σdd‘a‘abcc‘b‘智能材料形状记忆合金§2.1形状记忆合金的发展和机理力学特性ε0σ加载加热卸载ε0σabcdeSMA的形状记忆示意图SMA超弹性效应示意图智能材料形状记忆合金§2.2形状记忆合金的本构关系分类：基于热动力学理论，根据自由能构成推导的本构模型；从相界运动的动力学出发推导的数学模型；唯象理论模型（基于热力学和热动力学的本构关系、带有塑性理论特点的本构关系）；以能量耗散为指导思路推导的细观力学模型。智能材料形状记忆合金§2.2形状记忆合金的本构关系基于热动力学理论，根据自由能构成推导的本构模型

α,β,δ,γ—与材料相关的正常数；

ε,T—应变和温度。这类模型从单晶体的自由能出发考虑晶格的变形（剪切和轴向），多少带有一些细观力学的特色，但距工程应用相差甚远，且未研究多晶体的本构行为。从相界运动的动力学出发推导的数学模型他们从Ericksen应力诱发固-固相变的纯力学模型出发，将相界运动看作准静态过程，采用热动力学理论并结合Helmholtz自由能、热动力学关系提出一维本构关系，并讨论模型对于材料等温下应力循环行为、等应力下的热循环行为以及形状记忆行为的描述能力。智能材料形状记忆合金§2.2形状记忆合金的本构关系唯象理论模型-基于热力学、热动力学和相变动力学

基于Tanaka模型的系列本构模型

Ivshin和Pence模型Ivshin和Pence模型假定单独相的热力学行为由不同的状态方程控制，相应的每相的热动力学变量，如应力、温度以及它们的同类变量熵和应变被定义为状态函数，且应遵循Maxwell关系

智能材料形状记忆合金§2.2形状记忆合金的本构关系唯象理论模型-带有塑性理论特点的本构关系这个模型在热动力学、形状记忆效应和统计物理的基础上，将非弹性应变率表示成应力、相分数和其他内变量的函数，形式上类似于包含背应力的蠕变和粘塑性非弹性形式。细观力学模型这类模型仍然采用热力学基础来描述SMA相变，即采用相变过程中能量的变化来描述材料的热弹性马氏体相变，所不同的是它采用细观力学的方法来描述SMA在相变过程中两种组织的相互作用能（interactionenergy），因此建立在细观力学基础上的本构模型为SMA材料的宏观力学行为找到了理论依据，也是现在SMA材料本构模型的热点。智能材料形状记忆合金§2.3形状记忆合金的应用汽车制动系统形状记忆合金在汽车上应用最多的是制动器，目前使用品类已达一百多种，主要用于控制引擎、传送、悬吊等，以提高安全性、可靠性及舒适性。此外在汽车手动传动系统的防噪装置以及发动机燃料气体控制装置上也有应用。汽车机器人智能机器人利用形状记忆合金弹簧与其合金丝可装配成小型机器人，控制合金的收缩可操纵机器人手指的张开、闭合以及屈伸等动作。合金元件靠直接通入脉冲变频电流控制机器人的位置、动作及动作速度。智能材料形状记忆合金§2.3形状记忆合金的应用人造卫星上庞大的天线可以用记忆合金制作，发射人造卫星之前，将抛物面天线折叠起来，火箭升空将人造卫星送到预定轨道后，自加热或受太阳照射后，折叠的卫星天线因具有“记忆”功能而自然展开，恢复抛物面形状。航空航天人造卫星拥有记忆功能的镍钛合金制成的医用支架，输入目标血管后，其感受血液温度时会发生形状恢复，对狭窄病变区起到支撑作用。生物医药医用支架“记忆”胸罩投入市场后立刻受到广大女性的青睐；形状记忆合金眼镜架，能随镜片伸缩而改变形状，始终保持与镜片的紧密结合。生活日用眼镜框智能材料形状记忆合金§2.4思考题1简述形状记忆合金的发展史。2形状记忆合金应用于哪些领域?3简述马氏体相变的概念及其特征。4什么是热弹性马氏体?5形状记忆效应分为哪几类?6单程形状记忆是指什么?7双程形状记忆是指什么?8什么叫伪弹性?9与一般金属材料相比，形状记忆材料有哪些特点?10形状记忆材料有哪些力学特性?11研究形状记忆材料的本构关系时有哪些力学模型?12简述形状记忆材料的应用。智能材料压电复合材料

第3章压电复合材料智能材料压电复合材料§3.1压电复合材料研究概况定义：压电复合材料是由压电相材料与非压电相材料按照一定的连通方式组合在一起而构成的一种具有压电效应的复合材料分类：一般约定第一个数字代表压电相，第二个数字代表非压电相智能材料压电复合材料§3.1压电复合材料研究概况压电相晶体

对称性单晶特性加工被加工相

的特性“均匀度”被加工相的宏观对称性基本相晶体

对称性单晶特性加工被加工相

的特性“均匀度”被加工相的宏观对称性相的连接（复合）并联串联更复杂的连接复合体旧的总特性新产生的特性复合体“块状”均匀度宏观对称性器件用材料的灵敏度器件结构的附加对称性变最终器件结构设计流程图智能材料压电复合材料§3.1压电复合材料研究概况研究进展1978年，美国R.E.Newnham提出概念，研制1-3型压电复合材料。此后各国科研机构开展研究，如美国B.A.Auld、W.A.Smith，澳大利亚HelenL.W.Chan，日本HiroshiTakeuchi，意大利H.Zewdie和MonterodeEspinosa等。国内中科院声学研究所、南京大学、哈尔滨材料工艺研究所等也进行研究，骆海涛博士等在智能压电材料MFC应用方面取得成果。在太阳电池帆板上的应用智能材料压电复合材料§3.1压电复合材料研究概况压电复合材料的制造方法和性能特点1-3型压电复合材料由一维压电陶瓷柱平行排列于三维连通聚合物中构成。性能特点：聚合物相柔顺性好，使压电复合材料压电电压系数g提高，柔顺性显著改善；压电陶瓷体积分数ω和柱形状参数h/t影响性能。制作方法：排列—浇铸法和切割—浇铸法，还有1-3-0型（引入气孔减弱泊松耦合效应）。0-3型压电复合材料在三维连通聚合物基体中均匀填充压电陶瓷颗粒形成。性能特点：电场通路连通性差，无应力放大作用，压电应变常数d低，但介电常数极低，压电电压系数g较高，柔顺性好；理想ω值为60%-70%，压电陶瓷粒径也影响性能，共沉淀法制备性能较好。制备工艺：粉末制备（共沉淀法、溶胶—凝胶法、混合氧化法等）、混合搅拌、模压成型、固化、切割、镀电极、极化。智能材料压电复合材料§3.1压电复合材料研究概况压电复合材料的制造方法和性能特点3-3型压电复合材料聚合物相和压电相在三维空间相互交织、包络形成空间网络结构。性能特点：静水压灵敏度高，体积密度低，低声阻抗率，机械品质因素低，耐机械冲击能力高；气孔率和PZT压电陶瓷体积分数影响性能。制备工艺：BURPS（有机物烧去法）、珊瑚复制法、夹心式、梯形格子、光蚀造孔法等。智能材料压电复合材料§3.2压电效应及压电复合材料基本理论压电效应

