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现代建筑中的智能材料与结构设计在当今科技飞速发展的时代，建筑领域也迎来了一场深刻的变革。
智能材料与结构设计的出现，正逐渐改变着我们对建筑的认知和体验。
智能材料，顾名思义，是指那些能够感知环境变化，并能根据预设的条件做出相应反应的材料。
它们具有独特的性能，能够在建筑中发挥重要作用。
例如，形状记忆合金能够在温度变化时改变形状，这一特性使得其在建筑结构的变形控制方面具有潜在应用价值。
当温度升高或降低时，形状记忆合金可以自动调整构件的形状，从而增强结构的稳定性和耐久性。
另一种常见的智能材料是压电材料。
当受到压力或机械变形时，压电材料会产生电荷。
利用这一特性，可以将其应用于建筑的能量收集系统中。
例如，在人员活动频繁的区域铺设压电材料地板，通过人们的行走产生的压力来发电，为建筑的部分设备提供能源。
同时，压电材料还可以用于结构的健康监测，当结构受到损伤时，其产生的电荷信号会发生变化，从而及时发现问题。
智能结构设计则是将这些智能材料与传统的建筑结构相结合，以实现更高效、更灵活、更可持续的建筑性能。
在抗震设计方面，智能结构能够通过传感器实时监测地震波的传播，并迅速调整结构的刚度和阻尼，从而减小地震对建筑的破坏。
智能通风系统也是现代建筑智能结构设计的一个重要体现。
通过温度、湿度和空气质量传感器的监测，智能通风系统可以自动调节窗户的开合程度和通风设备的运行状态，以保持室内舒适的环境。
在炎热的夏季，当室内温度过高时，窗户会自动打开，引入自然风降温；而在寒冷的冬季，窗户则会关闭，保持室内温暖。
此外，智能遮阳系统也是智能结构设计的一部分。
根据太阳的位置和光照强度，遮阳板可以自动调整角度，既能有效阻挡阳光直射，降低室内温度，又能保证充足的自然采光，减少人工照明的需求，从而实现节能的目的。
智能材料与结构设计在绿色建筑中也发挥着关键作用。
例如，自修复材料能够自动修复混凝土结构中的微小裂缝，延长建筑的使用寿命，减少维修成本。
同时，具有光催化性能的材料可以分解空气中的污染物，改善建筑周围的空气质量。
智能材料与结构专业认识引言智能材料与结构是一门前沿的学科，结合了材料科学和工程学的知识，致力于研究可以感知、响应和适应外界环境变化的材料和结构。
本文将介绍智能材料与结构的基本概念、应用领域以及相关的研究方向。
智能材料的概念和分类智能材料是指具有感知、响应和适应能力的材料，能够根据外界刺激做出相应的变化。
根据材料的响应特性，智能材料可以分为以下几类：1.响应型材料：能够对外界刺激做出机械、热、电、光等方面的响应。
常见的响应型材料包括形状记忆合金、压电材料和磁致伸缩材料等。
2.控制型材料：能够通过外界刺激改变其物理、化学性质从而实现对材料行为的控制。
例如，电致变色材料可以通过电场变色，从透明到不透明。
3.感知型材料：能够感知环境的变化，并将信号转化为可观测的物理量。
典型的感知型材料包括压力敏感材料和湿度敏感材料等。
智能结构的概念和应用领域智能结构是由智能材料构成的具有感知、控制和适应能力的结构。
智能结构可以在受到外界刺激时做出相应的变化，实现结构的自适应和优化。
智能结构在以下领域具有广泛的应用：1.航空航天领域：智能材料与结构可以应用于航空航天器的结构件、舵面控制和振动控制等方面，提高飞行器的性能和安全性。
2.建筑领域：智能材料与结构可以应用于建筑的隔热、噪音控制和自适应结构等方面，提高建筑的舒适性和环境适应性。
3.医疗领域：智能材料与结构可以应用于医疗器械、人工关节和生物传感器等方面，实现医学诊疗的精确度和安全性的提升。
智能材料与结构的研究方向智能材料与结构的研究方向包括但不限于以下几个方面：1.智能材料的设计与合成：研究新型智能材料的合成方法和结构设计，实现材料性能的优化和功能的多样化。
