智能材料十篇

智能材料篇1

Intelligent Nanomaterials

2012，837p

Hardcover

ISBN9781848213678

Ashutosh Tiwari等著

新材料作为工业发展的根本推动力之一，为新产品问世，进而增加社会财富奠定了基础。最近10年，基于纳米结构的特殊行为，具有独特性能的材料大量涌现。

本书旨在对智能纳米材料领域的最新研究进展进行介绍，包括：分子设备材料、仿生材料、混合型功能聚合物复合材料、信息和能量转化材料以及环境友好材料。

全书共分4部分 22章。第1部分，无机材料，含第1-7章：1.半导体量子点的合成、表征及自组装；2.一维半导体金属氧化物：合成、表征及相应气体传感器的应用；3.稀土绝缘纳米晶体：基于改进发光性能的纳米荧光粉的等离子体显示板；4.非晶态多孔复合氧化物：一种新型高度灵活的材料；5.纳米氧化锌及其应用；6.应用于空间及能源领域的智能纳米材料；7.智能玻璃：热致变色薄膜及纳米复合材料。第2部分，有机材料，含第8-11章：8.纳米聚合物、胶束及核壳材料；9.纳米材料与酞菁类的复合材料；10.碳和聚合物材料的纳米复合体及其在能量转换装置中的应用；11.纤维素生物塑料在生物医药中的发展。第3部分，生物材料和设备，含第12-14章：12.智能水凝胶纳米复合材料；13.防渗技术：聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料；14.基于聚合物/复合材料的智能传感器。第4部分，含第15-22章：15.药物输送中的水凝胶纳米粒子；16.应用于生物分子的纳米晶体生长机制；17.组织和细胞中单一生物分子的量子点检测、识别和跟踪；18.基于纳米纤维的医疗设备；19.作为核医学新材料的纳米载体系统；20.面向纳米仿生设备的纳米仿生材料；21.用于医学诊断的脂质纳米生物传感器；22.聚合物纳米纤维及其在传感器中的应用。

本书作者之一Ashutosh Tiwari教授，毕业于印度阿拉哈巴德大学，材料化学家，是先进材料快报的主编，就职于瑞典林雪平大学（Link & ouml；Ping University）生物传感器和生物电子学中心，于2011年获得声誉极高的“材料科学创新奖”。

本书适合于具有不同背景的研究者，诸如化学、材料科学、物理、生物科学和工程等。它不仅可以作为研究生和本科生的教科书，也是一本很好的针对材料科学、生物工程、药学、生物技术和纳米技术工作者的参考书。

张文涛，副研究员

（中国科学院半导体研究所）

智能材料篇2

【关键词】智能材料；土木工程；特点；发展趋势

引言

目前，随着光钎、压磁、压电和形状记忆合金等材料的发展，智能材料已经被广泛应用于土木工程的各个领域。最基本的智能材料一般被称为感知材料，其可以感知内外部刺激的材料。通过感知内外部条件变化，并做出适应环境调整的材料被称作驱动材料。现在的智能材料，一般需要多种材料复合组装来实现环境变化情况下材料结构的诊断、修复、调整。

一、智能材料类型及特点

智能材料概念在20世纪80年代初被系统地提出，并于80年代末得到前所未有发展空间。随着光纤、压磁、形状记忆合金等智能材料的发展，使其在土木工程领域得到较为广泛地应用。智能材料以其具有的不同功能特点通常可分为两大类，一类为可感知外界或内部刺激强度作用的材料，称为感知材料。另一类为可响应或驱动因外界环境条件或内部状态发生变化的材料，也称为智能驱动材料。智能材料结构具有控制、传感与驱动三个要素，可利用自身感知处理信息，发出指令并执行动作，进而实现结构自我监控、诊断、检测、修复、校正与适应等各种功能。一般情况下，单一功能材料难以具有上述多种功能，这需要组元复合或组装多种材料而构成新的智能材料才能实现。

二、土木工程中智能材料的应用

1.形状记忆合金的应用

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。

2.压电材料的应用

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。

3.光导纤维的应用

光导纤维由外包层与内芯构成，是一种纤维状光通信介质材料，该材料采用先进的信息传输技术起初用于通信传输系统，由于作为信息载体的光子在速度与容量上高于电子，因此得到较为迅速的发展。光子所具有的高并行处理能力与高信息率，潜力在信息容量与处理速度得到充分发挥。光纤材料在监测、传感及信息远距离传输等方面得到应用，将光纤作为传感元件埋入传统混凝土结构中针对结构方面各项指标实现自动监测、诊断、控制、预报及评价等功能，而且将形状记忆合金等驱动元件埋入，有机结合信息处理系统与控制元件，使混凝土结构具有智能功能，进而实现混凝土结构自我诊断与修复。在土木工程结构诊断及主动控制地震响应中，光纤材料一直作为设计传感器的一种比较理想的材料，我国目前也已将其用于检测评定三峡大坝。

4.压磁材料的应用

压磁材料在土木工程中的应用主要包括磁流变材料和磁致伸缩材料。基于磁流变材料的原理，当磁场的强度高于临界强度时，磁流变在极短时间内从液态向固态转化。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。基于这点，磁流变材料可用于高层建筑的结构中，实现对地震的半主动控制。因为潜在应用前景的广阔，使得磁致伸缩材料近年来得到很大关注。磁致伸缩材料具有强烈的磁致伸缩效应，这种材料可以在电磁和机械之间进行可逆转换，这种特性使其可以用于大功率超声器件、声纳系统、精密定位控制等很多领域。

三、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，在土木工程设计中结构动力响应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。

四、结语

综上所述，随着智能材料的广泛应用，同时元件逐渐向小型化、多功能化及高功率化方向发展，在建筑结构中复合控制、传感、驱动系统及耦合/连接元件，建筑结构将发展成为主动式智能建筑结构，对于有效利用太阳能、抵御地震、风振等严重自然灾害影响具有重要作用， 为人们工作生活提供更为舒适安全的环境，对于提高土木工程结构建设质量具有十分重要的意义。

参考文献：

[1]张亚东.智能材料在土木工程中的应用研究[J].科技资讯，2011（30）：49.

[2]黄浦时.关于智能材料在土木工程建设中的研究[J].数字化用户，2013（11）：27.

智能材料篇3

关键词：智能材料；土木工程；混凝土；应用前景

0引言

随着材料技术的快速发展，越来越多的高新技术被运用到工程材料的研发中，各种新型材料层出不穷，以复合材料为基础发展而来的智能材料，为解决相应材料的力学问题提供了科学牢靠的途径。作为有着多学科交叉背景的综合学科，智能材料为土木工程中日益复杂的结构提供了实现的可能性，因此这一学科的研究也日益受到重视。诸如大跨度桥梁、高层建筑、水利枢纽、海洋钻井平台以及油气管网系统之类的基建设施，在其较长的使用期中，外界各种不利作用会使得组成这些结构的材料发生不可逆的变化，从而导致结构出现不同程度地性能衰减、功能弱化，甚至会诱发重大工程事故。若是能将智能材料运用到对这些超规模的工程结构物中，能够时刻评定相应的安全性能、监控损伤，并智能修复，则将为未来工程建设提供新的发展思路。所谓智能材料，是指随时能够对环境条件及内部状态的变化做出精准、高效、合适的响应，同时还具备自主分析、自我调整、自动修复等功能的新材料。受仿生学科的启发，其目标是要开发出能运用到具体工程中、将无机材料变得有生命活力。二十世纪90年代初逐渐兴起的智能材料结构系统，吸引了包括物理、化学、电子、航空航天、土木工程等领域的研究者涉足其中，取得了丰硕的成果。

1智能材料的概念及特点

智能材料发源于“自适应材料”（AdaptiveMate-rial），在Rogers和Claus等人的努力下，智能材料系统逐渐受到全世界各国官方机构的认可与重视，发展迅速。智能材料（IntelligentMaterial，IM）当前没有一个明确的定义，不过大体上都是根据功能做出相应的定义，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，具有不可限量的前景。智能材料产生的背景决定了其所具有的独特优势，决定了其终将会带来材料科学的重大革新。通常而言，智能材料主要以下七大功能：（1）传感：能够对内外部的作用进行监控与鉴别；（2）反馈：将监控获取的信息进行传输以及反馈；（3）信息识别与积累：识别并记忆反馈来的信息；（4）响应：对内外部的变化做出灵活有效的反应；（5）自诊断：对内外部信息实施自行诊断、分析、评判等；（6）自修复：依特定的方法修复系统的故障；（7）自适应：待外部作用消失后可恢复原状。在具体的工程中，若要实现这么多的功能，仅仅依靠单一材料是无法实现的，因此通常情况下都是通过多种智能材料的组合才能达到目的。