智能材料压电复合材料§3.2压电效应及压电复合材料基本理论压电方程-四类边界条件类别名称特点第一类边界条件机械自由和电学短路T=0,C；S≠0,C；E=0,C；D≠0,C；第二类边界条件机械夹持和电学短路S=0,C；T≠0,C；

E=0,C；D≠0,C；第三类边界条件机械自由和电学开路T=0,C；S≠0,C；D=0,C；E≠0,C；第四类边界条件机械夹持和电学开路S=0,C；T≠0,C；D=0,C；E≠0,C；智能材料压电复合材料§3.2压电效应及压电复合材料基本理论压电方程-四类压电方程第一类

第二类

第三类

第四类

智能材料压电复合材料§3.2压电效应及压电复合材料基本理论压电方程-各常数的物理意义

智能材料压电复合材料§3.2压电效应及压电复合材料基本理论介质损耗

机械品质因数表示谐振时克服内摩擦消耗能量，越大能量损耗越小，不同器件对其值要求不同

机电耦合系数表示电能与机械能耦合程度，与振动模式有关

机电耦合系数只与材料性质及振动模式有关

智能材料压电复合材料§3.2压电效应及压电复合材料基本理论压电陶瓷

智能材料压电复合材料高分子压电材料目前实用的是聚偏二氟乙烯（PVDF），是半结晶性聚合物，结晶度约50%，非晶相有过冷液体特性，玻璃化温度为-35℃有多种晶型，常见β、α和γ型，β晶型有自发极化性，α晶型拉伸转变为β晶型，再加热到居里点温度极化后具有压电效应与压电陶瓷相比，PVDF压电应变常数低，机电耦合系数小，但压电电压g高，柔韧性好，可制成任意形状用于复杂构件监测未极化的PVDF薄膜结构极化后的PVDF薄膜结构§3.2压电效应及压电复合材料基本理论智能材料压电复合材料1-3型压电复合材料的复合原理由平行排列一维压电陶瓷柱和三维连通聚合物构成利用横向压电效应时，压电陶瓷单元极化方向与电场方向平行（沿厚度方向）；利用厚度剪切压电效应时，极化方向沿长度方向，电场沿厚度方向。§3.2压电效应及压电复合材料基本理论智能材料压电复合材料§3.3思考题1什么是压电效应?请画图说明正压电效应的产生机理和产生压电效应需要的条件。2举例说明压电材料类别，高分子压电材料有何突出优点?3压电单晶的生长法有哪些缺点?4指出压电常数11d和31g的物理意义。5机电耦合系数的意义是什么?压电陶瓷常用的机电耦合系数有哪些?6与压电单晶材料相比，压电陶瓷有何特点呢?智能材料电磁流变体

第4章电磁流变体智能材料电磁流变体§4.1电流变体研究概况

电流变效应是某些复杂液体在一定强度电场作用下，能在毫秒量级时间内，流变性能发生急剧且可逆变化。具有该效应的复杂液体叫电流变液，可为悬浮液（分散粒子和某种液体构成）或液晶溶液等。在电场作用下，其粘度几毫秒内可提高几个数量级，呈粘塑性固体材料形态，撤去电场又几乎马上恢复到低粘度液体状态。理想的电流变液材料在工程应用中需具备在较低电场下有较大剪切强度、零场时粘度尽可能小、使用温度和电流密度低、抗沉降性好、无污染等性能目前局限应用前景理想材料

性能要求因特殊性能有广阔应用前景，可用于制造减振器、离合器、液压阀、激励器等器件及系统至今尚无商用的电流变体器件，主要局限在于还未获得高性能电流变液智能材料电磁流变体

电流变液相变机理研究进展早期研究与电流变学诞生：1896年Duff研究静电力对绝缘油机械性能影响，发现蓖麻油对电场敏感。1935-1946年一系列研究表明含杂质离子或永久偶极的导电性流体在电场下会电致变粘。1947年Winslow提出电流变效应，1949年其有关Johnsen-Rahbecle效应的研究成果标志着电流变学诞生,如图4-1所示§4.1电流变体研究概况智能材料电磁流变体介电极化被广为接受，认为电场使分散相颗粒极化产生偶极子，沿电场方向排列形成链状结构，进而形成柱状结构，使剪切应力和表观粘度提高双电层早期电流变液分散相含水分，水含量影响电流变效应，水桥机理认为体系电流变效应需分散介质憎水、分散相亲水多孔且含吸附水水桥

一般界面体系存在双电层，电场下其诱导极化导致电荷不平衡分布，双电层形变使流体剪切流动耗散能量增加，强度上升电泳

悬浮液中带电颗粒在电场下电泳，其运动速度与介质不同，使能量消耗增加，导致电流变液粘度增加，但颗粒电泳不是产生电流变效应的必要条件，且电泳会引起负电流变效应§4.1电流变体研究概况智能材料电磁流变体

微观模型建立：目的是建立材料参数与宏观性能的定量关系，基于粒子极化模型，常用分子动力学仿真及布朗动力学仿真技术，用计算机模拟预报外电场下电流变液微结构转变和宏观性能，简化计算时不计水动力及粒子惯性力影响，已有多种研究成果§4.1电流变体研究概况智能材料电磁流变体

电流变液本构方程的研究进展无量纲参数定义：稳态剪切流动中，用Mason数反映液体动力与静电极化力相互作用比值，Peclet数反映液体动力与热力比值，参数λ表示静电极化力同热力的比值Bingham液体本构方程：无电场时电流变体呈牛顿流体特性，加电场后表现出粘性固体特性，有屈服点，常用Bingham本构模型描述，屈服应力与电场强度平方成比例，塑性粘度随剪切应变速率变化流变性能研究进展：Marshall等人研究发现电流变体粘度系数与Mason数呈反比关系，计算机模拟表明Casson粘塑性模型能更准确描述数据，二维计算机仿真发现粒子束平均尺寸与