2.智能材料与结构的传感机理研究：探索智能材料与结构的感知机理，深入理解响应机制，为实际应用提供理论基础。
3.智能结构的设计与优化：研究智能结构的优化设计方法和控制策略，提高结构的自适应性和性能。
4.智能材料与结构在特定领域的应用研究：将智能材料与结构应用于具体领域，如航空航天、医疗和建筑等，探索其在实际应用中的效果和潜力。
智能材料与智能结构随着科技的不断进步，科学家们走出了一条发展智能材料与智能结构的新路。
智能材料和智能结构是现代科技的重要组成部分，它们可以通过独特的特性和特定的设计让一些看似不可能完成的工程成为现实。
一、智能材料的新进展智能材料是为特定任务开发而设计的一种高科技材料。
它们通过各种物理、化学、生物等因素的相互作用，实现了各种自动化功能。
这些功能包括变形、可感知、自适应、自修复等。
智能材料可以应用于机器制造、生命科学、移动设备、汽车等许多领域。
近年来，智能材料的技术不断发展。
作为智能材料的代表之一，DNA 水凝胶可以帮助设计出精准的纳米结构。
科技公司 Cytiva 正在开发一种具有记忆功能的 DNA 水凝胶，这种水凝胶可以通过受到的压力和温度的变化来改变其形状。
“神经元传感器”是另一种智能材料。
这种材料可以自主感知和响应外部压力，就像人类的神经元一样。
它可以应用于医疗和机器制造领域。
二、智能结构提高了建筑物的安全性智能结构是一种可以自主感知和响应外部变化的结构体系。
它可以通过集中控制和自我修复来保持它的稳定性，从而提高建筑物的安全性和稳定性。
在地震等自然灾害的情况下，智能结构可以自动迅速地进行反应，从而有效地保障建筑的安全。
智能结构的应用范围非常广泛。
在建筑领域，智能结构可以帮助我们开发更加稳定的建筑物。
在航空业，智能结构可以帮助我们开发更加安全和节能的飞行器。
在天文学领域，智能结构可以帮助我们更好地研究太空环境。
值得一提的是，智能结构还可以用于创造具有令人惊叹的美学价值的建筑。
例如，南澳大利亚芭蕾舞团剧院就是一个非常好的例子。
这个建筑物采用了智能结构技术，使得建筑物的外观可以自主改变，创造出美妙的视觉效果。
三、智能材料和智能结构的联合应用智能材料和智能结构的联合应用可以带来更加令人惊叹的效果。
例如，南澳大利亚芭蕾舞团剧院就是一个非常好的例子。
这个建筑物采用了智能材料和智能结构技术，使得整个建筑物可以自主改变，创造出美妙的视觉效果。
智能材料系统和结构介绍摘要人类总是把自然作为工程的灵感，不论是在设计还是在执行上。
在智能材料系统与结构领域的构思上，其发展也不例外。
Zuk和Clark在《动力学体系》一书中写道：“生命本身是一种运动，从单个细胞到最复杂的组织——人类……正是运动、灵活、变化、适应这些特性将生命体置于比静态物质更高的进化程度上。
事实上，这些生物的生存依赖于它们的运动能力：自我强健，自我医疗，自我繁殖，适应变化和适应环境……”创造一种更高级的材料系统和结构，使它具有感知、激励、控制和智能这些“生命”功能，这种构思鼓舞和激励了在这个新领域努力的开始。
本文包括了关于智能材料系统与结构的一些较早的描述，并且介绍了与智能系统相关的各种概念、定义和分类。
本文对智能材料系统领域中应用的一些驱动和传感材料作了简单的调查，并以此来举例说明已取得的进步和研究中的构想。
引言“智能的”、“灵巧的”、“感知的”、“适应的”和许多其它的术语都用来描述或对材料和结构分类，这些材料和结构拥有它们自己的传感器、驱动器和计算控制能力或硬件。
一个已提出的智能材料的定义是：具有固有的或完整的智能性，能对外加负载或外界环境等外界激励产生自适应的材料。
这种材料的控制或智能是通过材料组成、加工处理、缺陷和微观结构来决定的，或者是适应不同等级激励的控制方式来实现的。
智能结构可能简单的由智能材料系统构筑而成，组成驱动器、传感器和一些更为离散的智能结构。
