智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在工程設(shè)備中的應(yīng)用

孟代江

（衛(wèi)輝市第一中學(xué)，河南 衛(wèi)輝 4 5 3 1 0 0）

智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在工程設(shè)備中的應(yīng)用

孟代江

（衛(wèi)輝市第一中學(xué)，河南 衛(wèi)輝 4 5 3 1 0 0）

本文闡述智能材料所具有的敏感性、傳輸性、智能性、自適應(yīng)性、相容性等特性，結(jié)合智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在工程設(shè)備中的實(shí)際應(yīng)用，分別從光導(dǎo)纖維、功能凝膠、形狀記憶合金、壓電材料、電/磁流變體等方面進(jìn)行了分析。

智能材料；結(jié)構(gòu)系統(tǒng)；工程設(shè)備；特性；應(yīng)用

智能材料的應(yīng)用讓工程設(shè)備的結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生重大變化，極大的擴(kuò)大了設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域，讓設(shè)備的應(yīng)用效能得到提升。智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)并不是單一的，其是一個(gè)組合系統(tǒng)，由傳感系統(tǒng)、信息處理胸膛、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成，將很多具有特殊功能的材料組合在一起，將這些材料應(yīng)用到結(jié)構(gòu)構(gòu)件之中，憑借特殊材料的性能讓設(shè)備具有“智能性”，達(dá)到自我診斷、自我調(diào)節(jié)的作用。智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在工程設(shè)備中的應(yīng)用已經(jīng)日漸成為設(shè)備發(fā)展的重要趨勢(shì)，是設(shè)備優(yōu)化的重要途徑。

1 智能材料結(jié)構(gòu)體系在工程設(shè)備應(yīng)用中的重要性

智能材料結(jié)構(gòu)體系在工程設(shè)備中的應(yīng)用具有劃時(shí)代的作用和意義，是其他措施與設(shè)備結(jié)合所無法比擬的。首先智能材料結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用讓工程設(shè)備具有了“智能性”，很多材料所具有的特性都通過結(jié)構(gòu)體系融入到設(shè)備的應(yīng)用之中，讓設(shè)備在應(yīng)用過程中具有了各種智能材料的“智能”，從而讓設(shè)備也更加“聰明”。其次，智能材料結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用極大的節(jié)省了設(shè)備設(shè)計(jì)制造過程中的成本，提升了設(shè)備企業(yè)的利潤(rùn)空間。智能材料相比較傳統(tǒng)材料在應(yīng)用中更加具有優(yōu)勢(shì)，不僅材料成本本身價(jià)格低廉，而且其使用壽命更長(zhǎng)。第三，智能材料結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用讓設(shè)備具有了“活性”，能夠建設(shè)工程建設(shè)中因?yàn)樵O(shè)備問題所造成的各種事故，有效提升了工程建設(shè)的質(zhì)量和效率。

2 智能材料所具有的特性

2.1 敏感特性

在復(fù)合材料融入智能材料時(shí)，需要考慮到融入材料的環(huán)境敏感性，光導(dǎo)纖維傳感器等材料就可以對(duì)環(huán)境多種參數(shù)產(chǎn)生敏感反應(yīng)，光導(dǎo)纖維傳感器可以與多種復(fù)合材料相融合，且伴隨著光纖傳感技術(shù)進(jìn)步，光導(dǎo)纖維已經(jīng)成為制作傳感器的重要原料，而且可以準(zhǔn)確的應(yīng)用于聲、光電、熱、力等各類參數(shù)的檢測(cè)當(dāng)中，快速了解到各類參數(shù)的分布情況。

2.2 傳輸特性

智能材料結(jié)構(gòu)除了能夠?qū)Νh(huán)境參數(shù)做出反饋之外，還承擔(dān)著信息傳遞的任務(wù)，這使得智能材料能夠像人類神經(jīng)一樣更加智能化的接收和傳遞信息，另外，智能材料的設(shè)計(jì)越來越精密，小小的材料卻承載著巨大的信息總量。光導(dǎo)纖維傳遞信息是當(dāng)前最為常用的一種智能材料信息傳遞材料。

