智能材料结构系统在工程设备中的应用

孟代江

（卫辉市第一中学，河南 卫辉 4 5 3 1 0 0）

智能材料结构系统在工程设备中的应用

孟代江

（卫辉市第一中学，河南 卫辉 4 5 3 1 0 0）

本文阐述智能材料所具有的敏感性、传输性、智能性、自适应性、相容性等特性，结合智能材料结构系统在工程设备中的实际应用，分别从光导纤维、功能凝胶、形状记忆合金、压电材料、电/磁流变体等方面进行了分析。

智能材料；结构系统；工程设备；特性；应用

智能材料的应用让工程设备的结构和性能发生重大变化，极大的扩大了设备的应用领域，让设备的应用效能得到提升。智能材料结构系统并不是单一的，其是一个组合系统，由传感系统、信息处理胸膛、控制系统、驱动系统组成，将很多具有特殊功能的材料组合在一起，将这些材料应用到结构构件之中，凭借特殊材料的性能让设备具有“智能性”，达到自我诊断、自我调节的作用。智能材料结构系统在工程设备中的应用已经日渐成为设备发展的重要趋势，是设备优化的重要途径。

1 智能材料结构体系在工程设备应用中的重要性

智能材料结构体系在工程设备中的应用具有划时代的作用和意义，是其他措施与设备结合所无法比拟的。首先智能材料结构体系的应用让工程设备具有了“智能性”，很多材料所具有的特性都通过结构体系融入到设备的应用之中，让设备在应用过程中具有了各种智能材料的“智能”，从而让设备也更加“聪明”。其次，智能材料结构体系的应用极大的节省了设备设计制造过程中的成本，提升了设备企业的利润空间。智能材料相比较传统材料在应用中更加具有优势，不仅材料成本本身价格低廉，而且其使用寿命更长。第三，智能材料结构体系的应用让设备具有了“活性”，能够建设工程建设中因为设备问题所造成的各种事故，有效提升了工程建设的质量和效率。

2 智能材料所具有的特性

2.1 敏感特性

在复合材料融入智能材料时，需要考虑到融入材料的环境敏感性，光导纤维传感器等材料就可以对环境多种参数产生敏感反应，光导纤维传感器可以与多种复合材料相融合，且伴随着光纤传感技术进步，光导纤维已经成为制作传感器的重要原料，而且可以准确的应用于声、光电、热、力等各类参数的检测当中，快速了解到各类参数的分布情况。

2.2 传输特性

智能材料结构除了能够对环境参数做出反馈之外，还承担着信息传递的任务，这使得智能材料能够像人类神经一样更加智能化的接收和传递信息，另外，智能材料的设计越来越精密，小小的材料却承载着巨大的信息总量。光导纤维传递信息是当前最为常用的一种智能材料信息传递材料。

2.3 智能特性

智能材料的智能性不仅体现在对环境多种参数的敏感性、传输性，最重要的是借助相关科技，材料还能够对这些参数的分布、性质、变化等做出动态的分析、判断和反馈，而且能够像人一样进行“学习”，并根据环境参数变化去主动适应环境。相关人员利用智能材料展开学习和模拟，就能够有效实现材料结构的仿生智能。随着计算机科技的创新，智能材料智能化程度也不断提升，当前也在积极探索如何利用计算机来构建信息网络系统，比如应用电脑芯片。

2.4 自适应特性

智能材料中往往会包含一些微型驱动部件，并在超小的芯片控制下来完成相应的动作，这样一来，智能材料就能够快速适应环节的变化，比如感知环境中出现的应力，震感或者温湿度等，还可以通过自检等来对系统等问题进行自我修复。比如记忆合金或者伸缩性的材料，都具有极高的自适应性。

2.5 相容性

智能材料相容性主要体现在相容材料的强度、材料表面、材料尺寸和材料场分布等方面。比如，如果埋入材料与原材料强度相距过大，就会影响原材料的强度，甚至降低原材料的效能发挥；再如，埋入的材料往往需要经过处理来提高与原材料相容性，常用的如光导纤维碳化处理；埋入的材料体积应当要比原材料小很多，这样才不至于影响原材料固有的特性；为了避免材料之间产生应力或者振动作用，埋置的部件所具有的场分布性应当以不影响原材料为好。