2智能材料在土木工程结构中的应用

2.1光导纤维

光纤维的主要化学成分为二氧化硅，作为信息传递的绝佳介质，有着其他任何材料无法比拟的传导能力。材料主要由内层圆柱形透明介质和外层圆环形透明介质组成，内层为纤芯，外层为包层。内外层折射率的差异能够保证携带信息的光在纤维里面能量损失少，传输距离大。将光纤维植入到混凝土结构中，制成光纤维混凝土结构。当混凝土结构因外部因素的变化而产生变形时，植入砼结构中的纤维也随之发生变化，进而导致纤维中的光发生改变，相应的传感器能够直接获取变化，从而间接确定混凝土结构的各种性能变化，实现对结构的全方位监测，为工程的可持续性提供技术指导。并且，分布监控的模式可保证混凝土结构任何部位的改变均能被监测到，相当于在混凝土结构中创造了一个全覆盖、光角度、无死角的监测网络，两者组合而成的光纤维混凝土可以认为是一种具有强大自我调节的智能材料。当前，光纤维混凝土结构主要的工程应用包括：混凝土的温度及温度应力监测、混凝土结构裂缝的监测与诊断、混凝土结构强度与变形监测、混凝土结构配合的钢索应力和变形监测等。

2.2形状记忆合金

何谓记忆合金，即材料具有形状记忆能力。当材料的形状被改变后，其内在的记忆效应可被激发出来，进而自动产生回复应力与应变，驱使材料恢复原状。同时，合金材料能够传输能量并实现能量储存。鉴于此，工程中可将记忆材料安置在结构中，当结构出现变形、裂缝、损伤以及外界动荷载影响时，大部分的能量可被记忆合金材料消耗掉，可极大提高结构的稳定性，若将材料运用到多震地区的建筑结构中，则会实现对地震能力的吸收与耗散，极大地提高建筑物的抗震性能，此举属于材料的智能被动控制。形状记忆合金材料所具有的相变超弹性，使其可用来制作耗能阻尼器，这种阻尼器实现了智能被动控制。同时，由于其相变会引起超弹性滞回环的产生，使得材料具有极高的抗疲劳性，以此为基础制作的阻尼器使用周期远胜于普通的阻尼器，可实现结构品质的大幅度提高。

2.3压磁材料

土木工程领域中常规的压磁材料主要包括磁流变材料和磁致伸缩智能材料等。在外部磁场作用下，磁流变液悬浮体系的黏弹塑性会发生明显的变化，并且这种变化是可逆的。当外部磁场超过一定强度后，磁流变也会在极短的时间内变成固态，微观上表现为材料的分散相颗粒沿着磁场方向结成了链状结构。磁流变液介于液体与固体之间的这种独特的可变属性，以及对这种特性实施控制时耗能低、变化范围广、成本低等特性，使得磁流变液成为工程结构中作动器件的重要材料。当前，磁流变液主要被应用到元器件的控制桥路以及电源的高速开关等多个领域。且磁流变液在土木工程领域的应用主要集中在高层建筑、塔形建筑物、大跨框架和大跨度结构等。同时，有着高磁致伸缩效应的磁致伸缩智能材料，可以保证材料在机械与电磁直接进行可逆转换，因此具有广阔的应用前景。

2.4碳纤维混凝土材料

工程中混凝土的作用范围很广泛，因此对混凝土材料的改善也日益得到科研人员和工程从业者的支持，碳纤维混凝土的产生正是这一领域发展的重要产物，在混凝土中掺加一定比例的碳纤维，可赋予混凝土材料以驱动功能和本征自感应。作为一种高强度、高弹性、大导电性的材料，碳纤维的加入能极大改善混凝土的强度与韧性，并且碳纤维之间会形成具有电阻的导电网络，在材料中起到阻隔导电的势垒，大大降低混凝土材料的电阻率，从而使得材料的导电能力得到数量级上的显著变化。不可忽视的是，这种混凝土的电导率与温度及应力的变化而表现出规律性的响应。同时，碳纤维混凝土在温度上表现为温度变化造成电阻的变化，并且材料内部的温差也会衍生出热电效应，在电场的作用下碳纤维混凝土会产生热变效应（热效应与变形）。碳纤维的含量和混凝土材料的结构共同影响材料的温敏性，当碳纤维的含量超过一定比例时，材料才有可能形成较为稳定的电动势。而碳纤维的掺入方式主要有两种：短切乱向分布和连续碳纤维束单向增强。采取不同的掺入方式能使得碳纤维混凝土的力学性能得到不同程度的强化与提高，工程实践表明：第一种方式更具有实用性。

2.5压电材料

具有压电效应的压电材料，经常被用作驱动元件和传感元件。当压电材料受到外部因素作用时会因为其自身发生变形而产生电势，而对材料再施加一定电压时又会改变材料的尺寸，压电效应由此而来。利用这一特点，压电材料可用作传感元件，通过压电元件的变化来判断元件所在位置处结构的变形量。与此同时，若能在压电元件外部形成电场，进而对压电元件内部的正负电子施加定向电场力，从而迫使元件发生变形，制成驱动元件。利用驱动元件，可改变材料的应力状态，甚至会影响材料的结构变形。压电材料的变化均在极短时间内完成，因此压电效应主要适用于对结构振动的控制上。

3智能材料的未来发展

3.1智能材料性能的发展

智能材料有着独特的优越性能、广阔的发展前景，但是由于这一领域处于多学科交叉的研究前沿，所存在问题也亟待深究：（1）形状记忆合金的发现，改变了很多传统理念，胡克定律在合金材料这里基本上不再适用了，其所具有的智能功能使得传统的力学研究方法难以合理地解释其内在的机理，因此需要研究者另辟蹊径，从宏观与微观的角度重新去探究这种新材料的原理，建立一些实用性较强的理论和模型，以对具体的工程实际进行规范化的指导。同时，当前形状记忆合金还不完善，耗能高、功能单一等缺点使得其实用性不强，能够开发出低能耗、出力大、多功能的控制器则是未来研究的重要方向。（2）可以预见，压电材料将会成为工程结构中力学测量的首选感测元件，但是其存在的主要问题就是驱动力小，虽然已经有一些技术来弥补这一缺陷，但是对于大规模的土木工程结构而言，压电材料并不能直接应用，复杂的理论分析、高难度的集成技术研发，以及压电驱动器的开发技术和设计方法难度较大，都是制约压电材料未来发展的瓶颈，是研究的难点、热点和重点。（3）压磁材料所面临的问题是在长期的放置之后，会产生固体颗粒沉降，这种沉降对材料的稳定性有着怎样的影响效应也需要更深入的研究。并且，其温度适应范围较小，若能够拓宽温度作用范围，将使得压磁材料有着更广的发展前景。

3.2智能材料研究难题

针对材料本身所面临的主要问题，未来在土木工程领域的应用研究主要有下列一些难题：（1）结构的健康监测与保养；（2）形状自适应材料与结构；（3）结构减振抗震抗风降噪的自适应控制。这些问题的进一步研究将有助于工程质量的提高，有助于降低工程灾害性事故的概率，有助于强化工程的安全可靠性，有助于推动土木工程领域的高技术发展，有助于为土木工程领域注入新的发展动力与机遇。

参考文献

[1]曹照平,王社良.光纤传感器在土木工程中的应用[J].南京建筑工程学院学报:自然科学版,2000(4):47-50.

[2]张亚东.智能材料在土木工程中的应用研究[J].科技资讯,2011(30):49-49.

[3]王社良,苏三庆,沈亚鹏.形状记忆合金拉索被动控制结构地震响应分析[J].土木工程学报,2000,33(1):56-62.

[4]王社良,苏三庆.形状记忆合金的超弹性恢复力模型及其结构抗震控制[J].工业建筑,1999,29(3):49-52.

[5]DykeSJ,SpencerBFJ,SainMK,etal.Mod-elingandcontrolofmagnetorheologicaldampersforseismicresponsereduction[J].SmartMaterials&Structures,1996,5(5):565.

[6]欧进萍,关新春.磁流变耗能器及其性能[J].地震工程与工程振动,1998,18(3):74-81.

[7]张其颖.碳纤维增强水泥混凝土复合材料的研究与应用[J].纤维复合材料,2001,18(2):49-50.