绝大部分早期的“灵巧材料”主要为嵌入式或分布式的压力和温度传感器。
但是，目前在材料、驱动器、传感器和控制器领域，智能材料系统的复杂性和效用每月都在迅速发展。
虽然智能材料系统和结构的观念可以应用到建筑、堤坝、桥梁、管道、船舶和各种运载工具的设计和落实上，但是目前的研究主要还是面向先进航空器、发射器和大型太空平台等航空航天领域的潜在应用。
为了对相关学科的概念和差异有所理解，这里提出两个明确的定义。
第一个定义是来自于Wada,Fanson和Crawley的一篇文章(1990)，在这篇文章中他们试图建立一个框架来对结构系统分类。
智能材料与结构本科实验引言：智能材料与结构是一门涉及材料科学、力学和电子技术等多学科交叉的新兴学科。
它研究的是能够感知、响应和适应环境变化的智能材料和结构，将传感、控制和反馈等功能集成在材料和结构中，使其具备自适应、自修复、自感知等智能特性。
本文将介绍智能材料与结构本科实验的相关内容。
一、实验目的智能材料与结构本科实验的目的是通过实际操作，使学生了解智能材料的基本特性、制备方法和应用领域，培养学生的实验操作能力和科学研究思维，提高学生的创新意识和解决问题的能力。
二、实验内容1. 智能材料的制备方法：学生将学习并掌握智能材料的制备方法，如溶胶凝胶法、电化学沉积法、溶液旋涂法等。
通过实验操作，学生可以了解每种制备方法的原理、优缺点以及适用范围。
2. 智能材料的性能测试：学生将学习并掌握智能材料的性能测试方法，如电阻测试、应力应变测试、形状记忆测试等。
通过实验操作，学生可以了解智能材料的力学性能、电学性能和热学性能等。
3. 智能材料的应用研究：学生将学习并掌握智能材料的应用研究方法，如智能传感器的制作、智能结构的设计等。
通过实验操作，学生可以了解智能材料在航空航天、医疗健康、智能家居等领域的应用情况。
三、实验步骤1. 实验前准备：学生需要了解实验的目的和要求，熟悉实验操作步骤，并准备好所需的实验材料和仪器设备。
2. 实验操作：学生按照实验指导书的要求，进行实验操作。
在操作过程中，要保持实验环境的洁净和安全，注意操作规范，防止实验材料和仪器设备的损坏或污染。
3. 数据记录与分析：学生需要准确记录实验数据，并对实验结果进行分析和总结。
通过数据分析，可以评估智能材料的性能和应用效果，并提出改进建议。
4. 实验报告：学生需要撰写实验报告，包括实验目的、实验原理、实验步骤、实验数据、数据分析和实验结论等内容。
实验报告要求格式规范整洁，语句通顺，用词准确，表达清晰。
四、实验成果与展示学生可以将实验结果制作成海报、展板或演示文稿等形式，展示在学校或学术会议上。
材料力学中的智能材料与结构研究材料力学是研究材料的性能和行为的学科，而智能材料是近年来快速发展和引起广泛关注的研究领域。
智能材料指的是能够对外界环境作出响应，并根据相应的信号产生特定效应的材料。
本文将讨论材料力学中的智能材料与结构研究。
智能材料的研究旨在利用材料的特殊性质，使其能够实现一些特定的功能，如形状记忆、感应应变、自修复等能力。
这些材料可以应用于多个领域，如航空航天、机械工程、医学等。
一、形状记忆材料形状记忆材料是一种具有记忆能力的智能材料。
它们能够在外界条件改变时恢复到特定的形状或结构。
这种材料的应用非常广泛，比如在航空航天领域中，可以用来制造具有自修复功能的飞机翼，从而提高飞机的安全性和可靠性。
二、感应应变材料感应应变材料是一类能够感知和响应外界应变的智能材料。
它们可以通过改变形状和结构来适应外界的应力变化。
感应应变材料在机械工程领域中具有广泛的应用，比如用于开发智能机械臂、智能传感器等。
三、自修复材料自修复材料是一种能够自动修复损伤的智能材料。
它们具有自愈合能力，可以在遭受外界破坏后自行修复，恢复原有的性能和结构。
