167;5.智能材料与器件及其智能结构系统
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智能材料的合成和器件设计随着现代科技的不断发展,智能材料得到了越来越多的应用和关注。
智能材料是指具有感知、适应和响应能力的材料,其主要特点是能够根据外界刺激实现形态、功能或者结构的变化。
智能材料的合成和器件设计一直是研究的热点之一,本文将讨论智能材料的合成方法、器件设计和应用前景。
一、智能材料的合成方法智能材料的合成方法多种多样,根据制备的材料不同,可以分为主要有高分子材料、金属材料和无机材料三大类。
1.高分子材料的合成方法高分子智能材料是指由高分子构成的材料,其特点是构成简单、制备容易,应用范围广泛。
高分子材料的合成主要有以下几种方法:(1)原位聚合法原位聚合法是指通过聚合反应将单体分子聚合成高分子链,从而形成智能材料的方法。
这种方法的优点是制备简单,操作方便,但是它的缺点是合成材料的分子量难以控制。
(2)共聚法共聚法是一种高分子材料的合成方法,它利用单体间的不同反应性,在不同的自由基聚合体系中聚合。
这种方法的优点是合成材料的结构复杂,分子量可控,制备具有一定的灵活性。
(3)交联法交联法是一种将高分子链组成三维网状结构的方法。
它可以通过化学或物理方法将线性高分子链交联形成桥连结构的方法,从而形成智能材料。
这种方法的优点是可以制备具有较高稳定性的材料,但由于制备方法比较复杂,需要控制反应条件,因此需要一定的技术含量。
2.金属材料的合成方法金属智能材料是由金属或金属合金制成的材料,其特点是具有较高的强度和刚性,同时也具有良好的变形和形状记忆性能。
金属材料的合成方法主要有如下几种:(1)化学蒸气沉积法化学蒸气沉积法是将金属化合物裂解分解为金属的方法。
这种方法的优点是合成的材料纯度高、晶粒尺寸小,并且制备的材料具有较好的力学性能。
(2)溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是指利用溶胶和凝胶相转化的特性,将金属离子在水-有机相中的溶胶状态下先制备出金属含量较高的溶胶,然后通过加入适当量的凝胶剂促使溶胶变成固体凝胶,最终高温钙化形成金属材料。
智能化背景下智能材料结构系统应用研究福山热力集团有限公司 迟永贤由于各类的科学技术手段层出不穷,推动社会高速发展,在对土木工程进行建设的过程中越来越多的将智能化的材料与技术引入其中,从而显著的提升工程施工的效率与质量。
在开展实际工作的过程中,科学技术人员在偶然的一次实验中发现碳纤维和光电导电的纤维可以进行反应,制造出全新的智能材料,该项材料具有较强的感知性与抗断性。
深入的研究之后发现,智能材料具有普通材料没有的特征与功能。
智能材料会按照内部状况与环境状况进行变化,做出高效、精准与恰当的反应,进行自动的调节、分析与修复等功能,已经被较为广泛的运用在土木工程的建设工作中。
一、智能材料类别与特征(一)智能材料类别对智能材料进行分类的时候,需要依照应用与研究情况进行严格的细分,具有以下两种类别[1]:1.传感材料传感的材料主要是运用光纤维持性的压电材料得以实现。
主要对电、热、声以及光进行分析,分析其中的化学变化。
2.驱动材料该材料的关键组成成分由两个层面组成,一个层面是:压电材料,另一个层面是:形状记忆类型的合金。
二者关键的作用是对建筑工程与土木工程内部结构的变化造成影响。
与此同时,不同类别的材料的会随着环境的影响不断的变化,产生的感应效果是不同的。
智能性的材料将现代化的信息技术引入其中,将结构的功能进行智能化的升级。
智能材料结构最为核心的内容就是运用智能化的材料,智能材料的用途与功能有所不同,从而为土木工程提供了质量与应用的基础性保障[2]。
(二)智能材料特征1.传感和反馈智能材料可以较好地对外部与自身所在的环境进行感知,将相关的输入与输出的信息存储在对比的系统中,而后将数据信息对比的结果传递到控制系统之中。
2.信息识别积累与处理对信息量进行累计作为智能化材料,可以识别传感器设备网络中获得到的各类数据信息,对数据信息进行累计,应答作为可以按照外部环境与内部的条件进行具体的变化与反应的行为。