智能材料篇4

摘要：随着材料科学与电子技术的不断发展与进步，未来的建筑行业走向智能化已是必然的趋势，智能材料将会未来的建筑行业中起到举足轻重的作用，智能材料的主要依据产生于仿生学，这样能够充分提升高效建筑材料的研制，使得智能材料及其在绿色建材中起到良好的作用。本文主要讲述了关于智能材料的工作原理，对绿色智能建筑材料进行了有效的分类，并且对智能材料在绿色建材中的应用作出了相关的分析，从而使得智能材料及其在绿色建材中的应用得到有效的发展。

关键词：智能材料；绿色建材；应用

基于当前无论是电子技术、材料科学，还是自动控制手段都随着经济的发展得到了出人意料的提高，建筑及其所用的材料趋向于智能化更是越来越明朗化。在二十世纪九十年代“智能材料”就此产生，然而，智能材料所得出的构想来自于仿生，全面以研制出一种能够充分具有生物的各种功能的材料作为目的。其中，记忆、自修复能力、自感知以及自适应是智能材料的主要内容。智能材料与结构材料、功能材料之间是存在差异的，因为智能材料自身便可感受并取得外界的相关信息，并且根据该依据做出正确的解决或者指令，从而对自身状态进行调整以能够充分适应外界所产生的变化。此外，智能材料当前已然在绿色建材中饱受广泛应用。

一、智能材料的工作原理

通常而言，智能材料主要源于驱动材料、基本材料、敏感材料、其他材料和信息处理器而组织产生的。其中，驱动材料主要是指在所具有的条件下对相应的材料进行控制，主要有压电材料以及光纤材料等类型。基本材料主要是指围绕担承载轻质材料、高分子材料以及耐腐蚀性材料而进行的，从而充分表达了金属材料所具有的相关作用。敏感材料能够对传感任务起到承担的作用，然而在遇到环境产生变化时，能够通过敏感的感知能力对环境所发生的变化及时有所察觉，从而使得材料记忆因此得到更好的适应能力。而其他材料则是充分将导电材料与磁性材料结合到半导体材料中，并且在进行信息处理器的研究时，具有能够对传感器信号进行良好的处理功能。

二、绿色智能建筑材料的分类

通常而言，智能材料能够划分成多种类型，通常情况下能够根据功能的性质来进行划分，主要有光导纤维、压电以及电流变体等等类型。其中，根据来源可分为金属系智能材料、高分子智能材料以及无机非金属材料这三方面的类型。然而，按照材料模拟生物方面又可分为：1.智能传感材料，专门用于对各种热、电以及磁等信号进行相关的检测工作，从而能够感知并将所感知到了信息进行反馈的一个形式，在智能材料中是必不可少的一种材料。2.智能驱动材料，主要的作用是能够很好地将温度以及电场变化进行相应的分析，其中驱动材料最常用的就是机械的响应能力，因为它具有较强的记忆能力，并对相应的数据进行相关的统计。3.智能修筒牧希其主要作用是能够对材料实施结构再生以及恢复的能力，从而使得材料的使用能力得到充分提高。4.智能控制材料，主要是根据智能传感材料所反馈出来的信息进行相应的记忆、存储，并且还能对材料信息进行有效的修复。此外，还能对微型计算机进行智能控制，从而使得所潜在的问题能够得到很好的解决。

三、智能材料在绿色建材中的应用分析

（一）“智能皮”建筑材料

所谓“智能皮”建筑材料主要是指外在应用方面，然而这一方面在国外的研究做的非常透彻，不仅完成了基本的框架更是对此进行了拉伸以及沿用，换句话就是说将建筑外面充分制作成相似于一个气球的形状，起到节省空间的作用，同时在应用上采用高科技的照明以及新型信息的解决方式，能够充分对建筑的外在实施全面的创新。此外，智能建筑皮材料主要是根据采取气凝胶来作为绝热处理的，使得智能皮建筑材料在白天时能够起到吸热的功能，而在晚上时能够进行放热的功能，同时还可以进行蓄电的能力，也就是收集阳关的热能在需要时起到能够提供供电的功能。

（二）智能玻璃墙

智能玻璃在建筑的外墙中起到技术处理的作用，采取这样的方式能够很好的将光污染现象尽可能的降到最低，并且还能够对室内卫生的质量进行相关的处理，使得室内卫生能够达到很好的效果，其中，最主要的功能就是建筑整体通风以及空调系统自动控制能力能够在很大程度上进行较好的处理，然而充分采取传统的技术方法对建筑墙体进行相关的创新等主要是其核心技术来进行，从而使得建筑采光能够得到有效的提高。

（三）智能板材

模克隆多层紫外线防护IQ-Relex板材是一种相对而言比较新型的建筑材料，它是来自于德国拜耳材料科技集团所研制出来的，能够在骄阳似火的夏季中将太阳所折射出的紫外线进行反射，使得室内的温度得到降低。然而在天寒地冻的冬季中则起到吸收阳关温度的功能，从而利用阳光的温度提供温暖。这样的智能板材不仅具有质轻、坚固以及耐腐蚀性好的作用，同时还具有易加工等优点，与一般所使用的板材相比能够在很大程度上降低辐射，对于建筑墙面与顶棚而言是非常好的材料。

（四）智能涂料

基于涂料材料的功能性已然越来越强，智能材料在生态住宅中起到重要的作用是必然的趋势。通常而言冬季都是属于比较寒冷的天气，这时冬季只有充分使用轻质热敏型涂料能够使得室内的颜色由夏季的浅色在进入到冬季时转换成深色系，为冬季提供所需的温暖。智能涂料在白天时具有吸收能量的功能，在进入到夜晚时具有能够采取电流的形式充分将热能进行释放。此外，智能涂料还具有可以健康卫生的功能，涂料中所含有的抗菌聚起到杀死细菌的效果，同时，涂料中具有吸收性能的能够起到消除烟味、异味的功效以保证室内卫生得到健康保障。

四、结论

总而言之，智能材料本就是具有仿真生命系统的一种材料，能够利用自身所具备的感知能力进行相关数据、信息的分析，并且能够对材料进行自身反馈的一种机制，将材料充分应用到实际中能够在很大程度上完善建筑的整体质量，使得设计的建筑的美感以及高科技感得到很好的诠释。智能化产品不仅在现代绿色建筑开发以及应用中起到举足轻重的作用，甚至在各个领域中其作用更是不容小觑的。建筑也是象征着国家、人们的经济能力、生活水平的体现，因此，全面发展智能化绿色建筑材料能够在很大程度上满足国家、人们对高品质生活水平的追求。

参考文献：

[1]黄静晗，肖卓，瓦晓燕.智能材料及其在绿色建材中的应用[J].建材发展导向.2015（16）：39-40

[2]李诚诚.浅谈绿色建材在建筑节能中的应用[J].居业.2016（03）：23-24

智能材料篇5

【关键词】智能材料;土木工程;现实应用

土木工程是以建筑施工和建筑结构为研究对象的重要学科。在当今的时代，人们对于建筑的要求越来越高，从一开始的安全性与舒适性的有机结合，到安全舒适前提下的美观和环保，再到现在上述所有前提下的智能化是人们对建筑不断变化的高标准和高要求。其中，智能化是随着科学技术发展越来越被人们重视和追求的建筑的特色。具体到土木工程领域，智能体现在各种计算机技术的应用和各种智能材料的应用。建筑的结构是固定的，建筑施工工程完工，建筑成型，除非外力干扰，其结构就稳定下来。但是当结构出现问题时，很难以一种简单的方式去解决。智能材料就能够解决这个难题。

一、智能材料概述

智能材料的兴起和发展距今并没有太长时间，严格意义上来说对智能材料的研究兴起于上个世纪最后二十年，直到新世纪以后才有了长足的发展。距今各国对智能材料也还处于研究的萌芽阶段，所以智能材料迄今并没有一个官方的统一的定义，我们这里可以将智能材料定义为具备智能特性的能够自主地对外部环境进行感知并且不断适应环境的高科技材料。智能材料是建筑材料届最新的宠儿，成为了天然材料和合成材料之后的新一代的优秀材料。智能材料具备天然材料和合成材料不具备的一些特点：它能够对周围环境进行感知，最常见的是对光、热、力的感知;它能够对周围环境的变化做出应对，随之变化;当周围的环境恢复到初始状态时，智能材料也能够恢复如初。

二、智能材料当前在土木工程中的应用

由于土木工程正是对建筑结构进行研究的学科，所以智能材料在土木工程中的作用是极大的。举例来说，运用智能材料能够对建筑本身的结构进行科学的检测。运用传统的材料，要想对建筑的结构性能进行检测，必须要充分地运用外力，加入外部的很多信息。在这种情况下，加入很多干扰的信息是无可避免的情况。而运用智能材料能够从内部将检测结果传导给检测终端，不会受到外部的干扰，也更能够反应建筑的结构性能。

其实智能材料严格意义上来说并不是只有一种，我们上文中所说的智能材料的感知和反馈其实是两种智能材料的应用，能够感知刺激的材料我们称之为感知材料，而能够根据外部刺激做出反馈或者变化的我们称之为驱动材料。前者能够智能地检测建筑内的各种刺激例如火、烟;后者则能够更多地在建筑安全问题上给予更高层次的保障例如记忆合金在建筑结构中的应用。

