《建筑材料与检测技术》-第12章

12.1.1纳米的概念纳米是长度单位，lnm=10－9m，大约相当于一个中等原子直径的几十倍。纳米材料是晶粒尺寸为纳米级的超细材料，直径一般为1～100nm。纳米技术是以纳米级尺度对物质世界进行研究和应用的科学技术，它以空前的空间尺度为人类揭示了一个可见的原子和分子世界，纳米技术的最终目标将是直接以原子、分子来构造具有特定功能的材料。12.1.2纳米材料的特性纳米级材料的粒子是由几十甚至几千个原子、分子构成的，其结构、性能与普通材料有很大差别。例如，纳米级材料晶粒的晶界处原子间距大，密度低，原子排列具有随机性，结构较为开放，所以表现出不同于较大晶粒中的原子或分子的性质。纳米微粒具有四个基本效应，小尺度效应、表面与界面效应、量子尺度效应和宏观量子隧道效应。12.1

纳米材料下一页返回由于这些特殊的效应，使得纳米材料的强度、韧性和超塑性等大幅提高，并且对材料的电学、磁学、光学等性能产生重要的影响。一、高强度和高韧性纳米级材料的强度、硬度明显高于普通材料。例如，在l00℃温度下，纳米TiO2陶瓷的显微硬度为1.3×104MPa，而普通TiO2陶瓷的显微硬度低于2000MPa。在陶瓷基体中引入纳米分散相进行复合，陶瓷的断裂强度、断裂韧性会有大幅度提高，还能提高材料的硬度、弹性模量、抗振性及耐高温性。例如，将纳米SiC粒子弥散到Si3N4从基体中形成的纳米复合材料，其断裂强度可达850～1400MPa，最高工作温度可达1200～1500℃。二、超塑性大量研究表明，纳米材料具有超塑性。超塑性就是材料在一定应变速率下产生较大的拉伸应变。纳米TiO2陶瓷在室温下就能发生塑性变形，而在180℃温度下塑性变形可达100%。12.1

纳米材料上一页下一页返回即使试样中存在微裂纹，在180℃温度下进行弯曲，也不会产生裂纹扩展。掺加Y2O3的四方氧化错多晶体纳米陶瓷材料(Y-TZP)当晶粒尺寸为150nm时，材料可在1250℃下呈现超塑性，压缩应变达到380%，晶粒尺寸为350nm的3Y-TZP陶瓷进行循环拉伸试验，室温下就可以发生形变。陶瓷具有超塑性应该具备两个条件：一是有较小的粒径；二是有快速扩散途径。正因为纳米材料有这两个条件，所以纳米材料在室温下就有超塑性。三、高扩散性及低温烧结性纳米陶瓷材料有大量的晶界面，这为原子提供了短程扩散途径。与单晶材料相比，纳米陶瓷材料有较高的扩散率，并对蠕变、超塑性等都有显著影响，可以在较低温度下对材料进行有效的掺加，也可以在较低温度下使不易混溶金属形成新的合金。12.1

纳米材料上一页下一页返回扩散能力强还可以使纳米陶瓷材料的烧结温度大大降低，不需添加任何助剂，12nm的TiO2粉末可以在400～600℃温度下烧结，而烧结温度低是纳米陶瓷材料的普遍现象。四、电、磁、光学性能由于晶粒尺度小，纳米材料常具有异常的导电率、磁化率和极强的吸波率。12.1.3纳米材料在建筑材料领域的应用因为建筑材料应用量巨大，与人类的生活质量及生存环境又密不可分，利用纳米材料开发、生产生态建筑材料，为纳米技术发挥作用提供了载体，是纳米材料应用的一个重要领域。12.1

纳米材料上一页下一页返回目前，国内外利用纳米技术开发的建筑材料，主要有以下三类：一是纳米TiO2光催化生态建材。纳米TiO2在紫外线照射下，发生氧化分解反应，并具有超亲水性，可以产生空气净化材料、抗菌灭菌材料、除臭和表面自洁材料。我国建筑材料科研人员自1993年开始研究保健抗菌建筑材料，现已开发出远红外陶瓷粉、无机抗菌剂、光催化功能玻璃，还有具备自洁功能的建筑材料等。例如，1998年已投产的MOD纳米高性能无机抗菌系列产品，对大肠杆菌、绿脓杆菌、金黄色葡萄球菌、黑曲霉菌和青霉菌等灭杀率高达99%以上。二是纳米改性防水卷材，如纳米SiO2改性彩色防水卷材，大幅度提高了抗紫外线、抗老化、强度、弹性和韧性，克服了防水卷材耐候性差、易老化、不易着色等难题。12.1