成正比，电流变体在复杂载荷和电场下，需建立三维本构方程及宏观微观定量关系以指导高性能电流变体研制§4.1电流变体研究概况智能材料电磁流变体§4.2电流变液的性能研究电流变材料多数电流变液由可极化固体颗粒（分散质）、绝缘油（分散剂）和少量电流变活化剂组成。理想分散剂粘度低、绝缘性好，固体颗粒尺寸微米级，具有较高绝缘常数和适当电导率，早期有硅石等，为减少沉降和增强效应可加活化剂。电流变液分“含水”和“无水”型，“含水”型需水但有诸多缺点，“无水”型具有低电流等优点，常用“无水”型材料有离子导体类等，还有“负”电流变液智能材料电磁流变体智能材料屈服应力形成机制粒子静电极化原理可用点偶极子模型计算粒子间作用力，两偶极子平行电场排列为引力，垂直为斥力，成夹角时有使趋向电场同向排列的力矩，从而形成链状结构产生屈服应力§4.2电流变液的性能研究①同电场方向平行排列时为引力；

②同电场垂直排列时为斥力；

③同电场成一夹角ij时，总有一力矩作用使其趋向与电场同向排列智能材料电磁流变体静态结构加电后电流变液沿电场方向形成链状结构。链平均尺寸与颗粒体积浓度有关；电场为一定值时结构很快达到稳态；图4-3观察到玻璃球/硅油电流变液内部结构存在随机空间链、链与亚稳态柱共存、稳定柱状结构三个转变状态§4.2电流变液的性能研究智能材料电磁流变体动态结构Sprecher发现低剪切率时链状结构破坏与重组多在链中部且均匀，高剪切率时过程复杂化；Martin发现散射光斑和电场夹角与应变率立方根成正比；振荡剪切时，小应变振幅固体颗粒聚集成长轴垂直于振动方向结构（图4-4a），大应变振幅出现平行于振荡方向条状结构（图4-4b）§4.2电流变液的性能研究智能材料电磁流变体电流变液的影响因素电场影响体积分数影响固相颗粒

电导率影响固相颗粒大小和形状影响母液油

电学特性影响屈服应力与电场成指数关系，电场频率和方向也影响电流变液性能屈服应力随体积分数增加呈指数上升至饱和温度变化影响固液两相材料性质，导致电流变液屈服应力先增后降屈服应力随粒子尺寸和长细比增大而增大，单一分布式颗粒产生最大屈服应力母液油电学特性对电流变液有影响，包括介电常数、电导率与含水量关系、温度对屈服应力影响等§4.2电流变液的性能研究智能材料电磁流变体§4.3磁流变液定义：磁流变体（MagnetorheologicalFluid）是一种智能材料，在外部磁场作用下，其流变性质会发生突变，迅速固化失去流动性，且该过程可逆。它主要由作为分散相的固体粒子、作为载体的基液和高分子添加剂三部分组成磁流变体固化粒子基液添加剂智能材料电磁流变体§4.3磁流变液磁流变液的组成：固体粒子基液添加剂是产生磁流变效应的核心，应具有高磁化率、低磁滞率、与基液相适应比重、适当大小和形状、稳定化学和物理性能、耐磨无毒无腐蚀性等，常用软磁材料，如碳基铁粉和铁合金粉将固体粒子均匀分散，保证零磁场时为牛顿流体，磁场作用时使粒子形成链状结构，常用矿物油、硅油和机油等，要求沸点高、凝固点低、零场粘度低、密度大、化学稳定性好改善磁流变体性能，包括表面活性剂提高粒子磁化率、改善润湿性防止粒子凝聚、稳定剂防止沉淀，常用添加剂有磺酸盐、油酸等智能材料电磁流变体§4.3磁流变液磁流变效应的特征：粘度变化特性：磁场作用下，磁流变体表观粘度随磁场强度增大而增大，直至停止流动或固化，磁场消除后又恢复原始粘度液态-固态转换特性：磁场作用使磁流变体属性在液态与固态间转换，这种转换可逆、可控且能耗低智能材料电磁流变体§4.3磁流变液磁流变体的微观结构：无磁场时粒子随机分布，有磁场时沿磁场方向排成链状，粒子极化形成偶极子，其有序运动受多种因素影响，粒子聚集方式有通链、支链、孤立链和束链或柱，体积分数影响磁流变效应，过高或过低都不利于其产生。(H-外加磁强度)智能材料电磁流变体§4.3磁流变液磁流变体的宏观力学模型：本构模型建立：基于简单机械模型，考虑磁场强度对粘塑性性能影响，假设材料初始各向同性、塑性不可压缩、等温小变形，建立磁流变体微分形式本构方程，包含常用Bingham模型，讨论不同参数情况增量形式本构方程推导：对微分形式本构方程推导得到增量形式本构方程，研究表明应变、应变率、磁场强度、体积分数和粒子直径等因素对磁流变体应力有影响智能材料电磁流变体§4.3磁流变液磁流变流体的微观力学模型：Maxwell基本方程组及磁流变体基本方程：介绍真空中和受电磁场作用物体的Maxwell基本方程组，以及磁流变体在外加磁场下的基本方程，包括磁感应强度、磁场强度关系和局部磁场强度与外加磁场强度关系等固体粒子磁化率和磁化强度计算：给出固体粒子磁化率和磁化强度计算公式，以及粒子极化后偶极矩和磁极大小计算方法力学模型建立与屈服应力计算：基于粒子间静磁作用力，分析磁链结构中粒子间作用力，计算单位面积内链数，得到单链屈服应力和磁流变体总应力计算公式，该模型物理特征清晰，表达了磁流变效应力学机理智能材料电磁流变体§4.4电、磁流变液的力学特性后屈服阶段的力学特性：稳态剪切下，应力应变关系用宾汉模型描述，后屈服阶段剪切应力是应变率和场强函数，还具有触变性、蠕变性、剪切致稀性和壁面效应等特性预屈服阶段的力学性质：小振幅振荡剪切中表现为粘弹性特征，储存模量、损失模量和损耗角与多种因素有关，增大剪应变幅值，力学特性会转变，可通过改装流变仪或研究控制结构力学特性间接研究其动态力学特征智能材料电磁流变体§4.5电流变液及磁流变液的应用电、磁流变器件的基本设计形式总体有管道流、剪切、挤压流三种模式管道流模式靠阀两端压力差驱动，用于液压控制等；剪切模式两极板可相对移动，用于离合器等；挤压模式适用于微小运动大阻尼力场合（图4-5）图4-5电、磁流变器件的基本设计模式及工作原理演示图智能材料电磁流变体电、磁流变液的应用电流变离合器用于力显示装置:日本大阪大学设计的电流变离合器用于力显示装置，作动器响应速度快、输出力矩与惯性比率高，在机器人控制等领域有应用前景（图4-6）磁流变阻尼器用于地震控制:数值模拟显示磁流变阻尼器半主动控制系统能达主动控制系统目的且能耗低（图4-7）图4-6电流变离合器图4-7用于地震控制的线性磁流变阻尼器§4.5电流变液及磁流变液的应用智能材料电磁流变体§4.5电流变液及磁流变液的应用电流变液和磁流变液主要性能比较屈服应力温度工作范围稳定性场源所需体积