三、智能材料在土木工程中应用的局限性和未来发展

智能材料当前在土木工程中应用还是存在着一些局限性的：首先，成本过高。智能材料由于研发和制造本身的成本就高，要想大规模地应用到土木工程中还存在着建筑成本上的考虑。毕竟智能材料属于高科技产品，在相关原材料和制造工艺无法达到量产的情况下，成本是限制其应用的首要问题;其次，智能材料的发展还处于萌芽阶段，能够应用到土木工程中的智能材料种类少，功能少。尽管当前智能材料已经研究出许多种类也能够给建筑工程带来很多的便利，但是我们并不能称智能化的时代已经到来，智能材料还需要不断地向前发展;最后，智能材料的研究和发展没有一个确定的目标，这也抑制了其可持续地发展。当前智能材料依托于相关的技术，技术发展了，智能材料随之得到发展，而没有系统的研究规划。在未来，智能材料必将成为建筑工程的最基本的材料，那么在研究和应用的时候就应当有系统的目标，以建筑工程的需求为主研究各种智能材料的应用;并且尽可能地降低成本，使其能够广泛应用到一般民用建筑中去;进一步研究，与其他的学科综合起来交叉研究，研发出更多的真正智能化的智能材料，从而在建筑工程中解放大量的人力，能够切实给人们带来便捷，享受到科技的乐趣。

四、结语

第一次工业革命和第二次工业革命之间隔了一个多世纪的时间，第二次工业革命和第三次工业革命之间隔了也是一个多世纪的时间。我们无法预言第四次工业革命什么时候能够到来，但是我们现在正身处一个技术大爆炸的时代，所有领域的技术都呈现出火箭式的增长。土木工程领域的智能材料应用亦是如此。当前的智能材料其实正在萌芽阶段，材料的智能化还没有被充分开发出来，随着人们的需求越来越高和相关技术的不断发展，未来会有更多更智能的材料出现在土木工程中，为人们的生活带来更多的便利。

参考文献

[1]淘宝w，熊克等.智能材料结构[M].北京：国防工业出版社，2011

智能材料篇6

关键词：智能材料与结构；研究生教学；实践与探索

中图分类号：G6432文献标志码：A文章编号：

10052909（2015）02004103

智能材料结构是材料学与多学科交叉融合发展起来的高新技术结构，是集传感、驱动及信息处理等功能于一体的功能性材料结构，具有自诊断、自适应、自学习、自修复、自增值、自衰减等六大生命功能 [1]。近20年来，智能材料结构随着材料科学、力学、控制理论、计算机技术、信息理论等学科的发展已成为国内外最活跃的研究领域之一，国内外学者对智能结构的研究及探索不断深入，智能结构领域及技术迅速发展[2]。智能材料与智能结构是力学的重要分支，其研究涉及土木工程、力学、材料学、化学、信息论、电子技术、机械工程、光学、计算机技术、仿生学、控制理论等一系列学科中的先进技术，同时引发出新的研究领域。如仿生机器人、结构健康监测、传感材料、驱动材料、元器件及材料制造新技术和新的控制理论等[3]。

智能材料与结构在土木工程领域中有着巨大的应用前景，其发展不仅意味着增强结构功能，提高结构使用效率及优化结构设计形式，而且也打破了许多土木工程结构在设计、建造、维护和使用控制等方面的传统观念。目前，在土木工程结构领域，智能材料结构系统的应用主要集中在结构的健康监测，形状自适应记忆合金材料及结构减振抗风降噪的自适应控制等方面[4]。为提高工程结构质量和结构安全性及使用可靠性，将智能材料中先进的自诊断理念引入研究领域，针对重大工程中结构损伤特征及应用对象和领域，研制应用于土木工程结构的主动减振、精密位移控制、损伤主动在线监测技术的智能材料与结构。

在土木工程专业研究生教学中开设智能材料与结构课程非常有必要。目前，智能材料与结构课程教学在课程体系上较封闭，学生知识面不够导致

学习积极性不高，且由于该门课程学时的限制，教师授课时只能挑选部分章节讲授，疑难问题不断增加，给研究生科研指导不大，忽略了这门课程对研究生实践能力的培养，严重影响了学生学习内容的深度和广度。

文中针对土木工程专业研究生的研究及专业工作背景，将智能材料与结构课程作为选修课，对如何实现这门课程的教学目标，提高教学质量，提高研究生学习的科研兴趣和实践能力进行了思考，对这门课程的选修内容及教学、实践、成绩评定等环节进行了探索研究。

一、教学内容

智能材料与结构是以材料—器件—结构—系统为主线，将基本理论与工程应用紧密结合，从材料与智能、智能材料、智能器件、智能材料结构和智能结构系统等方面循序渐进地介绍智能材料与结构系统的基本概念、性能特征、发展和应用等。结合土木工程专业研究生研究课题及就业背景，选择与土木工程行业紧密相关的智能材料与结构内容作为教学主讲内容。

首先介绍智能材料与结构的一些基本概况，包括驱动材料、驱动器与传感器，以及自适应复合材料系统中的模型与应用、自适应系统、旋翼应用、航空器控制和智能结构应用等。根据实例引入形状记忆合金的概况，包括工作原理及应用，重点介绍形状记忆合金在土木工程中的隔震体系、粘弹性阻尼器、自修复埋入式智能监测的实例。在工程结构无损中应用最为广泛的领域中，需介绍压电复合材料的力学原理及应用，重点介绍其作为智能驱动器与传感器时在土木工程领域中结构健康监测方面的应用实例。在土木工程结构抗震设计中，介绍电/磁致伸缩与电/磁流变体的工作原理，磁致伸缩智能材料是一种磁致伸缩效应强烈，具有高磁致伸缩系数并具有电磁能/机械能转换功能的材料。磁致伸缩材料作为智能材料与结构在土木工程领域中主要用于传感、监测和远距离信息传输方面，具有较好的应用前景。将智能器件置于土木工程结构中，实现其自适应的结构功能，主要介绍智能光纤材料的工作原理及其应用，复合材料中埋入光纤传感器和驱动器是目前应用前景最广、技术基础最成熟的一种智能材料。最后对智能材料与结构的应用前景及发展进行总结和展望。

二、教学实践与探索

（一）不同研究方向教师的正确引导

研究生阶段的学习关键已不再是掌握某个知识点，死记一些书本知识，更重要的是培养学生的实践创新能力，提高学生的自主学习能力，需要在自己学习的基础上进行创新性思维，实现再创造，这就需要教师的正确引导。同样在智能材料与结构这门课程中，对土木工程类研究生的教学，需要通过师生

互动形式展开，在课堂上进行课堂互动，让研究生体验从未知到新知的探索过程，将智能材料与结构系统的各个方面实行科普性的讲解，促成研究生学习的主动性，教师的基本职能从“授”转变为“导”，让教师真正成为学生学习的导师。在学习智能材料与结构这门课程中，江苏大学创新地采用多位教师讲授同一门课程的方式，针对所学内容。选择相关研究方向的专业课程教师来上这一章节内容。由于所选教师对研究方向的熟悉程度明显高于以往同一位任课教师，这无形中大大提高了课程的深度和广度，调动了学生学习的热情，拓展了研究生科研知识面。

（二）理论联系实际

智能材料与结构作为一门交叉性的课程，必须与实际相结合才能巩固学习，激发学生的兴趣。所以，在课程教学中，尽量多举土木工程中的实例来说明各智能材料与结构的工作原理，可以从学生感兴趣的结构和目前应用较广的智能材料来阐述，如智能蒙皮、结构监测和寿命预测、土木结构的减振与降噪、环境自适应结构以及住宅智能化等。将理论知识寓于工程应用背景中，效果显著。如在课堂上会增加手工制作环节，采用层合空心板制作桥梁模型，采用硬币搭建省材工程结构，将智能材料的节能减排理念运用到结构设计中。

（三）板书与多媒体演示的结合

智能材料与结构课程信息量大，属于多学科交叉综合，不能完全采用板书教学，插入多媒体教学，可加快教学进程，提高教学效率，结合图案或声音，能大大提高学生的 学习兴趣和学习积极性。与传统的板书形式相比，多媒体教学信息量输入紧凑，文字图像信息清晰直观，风格多样，内容丰富，也能活跃课堂气氛，增进教学过程中的互动。但当讲解一些重要的力学基本原理时，也需要放慢讲课速度，通过板书的形式来讲解清楚，尤其是传感器与驱动器等智能元器件的工作原理解释。例如：在讲解形状记忆合金工作原理时，Ti-Ni合金的管接头处于低温状态时，套在需要连接的两根管子上，升温到Ti-Ni合金母相状态的室温，套管内径即可回复到原来的尺寸，从而把两根管子咬紧，完成管子的连接。采用一个版面的动画演示即非常形象直观地向学生解释清楚，可以从中插入大量的工程应用实例图片和录像，调动课堂气氛。同时，在课堂教学中，增加与学生之间的互动，针对不同研究方向的研究生，选择性地

讲解智能材料与结构的运用问题，从而不断提高学生的学习兴趣。因此，在课程教学中板书与多媒体教学相结合更有助于土木工程专业研究生掌握智能材料与结构的相关概念，加深学生印象，提高学习效率。