纳米材料上一页下一页返回三是纳米多孔轻质材料，可作为保温、隔声材料。利用气凝胶技术制造的这类材料，具有纳米结构(孔洞1～100nm，骨架颗粒1～20nm)，大比表面积(最高800～100m2/g)，高孔洞率(80%～99.8%)，这些特点，使材料具有极低的固态热传导和气态热传导，还具有较高的隔声性能。近年来，国内外还开展了纳米级粒径无机填料填充聚合物基础理论和应用研究，包括用蒙脱土、SiO2、TiO2、CaCO3等纳米微粒填充聚丙烯的研究。随着填料粒子表面处理技术，特别是填料粒子超微细化的开发和应用，聚合物填料改性已从最初的增量，上升到增强、增韧的新高度：从单纯的注重力学性能的开发，上升到开发功能性复合材料。纳米粒子因有其纳米尺度效应、比表面积大、表面活性原子多、奇异的声光电磁性能，若将其作为新型填料，应用到聚合物的填料改性中，就有可能将无机、有机、纳米粒子三方面的特性完美地结合起来，对开发高性能、特殊功能的复合材料具有重要意义。12.1

纳米材料上一页返回智能化材料(IntelligentMaterial)是一个较新的研究领域，其研究开发活动开始于20世纪90年代初期，随着人类向电子化、自动化、信息化社会的进步，在许多工业生产领域已经实现了自动控制。在建筑领域，借助于电子化设备可以将建筑物装配成智能化建筑物。然而，这种智能化并非来自于构成建筑物的材料本身。在实际使用中，建筑物受到荷载、温度、水分等大气因素、各类侵蚀性介质的影响，随着使用时间的延长，材料的性能将逐渐下降，甚至丧失承载能力而使建筑物遭受破坏，这种变化通常不能为人们预先所知，给居住者带来不安全因素，同时也难以有针对性地、及时地对接近破坏的部位进行必要的维修和保养。智能化材料是以建筑物的寿命预知和安全对策为目的开始研究的。12.2.1智能化材料的概念所谓智能化材料，即材料本身具有自我诊断、预知破坏的功能，具有根据外界的作用情况进行自我调节的功能，在即将破坏时具有自我修复功能以及可重复利用性。12.2智能化材料下一页返回智能化材料应具有感知、处理、驱动三个基本要素。由于现有的单一均质材料通常难以具备多功能的智能特性，因此往往需要两种及以上材料的复合，构成一个智能材料体系，就是复合材料体系的复合。在智能材料体系中有着广泛应用的有：光导纤维，压电材料，电磁流变体，形状记忆合金，电磁致伸缩材料，各类半导体敏感材料和高分子智能材料。12.2.2智能化材料的探索材料具有智能的关键是其对环境能动的反应能力，它是以功能材料(如光导纤维、压电材料、电磁流变体、形状记忆合金、电磁致伸缩材料、各类半导体敏感材料和高分子智能材料、功能纳米组装材料等)为基础，以仿生学、人工智能及系统控制为指导，将复杂的反应引进现有的材料与结构中，赋予材料系统或结构本身以智能属性，使其具有传感、处理和执行的功能。12.2智能化材料上一页下一页返回并采用各种先进的复合技术实现复杂材料体系的多功能复合，最终实现材料的“智能”化和器件集成化。一、粒子复合组装近年来，人们已能成功地直接对原子实施搬迁操作，这为在原子尺度上进行材料组装开辟了技术途径。将具有不同功能的材料颗粒按特定的方式进行操作组装，可创造出新的具有多功能特性的材料。如在特定的衬底上，通过电子束扫描产生电子气化花样，在电子静电引力作用下，带电的颗粒就会排列成设计的花样，重复这种操作就可构成由不同粉末颗粒组成的三维结构。