及功耗磁流变液屈服应力是电流变液的20-50倍，且受磁饱和影响含水电流变液温度范围窄，磁流变液工作范围大且温度稳定性好磁流变液对污染杂质不敏感，电流变液易受杂质影响电流变液响应时间1毫秒左右，磁流变液典型响应时间10-100毫秒电流变液需高电压电源，磁流变液需低电压直流电源但需设计驱动线圈和磁路达到相同控制效果，电流变液所需体积比磁流变液大，功耗基本相同场源智能材料电磁流变体§4.6思考题1

电流变效应有哪些特征？2

电流变液体由哪三部分组成？3

在选择固体微粒材料时，应遵循什么原则？4

试用双电层畸变及交叠理论解释电流变效应在多相体系中发生的原因。5

磁流变液有什么特征？6

试分析良好的磁流变液应具备什么性能？7

试说明磁流变体的应用领域有哪些？智能材料智能纤维材料

第5章智能纤维材料智能材料智能纤维材料§5.1导电纤维

分类：可大致分为电子传导纤维、离子传导纤维、感应性（介电质性）纤维。电子传导纤维又分为合成纤维和纤维自身中具有电子的非定域化和电荷移动络化物的导电性纤维,(如图5-1)智能材料智能纤维材料§5.1导电纤维

应用：具有活性物质的智能纤维在电子传导功能的灵感元件、电场效果、半导体管、开关、蓄电功能元件、电池等方面广泛应用，未来导电性高分子自身有望成为纤维材料智能材料智能纤维材料§5.2感应（介电质）性纤维材料

材料特性：多数纤维为电绝缘体，具感应（介电质）性等特点，加热临界电界可产生驻极体现象，如丁基酚醛甲醛树脂浸泡羊毛纤维应用潜力：在通用绝缘体聚合物上施加电场产生变形，可用于微型管、阀等，纳米纤维等可发展新自律应对智能纤维系统智能材料智能纤维材料§5.3光纤及光纤传感技术

光纤的结构：光纤分石英玻璃和多组分玻璃光纤，结构为同轴圆柱体（纤芯、包层、涂覆层），按传输模式分单模（纤芯直径8-10μm）和多模（纤芯直径约50μm，包层直径均为125μm），传输基于光全反射，单模和多模光纤折射率分布不同，可通过添加剂调节折射率，(如图5-2)智能材料智能纤维材料§5.3光纤及光纤传感技术

光纤传感原理：以光为载体、光纤为媒质，由光发送器、敏感组件、光接收器、信号处理系统及传输线路组成，能测多种物理量和化学量，具众多优点，如体积小、抗干扰等(如图5-3)智能材料智能纤维材料§5.3光纤及光纤传感技术

光纤传感器的分类按光纤作用按被调制

光波参数按被测量

外界参数传光型（光纤导光，敏感组件非光纤元器件）和传感型（敏感组件和传输线路均为光纤）强度、相位、偏振、频率和波长调制光纤传感器，强度调制型结构简单但精度低易受干扰，其他类型精度高但成本高可测多种物理量和化学量，如温度、位移等，已能实现70多种量的测量智能材料智能纤维材料§5.3光纤及光纤传感技术

光纤布拉格光栅传感器：新型光子器件，可改变光波传播，分均匀和非均匀周期光栅，布拉格光栅属前者，是性能优异的窄带反射滤波器件，制作方法有相位掩模法等，其中心波长与纤芯有效折射率和光栅折射率周期相关，波长漂移可传感多种量，具独特优势，如波长绝对编码、自参考、可构建传感网络、精度高(如图5-4)智能材料智能纤维材料§5.4光纤智能复合材料的研究

对力学性能影响：埋入光纤对复合材料力学性能有影响，对垂直光纤铺设方向材料强度影响较大，可通过优化光纤参数和铺设方向减小影响，如选小直径、大包层模量、小厚度且平行载荷方向铺设光纤传感器监测复合材料固化智能材料智能纤维材料§5.4光纤智能复合材料的研究

光纤传感器监测复合材料固化监测固化过程：利用光纤传感器监测复合材料固化工艺，其与基体结合好、不影响力学性能、可获内部信息、实现在线监测，常用传感器有多种，各有优缺点，(如图5-5)智能材料智能纤维材料§5.4光纤智能复合材料的研究

光纤传感器监测复合材料结构服役传统损伤检测方法及局限复合材料疲劳破坏机理复杂，传统无损检测方法包括超声法、声发射法、X射线法、激光全息（散斑）法和涡流检测法等，但存在成本高、精度低、难以在线监测等问题光纤光栅监测服役优势：光纤布拉格光栅可用于复合材料结构服役期内部应变监测，为损伤监测、剩余疲劳寿命预报和断裂失效预警提供信息智能材料智能纤维材料§5.4基于光纤传感技术的土木工程结构健康监测

光纤传感器在土木工程结构健康监测中，因小巧、柔软、灵敏度高、抗电磁干扰等优点，在应力、应变监测方面有重要应用，主要用于监测钢筋混凝土内部应力、应变，获取构件强度储备和载荷状况信息光纤传感器：智能材料智能纤维材料§5.5形状记忆纤维

如镍铅合金纤维等，热成型时能记忆形状，冷却可形变并固定，再次加热可逆恢复原始形状，已用于智能结构、医疗矫形、服装等领域，(如图5-6)图5-6记忆纤维智能材料智能纤维材料§5.6变色纤维

主要有光敏变色和热敏变色纤维两种，受外界刺激后可逆自动改变颜色，适用于军事隐蔽、舞台服装、童装等(如图5-7)图5-7变色纤维智能材料智能纤维材料§5.7调温纤维

根据环境温度变化，通过纤维中室温相变物质的液-固可逆相变实现吸放热，调节周围温度，用于滑雪衫、运动服装等，具有静态和动态保温作用(如图5-8)图5-8调温纤维智能材料智能纤维材料§5.8智能抗菌纤维