（四）实践能力的培养

以智能材料与结构课程中搭建土木工程结构超声无损检测平台实验为例，采用预埋损伤的标准试块进行结构检测（4学时+课余时间），构建一个自动监测、自动控制的桥梁监测系统模型，可将形状记忆合金、磁流变材料及无线传感理念融入其中，学生分组进行，最后分组比较创新性（4学时+课余时间），电测应变测量及应力计算（2学时）。

通过搭建实验，进一步锻炼学生的动手能力，训练学生的研究方法，培养学生分析和解决问题的能力。在实验课堂上，让部分土木工程专业优秀本科生参与其中，学生通过实践训练把所学知识应用于解决科研问题。

三、成绩评定

智能材料与结构课程共设30学时，其中实验10学时，需要预修压电测量学。课程教学分为课堂教学、研讨、实验三部分，考核方式采用笔试（闭卷）+平时成绩+实验成绩，实验成绩通过三部分的实验总结报告及学生答辩综合评定。其中考试成绩占70%，平时成绩占10%，实验成绩占20%。通过智能材料与结构课程三部分的考核与过程管理，既考核了学生的专业基础知识掌握情况，又考核了动手操作能力，更培养了学生的创新意识，开拓了视野。

四、结语

智能材料与结构课程列举了很多实用性和工程性强的实例，融入了最新的科研成果，是一门理论与实验相结合的课程。因此，该领域为广泛新兴行业产业的快速引进和应用提供了巨大的潜力。通过本课程的学习，研究生将了解智能材料结构在土木工程领域的最新动态和进展，为后续相关课程的学习及科研打好基础。通过智能材料与结构课程在土木研究生教学中的实践与探索，为土木工程专业研究生创新能力的培养提供了指导。参考文献：

[1] 杨大智. 智能材料与智能系统[M].天津：天津大学出版社， 2000.

智能材料篇7

关键词：智能；混凝土；研究；发展

0.引言

混凝土作为主要的建筑材料经过了一个漫长的发展过程，它的发展凝聚着时代的最新科技成果，顺应着人类的物质和精神需求。现在混凝土智能化的研究和开发成了人们关注的热点。本文简述智能混凝土的发展历程，并对智能混凝土的现状和发展趋势进行研究，在此基础上展望智能混凝土的应用前景。

1.智能混凝土的定义和发展历史

通常情况下，我们把"能感知环境条件，做出相应行动"的材料称为智能材料。与普通材料不同的是虽然它不具有现实意义上的的生命形式，但是它具有感知和激励双重功能，能对外界环境变化因素产生感知，自动作出适时、灵敏和恰当的响应，并具有自我诊断、自我调节、自我修复和预报寿命等功能。换句话来说它能模仿生命系统，具有自感知和记忆，自适应，自修复特性的多功能，它保留了混凝土原有组分同时复合了智能型组分。

智能混凝土优点很多，诸如：有效地预报混凝土材料内部的损伤；自我检测结构的安全性，防止混凝土结构潜在脆性破坏；自动进行修复，显著提高混凝土结构的安全性和耐久性。正如上面所述，智能混凝土集自感知和记忆、自适应、自修复等多种功能于一身，缺一不可。但是以当前科技发展水平，设计完善的智能混凝土材料还相当困难。但近年来损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土、仿生自愈合混凝土等一系列智能混凝土的相继出现，为智能混凝土的研究打下了坚实的基础。

1.1损伤自诊断混凝土

普通的混凝土材料本身不具有自感应功能，但如果在混凝土基材中加入了其它材料，就使混凝土本身具备了本征自感应功能。目前常用的材料组分有：聚合类、碳类、金属类和光纤。其中碳类、金属类和光纤比较常用。现在社会上主要有2种研究比较热门的损伤自诊断混凝土：碳纤维智能混凝土、光纤传感智能混凝土。损伤自诊断混凝土的自感应功能包括压敏性和温敏性等。

1.2自调节智能混凝土

混凝土常常承受的偶然荷载包括：台风、地震等。人们往往希望混凝土在承受这些荷载时，能够调整承载能力和减缓结构振动。但是混凝土本身是惰性材料，无法实现这一功能。自调节智能混凝土应运而生，它同时具有电力效应和电热效应等性能。所谓的自调节智能混凝土是在它内部复合具有驱动功能的组件材料，如：形状记忆合金（SMA）和电流变体（ER）等。这种材料具有形状记忆效应，举例来说，若在室温下给以超过弹性范围的拉伸塑性变形，当加热至少许超过相变温度，即可使原先出现的残余变形消失，并恢复到原来的尺寸。因此当在混凝土中埋入形状记忆合金时，可以利用形状记忆合金对温度的敏感性和不同温度下恢复相应形状的功能，在混凝土结构受到异常荷载于扰时，通过记忆合金形状的变化，使混凝土结构内部应力重分布并产生一定的预应力，从而提高混凝土结构的承载力。

1.3自修复智能混凝土

当混凝土承受荷载时，就回变形甚至出现裂缝。带缝工作的混凝土，强度会降低。如果空气中的CO2、酸雨和氯化物等通过裂缝侵人混凝土内部，将会使混凝土发生碳化，腐蚀混凝土内的钢筋，这对地下结构物或盛有危险品的处理设施尤为不利，同时要想检查和维修混凝土的裂缝是很困难的。像现实生活中可以见到人的皮肤划破后，经一段时间皮肤会自然长好，而且修补得天衣无缝；骨头折断后，只要接好骨缝，断骨就会自动愈合一样，自愈合混凝土就模仿了这一生物组织。当遭受创伤时，可以自动分泌某种物质，而使创伤部位得到愈合的机能。能够在混凝土内部形成智能型仿生自愈合神经系统的组分是混凝土组分中的具有复合特性的材料，它促使混凝土模仿动物的这种骨组织结构和受创伤后的再生、恢复机理。采用粘结材料和基材相复合的，使材料损伤破坏后，具有自行愈合和再生功能，恢复甚至提高材料性能的新型复合材料。

日本的东北大学三桥博三教授为首的日本学者的研究成果中，把内含粘结剂的胶囊或空心玻璃纤维掺入混凝土材料中，如果在外力作用下，混凝土发生了开裂，粘结液流出并深人裂缝。具有刚强度粘结力的粘结液可使混凝土裂缝重新愈合。

2智能混凝土研究现状和应注意的问题

不管是自诊断、自调节复混凝土还是自修复混凝土，都处在智能混凝土的初级阶段，还远远没有达到智能混凝土的全部要求。它们只具备了智能混凝土的某一基本特征，是一种智能混凝土的简化形式，可以称之为机敏混凝土。它们的功能单一，并不囊括智能混凝土的各种功能。随着对建筑材料的不断认识，人们正致力于将2种以上功能进行组装的所谓智能组装混凝土材料的研究。这种混凝土将集合自感应、自凋节和自修复组件材料等，并把原始混凝土作为基材，各材料之间依据结构需要排列，以实现混凝土结构的内部损伤自诊断、自修复和抗震减振的智能化。

从长远来看，智能混凝土发展前景良好，但是依旧有很长的路要走。很多细节上的问题亟待解决。例如：如碳纤维混凝土的电阻率稳定性、电极布置方式、耐久性等；封入的方法以及愈合后混凝土耐久性能的改善等。为促进智能混凝土研究工作的顺利开展有必要就以下几点形成共识：

（1）有针对性的开发。在设计中，考虑的范围越大，目标越多，开发出能应对所有这些情况的手段是很困难的。因此要缩小智能化范围，以某种功能为对象，从而开发出相对最适应的方法。针对混凝土性能发生恶化和结构发生破坏等现象，考虑不同的智能方法。

（2）具有可操作性。设计当与当前施工技术水平相一致，否则在施工中没有办法达到要求。一般来说，选用的材料应具有选用的材料应具有化学稳定性，要有利于安全使用，不挥发任何有刺激的气味和其它有害物质，并能大量应用而且成本较低。另外，施工方法对其技术与工艺要求不能过高。

3.结语

智能混凝土是仿生学的产物，模仿生物的感知能力，可以实时地自我检测，评估损伤，及时修复。进入二十一世纪以来，台风、地震等灾难频频发生，这就加剧了人们对智能建筑的需求。它的的发展势头良好，但依旧需要人们不断的探索，不断的完善智能混凝土的功能，确保建筑物的安全和长期的耐久性。

参考文献

[1]姚忠伟. 智能混凝土的研究及其发展[J]. 新型建筑材料，2015，02：6-9.