二、智能材料结构系统在土木工程中的应用智能材料结构系统在土木工程中的应用关键是在工程建设中的监控与实时的评估环节中,将智能化的材料广泛的运用到土木工程建设中,能够有效的规避安全事故的发生,规避由于施工问题导致要重新的施工的状况出现,从而保障施工的成本。
智能材料与结构专业学什么智能材料与结构专业是一门涵盖了材料科学、力学、电子学等多个学科领域的综合学科。
在现代科技的快速发展中,智能材料与结构专业正日益受到重视。
本文将介绍智能材料与结构专业学习的主要内容和未来发展方向。
1. 引言智能材料与结构专业旨在研究和开发具有智能特性和功能的新型材料和结构。
智能材料是一类能够对外界刺激作出相应改变的材料,比如形状记忆合金、压电材料等。
这些智能材料具有自愈合、自修复、自适应等特性,可以应用于各个领域,如航空航天、自动化、医疗等。
2. 主要学习内容智能材料与结构专业学习的主要内容包括:2.1 材料科学基础学生需要掌握材料科学的基本知识,包括材料性能、组织结构、力学性能等方面的理论和实验技术。
此外,学生还需要了解各类材料的制备和加工工艺,以及材料的应用领域和市场需求。
2.2 智能材料的原理与应用学生需要学习智能材料的原理和特性,包括形状记忆材料、压电材料、光致变色材料等。
他们还应了解智能材料在传感器、执行器、能量转换等方面的应用,并能够设计和制造具有特定功能的智能材料。
2.3 结构力学和分析在学习智能材料的同时,学生还需要学习结构力学和分析的基础知识。
他们需要了解结构力学的原理和计算方法,能够对智能结构进行性能分析和设计。
2.4 智能材料与结构的仿真与优化学生需要学习使用计算机软件进行智能材料与结构的仿真和优化。
他们将学习使用有限元分析、计算流体动力学等数值方法,通过计算机模拟研究智能材料和结构的性能、响应和优化。
3. 未来发展方向智能材料与结构专业的未来发展方向主要有以下几个方面:3.1 新材料的研发与应用随着科技的进步,新型智能材料的研发和应用将成为智能材料与结构专业的重要方向。
例如,研究开发更环保、更高效的智能材料,创造出更多适用于不同领域的智能结构。
3.2 智能化技术在工程实践中的应用智能材料与结构专业将会越来越多地应用于工程实践中。
例如,在航空航天领域,智能材料与结构能够提高飞机的性能和安全性;在建筑领域,智能材料与结构能够提高建筑物的节能性和抗震性。
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。
我对智能材料与结构的理解经过八周的学习与了解,我对智能材料与结构这个概念认识了不少。
身为材料学子,更应该多积累有关材料方面的知识。
材料是人类一切生产和生活水平提高的物质基础,是人类进步的里程碑。
随着科学技术的发展,特别是20世纪80年代以来,现代航空、航天、电子、机械等领域技术的飞速发展,人们对所使用的材料性能提出了越来越高的要求,传统的结构材料或功能材料已不能满足要求,材料科学由单一的、仅具有承载能力的结构材料或功能材料向多功能化、智能化的结构材料发展。
而所谓智能材料,并不只是一家之言,可谓是百家争鸣。
大体说来,智能材料就是指具有感知环境(包括内环境和外环境)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。
且其需具备以下内涵:(1)具有感知功能,能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激强度,如电,光,热,应力,应变,化学,核辐射等;(2)具有驱动功能,能够响应外界变化;(3)能够按照设定的方式选择和控制响应;(4)反应比较灵敏,及时和恰当;(5)当外部刺激消除后,能够迅速恢复到原始状态。
说到智能材料的构成,可以大体概括为四部分。
(1)基体材料基体材料担负着承载的作用,一般宜选用轻质材料。
一般基体材料首选高分子材料,因为其重量轻、耐腐蚀,尤其具有粘弹性的非线性特征。
其次也可选用金属材料,以轻质有色合金为主。
(2)敏感材料敏感材料担负着传感的任务,其主要作用是感知环境变化(包括压力、应力、温度、电磁场、PH值等)。
常用敏感材料如形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色材料、电流变体、磁流变体和液晶材料等。
(3)驱动材料因为在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和应力,所以它担负着响应和控制的任务。
