智能復(fù)合材料分類

復(fù)合材料智能結(jié)構(gòu)分為被動控制式和主動控制式兩類。

被動控制式智能結(jié)構(gòu)低級而簡單（亦稱為機(jī)敏結(jié)構(gòu)），只傳輸傳感器感受到的信息，如應(yīng)變、位移、溫度、壓力和加速度等，結(jié)構(gòu)與電子設(shè)備相互獨(dú)立。

主動控制式是一種智能化結(jié)構(gòu)，具有先進(jìn)而復(fù)雜的功能，能主動檢測結(jié)構(gòu)的靜力、動力等特性，比較檢測結(jié)果，進(jìn)行篩選并確定適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，控制不希望出現(xiàn)的動態(tài)特性 。

因?yàn)樵O(shè)計智能材料的兩個指導(dǎo)思想是材料的多功能復(fù)合和材料的仿生設(shè)計，所以智能材料系統(tǒng)具有或部分具有如下的智能功能和生命特征：

（1）傳感功能（Sensor）

能夠感知外界或自身所處的環(huán)境條件，如負(fù)載、應(yīng)力、應(yīng)變、振動、熱、光、電、磁、化學(xué)、核輻射等的強(qiáng)度及其變化。

（2）反饋功能（Feedback）

可通過傳感網(wǎng)絡(luò)，對系統(tǒng)輸入與輸出信息進(jìn)行對比，并將其結(jié)果提供給控制系統(tǒng)。

（3）信息識別與積累功能

能夠識別傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各類信息并將其積累起來。

（4）響應(yīng)功能

能夠根據(jù)外界環(huán)境和內(nèi)部條件變化，適時動態(tài)地作出相應(yīng)的反應(yīng)，并采取必要行動。

（5）自診斷能力（Self-diagnosis）

能通過分析比較系統(tǒng)的狀況與過去的情況，對諸如系統(tǒng)故障與判斷失誤等問題進(jìn)行自診斷并予以校正。

（6）自修復(fù)能力（Self-recovery）

能通過自繁殖、自生長、原位復(fù)合等再生機(jī)制，來修補(bǔ)某些局部損傷或破壞。

（7）自調(diào)節(jié)能力（Self-adjusting）

對不斷變化的外部環(huán)境和條件，能及時地自動調(diào)整自身結(jié)構(gòu)和功能，并相應(yīng)地改變自己的狀態(tài)和行為，從而使材料系統(tǒng)始終以一種優(yōu)化方式對外界變化作出恰如其分的響應(yīng)。

智能材料的構(gòu)想來源于仿生（仿生就是模仿大自然中生物的一些獨(dú)特功能制造人類使用的工具，如模仿蜻蜓制造飛機(jī)等等），它的目標(biāo)就是想研制出一種材料，使它成為具有類似于生物的各種功能的“活”的材料。因此智能材料必須具備感知、驅(qū)動和控制這三個基本要素。但是現(xiàn)有的材料一般比較單一，難以滿足智能材料的要求，所以智能材料一般由兩種或兩種以上的材料復(fù)合構(gòu)成一個智能材料系統(tǒng)。這就使得智能材料的設(shè)計、制造、加工和性能結(jié)構(gòu)特征均涉及到了材料學(xué)的最前沿領(lǐng)域，使智能材料代表了材料科學(xué)的最活躍方面和最先進(jìn)的發(fā)展方向 。

（1）基體材料

基體材料主要起承受載荷的作用，一般選用輕質(zhì)材料，其中高分子材料因重量輕、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)而受到人們的重視。也可選用金屬材料，尤其以輕質(zhì)有色合金為主。

（2）傳感器部分(敏感材料)

傳感器部分由具有感知能力的敏感材料構(gòu)成。它的主要作用是感知環(huán)境的變化 ,如溫度、壓力、應(yīng)力、電磁場等，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的信號。這種材料有形狀記憶合金、壓電材料、光纖、磁致伸縮材料、PH致伸縮材料、電致變色材料、電致粘流體、磁致粘流體、液晶材料、功能梯度材料和功能塑料合金。