2.3 智能特性

智能材料的智能性不僅體現(xiàn)在對(duì)環(huán)境多種參數(shù)的敏感性、傳輸性，最重要的是借助相關(guān)科技，材料還能夠?qū)@些參數(shù)的分布、性質(zhì)、變化等做出動(dòng)態(tài)的分析、判斷和反饋，而且能夠像人一樣進(jìn)行“學(xué)習(xí)”，并根據(jù)環(huán)境參數(shù)變化去主動(dòng)適應(yīng)環(huán)境。相關(guān)人員利用智能材料展開學(xué)習(xí)和模擬，就能夠有效實(shí)現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)的仿生智能。隨著計(jì)算機(jī)科技的創(chuàng)新，智能材料智能化程度也不斷提升，當(dāng)前也在積極探索如何利用計(jì)算機(jī)來構(gòu)建信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，比如應(yīng)用電腦芯片。

2.4 自適應(yīng)特性

智能材料中往往會(huì)包含一些微型驅(qū)動(dòng)部件，并在超小的芯片控制下來完成相應(yīng)的動(dòng)作，這樣一來，智能材料就能夠快速適應(yīng)環(huán)節(jié)的變化，比如感知環(huán)境中出現(xiàn)的應(yīng)力，震感或者溫濕度等，還可以通過自檢等來對(duì)系統(tǒng)等問題進(jìn)行自我修復(fù)。比如記憶合金或者伸縮性的材料，都具有極高的自適應(yīng)性。

2.5 相容性

智能材料相容性主要體現(xiàn)在相容材料的強(qiáng)度、材料表面、材料尺寸和材料場(chǎng)分布等方面。比如，如果埋入材料與原材料強(qiáng)度相距過大，就會(huì)影響原材料的強(qiáng)度，甚至降低原材料的效能發(fā)揮；再如，埋入的材料往往需要經(jīng)過處理來提高與原材料相容性，常用的如光導(dǎo)纖維碳化處理；埋入的材料體積應(yīng)當(dāng)要比原材料小很多，這樣才不至于影響原材料固有的特性；為了避免材料之間產(chǎn)生應(yīng)力或者振動(dòng)作用，埋置的部件所具有的場(chǎng)分布性應(yīng)當(dāng)以不影響原材料為好。

3 智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在工程設(shè)備中的應(yīng)用

3.1 光導(dǎo)纖維

光纖是寬帶中最重要的材料，其一般內(nèi)層介質(zhì)的折射率要高于外層的，通過反射來實(shí)現(xiàn)內(nèi)外層折射，從而實(shí)現(xiàn)光信息的傳輸，而且能量損耗小，傳播距離遠(yuǎn)。所以，光纖也被用于各類光信號(hào)變化的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，當(dāng)前光纖機(jī)敏混凝土就是利用了光纖的信號(hào)傳導(dǎo)性而設(shè)計(jì)的，從而通過信號(hào)變化的分析，能夠及時(shí)有效的發(fā)現(xiàn)混凝土中的問題，比如變形、裂縫、溫度變化、應(yīng)力過高等，智能化的對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行全程監(jiān)控和問題診斷。在實(shí)際應(yīng)用中，光纖機(jī)敏混凝土已經(jīng)較為成熟的應(yīng)用到混凝土施工過程中，能夠很好地對(duì)混凝土溫度數(shù)據(jù)采集，并對(duì)其出現(xiàn)的裂縫進(jìn)行診斷，但是由于光纖敏感性過高，測(cè)量的規(guī)模較窄，因此耐久性較差，存在諸多的局限。

3.2 功能凝膠

功能凝膠即常說的愈合材料，該種材料能夠根據(jù)環(huán)境中的壓力或者溫濕度變化而自我調(diào)整，其材料具有較高的黏合性。比如將功能凝膠埋入一些脆性管道內(nèi)部，一旦管道某些位置受到外部作用而出現(xiàn)斷裂，其中的凝膠就可以自動(dòng)填充到這些裂縫部位，起到拼合裂痕的效果，最終實(shí)現(xiàn)裂縫飛自我“愈合”，因此被稱為自愈合機(jī)敏混凝土。并且，通過實(shí)驗(yàn)也可以得知，管道內(nèi)凝膠壓力對(duì)于裂縫的愈合具有非常重要的作用和影響，保證管道內(nèi)的壓力穩(wěn)定，對(duì)于促進(jìn)裂縫愈合非常有幫助。