此技术将使微粒组装多功能材料成为可能。用颗粒或晶须增强制备金属基复合材料，将金属或半导体等细小颗粒弥散分布在第二种介质中构成薄膜状磁性材料等都已得到广泛应用。将一种机敏材料颗粒复合在异质基体中也可获得优化的智能特性。例如，压电陶瓷的主要缺点是声阻抗不匹配，介电常数高，响应频率范围窄，而且材料本身的脆性太大。12.2智能化材料上一页下一页返回压电高分子的密度低，机械韧性好，耐冲击强度高，压电性能较稳定，而且可在宽范围内有平坦的响应，但其压电常数小，使用上有一定局限。压电陶瓷和压电高分子以不同连接复合是优化各类性能参数最为有效和常用的方法。将压电陶瓷颗粒弥散分布在聚合物中，可制得大面积的各种形状的压电薄膜材料。借鉴常规复合材料中的颗粒或纤维增强及陶瓷中的ZrO2相变增韧原理，将TiNi形状记忆合金粒子或纤维复合在金属或高分子中，可明显改善机械性能及阻尼能力。这一方面的研究可为实现结构材料的功能或智能化找到某些途径。二、薄膜复合制备超晶格量子型超薄层材料生长技术近年来发展很快。它包括分子束外延(MBE)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、原子层外延(ALE)、化学束外延(CBE)和迁移增强外延(MEE)等多种技术。12.2智能化材料上一页下一页返回

这为制备纳米级的多层功能或智能复合薄膜材料奠定了基础。将两种或多种机敏材料以多层μm级的薄膜复合，也可获得优化的综合性能或多功能特性。例如，形状记忆合金用于驱动器时，具有其他材料没有的大输出应变，但由于它主要是通过热感受来驱动，响应速度慢，循环周期长。记忆合金薄膜热感受迅捷，循环周期大为缩短，但仍仅适用于低频响应，而且要求的瞬时电能高(约为压电陶瓷的1000倍)。将热驱动方式变为电或磁驱动方式，方能拓宽响应频率范围，提高响应速度。将铁弹性的形状记忆合金与铁磁或铁电驱动材料复合在一起，可解决这一问题并实现优势互补。三、纳米及分子组装在纳米粒子或分子及原子团簇中，由于粒子的尺寸(界面)效应及量子限制效应，其电子结构及物理性能与晶体材料不同，因而可以实现人工材料改性。12.2智能化材料上一页下一页返回与此相关的介观现象和技术正受到各个领域的广泛重视。在纳米尺寸上设计和控制材料的精细结构，将成为研制和创构智能材料最根本的途径之一。在研究中要解决的关键问题是：重复制备具有等同结构和均一尺寸的纳米团簇；在保持量子势垒的电子和原子结构的同时紧密而有序地将纳米团簇以特定方式组合起来。由于纳米粒子表面能高，团聚现象是热力学上的必然趋势，因而纳米面的修饰和分散是必要的。有许多材料(如沸石分子筛)具有规整的一维、二维或三维纳米级(0.5～30nm)空笼和孔道，其孔道尺寸甚至可在0.1～0.2nm的精度上分辨。将具有不同功能特性的纳米粒组装到这种多孔道骨架内，意味着将量子点置于孔道和笼壁的包围之中，将可得到尺寸均一的量子点。由于沸石分子筛结构的多样性，其组成的可调变性，因而可灵活地调控纳米粒大小，纳米粒之间及其与骨架之间的相互作用，量子势垒等，具有很好的可操作性，从而提供了精细地设计和调节纳米材料的智能响应性质的途径。12.2智能化材料上一页下一页返回在沸石分子筛中，组装半导体材料如ZnS、PbS、CaAs，纳米光学材料如AgCl、AgBr，导电高分子的单体如对硝基苯胺、染料如亚甲基蓝和硫靛蓝等，都已获得了具有各种线性和非线性响应性质的精细组装纳米材料。将具有光敏、压敏和热敏等各种不同功能特性的纳米粒原位复合在多孔道骨架内，就有可能得到兼具光控、压控、热控及其他响应性质的智能材料。