（3）驅(qū)動器部分

構(gòu)成驅(qū)動器部分的驅(qū)動材料如形狀記憶合金、磁致伸縮材料、PH致伸縮材料、電致伸縮材料等。在一定的條件下可產(chǎn)生較大的應(yīng)變和應(yīng)力，從而起到響應(yīng)和控制的作用?？梢愿鶕?jù)溫度、電（磁）場等的變化而改變其形狀、尺寸、位置、剛性、自然頻率、阻尼以及其它一些力學(xué)特征，因而可具有對環(huán)境的自適應(yīng)功能。

（4）信息處理器部分

信息處理器部分是智能復(fù)合材料的最核心部分。隨著高度集成的硅晶技術(shù)的發(fā)展，信息處理器也變得越來越小，這就為將信息處理器復(fù)合進(jìn)智能復(fù)合材料提供了良好的條件。

智能復(fù)合材料為機(jī)敏復(fù)合材料的高級形式，但機(jī)敏復(fù)合材料只能作出簡單線性的響應(yīng)。而復(fù)合材料能根據(jù)環(huán)境條件的變化程度能非線性地使材料適應(yīng)以達(dá)到最佳的效果?？梢哉f在機(jī)敏復(fù)合材料的自診適應(yīng)和自愈合的基礎(chǔ)上增加了自決策的功能，體現(xiàn)所具有的高級形式。智能復(fù)合材料和系統(tǒng)也可簡稱之為智能材料和系統(tǒng)(intelligent materials and system)尚無統(tǒng)一的名稱，同時它的概念也在不斷的擴(kuò)展 。

1 智能復(fù)合材料及其進(jìn)展

1．1 概述

1．1．1 智能材料

1．1．2 智能復(fù)合材料

1．1．3 智能結(jié)構(gòu)及其系統(tǒng)

1．2 水泥基智能復(fù)合材料的自感知研究進(jìn)展

1．2．1 壓敏特性

1．2．2 溫敏特性

1．2．3 熱電特性

1．2．4 力電效應(yīng)

1．3 水泥基智能復(fù)合材料的自調(diào)節(jié)研究進(jìn)展

1．3．1 電熱效應(yīng)

1．3．2 電力特性

1．3．3 自減振特性

1．4 水泥基智能復(fù)合材料的自愈合研究進(jìn)展

1．4．1 結(jié)晶沉淀自愈合

1．4．2 滲透結(jié)晶自愈合

1．4．3 聚合物固化仿生自愈合

1．4．4 電解沉積自愈合

1．4．s自愈合存在的問題

1．5 形狀記憶合金智能復(fù)合材料

1．5．1 在航天航空器結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用實(shí)例

1．5．2 在土木工程中的應(yīng)用實(shí)例

1．6 光纖智能復(fù)合材料

1．6．1 光纖光柵

1．6．2 光纖光柵傳感器在航空航天業(yè)中的應(yīng)用舉例

1．6．3 光纖光柵傳感器在船舶航運(yùn)業(yè)中的應(yīng)用舉例

1．6．4 光纖光柵傳感器在土木工程中的應(yīng)用舉例

1．7 壓電智能復(fù)合材料

1．7．1 阻抗法及其應(yīng)用

1．7．2 波動法及其應(yīng)用

參考文獻(xiàn)

2 水泥基智能復(fù)合材料的壓敏性及其智能結(jié)構(gòu)

