探討土木工程中新型功能材料的應用進展

探討土木工程中新型功能材料的應用進展

　　形狀記憶效應的一個重要表現形式是形狀記憶合金一般具有超彈性，下面是小編搜集整理的一篇探究土木工程中新型功能材料應用進展的論文范文，供大家閱讀參考。

　　【摘 要】形狀記憶合金是近年來一種受到廣泛關注的新型功能材料，是一種集執行、驅動、傳感于一體的特殊材料，由于其優良的穩定性、阻尼性能、超彈性、特有的形狀記憶效應、耐腐蝕性和抗疲勞性，使其在土木工程中得到越來越多的應用。

　　【關鍵詞】形狀記憶合金;應用;研究;性能

　　1 形狀記憶合金的特點

　　形狀記憶效應(Shape memory effect， SME)的產生主要來自于馬氏體相變。所謂馬氏體相變(Stress induced Martensitic trans formation， SIM)就是指具有熱彈性(半熱彈性)或應力的形狀記憶合金(Shape memory alloys， SMAs)在馬氏體狀態下進行一定限度的塑性變形。當不斷給材料加熱溫度上升，并超過了馬氏體相變的溫度時，材料的塑性變形就會消失，恢復到未發生變形時的形狀和體積。形狀記憶效應主要分為兩種，分別是單程形狀記憶效應(One ways shape mem ory effect： OWSME)和雙程形狀記憶效應(Two way shape memory effect： SME)。目前應用比較廣泛的主要有Fe基、Cu基及Ti-Ni基的三種形狀記憶合金。Fe基的形狀記憶合金屬于半熱彈性的形狀記憶合金，而后兩種則是熱彈性的形狀記憶合金。在建筑工程中應用得較多的是Ti-Ni基的形狀記憶合金。形狀記憶合金的應用越來越廣泛，是由其獨特的力學性能和物理性能決定的，形狀記憶合金的阻尼性能、超彈性和形狀記憶效應使其應用在建筑工程中，能發揮獨特的效用。

　　1.1 超彈性

　　形狀記憶效應的一個重要表現形式是形狀記憶合金一般具有超彈性。超彈性是指馬氏體溫度達到相變溫度(Ms)時，如果被繼續加熱，并施加一定的應力，那么此時馬氏體表現出的相變就是其超彈性的呈現。另外，如果馬氏體的逆向變溫度為(As)時，繼續給馬氏體加熱，并且施加一定的外力，那么馬氏體母相的自由能就會增加，馬氏體會發生相變，與此同時，馬氏體還會產生宏觀“塑性”變形。之所以說宏觀，是因為這種變形是肉眼可以辨識到了，而“塑性”形變并不是由滑移引起的，而是由相變引起的。之后發生的是卸載過程，在這個過程中，馬氏體的溫度逐漸降低，自由能也逐漸降低，馬氏體逐漸向最初的形狀和體積變化，重新轉變成母相，回到未變形前的狀態。一般材料都會發生彈性形變，而應力誘發的馬氏體產生的形變，被成為超彈性形變，這是因為這種形變是普通材料形變的20倍以上。

　　1.2 阻尼性能

　　材料一般都會具備阻尼性能，也稱之為內耗，指材料在受到外力，內部經受振動變形的時候，會產生與外力相抵抗的力，從而消耗振動能力，這種材料自身損耗振動能量的能力就是材料的阻尼性能。馬氏體的相變有時候是在外力的驅使下發生的，而發生相變的過程，具體自協調性，會產生生長和成核過程，并且會形成各種界面，這些界面也會發生一定的運動，正是由于馬氏體在發生相變過程中的這些規律，使得形狀記憶合金具有很好的阻尼性能。與一般材料的阻尼性能相比，形狀記憶合金的阻尼性能要大得多，其內耗值能夠達到10-1數量級，是普通金屬的100倍。我們比較常見的阻尼性能較好的材料有阻尼塑料和阻尼橡膠等，而形狀記憶合金的阻尼性能比它們都好，強度也更好。形狀記憶合金還有一個優點就是，能夠消除由于時間的推移而帶來的可靠性發生變化以及材料老化等引起的類似問題。