12.2.3几种新型的智能化材料一、光纤智能材料在人工智能体系中，光纤作为一种传感材料是最有成效的。光纤在智能系统中，主要用来制作“健康”的自诊断系统。例如，加拿大多伦多大学与美国波音公司合作研制了首架具有光纤“自诊断”系统的机翼前缘的损伤自评系统。12.2智能化材料上一页下一页返回二、形状记忆合金智能体系形状记忆合金是集“感知”和“驱动”于一体的功能材料。最著名的形状记忆合金是niTi合金，现已发现的这类合金还有InTi、CuZn、CuAl、AgZn和AgCd等，它随着温度的变化几何形状会发生突变，低温时马氏体状态，可进行塑性变形，加热到特征温度以上时发生M-A转变，恢复到原来的形状，即显示形状记忆效应。形状记忆合金最早用于拉曼F14战斗机中液压接头密封，防止高压液泄露，它可作为力学执行器和刚性执行器控制运动和形状，很像人的肌肉。它还可用作温度传感器，温度变化时由于大的模量比转变为应变变化，可用于内燃机自动熄火，由液体温度变化而执行的自动阀门。三、电(磁)流变体电流变体也称机敏流体，美国1947年首次报道了电流变效应。它是很细的介电颗粒(1～10μm)，均匀弥散在绝缘介质中的悬浮液体，12.2智能化材料上一页下一页返回在外加电场(或磁场)作用下表现出明显的牛顿体行为，将电(磁)场的变化迅速转变成材料的剪切抗力变化，且有可逆和响应速度快的特点，它的优异性能在毫秒之间实现液固转化，使液体变成具有一定剪切强度的固体。液固转化的可逆性随外加电(磁)场改变，其强度可连续调控，是机电一体化的一种理想材料。其机理是电(磁)场诱导固体粒子极化及其相互作用，使分子、原子极化，界面极化，因而产生流变特性。电流变体可以做液压阀、离合器、减震器、机械卡具、智能复合材料、汽车刹车片等。12.2.4智能化材料在土木建筑工程中的应用一、光纤传感器在混凝土固化监测中的应用为了解决温度变化引起温度梯度以及水化热产生温差所引起内应力的问题，可利用埋人式光纤传感器对大型混凝土结构进行内温监测。混凝土的抗拉强度仅为抗压强度的1/l0，因此在结构的受拉区加入钢筋。12.2智能化材料上一页下一页返回通常将光纤传感器埋人未固化的混凝土时，除要求光纤界面与水泥之间有良好的结合，还要求光纤在可塑材料填充和机械振动时不受损伤及在高度碱性水泥环境中具有高化学耐久性。二、在混凝土大坝上的应用工程结构的过量位移或变形会导致结构失稳并造成破坏。利用光纤技术可以实现大坝结构的连续可靠的检测。光纤位移极限信号装置DLS可用于监测大坝缝隙变化，光纤应变计可用于缝隙或不透水沥青混凝土水坝状态变化的长期监测，环形光纤传感器分为两路，分别连接坝体的两边，用一特别的材料封装在大坝混凝土中心，当应变计用力锁定模式安装时，径向变化可引起传感器传输性质的变化。三、在房屋建筑中的应用1.建筑系统和辅助设施的管理和控制埋人通信光纤可进行通讯和办公自动化，光纤传感器可控制加热、12.2智能化材料上一页下一页返回空调、下水道设施、电力、照明、电梯、火警及出人控制，还可以测量压力、水管流量、温度、控制温度、电动阀门、水泵、锅炉等。2.结构检测和损伤评估对于承载量很大又很重要的构件，可以在钢筋混凝土制作时埋人光纤阵列，通过微型计算机及神经网络判断缺陷的位置。由于水泥抗拉伸性能差，通常将光纤安装在水泥受拉伸处，检测水泥是否出现裂缝。高层建筑基桩完整性检查是一个大问题，若在基桩中埋人偏振型或分布式光纤传感器，则可以直接判断基桩是否出现破坏。将碳纤维加入混凝土中，则可形成智能混凝土，不存在埋人问题和相容性问题。3.试验应力分析利用埋人光纤测量混凝土强度，弹性模量，位移等，在此基础上设计结构，将使结构设计更经济和安全。