如美国Nylstar公司的纤维，抗菌剂藏于内部，耐洗涤，可控制皮肤表面细菌数量，区别于一般抗菌纤维(如图5-9)图5-9智能抗菌纤维智能材料智能纤维材料§5.10思考题1.导电纤维可以分为几种？电子传导纤维又可分为几种？2.按传输模式光纤可分为哪几种？其直径分别是多少？3.光纤传感系统由什么组成？与传统的各种传感器比较有何优点？4.光纤传感器的分类。5.光纤光栅制作方法包括哪些？6.光纤对复合材料力学性能的影响有哪些？7.温度变化历程在材料的整个疲劳过程中可分为哪三个阶段？智能材料智能高分子材料

第6章智能高分子材料智能材料智能高分子材料

形状记忆智能：如经辐射交联反应的塑料，加热变形冷却固定形状，再次加热可恢复原状，可用于制造热收缩空管、膜、电动机线圈，以及形状记忆棉纤维织物等液晶聚合物智能：聚合物粘度大，主链型响应慢且对温度依赖性大，盘状液晶受重视，其分子间相互作用和高次堆砌结构对智能贡献突出，高组织性纤维质在控释材料和人工皮肤方面有前途数据存储智能：带有液晶侧链的高分子链连接染料分子，利用染料吸光实现晶态/液态转变来存储数据，可作显示材料和三维存储器，存储密度高高分子凝胶智能：由大分子链交联聚合与溶剂组成，环境变化时凝胶体积可逆、不连续变化，适用于化学阀、吸附分离、传感器、记忆材料、药物释放体系和人工角膜等§6.1高分子材料的智能性——分类智能材料智能高分子材料§6.2智能高分子材料的设计原理及合成方法

设计原理：功能实现基于信息流（能量流）传递、转换和控制，依据物-场相互作用原则，构想中间能量传递形式和选择中间场，通过物理（化学）效应结合实现控制目标，设计模式有功能融合与控制原子分子有序程度两种

粒子复合薄膜复合纳米粒子及

分子的组装不同功能材料颗粒组装成多功能材料，如通过电子束扫描使带电颗粒排列成三维结构两种或多种机敏材料薄膜复合优化多功能特性，如形状记忆合金与其他材料复合拓宽响应频率范围对纳米粒分子、原子搬迁操作，调控其结构和相互作用，获得多种响应性质的智能材料，如在沸石分子筛中组装半导体或纳米光学材料可做电控、光控元件合成方法：智能材料智能高分子材料

概述：广泛应用于医学各领域，如人工血管、头盖骨、人工脏器等，还涉及人工血液、高分子药物、药用包装材料和医用粘合剂等，是多学科边缘科学，对医疗保健和生命科学意义重大设计基础：要求材料安全无毒、稳定性好、生物相容性佳，需从原料严格制造，满足化学惰性、无炎症反应、不致癌、不过敏、物理性能稳定、抗血栓、耐消毒、易加工等条件高分子药物：分为药理活性高分子药物和高分子载体药物，后者可缓慢持久释放低分子药物，控制药物释放，提高疗效§6.3医用智能高分子材料智能材料智能高分子材料§6.3医用智能高分子材料

高分子人造器官如硅橡胶用于人工喉、聚乙烯等用于人工气管和食道、合成纤维用于人工血管、硅橡胶封入起搏器用于人工膀胱、多种材料用于人工尿管等，研制方向向小型化、体内化和长期适应发展(如图6-1)图6-1高分子人造器官智能材料智能高分子材料

在五官科、骨科、创伤外科和整形外科上的应用：合成高分子材料与天然高分子结构相似，可取代生物体器官，如用于制造人工角膜、接触眼镜、牙齿修复材料、隆胸材料和外用医疗护理材料等，要求稳定性和相容性好，无毒副作用§6.3医用智能高分子材料智能材料智能高分子材料

人造血液：由水溶性高分子和其他输液组成，早期原料不断改进，旨在解决输血血液不足和交叉感染问题(如图6-2)§6.3医用智能高分子材料图6-2人造血液智能材料智能高分子材料

高分子药物包装材料：药物制剂需具备多种条件，合成高分子化合物在药品制剂加工中需考虑毒性和安全性等问题(如图6-3)§6.3医用智能高分子材料图6-3高分子药物薄衣智能材料智能高分子材料

碳纤维：由有机纤维固相反应转变而成，性能优异，制品用途广泛，可按原丝类型、性能和用途分类，通过气相法或有机纤维碳化法制造，结构决定性能，包括力学、物理和化学性能(如图6-4)§6.4智能高分子材料应用与开发图6-4碳纤维智能材料智能高分子材料

碳纤维与功能复合材料介于固体结晶和液体之间，分子排列有序，具有多种优异特性，按形成条件和分子排列分类，溶液型和热熔型侧链、主链高分子液晶在膜材料、胶囊、纤维和薄膜制备等方面有不同应用(如图6-5)§6.4智能高分子材料应用与开发图6-5液晶高分子材料液晶高分子材料：智能材料智能高分子材料

碳纤维与功能复合材料智能涂料具有改变被涂物表面性质的功能性，包括示温、防辐射、耐热、烧蚀、阻尼等功能涂料，各有其组成、特性和应用范围(如图6-6)§6.4智能高分子材料应用与开发图6-6功能涂装功能涂料：智能材料智能高分子材料

碳纤维与功能复合材料§6.4智能高分子材料应用与开发图6-7功能性包装材料功能性包装材料：以包装材料性能为主发挥功能，包括阻隔、透过性、防露、吸附、脱臭、吸收、耐热、热收缩、易开封等多种类型，在食品包装等领域发挥重要作用(如图6-7)智能材料智能高分子材料

§6.5智能高分子材料应用展望电子学信息处理对绝缘性更高和导电性更好的高分子材料有需求，超导电高分子材料也需进一步发展提高光导纤维透明度和玻璃化温度可扩大应用范围，高分子材料在光存储器件上的应用有待改进各种敏感元件高分子材料可作为电场、磁场、光、温度、应力、物性传感材料，但需满足传感器必备条件智能材料智能高分子材料

§6.5智能高分子材料应用展望医疗运输工具医用材料使用范围广，需具备生物体适应性和医用功能，且因使用条件不同要求各异汽车、铁路车辆、飞机、航天飞船等对高分子材料有不同需求，如汽车需要一级结构材料，铁路车辆需不燃性增强塑料，飞机需改进复合材料性能，航天飞船需耐高温低温材料日常生活高分子材料在日常生活中广泛应用，对其功能要求多样，如耐热、耐磨、耐冲击等智能材料智能高分子材料