这些材料在医学领域中具有重要的应用，比如用于制造人工血管、人工关节等。
四、智能结构智能结构是由智能材料组成的结构系统。
它们能够根据外界的条件和要求，实现自动控制和调整功能。
智能结构在工程结构中有很大的应用潜力，比如用于制造具有自适应减震功能的建筑物、智能桥梁等。
总结：材料力学中的智能材料与结构研究是一个正在快速发展的领域。
通过研究智能材料的特性和行为，我们可以设计制造出具有特殊功能和性能的材料和结构。
这些智能材料和结构对于提高工程结构的安全性、可靠性和可持续发展具有重要意义。
随着科技的不断进步和创新，智能材料与结构的研究将会得到更广泛的应用和发展。
第十一章智能材料与结构智能材料结构(Ｓmａrt/Iｎtelligent Maｔerｉａls and Ｓｔrｕctures)是一门新兴起的多学科交叉的综合科学。
80年代后期,随着材料技术和大规模集成电路的进展,美国军方提出了智能材料与结构的设想和概念，并开展了大规模的研究。
智能材料与智能结构系统是近年来飞速发展的一个领域,这一领域的研究也越来越受到人们的重视。
自1998年美国弗吉尼亚大学召开了关于“智能材料结构和数学问题”专题学术讨论会以来，智能材料系统的研究成为材料科学与工程的热点之一，有人甚至称21世纪是智能材料的世纪，目前美国已有几十家公司经营智能材料结构的产品。
人们之所以如此关注智能材料系统是因为它在建筑、桥梁、水坝、电站、飞行器、空间结构、潜艇等振动、噪声、形状自适应控制、损伤自愈合等方面具有良好的应用前景。
第一节智能材料的概念及分类智能材料结构的诞生有着一定的背景。
８０年代末期，复合材料普遍使用，为解决它的强度和刚度变化等问题，使得驱动元件和传感件较为容易地融合进入材料，组成整体,从而具有多种用途，同时驱动元件和传感件材料的发展以及材料集成技术上的突破，也促进了智能材料结构的出现。
材料科学的发展,使得人们对机械、电子、动作等材料的多方面性能耦合进行研究，微电子技术、总线技术及计算机技术的飞速发展，解决了信息处理和快速控制等方面的难题,这些都为智能材料结构的出现提供了有利条件。
1.１智能材料的概念及其特点智能材料系统和结构的有关名称定义目前尚不统一,但一般智能材料系统都应该具有敏感、处理、执行三个主要部分。
一般来说，智能材料是能够感知环境变化(传感或发现的功能),通过自我判断和自我结构(思考和处理的功能)，实现自我指令和自我执行(执行功能)的新型材料。
该材料具有模仿生物体的自增值性、自修复性、自诊断性、自学习性和环境适应性。
将具有仿生命功能的材料融合于基体材料中，使制成的构件具有人们期望的智能功能，这种结构称为智能材料结构。
它是一个类似于人体的神经、肌肉、大脑和骨骼组成的系统，而基体材料就相当于人体的骨骼。
而智能材料是能够感知环境变化，通过自我判断和结论，实现和执行指令的新型材料。
智能材料的研究就是将信息与控制融入材料本身的物性和功能之中，其研究成果波及了信息、电子、生命科学、宇宙、海洋科学技术等领域。
它的研究开发孕育着新一代的技术革命。
智能化将成为2１世纪高分子材料的重要发展方向之一。
例如光导纤维、形状记忆合金和镓砷化合物半导体控制电路埋入复合材料中，光导纤维是传感元件,能检测出结构中的应变和温度，形状记忆合金能使结构动作，改变性状,控制电路根据传感元件得到的信息驱动元件动作。
因此融合于材料中的传感元件相当于人体的神经系统,具有感官功能,驱动元件相当于人体的肌肉,控制系统相当于人的大脑。
智能材料与普通功能材料的区别如图1１－1所示。
被动结构控制结构智能结构动反应图1１-1 智能材料与普通功能材料的区别1.２智能材料分类智能材料的分类方法很多。
根据材料的来源，智能材料包括金属智能材料无机非金属系、智能材料及高分子系智能材料。
金属系智能材料由于其强度比较大耐热性好且耐腐蚀性能好,常用在航空航天和原子能工业中作为结构材料。