3.3 形狀記憶合金

形狀記憶合金主要材料就是具有形狀記憶性的金屬，記憶合金在高溫下定型，當(dāng)它被置于常溫環(huán)境中時(shí)即使產(chǎn)生變形，也會(huì)在去除作用后而恢復(fù)原狀，其彈性較強(qiáng)，如果將記憶合金放置到工程施工所用的混凝土中，則就可以形成形狀記憶合金機(jī)敏混凝土，這樣一來就可以在混凝土出現(xiàn)裂縫后自我進(jìn)行形狀調(diào)整和自我監(jiān)測(cè)。另外，利用形狀記憶合金的超彈性，則可以將形狀記憶合金做成結(jié)構(gòu)耗能阻器，以更大限度的提升耗能器的抗疲勞性。此外，通過對(duì)記憶合金的使用，可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可以通過加熱對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率進(jìn)行改變，從而優(yōu)化設(shè)備的各種性能。

3.4 壓電材料

壓電材料主要有正壓電和逆壓電兩種，將壓電材料制作成為傳感部件，就能夠?qū)炷恋冉Y(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，再借助一些電壓驅(qū)動(dòng)原件來對(duì)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的變形進(jìn)行調(diào)整。從當(dāng)前壓電材料的應(yīng)用情況來看，大多被用于對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的控制，也用作傳感器記驅(qū)動(dòng)部件的原材料。在對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制時(shí)，需要將壓電材料埋入結(jié)構(gòu)的高應(yīng)變位置，然后借助壓電傳感器等的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，手機(jī)相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，然后利用公式等計(jì)算出壓電驅(qū)動(dòng)器的傳入值，從而對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)行調(diào)控。雖然理論上該方式可行，也有過相關(guān)的成功案例，但是受限于壓電調(diào)料的極限應(yīng)變量的局限性，因此很難被成熟應(yīng)用到土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)的調(diào)控工作中，需要進(jìn)一步的研究和實(shí)踐。

3.5 電/磁流變體

電/磁流變體具有一定的可控性，主要是利用相應(yīng)的磁性和電解質(zhì)懸浮液等，借助磁場(chǎng)感應(yīng)，來實(shí)現(xiàn)電磁的流體的纖維態(tài)，使液態(tài)的懸浮液從流體編程具備應(yīng)力屈服性的粘塑性體，即實(shí)現(xiàn)液態(tài)的固化，當(dāng)前電/磁流變體最普遍的應(yīng)用就是在可調(diào)節(jié)的阻尼器及半主動(dòng)控制器中，有效提升了控制器的反應(yīng)速度，大大降低了其能耗性，但是在對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)的控制方面還難以有效應(yīng)用。但是，我們也必須看到電流變體不能用作主動(dòng)控制的驅(qū)動(dòng)器，因?yàn)樗某隽κ钟邢?，無法達(dá)到土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主動(dòng)控制力要求。其應(yīng)用的效能還需要進(jìn)一步予以改善，在長(zhǎng)期放置穩(wěn)定性、溫度適應(yīng)性等方面還需要進(jìn)行深入研究和探索。

4 結(jié)語

智能材料無論從其物理參數(shù)還是從其分部情況來看，都是絕佳的設(shè)備應(yīng)用基礎(chǔ)物料，將其應(yīng)用到工程設(shè)備中可以說是將其價(jià)值發(fā)揮到極致，能夠促使設(shè)備得到進(jìn)一步的提升和優(yōu)化。但同時(shí)也必須認(rèn)識(shí)到，智能材料與工程設(shè)備的結(jié)合還有很大的提升空間，這就需要相關(guān)人員對(duì)兩者的結(jié)合應(yīng)用進(jìn)行積極地研究，讓智能材料更好地與設(shè)備融合在一起，為設(shè)備的智能化提供基礎(chǔ)，為人工智能理論的應(yīng)用提供支撐。

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