摘要：智能材料在土木工程中有着重要的应用，起着举足轻重的作用，这是材料科学以及计算机科学发展重要阶段的材料革命，因此高科技材料在土木工程领域的研究发展有着重要的意义和非常深远的影响。本文首先阐述了智能材料的概念和特点，然后分析了智能土木工程的现状和智能材料的应用，希望能够对推动智能材料在土木工程中的发展有所帮助。
关键词：智能材料；土木工程；应用
1智能材料的概念、特征及分类
1.1智能材料的概念
智能材料目前还没有统一的定义。不过，对其多种定义大同小异。大体来说，智能材料就是指具有感知环境刺激，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。智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料。
1.2智能材料的种类和特点
随着科学技术的发展，目前我国土木工程中使用的智能材料有多种形式，不利用这些智能材料可以有效提升土木工程的建设质量。正是因为目前发展智能材料的种类众多，所以特点也是不能同日而语。可以根据智能材料的不同应用功能而分成不同的类型，如果具有感知功能的材料，就可以将那些可以感受内外部的刺激的不同强度的材料就叫做感知材料，主要是感知内外部的光、声、热、电等各种物理刺激，具有这方面的功能的智能材料主要有压电陶瓷和高分子材料、具有形状记忆的合金等，其中，光导纤维算得上是最为重要的感知材料。正是因为这些智能材料具有高科技智能感受功能，因此还被称作智能感知材料。还有一种材料能够对内外部出现的不同状态，甚至根据环境的变化而做出相应反应的智能材料，通常把这样的材料叫做智能驱动材料，如果内外部的温度发生变化，这种材料可以自动改变自身的特点来适应变化后的温度，一般来说，这些材料可以改变的是机械特性，其中主要包括形状、硬度、震动频率等，利用智能驱动材料，可以很好地保证元件在驱动中的作用效果。在实际应用中，主要根据不同功能和应用部位，选择最合适的智能材料，只有这样，才能物尽其用。在使用智能材料时，一般是将多种智能材料复合起来使用。
2智能材料在土木工程中的应用
2.1光导纤维在混泥土材料的监控
光导纤维材料，是一种光通信介质，其最大优点是传输速度快、信号衰减低和并行处理能力较强，经常被用于高要求的通信传输中。光导纤维和光纤传感器在土木工程中，主要用于对混泥土固化的监控。混泥土结构最大的缺点是抗拉强度弱、内部钢筋容易被腐蚀等，在大面积浇筑过程中由于混泥土结构内部和外部温度差异而导致混泥土块体出现裂缝。这种情况下，将光纤作为传感元件埋入混泥土结构中，对结构的强度、温度、变形、裂缝、振动等可能引起混泥土结构损伤的危险因素进行检测、诊断、预报。更进一步，如果控制元件能接入信息处理系统，并引入形状记忆类金属等智能材料，形成完整的控制系统，将能实现混泥土材料的自适应功能———这正是目前智能材料结构系统在土木工程中应用的前沿课题。
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2.2压电材料
压电材料一般是指在收到压力后，材料两端会出现电压的晶体材料。压电材料在土木工程中的应用主要包括对于结构的静变形控制、噪声控制和抗震抗风等领域。传统的压电材料使用方法是通过压电传感元件对结构的震动进行感知，利用传感器输出结果，从而实现对于震动的感知和预警。在此基础上，采取合适的控制算法对压电体的输入进行控制和定量，从而实现对于结构震动的控制，这是目前压电类智能材料的研究前沿。随着研究的深入和技术的进步，压电类的智能结构土木工程中的应该越来越广泛。
2.3压磁材料