金属材料在使用过程中会产生疲劳龟裂及蠕变变形而损伤,所以期盼金属系智能材料不但可以检测自身的损伤，而且可将其抑制,具有自修复功能,从而确保使用过程中的稳定性。
目前研究开发的金属系智能材料主要有形状记忆合金和形状记忆复合材料两大类。
无机非金属系智能材料的初步智能性是考虑局部可吸收外力以防止材料整体变坏。
目前此类智能材料在电流变流体、压电陶瓷光质变色和电质变色材料等方面发展较快。
高分子系智能材料的范围很广泛。
作为智能材料的刺激响应性高分子凝胶的研究和开发非常活跃,其次还有智能高分子膜材、智能高分子粘合剂、智能型药物释放体系和智能高分子基复合材料等。
根据结构来分，智能材料结构可以分成两种类型，分述如下:(1)嵌入式智能材料在基本材料中嵌入具有传感、动作和控制处理功能的三种原始材料，传感元件采集和检测外界给予的信息，控制处理器指挥驱动元件执行相应的动作。
(２）材料本身具有一定的智能功能某些材料微结构本身具有智能功能,能够随着环境和时间改变自己的性能，例如自滤波玻璃和受辐射时能自衰减的IｎP半导体等。
目前智能材料结构在英语中采用两种写法:一为INＴＥLLIGＥNT MATERＩAＬ STRUC ＴURE；另一为SＮART MＡTEＲIＡL STRＵCTURE。
“INTELLEGＥNＴ”的中文翻译为“智能”，它的定义是具有智慧和智力,有思考和推理的本领；和具有敏捷的体会、解释和正确决定的本领。
“SMART”的中文翻译为“机敏”,他的定义为具有和显示出思维的机灵和感受的敏捷性，即具有联想及计算能力，敏捷快速有效的能动性和有生气的活度。
目前很多文章中也将“SMART”翻译成“智能”。
严格讲，“INＴELLGENT MATＥRIAＬＳTRUCTURE”比“SMART MATERIＡL STRUＣTURE”要复杂,要高级,前者是仿生命功能的材料，具有识别、分辨、判断、动作等额外功能；后者只能敏捷识别和动作,不具有分析判断的能力。
第二节智能材料结构的信息处理方法图11-2智能结构的动作流程图图1１－２是智能结构的动作流程图。
首先识别外界参数，通过分析、判断,然后行动。
其中行动是依靠埋入材料中的驱动元件来实现，它能够自适应的改变结构形状、刚度、位置、应力状态、固有频率、阻尼摩擦阻力等。
对驱动元件的要求是：（1）驱动元件应能和结构基体材料很好结合，具有高的结合强度；（2）驱动元件本身的静强度和疲劳强度要高;（3）激励驱动元件动作的方法要简单和安全,对结构基体材料无影响，激励的能量要小；（4）激励后的变形量要大,并能伴随着产生激励力,而且能够控制;（5）驱动元件在反复激励下,保持性能稳定；（6）驱动元件的频率响应要宽，响应速度快，并能控制。
正在研究和使用的驱动元件有形状记忆合金、压电元件、电流变材料、磁致伸缩材料、磁变流材料、胶体材料等。
当前的驱动元件还不能全部满足上述要求，只能在几个方面具有特点,也就是每种驱动元件都有他们的特色，但也存在问题。
（1）提高驱动元件本身的性能，满足上述六条要求；（2）改善驱动元件的激励方法；（3）研究多种激励元件组合使用的方法，达到取长补短的目的；（4）研究新型的复合驱动元件;（5）研究驱动元件在材料中的布置方案。
传感器、致动器和控制器是智能结构的重要部分。
传感器要求有高度感受结构力学状态的能力，在振动系统中即能把位移、速度或加速度等信号转换成电信号输出，它直接反应实时的振动状态,所以它必须有足够的可靠性、敏感性和较高的反应速度，以便能迅速、准确地得到振动信息;另外,还要求其具有体积小,易于集成的特点。
致动器是执行信息处理单元发出的控制指令，并按照规定的方式对外界或内部状态和特性变化作合理的反应，直接将控制器输出的电信号转变为结构的应变或位移，具有改变智能结构形状、位置及其它机械特性的能力。