3 智能材料结构系统在工程设备中的应用

3.1 光导纤维

光纤是宽带中最重要的材料，其一般内层介质的折射率要高于外层的，通过反射来实现内外层折射，从而实现光信息的传输，而且能量损耗小，传播距离远。所以，光纤也被用于各类光信号变化的数据监测，当前光纤机敏混凝土就是利用了光纤的信号传导性而设计的，从而通过信号变化的分析，能够及时有效的发现混凝土中的问题，比如变形、裂缝、温度变化、应力过高等，智能化的对混凝土结构进行全程监控和问题诊断。在实际应用中，光纤机敏混凝土已经较为成熟的应用到混凝土施工过程中，能够很好地对混凝土温度数据采集，并对其出现的裂缝进行诊断，但是由于光纤敏感性过高，测量的规模较窄，因此耐久性较差，存在诸多的局限。

3.2 功能凝胶

功能凝胶即常说的愈合材料，该种材料能够根据环境中的压力或者温湿度变化而自我调整，其材料具有较高的黏合性。比如将功能凝胶埋入一些脆性管道内部，一旦管道某些位置受到外部作用而出现断裂，其中的凝胶就可以自动填充到这些裂缝部位，起到拼合裂痕的效果，最终实现裂缝飞自我“愈合”，因此被称为自愈合机敏混凝土。并且，通过实验也可以得知，管道内凝胶压力对于裂缝的愈合具有非常重要的作用和影响，保证管道内的压力稳定，对于促进裂缝愈合非常有帮助。

3.3 形状记忆合金

形状记忆合金主要材料就是具有形状记忆性的金属，记忆合金在高温下定型，当它被置于常温环境中时即使产生变形，也会在去除作用后而恢复原状，其弹性较强，如果将记忆合金放置到工程施工所用的混凝土中，则就可以形成形状记忆合金机敏混凝土，这样一来就可以在混凝土出现裂缝后自我进行形状调整和自我监测。另外，利用形状记忆合金的超弹性，则可以将形状记忆合金做成结构耗能阻器，以更大限度的提升耗能器的抗疲劳性。此外，通过对记忆合金的使用，可以对结构进行驱动，可以通过加热对结构的振动频率进行改变，从而优化设备的各种性能。

3.4 压电材料

压电材料主要有正压电和逆压电两种，将压电材料制作成为传感部件，就能够对混凝土等结构的变形及应力进行检测，再借助一些电压驱动原件来对结构出现的变形进行调整。从当前压电材料的应用情况来看，大多被用于对结构振动的控制，也用作传感器记驱动部件的原材料。在对结构振动控制时，需要将压电材料埋入结构的高应变位置，然后借助压电传感器等的振动监测，手机相关参数数据，然后利用公式等计算出压电驱动器的传入值，从而对结构振动进行调控。虽然理论上该方式可行，也有过相关的成功案例，但是受限于压电调料的极限应变量的局限性，因此很难被成熟应用到土木工程结构振动的调控工作中，需要进一步的研究和实践。

3.5 电/磁流变体

电/磁流变体具有一定的可控性，主要是利用相应的磁性和电解质悬浮液等，借助磁场感应，来实现电磁的流体的纤维态，使液态的悬浮液从流体编程具备应力屈服性的粘塑性体，即实现液态的固化，当前电/磁流变体最普遍的应用就是在可调节的阻尼器及半主动控制器中，有效提升了控制器的反应速度，大大降低了其能耗性，但是在对土木工程结构振动的控制方面还难以有效应用。但是，我们也必须看到电流变体不能用作主动控制的驱动器，因为它的出力十分有限，无法达到土木工程结构振动的主动控制力要求。其应用的效能还需要进一步予以改善，在长期放置稳定性、温度适应性等方面还需要进行深入研究和探索。

4 结语

智能材料无论从其物理参数还是从其分部情况来看，都是绝佳的设备应用基础物料，将其应用到工程设备中可以说是将其价值发挥到极致，能够促使设备得到进一步的提升和优化。但同时也必须认识到，智能材料与工程设备的结合还有很大的提升空间，这就需要相关人员对两者的结合应用进行积极地研究，让智能材料更好地与设备融合在一起，为设备的智能化提供基础，为人工智能理论的应用提供支撑。

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