§6.5智能高分子材料应用展望工业信息处理高分子材料在工业中可代替金属和木材，膜分离技术需求迫切，对超纯水需求增加，废水回收和海水淡化也成为研究重点农用薄膜需具备多种特性，高分子材料在农药和化肥方面也有应用，未来期望开发更环保有效的农药用高分子材料和缓效肥料农业能源开发需要耐高温高压等高性能材料，高分子材料在石油开发、原子能和太阳能利用方面有应用潜力智能材料智能高分子材料§6.6思考题1高分子材料的智能性体现在哪些方面？2什么是模糊材料，简述模糊材料的发展方向。3简述高分子材料的记忆功能。具有形状记忆功能的高分子材料应用在哪些方面？4简述智能高分子材料的设计原理。5智能高分子材料有哪几种合成方法？6智能高分子纤维有哪些种类？各有什么作用？应用于哪些领域？7简述光纤传感器的应用。智能材料其他传感元件

第7章其他传感元件§7.1电阻应变丝的研究

电阻应变测量在智能结构中的应用依据智能材料其他传感元件原理发现与早期应用：电阻应变测量原理由汤姆逊发现，他在铺设大西洋海底电缆时发现金属材料受外力作用电阻会变化，提出“金属丝在机械应变作用下会发生电阻变化”原理。1923年，美国的P.N.布里奇曼根据此原理制成测量水压的压力计技术发展与应用领域拓展：上世纪四十年代，因工业发展需求，应变测量技术变革。从丝绕式应变片发展出箔式、薄膜、半导体应变片等。应变电阻测量技术具有灵敏度高、测量速度快、结果精确可靠稳定、易于实现自动化和多点同步测量等优点，广泛应用于机械、电力设备、化工容器、航空航天、建筑等领域，甚至地震预报、地质勘探、医学等方面§7.1电阻应变丝的研究

电阻应变丝工作原理智能材料其他传感元件电阻应变丝电阻计算与变化分析：§7.1电阻应变丝的研究

电阻应变丝工作原理智能材料其他传感元件工作电路与电压确定：可采用电桥形式或双恒流源电路，双恒流源电路输出电压

直流电桥输出电压路电压根据电阻应变丝许用通过电流值确定。§7.1电阻应变丝的研究

智能结构中电阻应变丝的选择灵敏系数大且应变范围保持常值、电阻率高且稳定、电阻温度系数小且分散性小、机械强度高、焊接性能好等。智能材料其他传感元件选择要求：常用材料：铜镍合金（康铜）、镍铬合金及改良型合金、镍铬铁合金、铁铬铝合金、铂及铂合金，各有特点及适用范围。§7.1电阻应变丝的研究

智能结构中电阻应变丝的补偿技术温度补偿必不可少，热输出

智能材料其他传感元件温度补偿必要性与热输出估算：补偿方法：曲线修正法、线路补偿法、温度自补偿应变丝，还有抗电磁干扰方法

§7.2碳纤维复合材料

碳纤维复合材料的应用概况碳纤维导电、温敏，可制成应力（应变）传感器，比强度、比模量高，耐高温，化学性质稳定，实际应用时制成毡夹箔板引出电极测量。智能材料其他传感元件碳纤维特性与传感器原理：应用领域：补强技术用于桥墩、地铁支柱加固；安全监视和健全诊断技术用于监测混凝土及结构部件受力和形变等情况。§7.2碳纤维复合材料

碳纤维机敏水泥基复合材料温阻特性智能材料其他传感元件电阻的正温度系数与负温度系数碳纤维的影响循环次数对温阻关系的影响水泥基体对温阻关系的影响升温时电阻随温度变化呈现NTC/PTC转变，约90℃，原因与电子激发和热膨胀有关。碳纤维体积分数增大使NTC/PTC转变温度降低，长度主要影响室温电阻率和温阻曲线纵坐标位置。循环次数增加温阻曲线重复性好且基本不变，为开发温控器件或温度自监测系统提供前景。砂灰比影响室温电阻率、电阻测试值波动和NTC/PTC转变温度，水泥基体内部结构对导电性能起主要影响。

智能水泥基材料智能材料其他传感元件材料特性

与监测功能碳纤维的影响调湿与自

愈合功能水泥基材料智能化前景好，掺碳纤维后电阻变化对应内部结构变化，可监测多种工况，高掺量碳纤维灵敏度过高。掺腈纶短切碳纤维产生热电效应可监测温度，还可能用于温差供电和制冷制热。掺多孔材料可调湿，正在研制自行愈合混凝土，还有主动智能材料设想。§7.3智能无机非金属高分子复合材料及其应用§7.4二氧化钒智能窗

智能材料其他传感元件二氧化钒薄膜相变及光学性能分析：二氧化钒块体68℃相变，薄膜在高温85℃和低温20℃时光透过率变化明显，具备智能调温性能，但应用前需解决相变温度和可见光透过率问题。相变温度的降低：相变温度需降至30℃左右，可通过薄膜制取方法、工艺和掺杂改变，应结合新工艺、新方法与掺杂。可见光透过率的提高：与制备方法、膜厚等有关，应与相变温度降低结合考虑找到最佳参数点。§7.5半导体材料

半导体材料如硅、锗等，是智能结构材料研究方向之一，但用于土木工程存在影响结构性能、应用温度范围窄等问题，半导体气压硅传感器可测量结构物表面风压分布。智能材料其他传感元件半导体材料：智能材料其他传感元件§7.6疲劳寿命丝（箔）

由特定合金成分和热处理工艺制成，在交变应力作用下

循环次数为结构寿命一半时裂纹开始出现，根据电阻变化可评估结构损伤及剩余寿命，性能与电阻应变丝相当。R——电阻R——电阻变化值

——电阻变化的应变阈值K、h——常数N——循环次数疲劳寿命丝（箔）：智能材料其他传感元件§7.7思考题1、电阻应变测量的基本原理是什么？2、应变电阻测量技术的优点有哪些？3、电阻应变丝工作原理是什么？4、试说明智能结构中电阻应变丝的选择条件是什么？5、试介绍下常用电阻应变丝的材料及其特点、适用范围。6、智能结构中电阻应变丝在测量时需要采用哪几种补偿和修正？其中温度补偿可以采用哪几种方法？7、可以用来进行温度自补偿的电阻丝材料有哪几种?8、碳纤维的优点？9、试举例碳纤维复合材料作为智能性结构诊断的用途？10、温阻关系的定义及什么影响了温阻关系？11、在使用二氧化钒的智能调温的性能时应解决的两大问题是什么？智能材料智能混凝土