2．1 概述

2．2 水泥基智能復(fù)合材料壓敏性的定義和基本現(xiàn)象

2．3 水泥基智能復(fù)合材料組分、結(jié)構(gòu)與壓敏特性

2．3．1 碳纖維的摻量和長度對壓敏性的影響

2．3．2 齡期對壓敏性的影響

2．3．3 碳纖維表面處理對壓敏性的影響

2．3．4 外加劑對壓敏性的影響

2．3．5 成型工藝對壓敏性的影響

2．4 水泥基智能復(fù)合材料壓敏性的不同測試方法．

2．4．1 直流電阻測試法

2．4．2 交流阻抗測試法

2．4．3 電容測試法

2．5 水泥基智能復(fù)合材料的動態(tài)壓敏特性．

2．5．1 對三角波交變載荷的響應(yīng)

2．5．2 對沖擊載荷的響應(yīng)

2．6 水泥基智能復(fù)合材料壓敏性在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

2．6．1 混凝土簡支梁彎曲變形的自診斷

2．6．2 混凝土立柱偏心的自診斷

2．6．3 有溫度梯度時梁變形檢測的溫度補(bǔ)償

2．6．4 水泥基智能材料周邊有約束的壓敏性

2．6．5 利用壓敏性監(jiān)測混凝土中的鋼筋銹蝕

2．6．6 結(jié)構(gòu)平均應(yīng)變和應(yīng)力檢測

2．7 水泥基復(fù)合材料承載時的損傷．

2．7．1 水泥基材料及結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測

2．7．2 水泥基材料局部損傷的檢測

2．7．3 混凝土構(gòu)件殘余壽命預(yù)測

2．7．4 混凝土的凍融損傷分析

2．7．5 新舊混凝土粘結(jié)質(zhì)量的評估

2．8 壓敏性研究目前存在的問題

參考文獻(xiàn)

3 水泥基智能復(fù)合材料的溫敏性、力電效應(yīng)及其智能結(jié)構(gòu)

3．1 概述

3．2 水泥基智能復(fù)合材料的溫敏性

3．2．1 水泥基智能復(fù)合材料的溫敏性及其機(jī)理

3．2．2 碳纖維摻量對水泥基智能復(fù)合材料溫敏性的影響

3．3 水泥基智能復(fù)合材料溫敏性在混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用

3．3．1 嵌入式溫敏混凝土結(jié)構(gòu)

3．3．2 碳纖維水泥層/普通混凝土復(fù)合溫敏結(jié)構(gòu)

3．4 水泥基智能復(fù)合材料的塞貝克效應(yīng)

3．4．1 水泥基智能復(fù)合材料的塞貝克效應(yīng)與機(jī)理

3．4．2 水泥基PN結(jié)的伏安特性及其塞貝克效應(yīng)

3．4．3 塞貝克效應(yīng)影響因素的研究

3．5 水泥基智能復(fù)合材料塞貝克效應(yīng)在混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用

3．5．1 埋入水泥基智能復(fù)合材料的溫敏混凝土柱

3．5．2 碳纖維水泥層/普通混凝土復(fù)合溫敏結(jié)構(gòu)

3．5．3 連續(xù)碳纖維溫敏混凝土桿

3．5．4 溫度自診斷自適應(yīng)智能混凝土結(jié)構(gòu)及模型

3．6 水泥基智能復(fù)合材料的力電效應(yīng)

3．6．1 水泥基智能復(fù)合材料的力電效應(yīng)

3．6．2 孔隙水與水泥基智能復(fù)合材料力電效應(yīng)的關(guān)系

3．6．3 水泥基智能復(fù)合材料力電效應(yīng)的機(jī)理

3．6．4 水泥基智能復(fù)合材料的電磁發(fā)射現(xiàn)象

3．7 水泥基智能復(fù)合材料的電力效應(yīng)

3．7．1 實(shí)驗(yàn)方法

3．7．2 水泥基智能復(fù)合材料的電力效應(yīng)

3．7．3 電力效應(yīng)的機(jī)理

3．8 基于力電效應(yīng)應(yīng)用的機(jī)敏混凝土梁

3．8．1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c測試系統(tǒng)

3．8．2 試驗(yàn)結(jié)果

參考文獻(xiàn)

4 水泥基智能結(jié)構(gòu)的自調(diào)節(jié)

4．1 概述

4．1．1 變形自調(diào)節(jié)

4．1．2 溫度自調(diào)節(jié)

4．1．3 高阻尼抗振調(diào)節(jié)

4．2 變形自調(diào)節(jié)的基本原理及實(shí)驗(yàn)

4．2．1 碳纖維氈混凝土疊層梁的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图安牧?