控制器位于结构之中,由具有控制功能的硬件电路或电脑芯片与软件组成,是智能结构的神经中枢。
智能结构的设计中首先要明确应用目标,然后分析控制目标的具体要求，确定智能结构中复合材料的控制输入和输出的形式。
最关键的问题是必须运用已知材料的特性、振动理论以及自动控制理论,建立合理的数学模型,构建控制系统,并选择有效的控制策略。
第三节智能材料结构中的驱动元件及形状记忆合金20世纪90 年代以来,研究方向倾向民用，特别是智能土建结构的研究与发展，加速了智能材料与结构的全面发展,这一时期国际上各种学术研讨会也特别多,在美国、日本、法国、德国、意大利等国都召开了学术会议或是专题学术研究会。
3.1智能材料结构中的驱动元件目前研究投入较多的智能材料的驱动元件主要有作为执行器的开关记忆材料（含形状记忆合金、陶瓷、薄膜三个类型）;压电材料（含压电陶瓷、压电聚合物)、电致流变体磁致流变体；作为敏感器的光钎传感器等。
利用这些材料的功能，加上精细的复合设计和制作便得到聚传感、驱动和控制于一体的智能材料。
压电材料在受到应力作用时会产生电荷分布,同样在压电材料上外加电压时,会发生形变，成为逆压电效应,因此压电材料即可做传感材料又可做执行材料。
压电材料分为陶瓷压电材料如石英、钛酸钡等和有机聚合物压电材料如片聚二氟乙烯树脂（PVDF)。
在同样单位应力作用下，有机聚合物压电材料产生的电场强度要比陶瓷压电材料大若干倍。
同时具有较优良的加工性能,制备智能材料不受形状的限制，因此有机聚合物压电材料更适合制备智能材料。
压电陶瓷还可以象制作玻璃纤维一样制作压电陶瓷纤维。
这种压电陶瓷纤维可与聚氨脂复合制成热释电复合材料、电光复合材料以及半导体铁电纤维，压电纤维的主要应用就是制成压电复合材料，集传感与驱动于一体。
３.2形状记忆材料及性能形状记忆合金是智能材料结构中最先应用的一种驱动元件,它集感知和驱动于一体。
该元件在高温下定形后冷却到低温并施加变形,从而形成残余形变。
当材料加热时,材料的残余形变消失，并回复到高温下所固有的形状。
再进行加热或冷却时，形状保持不变,这就是所谓的形状记忆效应（Ｓhapｅ Memｏｒy Effｅcｔ)，就象合金记住了高温状态的形状一样。
具有形状记忆效应的金属通常是两种以上金属的合金，称为形状记忆合金（Sｈape Me ｍｏry Aｌloys， SMＡ.)。
材料在高温下制成特定形状,在低温任意变形，加热时再恢复为高温形状，重新冷却还保持高温时的形状时，我们称之为单程记忆效应。
例如目前国内商品化的NiTi形状记忆合金丝，在低温马氏体组织时,加外力使合金应变<8%后,对材料加热，温度超过马氏体相变点时,形状回复率可达1０0%。
但随着循环次数的增加,形状记忆特性会衰减,存在一个疲劳寿命。
当回复变形在2％以下时，疲劳寿命为1０5次,对于埋入构件基体材料中的形状记忆合金的初始变形很大,但回复量很小，因此它的疲劳寿命可达1０7次。
对材料进行特殊的处理,使材料能够记住高温和低温状态的两种形状,即加热时恢复高温形状,低温时恢复低温形状,我们称之为双程形状记忆效应或可逆形状记忆效应。
例如对NiTi合金经过一定的热处理训练，不仅在马氏体逆相变过程中能完全回复到变形前的状态,而且在马氏体相变过程中也会自发地发生形状变化，回复到马氏体状态的形状,而且反复加热冷却都会出现上述现象。
此外还有一些合金称为全方位形状记忆合金，在冷却到更低的温度,可以出现与高温时取向相反，形状相同的现象。
NiＴi合金的全方位记忆薄片的模式图见图１1-3。
将试样在钢管中成型后,在4０0~５00C进行时效处理,去除约束后的形状如图１1－3(a)所示;当试件冷却到Mｆ’时,形状接近直线状态，如图11-3(b)；冷却到Ｍf以下时,试件的形状发生180C翻转，如11-3(ｃ)所示；加热到Aｆ和 A f’以上时,试件就反向变化成图11-３（d)和(e）的形状。