第8章智能混凝土智能材料智能混凝土§8.1智能混凝土发展概述定义和特性：智能混凝土是基于传统混凝土的组分基础上复合智能型组分，使其具有自感知和记忆、自适应和自修复的特性起源于20世纪60年代，日本和美国的研究人员开始开发智能建筑材料，取得了一些进展起源和发展：挑战和局限：制备完善的智能混凝土材料相当困难研究进展：国内外开始进行机敏混凝土材料的研究，取得了一些进展，包括基于碳纤维混凝土的道路及桥梁路面的自适应融雪和融冰系统等智能材料智能混凝土§8.1智能混凝土发展概述研究现状：智能混凝土：当前研究热点是自诊断、自愈合智能混凝土材料，具有自感应、自调节和自修复组件材料自诊断、自愈合智能混凝土：使用形状记忆合金（SMA）丝和液芯光纤，实现混凝土中的自诊断和自修复仿生自诊断和自修复智能混凝土：模仿生物神经网络，在混凝土中形成智能型仿生自诊断、自愈合神经网络系统机敏混凝土的意义：提高结构性能，延长寿命，提高安全性和耐久性智能材料智能混凝土§8.1智能混凝土发展概述发展趋势：智能阶段发展：智能混凝土正向智能阶段发展，实现材料结构的智能一体化智能组件集成化与小型化：整合小型智能组件将增强与混凝土基材的兼容性，提升智能控制与自诊断能力开发智能控制材料：神经中枢网络控制材料对环境变化进行适应性调控，关键于智能混凝土的发展仿生功能实现：智能混凝土将具备监测、感知、调节和修复等多种仿生功能，实现整体智能化智能材料智能混凝土§8.2目前智能混凝土的智能特性损伤自诊断混凝土（自感应混凝土）碳纤维混凝土特性：自感应功能，电阻变化监测内部应力、应变和损伤程度压敏性：电阻变化随内部应力变化，监测拉、弯、压等工况温敏性：电阻变化随温度变化，自监控大体积混凝土温度热电效应：监控建筑物内部和周围环境温度变化应用：工业防静电结构、公路路面、机场跑道等温度自调节混凝土自调节需求：混凝土需在自然灾害中调整承载力和减振形状记忆合金：用于提高混凝土承载能力电粘性流体：调节混凝土自振频率，减震效果湿度调节：沸石粉混凝土可自动控制室内湿度机敏电效应：实现结构传感和温度控制碳纤维应用：用于道路桥梁的自适应融雪感应式混凝土智能材料智能混凝土§8.2目前智能混凝土的智能特性仿生自愈合水泥砂浆混凝土损伤问题：在使用过程中，混凝土不可避免地会出现局部开裂和微观损伤，肉眼可见的宏观破坏可以手动修复，但微观损伤难以检测和修复局限性检测技术：现有无损检测技术（如超声波）不足以探测微观损伤，未及时修复可能导致结构进一步损坏传统修复方式：过去主要依赖事后和定时维修，已无法满足现代建筑的需求自愈合仿生混凝土：通过复合特殊组分，模仿生物自愈合机制，形成智能型修复系统，提高混凝土的自我修复能力仿生自愈合水泥砂浆智能材料智能混凝土§8.2目前智能混凝土的智能特性仿生自愈合水泥砂浆-实验研究实验设计：采用聚氨酯和丙烯酸酯作为修复剂，注入空心玻璃纤维，埋入水泥砂浆试件实验设计：尺寸40mm×40mm×160mm水灰比0.44；灰砂比1:2.5；龄期28d测试方法：使用INSTRON8501进行三点弯曲试验，加载速率为0.025mm/min修复过程：微裂缝导致修复纤维断裂，修复剂渗入基体后进行养护，固化后再次进行弯曲试验监测：测试过程中，使用声发射技术监测试件的破坏过程智能材料智能混凝土§8.2目前智能混凝土的智能特性仿生自愈合水泥砂浆-实验结果及分析自愈合水泥砂浆的强度：修复剂比较：使用丙烯酸酯修复剂后的强度最高，聚氨酯次之强度变化：修复后试件强度未下降，略有上升，因修复剂填补了微裂缝承载力因素：开裂后承载面积减少导致承载力下降，但修复剂的作用使强度恢复智能材料智能混凝土§8.2目前智能混凝土的智能特性仿生自愈合水泥砂浆-实验结果及分析自愈合水泥砂浆的强度：韧性改善：修复剂修复后，试件的脆性有所改善，尤其是经丙烯酸酯修复的试件断裂面观察：界面粘接太强或太弱均不利于材料的断裂韧度界面设计：界面粘接适中，即允许界面有一定的脱粘时，才会产生最优的断裂韧度荷载-挠度曲线：修复后试件的荷载-挠度曲线下降段较缓慢，显示韧性改善自愈合混凝土：界面控制设计对混凝土断裂韧度的改善是十分重要的智能材料智能混凝土§8.2目前智能混凝土的智能特性仿生自愈合水泥砂浆-实验结果及分析自愈合水泥砂浆修复前后的破坏过程特性：裂缝愈合：荷载导致基体产生微裂缝，修复纤维开裂，粘结液流出并渗入裂缝，使裂缝重新愈合声发射事件累计数：经修复后的水泥砂浆，其声发射事件累计数和振铃累计数从一开始便迅速增加峰值出现：当荷载达到最大值时开始出现明显的声发射事件的峰值无凯塞效应：修复后的水泥砂浆没有产生凯塞效应，表明流入裂缝中的修复液已使混凝土中的裂缝得到了愈合，且效果显著智能材料智能混凝土§8.2目前智能混凝土的智能特性仿生自愈合水泥砂浆-结论将含有混凝土修复剂的空心玻璃纤维埋入混凝土结构中，形成混凝土自愈合系统，可使修复后的混凝土强度略有升高，达到自愈合效果不同的修复剂对混凝土的愈合效果不同，其中丙烯酸酯较佳，聚氨酯次之愈合后的混凝土断裂韧度明显提高控制自愈合混凝土断裂界面是愈合后混凝土强度恢复和韧性改善的关键智能材料智能混凝土§8.3思考题1简述智能混凝土的定义和发展史。2简述自诊断、自愈合混凝土的工作过程。3简述智能混凝土的发展趋势。4当前的智能混凝土有哪些智能特性?5自诊断智能混凝土的压敏性和温敏性分别指什么?6温度自调节混凝土的工作机理是什么？温度调节混凝土可应用于哪些方面?智能材料结构控制