智能材料篇8

关键词：幼儿教育； 益智区； 材料投放

中图分类号：G610 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2013）04-109-001

一、课题提出的背景

幼儿园与学校有所不同，它面临的是3—6岁的幼儿，因此每天除了教育活动、集体活动以外，孩子们还应该有充分的自由活动时间，活动区的设置就极大的解决了这一需求。

幼儿园区域活动是指教师有目的、有计划地提供一些合适的活动场地、多元化的活动材料、情境化的游戏形式，我们决定把“小班益智区操作材料投放的实践研究”作为研究课题，着力于探讨区角材料怎样有效地投放，才能更大的发挥其教育功能。

二、课题的内涵

益智区是指可供幼儿活动操作，着力于让幼儿在动手动脑中获得知识，开发智力的活动区角，其材料具有最大程度地开发幼儿智力，发展创造潜能的特点。

益智区材料的投放应便于幼儿操作，便于幼儿开展自主性的探索活动，必须蕴含要求幼儿探索解决的问题。

三、研究内容的具体操作

1.小班益智区现状研究

区域活动是小班中一个比较重要的活动之一，幼儿能在活动中学到怎样与同伴交往、合作，怎样与人交流。在准备阶段中，我们通过大量的观察和测试发现，在益智区这一区角的材料投放确实存在着许多问题。主要有以下几点：（1）益智区里操作材料比较单一。（2）幼儿自己动手组装、展开想象的材料不多。（3）缺乏系统性、层次性。

因此，我们对如何在小班益智区投放材料做了一次实践研究，目的就是最大程度的发挥益智区材料的教育功能，提高其教育价值，从而促进幼儿创造力、想象力的开发。

2.操作方法

在研究中我们总体上采用从实际出发的行动研究法，在益智区内按计划投放各种材料，然后进行调查、观察及个案分析，看材料的投放数量、色彩、大小、难易等是否适中，对幼儿的创新有没有影响，幼儿对所投放的材料是否感兴趣等，然后再不断地进行调整、充实和完善。

3.具体操作

3.1区域活动材料的情境性。我们在创设多种材料组合的情境时要满足孩子的多种需求。在投放材料时就要以幼儿的生活经验为基础，强调材料的可操作性，使材料适应幼儿的特点和需要，让幼儿能主动地和材料互动起来。

3.2材料的提供要有趣味性，激发幼儿的兴趣。区域活动是小班活动中一个比较重要的活动之一。区域活动的教育功能主要通过材料来表现。在提供材料前，教师一定要事先了解幼儿的生活经验与兴趣，根据幼儿的兴趣投放材料。

在益智区幼儿对拼图游戏比较感兴趣。我们在材料的投放上逐步适应幼儿的发展需要，给幼儿提供了拼板，让他们自己充分的想象，自由的发挥来进行创作。主要有以下几种形式：图像组合拼图游戏；拼板游戏；几何图形拼图游戏。

3.3投放的材料要新颖，颜色鲜艳。针对小班幼儿的年龄特点，在选取材料时，要首先形状有趣的，从外形上先对他们产生吸引力。另外，材料的颜色也会对幼儿产生一定的影响，幼儿往往会喜欢一些较为鲜艳的颜色。

3.4在投放材料时要紧扣活动目标，遵循知识内部的逻辑规律。“操作材料应暗含幼儿通过操作能够达到适宜的教育目标的内容”。在设计操作材料时，教师要从目标出发，把教育意图和要求融入材料中，充分挖掘材料的潜在价值，发挥其最大的功效。

3.5提供的材料要丰富，做到一物多用。虽然丰富的操作材料能调动幼儿参与活动的积极性，但是丰富的材料并不是越多越好。操作材料不在于多，而在于能否配合恰当，充分发挥其效益。

3.6循序渐进、由易到难，投放不同层次的材料。在区域活动中，幼儿活动的对象是材料，要想激发幼儿学习的主动性，让他们在愉快的环境中主动观察，发现问题，独立思考，并解决问题，就需要投放那些适应幼儿的年龄特点、经验、能力和需要的材料。每种材料的不同，幼儿的操作方法也不同，幼儿在活动过程中所获得的知识经验也就不同。

①要有层次性。幼儿在完成了一种材料的排序后，可再更换不同层次的材料，满足幼儿不同的需要。②要符合幼儿年龄特点。年龄小的幼儿思维具体形象，注意力集中时间短，学习经验少。为他们设计的操作材料应形象具体，游戏性强，适合独立操作。

小班：2-3种即可；中班：3-6种；大班：6-10种。

在学习分类时，可参考如下：小班：一种特征为主，如颜色；中班：两种特征，如颜色、形状；大班：三维、思维特征，如颜色、形状、大小。

同时，根据幼儿的认知特点，在提供材料时要考虑适合每一阶段特点的材料，让幼儿在活动中积累有关经验，逐渐向下一阶段过渡。

3.7对投放的材料要做到及时更换。我们发现班上孩子对“益智区”这一区角活动不太感兴趣时，通过对幼儿的调查、了解，有一半以上的幼儿认为益智区老是那几种东西，我都会了，不想再玩了。没有及时更换操作材料，致使我们的益智区逐渐变得只是一种摆设，很少有孩子去光顾。操作材料缺少经常性的变化，造成不能吸引幼儿主动地参与活动，从而阻碍了区域活动的深入开展。

四、结束语

经过一学期的不断实践，反复探索，根据我们平时的记录、统计，再不断的操作，已取得初步的成果。只有当材料与幼儿真正地互动起来，才能初步达到我们的预期目的，才有可能充分发挥材料的价值，才能实现区角活动的意义，从而使幼儿的潜能得到开发，调动幼儿的学习兴趣，体验其中的乐趣，能够做到“学中玩，玩中学”。

最后，我所要强调的就是，作为教师还要注意到幼儿生理、心理发展的特点，提供趣味性、可操作性、多功能性的材料。材料的投放直接影响着幼儿是否能主动参与操作。特别是益智区必须提供能反映该科学知识的直观形象的幼教玩具和具体事物，提供有趣的能激发幼儿探索欲望的材料，增强幼儿学习探索的兴趣。

有了现在的基础，我们会更加的坚定信念，一如既往地坚持下去，让我们的区角活动的价值得以充分地体现。

参考文献：

[1]李淑贤，姚伟.幼儿游戏理论与指导，东北师范大学出版社，1999

智能材料篇9

 

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随着现代材料科学的不断进步，作为最主要的建筑材料之一的混凝土已逐渐向高强、高性能、多功能和智能化发展。用它建造的混凝土结构也趋于大型化和复杂化。然而混凝土结构在使用过程中由于受环境荷载作用。疲劳效应、腐蚀效应和材料老化等不利因素的影响，结构将不可避免地产生损伤积累、抗力衰减，甚至导致突发事故。为了有效地避免突发事故的发生，延长结构的使用寿命，必须对此类结构进行实时的“健康”监测，并及时进行修复。现有的无损检测方法，如声波检测x射线及c扫描等，只能定性检测，而不能定量、数据化处理，更主要的是不能实现实时监测。因而对结构内部状态的监测和损伤估计还比较困难，甚至是不可能的。传统的混凝土结构的维修方式主要是在损伤部位进行外部的加固，而对损伤的原结构进行维修比较困难，尤其是对结构内部的损伤修复更是非常困难。随着现代社会向智能化的发展，这种停留在被动和计划模式的检测与修复方式已不能适应现代多功能和智能建筑对混凝土材料提出的要求。因此，研究和开发具有主动、自动地对结构进行自诊断、自调节、自修复、恢复的智能混凝土已成为结构一功能（智能）一体化的发展趋势[1] 

1 智能混凝土的定义和发展历史 

智能材料，指的是“能感知环境条件，做出相应行动”的材料。它能模仿生命系统，同时具有感知和激励双重功能，能对外界环境变化因素产生感知，自动作出适时。灵敏和恰当的响应，并具有自我诊断、自我调节、自我修复和预报寿命等功能。智能混凝土是在混凝土原有组分基础上复合智能型组分，使混凝土具有自感知和记忆，自适应，自修复特性的多功能材料。根据这些特性可以有效地预报混凝土材料内部的损伤，满足结构自我安全检测需要，防止混凝土结构潜在脆性破坏，并能根据检测结果自动进行修复，显著提高混凝土结构的安全性和耐久性。正如上面所述，智能混凝士是自感知和记忆、自适应。自修复等多种功能的综合，缺一不可，以目前的科技水平制备完善的智能混凝土材料还相当困难。但近年来损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土。仿生自愈合混凝土等一系列智能混凝土的相继出现；为智能混凝土的研究打下了坚实的基础。 

1.1 损伤自诊断混凝土 

自诊断混凝土具有压敏性和温敏性等自感应功能。普通的混凝土材料本身不具有自感应功能，但在混凝土基材中复合部分其它材料组分使混凝土本身具备本征自感应功能。目前常用的材料组分有：聚合类、碳类、金属类和光纤。其中最常用的是碳类、金属类和光纤。下面主要介绍2种当前研究比较热门的损伤自诊断混凝土。 