例如，将光纤阵列埋人机场跑道里，就可以测量飞机起飞、降落时跑道上的应力状态，得到二维应变图，有利于跑道再设计和对跑道维修。12.2智能化材料上一页下一页返回四、智能自修混凝土可采取定期监测并触发其自修复功能(如用电激发等)的方法，也可以结合太阳能混凝土研究，混凝土中置人太阳能转换机制，当出现裂纹时，转换机制动作，直接触发或通过另外的机制触发自修复作用(打破原子微区反应的壁垒--包裹等)；植入纤维或形成电解质(或绝缘物质)薄膜包裹，出现裂纹后电性能发生变化，然后角虫发原子微区反应。智能化是现代人类文明发展的趋势，要实现智能化，智能化材料是不可缺少的重要环节，智能化材料是材料科学发展的一个重要方向，也是材料科学发展的必然。智能化材料的研究内容十分丰富，涉及许多前沿学科和高新技术，智能化材料在工农业生产、科学技术、人民生活、国民经济等各方面起着非常重要的作用，应用领域十分广阔。智能化材料的研究应用必将把人类社会文明推向一个新的高度。12.2智能化材料上一页返回为了提高居住环境的质量，并且尽量节省资源和能源，人类不断地探索和研究具有良好装饰性、高效保温性、节能性、健康性的家居材料，以营造一个更加舒适、美观、富有生活情趣的居住空间。目前，有以下一些研究成果已经在实际应用。12.3.1透明隔热玻璃为了采光、通风等目的，在建筑物的围护墙体上必须设置窗，而窗的保温隔热、隔声、防水等性能较普通的墙体差，是建筑物围护结构的薄弱环节。为了节约能源，提高建筑物的保温性能，最简单的方法是减少建筑物窗体的面积，但是，这样又影响了建筑物的采光和通风等效果。为了解决这一矛盾，人们开发了透明玻璃与塑料结合、抑制对流传热的透明隔热材料。这是一种将辐射抑制在最小限度内，使光通过，但不使热跑掉的一种材料。12.3新型装饰、节能材料下一页返回德国弗赖堡市弗恩霍夫太阳能研究所，就发明了这样一种透光隔热材料，其特点是能把太阳能转变为热能，然后透过窗或墙体导人室内，同时又能保护室内温度不向外散发，犹如交通中的单行线。这种透光隔热材料可用于窗体，也可用于墙壁，冬季可节约能耗80%。12.3.2新型涂料法国最近研制出两种新型涂料。其一是可以随温度变化而改变颜色的涂料，在0～20℃呈黑色，随着温度从20℃上升到30℃，涂料便顺序出现彩虹的颜色，红、黄、绿、蓝、紫等，当温度大于30℃，涂料又变成黑色，增加建筑物的装饰效果。另一种新型涂料的特点是白天呈白色，像晶体一样发光，夜间则将白天吸收的光线反射出来，自动发光。这种涂料用于高速公路隔音壁表面，有利于夜间行车照明。12.3新型装饰、节能材料上一页下一页返回12.3.3调光玻璃这是一种具有自动调光功能的玻璃，当阳光照射在玻璃上时，玻璃内自动产生一种阴云效果，以阻挡太阳光热量的侵入，可以节省夏季制冷空调的能耗。目前研究进展是扩展使用功能，不仅用于遮蔽太阳光的热量，也用于室内的间隔，还可根据需要，在内部通过微弱的电流，使玻璃形成雾状，以保持间隔空间的私密性。这种玻璃还可以用于室内装修，使其适用范围进一步扩大。12.3.4调节湿度材料日本开发了一种能自动调节室内湿度的新型墙体材料。这种材料的组成是在水泥系的主材中夹入2～3层由黏土系材料制成的板材，中间混入了能大量吸湿的氯化物作填充物，层与层之间的间隔为1～5mm，层间间隔相当狭窄，由细微气孔吸收和放出湿气。这种板材适用于居室、厨房、浴室、壁橱等。12.3新型装饰、节能材料上一页下一页返回可使室内湿度保持在最佳湿度50%左右，当室内湿度低于50%时，基本不吸收水分；当室内湿度超过50%时开始吸湿，当湿度过低时，会放出保存在体内的湿气，以达到自动调节室内湿度的目的。