在外加磁场作用下，磁流变液悬浮体系的各项流变性能会产生明显的可逆变化。同时在外加场强高于临界值后，磁流变液将迅速从液态转变为固态，在显微镜下能够观察到磁流变液的分散相颗粒在磁场作用下结成沿磁场方向的链状结构。在介于固液体之间可根据磁流变液特点具有的快速、可控及可逆性质，控制流体特性实施时需要较低的能量，因此在智能结构中通常将磁流变液作为动器件的主要材料。在土木工程领域，电视塔、高层建筑、大跨度桥梁等结构中都采用该材料用于实现对地震的半主动控制。此外，磁致伸缩智能材料也在相关研究中日益的得到重要关注。磁致伸缩智能材料具有强烈的磁致伸缩效应，电磁/机械能能够进行逆转换。在智能材料领域中应用前景较为广阔，该材料可用于大功率超声器件、声纳系统、精密定位控制等多个领域。
2.4形状记忆合金
形状记忆合金是具有形状记忆效应的一种智能合金材料，作为新型功能性材料，最主要的优点就是在激发材料的形状记忆效应过程中，材料可以产生高于700兆帕的回复应力及8%左右的回复应变，同时具有较强的能量传输储存能力。该特性的应用能够将材料置于各种结构中，实现结构的自我诊断、增韧、增强与适应控制的应用研究，而且还可以将材料研制为智能型驱动器，在结构变形、损伤、裂缝及振动等方面开展应用研究工作。相变伪弹性与相变滞后性能是形状记忆合金的另一个优点，在加卸载过程中其应力-应变曲线构成环状，表明材料在此过程中能够吸收耗散较多的能量。形状记忆合金具有高达400兆帕的相变回复力，结合该特性能够研制开展形状记忆合金被动耗能控制系统，该系统可实现相变伪弹性性能，可在土木工程结构中用于耗能抗震的被动控制。通常在结构层间或底部安置形状记忆合金被动耗能控制系统，用于实现耗能系统对结构的层间变形的感知，进而起到消耗地震能量的作用。有关研究结果显示，耗能器安装形状记忆合金结构后，耗能器可吸收约为三分之二的地震能量，并显著抑制结构的位移。
3智能材料的发展趋势
在土木工程领域，智能材料的发展趋势集中体现在以下三方面。一是实时监控检测结构状态，在土木结构中集成传感与驱动元件，利用其网络实时监控结构状态，以保证土木工程结构与基础设施的安全，有效降低维修成本。二是形状自适应材料与结构，该结构不仅可承载传递运动，还能检测并改变结构特性，具有较为广阔的应用前景。三是自适应控制减振抗震抗风降噪的结构，这在在土木工程设计中一直是比较重要的一个问题，尤其是针对桥梁与高层建筑等土木工程结构的抗震抗风问题，研发应用智能材料能够为其提供重要的途径，实现结构的自适应控制。尽管当前的智能材料还存在不同程度的不足之处，但随着有关研究的不断深入，智能材料的性能将得到明显改善。在众多领域中，智能材料都将发挥其潜力，体现出广阔的应用前景，开展的研究包括力学、计算机控制、材料、微电子、人工智能等多个学科技术。
4结束语
综上所述，土木工程的安全性、耐久性、适用性等性能的提高，得益于各种智能材料在土木工程中的广泛应用。因其智能材料本身具备的传感、监控、自我修复等特点，对于土木工程发展智能建筑具有重要的现实意义。虽然现阶段我国的智能材料的发展还相对落后，但相信随着我国相关技术研发的投入，我国的智能材料在不远的未来必定大有发展。
参考文献：
[1]杨森，任晓兵.铁性智能材料的研究现状和发展趋势[J].中国材料进展，2014，33(03):180-185.
[2]刘俊聪，王丹勇，李树虎，秦贞明，贾华敏.智能材料设计技术及应用研究进展[J].航空制造技术，2014(Z1):130-133+136.
[3]高飞，唐宁，李晓.智能材料与结构发展现状浅析[J].建材发展导向，2016，14(12):19-22.
论文作者:王磊
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第18期
论文发表时间:2018/10/30
标签：材料论文; 智能论文; 结构论文; 土木工程论文; 形状论文; 合金论文; 记忆论文; 《建筑学研究前沿》2018年第18期论文;