1.1.1　碳纤维智能混凝土 

碳纤维是一种高强度、高弹性且导电性能良好的材料。在水泥基材料中掺入适量碳纤维不仅可以显著提高强度和韧性，而且其物理性能，尤其是电学性能也有明显的改善，可以作为传感器并以电信号输出的形式反映自身受力状况和内部的损伤程度。将一定形状、尺寸和掺量的短切碳纤维掺入到混凝土材料中，可以使混凝土具有自感知内部应力、应变和操作程度的功能。通过观测，发现水泥基复合材料的电阻变化与其内部结构变化是相对应的。碳纤维水泥基材料在结构构件受力的弹性阶段，其电阻变化率随内部应力线性增加，当接近构件的极限荷载时，电阻逐渐增大，预示构件即将破坏。而基准水泥基材料的导电性几乎无变化，直到临近破坏时，电阻变化率剧烈增大，反映了混凝土内部的应力一应变关系。根据纤维混凝土的这一特性，通过测试碳纤维混凝土所处的工作状态，可以实现对结构工作状态的在线监测[2]。在入碳纤维的损伤自诊断混凝土中，碳纤维混凝土本身就是传感器，可对混凝土内部在拉、压、弯静荷载和动荷载等外因作用下的弹性变形和塑性变形以及损伤开裂进行监测。试验发现，在水泥浆中掺加适量的碳纤维作为应变传感器，它的灵敏度远远高于一般的电阻应变片。在疲劳试验中还发现，无论在拉伸或是压缩状态下，碳纤维混凝土材料的体积电导率会随疲劳次数发生不可逆的降低。因此，可以应用这一现象对混凝土材料的疲劳损伤进行监测。通过标定这种自感应混凝土，研究人员决定阻抗和载重之间的关系，由此可确定以自感应混凝土修筑的公路上的车辆方位、载重和速度等参数，为交通管理的智能化提供材料基础。 

碳纤维混凝土除具有压敏性外，还具有温敏性，即温度变化引起电阻变化（温阻性）及碳纤维混凝土内部的温度差会产生电位差的热电性（seebeck效应）。试验表明，在最高温度为70℃，最大温差为15℃的范围内，温差电动势（e）与温差t之间具有良好稳定的线性关系。当碳纤维掺量达到一临界值时，其温差电动势率有极大值，且敏感性较高，因此可以利用这种材料实现对建筑物内部和周围环境变化的实时监控；也可以实现对大体积混凝土的温度自监控以及用于热敏元件和火警报警器等可望用于有温控和火灾预警要求的智能混凝土结构中。 

碳纤维混凝土除自感应功能外，还可应用于工业防静电构造。公路路面、机场跑道等处的化雪除冰。钢筋混凝土结构中的钢筋阴极保护。住宅及养殖场的电热结构等。 

1.1.2 光纤传感智能混凝土 

光纤传感智能混凝土[3]，即在混凝土结构的关键部位埋人入纤维传感器或其阵列，探测混凝土在碳化以及受载过程中内部应力、应变变化，并对由于外力、疲劳等产生的变形、裂纹及扩展等损伤进行实时监测。光在光纤的传输过程中易受到外界环境因素的影响，如温度、压力、电场、磁场等的变化而引起光波量如光强度、相位、频率、偏振态的变化。因此人们发现，如果能测量出光波量的变化，就可以知道导致光波量变化的温度、压力、磁场等物理量的大小。于是，出现了光纤传感技术。近年来，国内外进行了将光纤传感器用于钢筋混凝土结构和建筑检测这一领域的研究，开展了混凝土结构应力、应变及裂缝发生与发展等内部状态的光纤传感器技术的研究，这包括在混凝土的硬化过程中进行监测和结构的长期监测。光纤在传感器中的应用，提供了对土建结构智能及内部状态进行实时、在线无损检测手段，有利于结构的安全监测和整体评价和维护。到目前为止，光纤传感器已用于许多工程，典型的工程有加拿大caleary建设的一座名为beddington tail的一双跨公路桥内部应变状态监测；美国winooski的一座水电大坝的振动监测；国内工程有重庆渝长高速公路上的红槽房大桥监测和芜湖长江大桥长期监测与安全评估系统等。 

1.2 自调节智能混凝土 

自调节智能混凝土具有电力效应和电热效应等性能。混凝土结构除了正常负荷外，人们还希望它在受台风、地震等自然灾害期间，能够调整承载能力和减缓结构振动，但因混凝土本身是惰性材料，要达到自调节的目的，必须复合具有驱动功能的组件材料，如：形状记忆合金（sma）和电流变体（er）等。形状记忆合金具有形状记忆效应（sme），若在室温下给以超过弹性范围的拉伸塑性变形，当加热至少许超过相变温度，即可使原先出现的残余变形消失，并恢复到原来的尺寸。在混凝土中埋入形状记忆合金，利用形状记忆合金对温度的敏感性和不同温度下恢复相应形状的功能，在混凝土结构受到异常荷载于扰时，通过记忆合金形状的变化，使混凝土结构内部应力重分布并产生一定的预应力，从而提高混凝土结构的承载力。 

电流变体（er）是一种可通过外界电场作用来控制其粘性、弹性等流变性能双向变化的悬胶液。在外界电场的作用下，电流变体可于0.1ms级时间内组合成链状或网状结构的固凝胶，其初度随电场增加而变调到完全固化，当外界电场拆除时，仍可恢复其流变状态。在混凝土中复合电流变体，利用电流变体的这种流变作用，当混凝土结构受到台风，地震袭击时调整其内部的流变特性，改变结构的自振频率、阻尼特性以达到减缓结构振动的目的。 

有些建筑物对其室内的湿度有严格的要求，如各类展览馆、博物馆及美术馆等，为实现稳定的湿度控制，往往需要许多湿度传感器、控制系统及复杂的布线等，其成本和使用维持的费用都较高。日本学者研制的自动调节环境温度的混凝土材料自身即可完成对室内环境湿度的探测，并根据需要对其进行调控。这种混凝土材料带来自动调节环境湿度功能的关键组分是沸石粉。其机理为：沸石中的硅酸钙含有（3－9）x10－10m的孔隙。这些孔隙可以对水分、n0x和 s0x气体选择性的吸附。通过对沸石种类进行选择，可以制备符合实际应用需要的自动调节环境湿度的混凝土复合材料。它具有如下特点：优先吸附水分；水蒸气压力低的地方，其吸湿容量大；吸、放湿与温度相关，温度上升时放湿，温度下降时吸湿。 

1.3 自修复智能混凝土 

混凝土结构在使用过程中，大多数结构是带缝工作的。混凝土产生裂缝，不仅强度降低，而且空气中的co2、酸雨和氯化物等极易通过裂缝侵人混凝土内部，使混凝土发生碳化，并腐蚀混凝土内的钢筋，这对地下结构物或盛有危险品的处理设施尤为不利，一旦混凝土发生裂缝，要想检查和维修都很困难。自修复混凝土就是应这方面的需要而产生的。在人类现实生活中可以见到人的皮肤划破后，经一段时间皮肤会自然长好，而且修补得天衣无缝；骨头折断后，只要接好骨缝，断骨就会自动愈合。自愈合混凝土[4]就是模仿生物组织，对受创伤部位自动分泌某种物质，而使创伤部位得到愈合的机能，在混凝土传统组分中复合特性组分（如含有粘结剂的液芯纤维或胶囊）在混凝土内部形成智能型仿生自愈合神经网络系统，模仿动物的这种骨组织结构和受创伤后的再生、恢复机理。采用粘结材料和基材相复合的方法，使材料损伤破坏后，具有自行愈合和再生功能，恢复甚至提高材料性能的新型复合材料。在日本，以东北大学三桥博三教授为首的日本学者将内含粘结剂的胶囊或空心玻璃纤维掺入混凝土材料中，一旦混凝土在外力作用下发生开裂，部分胶囊或空心玻璃纤维破裂，粘结液流出并深人裂缝。粘结液可使混凝土裂缝重新愈合。美国伊利诺伊斯大学的carolyn dry在1994年采用类似的方法，将在空心玻璃纤维中注人缩醛高分子溶液作为粘结剂埋人混凝土中使混凝土具有自愈合功能。在此基础上carolyn dry还根据动物骨骼的结构和形成机理，尝试制备仿生混凝土材料，其基本原理是采用磷酸钙水泥（含有单聚物）为基体材料，在其中加人多孔的编织纤维网。在水泥水化和硬化过程中，多孔纤维释放出聚合反应引发剂与单聚物聚合成高聚物，聚合反应留下的水分参与水泥水化。这样便在纤维网的表面形成大量有机与无机物，它们相互穿插粘结，最终形成的复合材料是与动物骨骼结构相似的无机与有机相结合的材料，具有优异的强度及延性等性能。而且在材料使用过程中，如果发生损伤，多孔有机纤维会释放高聚物，愈合损伤。 

2 智能混凝规究现状和应注意的问题 

前面所述的自诊断、自调节和自修复混凝土是智能混凝土研究的初级阶段，它们只具备了智能混凝土的某一基本特征，是一种智能混凝土的简化形式。因此有人也称之为机敏混凝土。然而这种功能单一的混凝土并不能发挥智能混凝土作用，目前人们正致力于将2种以上功能进行组装的所谓智能组装混凝土材料的研究。智能组装混凝土材料是将具有自感应、自凋节和自修复组件材料等与混凝土基材复合并按照结构的需要进行排列，以实现混凝土结构的内部损伤自诊断、自修复和抗震减振的智能化。 