常用有效驱动材料如形状记忆材料、压电材料、电流变体和磁致伸缩材料等。
可以看出,这些材料既是驱动材料又是敏感材料,显然起到了身兼二职的作用,这也是智能材料设计时可采用的一种思路。
智能材料与结构的研究作者:张悦贾隆基来源:《西部论丛》2020年第09期摘要:未来社会发展的趋势是智能化,智能化的首要问题是大力发展智能材料,智能材料的研究是材料科学研究的重要方向。
智能材料的本质特征是材料具有仿生功能,即材料能根据感受到的信息而自动判断、控制和调整以适应外界条件变化 .诱人的智能时代正向我们走来,为了迎接智能时代和促进社会生活智能化进程,本文介绍了智能材料与系统(结构)的基本概念,探讨了智能材料光明的应用前景和发展趋势。
关键词:智能材料;建筑;发展;趨势1 智能材料与结构的特性智能材料与结构具有敏感特性、传输特性、智能特性和自适应特性这四种最主要的特性以及材料相容性等。
在基础构件中埋入具有传感功能的材料或器件,可使无生命的复合材料具备敏感特性;在基础材料中建立类似于人的神经系统的信息传输体系,可使结构系统具备信息传输特性。
智能特性是智能材料与结构的核心,也是智能材料与普通功能材料的主要区别。
要在材料与结构系统中实现智能特性,可以在材料中埋入超小型电脑芯片,也可以埋入与普通计算机相连的人工神经网络,从而使系统具备高度的并行性、容差性以及自学习、自组织等功能,并且在“训练”后能模仿生物体,表现出智慧。
智能材料与结构的自适应特性可以通过在材料系统中置入各种微型驱动系统来实现。
微型驱动系统由超小型芯片控制并可作出各种动作,使材料系统能自动适应环境中的应力、振动、温度等变化或自行修复构件的损伤。
目前常用的微型驱动系统由形状记忆合金、磁致伸缩材料、电流变体等构成。
一般说来,单一材料很难同时具备上述各种特性,通常要将多种材料复合或组装,构成智能材料系统或智能结构体系。
早期的智能材料往往是各种特性集于一身,因此种类很少,形状记忆材料、光致变色玻璃是这类材料的代表。
70年代末光纤传感技术的出现和微电子技术的高速发展,给智能材料与结构的研究注入了新的活力,带来了观念上的转变,科技工件者开始对智能材料的四大特性分别进行处理,按需要分别进行设计,在此基础上“装配”性能优异的智能材料与结构系统。
智能材料结构综述摘要本文综述了智能材料结构及系统的相关问题,阐述了智能材料的基本概念、分类方法和关键技术;描述了智能材料的实际应用现状和未来发展。
智能材料的研究内容十分丰富,涉及许多前沿学科和高新技术,应用领域十分广阔。
智能材料结构系统的研究应用必将把人类社会文明推向一个新的高度。
关键词:智能材料结构;关键技术;实际应用;未来发展AbstractIn this paper, the related issues dealt with smart/intelligent materials and its systems are reviewed. The basic conception, classification and key technology of the materials is explained.The present situation and the future development of the intelligent materials is described. The research content of the materials is abundant. The materials deal with many forward subject and high techniques and Can be used in various aspects. The research of smart/intelligent material systems will certainly carry human beings’ civilization to a new summit.Key Wards: smart/intelligent materials; key technology; present situation; future development1引言材料是人类一切生产和生活水平提高的物质基础,是人类进步的里程碑。