12.3.5充气式房屋瑞典生产的一种可以折叠的房子，用衬有保温层的铝板制成，利用一台不大的气压机充气，就可以将房子鼓起来。房子重量950kg，适合在需要临时住房的场合使用，例如发生自然灾害、举行交易会、体育运动会等活动时，很快就能搭建起临时房子，供人们使用。随着时代的进步，人们对生活质量的要求也越来越高，近年来用于建筑装饰、装修材料和各种功能材料的研究和开发异常活跃，为人们营造出丰富多彩的生活空间。12.3新型装饰、节能材料上一页返回12.4.1超高层建筑与新材料随着地球上人口的增多，城市大型化，建筑越来越向高层发展。为适应超高层建筑的要求，必须开发新型、性能卓越的建筑材料。例如：为了减轻建筑物的自重，减轻基础的负担，要求开发轻质而高强的材料；超层建筑受地震、风荷载等水平方向荷载远远超过普通高度的建筑物，变形量大，要求材料具有良好的塑性和韧性；为了满足建筑物的防火、耐火要求，用于建筑物表面的材料要求具有不燃性和阻燃性；最重要的还要求材料具有优良的耐久性，超高层建筑投资巨大，施工工期长，其寿命不能按照常规的建筑物来要求，应该要求具有500年甚至上千年的寿命，或者通过维修、保养和局部更新达到永久性建筑的要求。这就要求材料在长期使用过程中能长久地保持优良的性能，才能保证建筑物的正常运转和安全。12.4适用于尖端建筑技术的新型材料下一页返回12.4.2大深度地下空间结构和新材料大深度地下空间是目前为止还没有被广泛开发利用的领域。随着地球表面可用土地逐年减少，人类除了向高层发展之外，大深度地下空间是一个很有发展潜力的发展空间。与超高层建筑相比，大深度地下空间结构具有许多优点，例如，具有保温、隔热、防风等特点，还可以节省建筑能耗。为实现大深度地下空间的建设，需要开发能适应地下环境要求的新型材料。12.4.3适用于海洋建筑的新材料海洋建筑物可分为固定式和浮游式两大类，所用的结构材料仍离不开钢筋和混凝土。海洋建筑物与陆地建筑物工作环境有很大差别，为了实现海洋空间的利用，必须开发适合于海洋条件的建筑材料。12.4适用于尖端建筑技术的新型材料上一页下一页返回海水中盐分、氯离子、硫酸盐等侵蚀性物质含量很高，将对建筑物产生强烈的化学侵蚀作用，使材料被腐蚀破坏；海水波浪不停地反复作用，对海洋建筑物造成冲击、磨耗和疲劳荷载作用；海洋建筑物还要经常受到台风、海啸等气候条件的影响；在海滩、近海等软弱地基上的建筑物，其沉降现象也很明显。在这些环境下工作的海洋建筑物材料，要求具有高强度、耐冲击性、耐磨耗和耐腐蚀性等性能。为实现这些性能，需要开发并使用以下新型材料。一、涂膜金属板材用于海洋建筑物上部的非结构钢板，为提高其耐腐蚀性，可在其表面涂刷一层有机高分子材料使之成膜，隔断海水和钢板之间的直接接触，达到延长钢板使用寿命的目的。目前涂膜材料大多采用聚氯乙烯、氟类、聚酯类、氯乙烯类、丙烯硅类等对钢板的保护作用比较明显；如果使用镀锌钢板再在表面涂膜，则防护效果更好。12.4适用于尖端建筑技术的新型材料上一页下一页返回二、耐腐蚀金属例如新型不锈钢、铝合金、钛合金等金属材料，本身具有很强的耐腐蚀性，可直接用于海水接触的部位。尤其是钛合金，耐腐蚀性极为强，只是成本较高。因此，开发低成本高耐腐蚀性的材料，是开发利用海洋空间，建造海洋建筑物的物质基础。三、水泥基复合增强材料到目前为止，构筑大型建筑物的地基、基础等大体积结构体的材料仍然以水泥混凝土最为合适，无沦从原材料资源，还是生产成本以及材料性能的稳定程度，水泥混凝土材料都具有其他材料无法比拟的优越性。但是，水泥混凝土属于脆性材料，对静荷载有很高的承载能力，而海洋建筑物经常受到波浪、台风等动荷载的作用，为