智能混凝土具有广阔的应用前景，但作为一种新型的功能材料，如果投入实际工程，还有很多问题需要进一步地研究：如碳纤维混凝土的电阻率稳定性、电极布置方式、耐久性等；光纤混凝土的光纤传感阵列的最优排布方式；自愈合混凝土的修复粘结剂的选择。封人的方法以及愈合后混凝土耐久性能的改善等。解决上述一系列问题将对智能混凝土今后的发展产生深远的影响。为促进智能混凝土研究工作的顺利开展有必要就以下几点形成共识： 

（1）开发应有针对性。所谓针对性就是要针对混凝土性能发生恶化和结构发生破坏等现象，考虑不同的智能方法，如针对这些现象，设想开发出一种能应对所有这些情况的手段是很困难的，因此，缩小智能化范围，以某种功能为对象，从而开发出相对最适应的方法是必要的。 

（2）实施中应具有可行性。浇注混凝土多在施工现场进行，因而作为智能混凝土的施工方法，对其技术与工艺要求不能过高。应以原有工艺为基础开发相应的较为简单的方法。选用的材料应具有化学稳定性，要有利于安全使用，不挥发任何有刺激的气味和其它有害物质，并能大量应用而且成本较低。 

（3）设计应具有综合性。采用智能化，虽然可以提高材料的耐久性，但也会带来负面作用。如由于使用了某种材料虽然能对某种恶化现象进行控制和改善，但是否会对强度等其它性能有所影响，所有这些正反两方面的问题都必须在判断和设计时进行综合考虑和权衡。 

智能材料篇10

我们通常所说的智能控制主要包括室内温湿度自动调节、光调节、智能节能、物联网、智能音视频、节能等内容系统；智能安防主要包括身份识别、智能锁、监控系统等。而聪明的房子，未来的生活，都离不开智能材料在相生环境中的作用，也是连接智能产品或智能系统的纽带。

智能材料在建筑中的应用广泛，结构型智能建筑材料可对建筑结构的性能进行预先的检测和预报，不仅大大减少结构维护费用，更重要的是可避免由于结构破坏而造成的严重危害。建设部建筑智能化技术专家委员会主任委员张文才先生说“安全，舒适，宜居，才是智能化家居的初衷”。

【部分材料正在普及】

控温调湿是我们居住环境的智能体现，也是目前许多商家和地产开发商正在普及的。在采访南京高旭建材有限公司的高级工程师何先生时，他以建筑中的功能元素之一湿度调节为例，阐述智能材料的优势。“若使用当前的智能建筑技术，需要通过HVAC（Heating Ventilating and Air Conditioning） 系统实现，能耗很大。”而一些建筑材料本身具有调节湿度的功能，可以充分加以利用。传统材料中比如木材的平衡含水率作用、石膏的“呼吸”作用，这二者都可随空气湿度的变化吸收或放出水分，但新开发的某些智能材料其调湿作用更明显”。也就是说用智能材料会比传统材料省时省财，节能实用。

TIM材料（保温隔热透明外墙）和电泳玻璃

鑫山幕墙的总工程设计师李树兵先生以意大利米兰设计师Ennio Arosio设计的玻璃房子为例，材料都是由高度透明的、超高强度的玻璃构成，其玻璃厚度6—7毫米，可在冬季特别的加热，这其中便使用到了TIM材料（保温隔热透明外墙）和电泳玻璃。电泳玻璃是在双层玻璃面上有透明的导电涂层，中间充满悬浮液。当通电时，悬浮液中的黑色针状悬浮颗粒产生定向排列，改变透明度；根据电压大小也可连续调光。

特点：像这种在玻璃房子的设计是一种完全公开的、有悖于常人所习惯的、没有任何遮掩束缚的家庭生活。与传统墙体材料相比却更能充分保证保暖、物理安全。恰如其分地使用好智能材料，是智能化家居的根本；使人过上一种回归自然的生活，也应该是未来人们期望倡导的生活方式。

X提示：依托电等媒介，虽然强度高，但如果出现破损情况，会漏电，存在一定程度上的安全隐患。此外，造价高，施工辅料价格高，也是商家头疼的问题。

感光乳胶漆

家居中常用的乳胶剂也该更新换代，如今智能可调光乳胶漆由德国研究正式问世，这种乳胶漆是在组分中加入“可逆变光剂”、“复合高分子稳定剂”等符合材料，使产品可自动调节光亮度自动适应环境。

特点：很多的资料中提到智能家居中的光线可调特点，大部分归功于电子科技的应用，却往往忽略涂料的智能感应也起到了至关重要的作用，智能不仅依靠电子科技的能耗达到所需要的效果。

X提示：价格高，普通家居中对产品的认识往往停留在传统产品上。

露珠仙外墙涂料

一个聪明的家从内到外智慧组成，外部也有其独特的智能清洁方法。德国波恩大学的Barthlott博士多年从事荷叶效应的生物研究，以他为主研发的露珠仙外墙涂料，仿生荷叶叶面微结构，利用荷叶效应产生自清洁效果，通过放大7000倍的显微镜可以看到荷叶使水和尘埃在其表面的接触面积减少了90%多，水被排除得几乎毫无残留，并带走了每一颗附在水中的尘埃颗粒。同样，在放大到7000倍的显微镜下，露珠仙也具备了这一特性。

特点：据悉，“露珠仙”已来到中国市场，青岛化工部海洋涂料研究所相关研究人员表示，高性能水性防污涂料正是受到了露珠仙外墙涂料的启发，新型的涂料将给使用者带来更好更多的选择，更人性化，建筑的后期维护成本将会大大减少。

X提示：产品初进中国，产品技术在符合中国市场中会有所调动，成本造价过高。设计师在建筑设计时往往忽略这种新技术的应用，市场接受度比较低。

聚能发光石英石

蓄能发光石材又称为光致光超长余晖蓄光材料。经验侧无任何放射元素，非夜光剂添加，无电源自发光材料，该材料主动吸蓄太阳光、灯光、紫外光、杂散光等可见光5-10分钟后，就可在黑暗中持续发光12小时以上，并且无限次循环发光，可根据实际需要，使其发出红绿蓝黄紫，等多种炫丽光色。

特点：无辐射、无污染的绿色新型的建材产品。具备天然石材的外观和性能，又具备夜间发光的特殊装饰效果。改掉以往灯光装饰与石材各占一角各主其事的局面，使二者有机的结合到一起，给建筑物增添艺术情调及靓丽效果。不仅体现节能环保的理念，更充分展示出城市的低炭生活和对美的追求与享受。

X提示：虽然施工方面与普通石材并无两异，但成本造价比传统石板材造价要高出一倍。目前国内拥有此技术及实力的商家尚为少数，在市场竞争方面可以说独占鳌头。

电介弹性复合材料

电介弹性复合材料（Dielectric Elastomer），简称DE，属于电活性聚合物（Electroactive polymers）EAP之一种，能在直流电场作用下产生极大的应变和弹性能。电介弹性复合材料在建筑上的应用还处于概念研究阶段。

特点：2011年纽约建筑师德科雅顿（Decker Yeadon）提出了自稳定立面（Homeostatic Facade）的幕墙原型方案，旨在创造一个低能耗的、自动调节太阳热量和采光的高层幕墙体系该系统的优点是具实时应变性，建筑随时间更替可产生不同的美学效应，而且这样的实时条件只以加载电流为前提，材料本身既是遮阳系统又是驱动器，所有变化都在局部内完成。如果建筑立面为曲面，就会产生统一系统不同变化的美学效果。

X提示：由于采用不规则图案的方式，采光效果未必能达到均匀和舒适，而以全覆盖的方式应用在大型项目中时，造价控制成为难以克服的问题，另外和外遮阳系统比较，在热带地区温度过高的问题仍然不易解决。

【新变革亟待发展】

除了内外部显而易见的建材，家居中为保障智能化产品正常运作，提升生活质量，不得不在优化通讯方面下足功夫。根据专业人士的介绍，目前智能化家居的样板中会使用电磁屏蔽混凝土，这种通过掺入金属粉末导电纤维等形成的低电阻导体材料，能在提高混凝土结构性能的同时，能够屏蔽和吸收电磁波，降低电磁辐射污染，提高室内电视影像和通讯质量。根据南京高旭建材有限公司的有关人员介绍，目前这种混凝土还暂时处于试用阶段，还打不到要普及的程度，一来是成本相对要高一些，二来是建筑设计的意识还没有顾及到。

上海汇博新型建材研究所卢工介绍，建筑电活性聚合物在建筑上的应用还停留在实验室和概念阶段，2010年底苏黎世联邦理工大学（ETHZ）的建筑系和瑞士联邦材料科学实验室的联合研究项目，形变（Shape shift）——走向软质建筑，研究了如何应用EAP来构建一个可动态地适应外部环境的轻质结构系统。