第9章结构控制智能材料结构控制§9.1结构控制概念简介局限性：传统的抗震和抗风设计方法通过加大构件的截面尺寸、增加结构刚度或提高材料的强度等级来耗散振动能量，这种方法极不经济，特别是对于高层建筑结构控制的目的就是要采用一定的控制措施，减轻和抑制结构在地震、强风及其它动力荷载作用的动力反应，增强结构的动力稳定性，提高结构抵抗外界振动的能力目的：原理：结构控制主要通过以下途径得以实现：控制振动的震源、切断震源的传播途径、避免结构共振、提高结构的衰减性和施加与结构运动相反的作用力智能材料结构控制§9.1结构控制概念简介分类：被动控制：无需外界提供能量，依靠结构元件之间、结构与辅助系统之间的相互作用消耗振动能量吸振技术：将一个子系统安装在结构之上，子系统与结构一起振动，分担部分振动能量。耗能技术：将结构的某些部件设计成耗能部件或安装一些耗能器来消耗振动能量。智能材料结构控制§9.1结构控制概念简介分类：主动控制：应用现代控制技术，对输入地震动和结构反应实现联机实时跟踪和预测，再按照分析计算结果应用伺服加力装置对结构施加控制力。主要用于保护设备、设施的安全和减轻由于设备损坏引起的次生灾害。半主动控制：以被动控制为依托，仅需少量的能量用于改变被动控制系统的参数或工作状态，以适应系统对最优状态的跟踪从而取得较好的控制效果。兼有被动控制和主动控制的优点，比较适合于工程结构的抗震设防。混合控制：将主动控制系统和被动控制系统同时施加在同一个结构上的结构控制系统.充分利用了被动控制与主动控制各自的优点，可以改变结构的振动特性，增加人工阻尼，又可以利用主动控制系统保证控制效果。智能材料结构控制§9.1结构控制概念简介应用：1、电（磁）流变材料：电流变流体（ER）和磁流变流体（MR）可以转变为具有一定屈服剪应力的粘塑性体。可用于结构减震，实现减小整个结构地震反应的目的。设计和制作的耗能器具有结构简单、耗电功率小、反应迅速等特点。2、形状记忆合金（SMA）：具有形状记忆效应和超弹性记忆效应。可以作为阻尼耗能元件，或者作为温度调节的主动控制驱动装置。可以用于智能被动控制结构，例如裂缝自诊断和主动控制的机敏混凝土构件。智能材料结构控制§9.2形状记忆合金在结构控制中的运用结构振动控制可以分为基础隔震、被动耗能减振、主动和半主动控制、混合控制以及智能控制。

智能材料主要有：形状记忆合金（SMA）：具有形状记忆效应、超弹性效应和高阻尼特性。电流变液：可以转变为具有一定屈服剪应力的粘塑性体。磁流变液：可以转变为具有一定屈服剪应力的粘塑性体。压电材料：可以将机械能转换为电能。磁致伸缩材料：可以将磁场转换为机械能。智能材料结构控制§9.2形状记忆合金在结构控制中的运用形状记忆合金的特性：形状记忆效应：可以自动恢复到原来的形状。超弹性效应：可以承受大变形能力。高阻尼特性：可以有效地消耗地震能量。形状记忆合金的优势：高耗能能力：比普通金属材料大得多。极好抗疲劳能力：不损伤材料。特别适合于结构的抗震控制：可以有效地消耗地震能量，并可以利用其记忆效应使变形恢复。智能材料结构控制§9.2形状记忆合金在结构控制中的运用形状记忆合金（SMA）在结构被动控制中的研究主要集中在：利用SMA的超弹性效应和高阻尼特性：制作被动阻尼器，以抑制结构地震反应。理论模型：建立SMA的力学模型，研究其在结构中的应用。桥梁减振控制：利用SMA延性阻尼器减轻地震对桥梁的损伤。框架结构减震：利用SMA阻尼器减少框架结构的地震反应。隔震技术：利用SMA隔震复位装置减小结构振动。工程应用：SMA被动控制系统在实际工程中的应用，例如加固意大利Giorgio教堂的钟塔。形状记忆合金用于被动控制：智能材料结构控制§9.2形状记忆合金在结构控制中的运用SMA的优势：高耗能能力：比普通金属材料大得多。极好抗疲劳能力：不损伤材料。特别适合于结构的抗震控制：可以有效地消耗地震能量，并可以利用其记忆效应使变形恢复。研究结果表明，SMA被动控制系统可以有效地减小结构的地震反应，并且具有良好的抗疲劳能力和高耗能能力。形状记忆合金用于被动控制：智能材料结构控制§9.2形状记忆合金在结构控制中的运用形状记忆合金（SMA）在主动控制方面的研究主要集中在：利用SMA的形状记忆效应：产生回复力对结构进行驱动。利用SMA的弹性模量随温度变化：改变结构的振动频率。研究SMA复合材料层合结构：进行振动主动控制试验研究。设计SMA驱动器：利用SMA的形状记忆效应和弹性模量特性。研究人员提出的解决方案：改进SMA的散热性能：提高驱动频率。采用先进的热传导方法：缩短加热和冷却时间。保留和利用SMA的形状记忆效应：提高驱动频率。形状记忆合金用于主动控制：智能材料结构控制§9.2形状记忆合金在结构控制中的运用SMA主动控制的优势：高驱动力：SMA可以产生高回复力。可调节：SMA的弹性模量可以通过温度变化进行调节。低频控制：SMA适用于低频的主动控制。SMA主动控制的挑战：响应速度慢：SMA的驱动作用需要一定的时间。冷却条件：SMA的冷却条件对驱动频率有影响。散热性能：SMA的散热性能需要改进。形状记忆合金用于主动控制：智能材料结构控制§9.2形状记忆合金在结构控制中的运用形状记忆合金（SMA）在智能控制方面的研究主要集中在：利用SMA的超弹性能和形状记忆效应：设计具有智能性的控制装置。实现结构的智能控制：通过SMA的形状记忆效应和弹性模量特性实现结构的智能控制。SMA自适应吸收器：通过对SMA的开、关作动，实现SMA复合元件频率的调节和变化。智能限制器：利用SMA智能限制器对桥梁振动进行控制，减轻地震对桥梁造成损伤。智能控制装置：具有自修复和自诊断等功能的智能材料，可以为桥梁结构提供更有效的地震保护系统。形状记忆合金用于智能控制：智能材料结构控制§9.2形状记忆合金在结构控制中的运用SMA智能控制的优势：自适应性：SMA可以实现自适应控制。高性能：SMA可以提供高性能的控制。简单：SMA自适应吸收器可以作为一种简单、高性能的控制技术。智能控制：SMA可以实现对结构的智能控制。SMA智能控制的应用：桥梁结构：SMA智能控制装置在桥梁结构中得到了广泛的研究和应用。地震保护：SMA智能控制装置可以为桥梁结构提供更有效的地震保护系统。自修复：SMA智能控制装置可以实现结构的自复位