　　1.3 彈性模量溫度變化特性

　　形狀記憶合金受溫度變化的影響比較明顯。在高溫下的馬氏體與在低溫下的相比，高溫下的彈性模量是低溫下的3倍以上。正是由于形狀記憶合金具有這樣的特性，將這樣的材料預埋到結構中時，需要改變結構的局部剛度或整體剛度，都可以通過給形狀記憶合金加熱或冷卻來完成。因為加熱和冷卻形狀記憶合金，都可以改變它的組織，進而控制其彈性模量的變化，并且控制其剛度，達到避開共振的目的。

　　2 形狀記憶合金在土木工程中的應用

　　形狀記憶合金由于這些獨特性能，使其在土木工程中大受歡迎，在結構防震隔震、智能混凝土等工程上都有比較好的應用。

　　2.1在減震抗震上的應用

　　在現在這個時代，自然災害頻繁發生，建筑物的抗震減震能力成為評定建筑物的一個重要指標，建設具有抗震減震能力的建筑物是非常必要的。地震發生時，如果建筑結構的固有頻率與地震載荷的輸入頻率相一致時，建筑物就會發生共振，內部各個部分之間的位移速度都會加快，就會給建筑物帶來毀滅性的破壞。在建筑工程中，防震減震一直是一個重要的課題。形狀記憶合金的出現，給建筑物的防震減震研究帶來了福音。早在20世紀末，形狀記憶合金就在建筑工程得到應用，那時意大利的能工巧匠發現形狀記憶合金具有較好的阻尼性能和超彈性，就在有歷史意義的古建筑上使用形狀記憶合金，目的是為了加固建筑物。后來發現，這些經過形狀記憶合金加固的建筑物，在相同級別的地震中巋然不動，屹立不倒。近年來，人們對形狀記憶合金在抗震減震上的關注度得到提高，研究和探索也更加深入。

　　曾經有科學家使用商用的Ti-Ni絲來做試驗，用其作為阻尼器，在地震發生器上進行試驗，然后采集數據。最后的結果是，加了Ti-Ni絲的那一組，其振幅比沒加的那一組要小89.5%。然后展開加速度響應試驗，發現加了Ti-Ni絲的那一組，其振動加速度要比沒加的那一組減少了53.9%。

　　研究形狀記憶合金在結構隔震、減震上的效果，是我國專家、學者共同關注的問題。我國科學家王社良設計了一種形狀記憶合金自復位隔振器，如圖3所示。試驗證明，這種裝置應用在建筑結構中時，使得地震發生時，結構的位移主要集中在隔震層。在建筑物的上部發生的位移會比較小，也就是說，可以使得上部結構在強震中仍然是處于彈性狀態，不會發生剛性形變。而且對每一層結構的加速度峰值進行測試，會發現這一值遠遠比非隔震結構要小，能夠增大結構的安全儲備。

　　2.2在混凝土裂紋自診斷、自修復上的應用

　　混凝土裂紋是危害建筑物安全的一個重要因素，由于很多裂紋是在建筑物內部且潛伏期長，會比較難發現且破壞性大，這樣增加了確保建筑物安全性的難度。在土木工程中，混凝土是使用最多的一種材料，不可避免的裂紋或者是局部損傷，輕則會導致結構的使用壽命降低，重則導致結構的安全得不到保證。形狀記憶合金的電阻率較大，性能穩定，可恢復應變大，對應變敏感。利用形狀記憶合金的這些特性，將其應用在混凝土結構中，尤其是在易產生裂紋的部位使用這些合金材料，能夠制成自修復、自檢測的機敏混凝土。也就是說，當混凝土結構受到外力時，混凝土結構產生變形的同時，形狀記憶合金也隨之產生變形。而當混凝土結構產生裂紋時，在出現裂紋地方的形狀記憶合金的應變就會隨之增大，并且導致合金的內部電阻值發生變化。

　　3 總結

　　記憶合金材料是新型功能材料的一種，在混凝土裂紋的自檢測和建筑結構的防震抗震上都得到了較好的應用，并且取得了很好的效果。相關學者對形狀記憶合金的研究和應用一直在進行，相信隨著研究的深入，形狀記憶合金將會得到更為深入挖掘與應用。

　　參考文獻：

　　[1]王吉軍，初奕，馬孝江，等.Ni-ti形狀記憶合金振動感知與主動控振研究[J].大連理工大學學報，2008，37(6)：736-741.

　　[2]吳曉東，王征，吳建生.用于智能材料與結構的 Ni-ti絲的電阻特性研究 [J].上海交通大學學報， 2008， 32(2)：80-83

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