4．2．2 疊層梁電熱變形實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)過程

4．2．3 疊層梁電熱變形實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4．3 變形自調(diào)節(jié)理論分析

4．3．1 疊層梁的熱傳導(dǎo)數(shù)學(xué)模型

4．3．2 疊層梁電熱驅(qū)動的動態(tài)響應(yīng)

4．3．3 疊層梁的電熱變形數(shù)值模擬

4．3．4 疊層梁電熱變形的實(shí)驗(yàn)與理論數(shù)值的比較

4．4 變形自調(diào)節(jié)中的溫度、變形自檢測

4．4．1 溫度檢測

4．4．2 溫差檢測

4．4．3 變形檢測

4．5 變形自調(diào)節(jié)的控制理論與方法調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)

4．5．1 被控對象的數(shù)學(xué)模型

4．5．2 變形自調(diào)節(jié)的控制方法

4．5．3 反饋信號的預(yù)處理

4．5．4 碳纖維氈水泥砂漿疊層梁變形調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)

4．6 溫度自調(diào)節(jié)原理實(shí)驗(yàn)

……

5 水泥基智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷的成像診斷方法

參考文獻(xiàn)2100433B

《智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)體系》在簡要介紹智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述了作者及其課題組在水泥基智能復(fù)合材料方面的研究成果。其內(nèi)容包括:水泥基智能復(fù)合材料的組成及壓敏性，溫敏性，熱電效應(yīng)，力電效應(yīng)，電熱效應(yīng)，損傷圖像檢測等的幾個機(jī)理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，水泥基智能復(fù)合系統(tǒng)的自診斷與自調(diào)節(jié)的理論分析，數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究模型，在道路融雪化冰，鋼筋混凝土銹蝕監(jiān)測，混凝土結(jié)構(gòu)變型檢測，結(jié)構(gòu)溫度變形自適應(yīng)調(diào)節(jié)以及混凝土結(jié)構(gòu)可視化健康檢測的階段性研究成果，并指出了水泥基智能復(fù)合材料在工程應(yīng)用中存在的一些問題。

PVDF的主要缺點(diǎn)是受使用溫度的限制，一般不能超過100℃，而壓電陶瓷的使用溫度可達(dá)20℃，由于壓電陶瓷與聚合物在力學(xué)性能和介電性能方面存在很大差異，故二者復(fù)合可以優(yōu)勢互補(bǔ)，克服壓電陶瓷的脆性和壓電聚合物受溫度限制的缺點(diǎn)。壓電復(fù)合材料的出現(xiàn)、應(yīng)用和發(fā)展始于20世紀(jì)80年代初期，將壓電聚合物和壓電陶瓷按一定的組分比例(如體積比或質(zhì)量比)、空間幾何分布及連通方式復(fù)合在一起，使之兼具壓電陶瓷和壓電聚合物的優(yōu)點(diǎn)，并且能夠成倍地提高材料的壓電性能。例如壓電陶瓷的壓電應(yīng)變系數(shù)較高，但是它的壓電電壓系數(shù)卻較低，這限制了它在超聲測量方面的應(yīng)用，壓電復(fù)合材料很好地克服了這個缺點(diǎn)。由于壓電性具有張量性質(zhì)，故可以根據(jù)條件計算出復(fù)合材料性能的優(yōu)值，再通過設(shè)計及復(fù)合工藝提高這些優(yōu)值的張量系數(shù)，而減小另一些張量系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合后的性能優(yōu)勢。