¿Dirección de aplicación y desarrollo de materiales inteligentes en estructuras de ingeniería civil?

Con base en las características de los materiales inteligentes, se introducen las características básicas de los materiales inteligentes, como los materiales de fibra óptica, las aleaciones con memoria de forma, los materiales piezomagnéticos, el hormigón con fibra de carbono y los materiales piezoeléctricos, después de analizar las ventajas de cada uno. material inteligente. Este artículo se centra en analizar el estado actual de la aplicación de materiales inteligentes en estructuras de ingeniería civil. Sobre la base de resultados de investigaciones relevantes, se exponen los problemas existentes en el proceso de desarrollo de materiales inteligentes y se presentan sugerencias sobre las perspectivas futuras de investigación y desarrollo de materiales inteligentes.

Introducción

Si se pueden aplicar materiales inteligentes a estas estructuras de ingeniería a gran escala para evaluar el desempeño de seguridad correspondiente, monitorear los daños y repararlas inteligentemente en todo momento, será el futuro. La construcción de ingeniería proporciona nuevas ideas de desarrollo. Los llamados materiales inteligentes se refieren a nuevos materiales que pueden responder de manera precisa, eficiente y adecuada a los cambios en las condiciones ambientales y estados internos en cualquier momento, y también tienen funciones como análisis independiente, autoajuste y reparación automática. Inspirándose en la disciplina de la biónica, su objetivo es desarrollar materiales que puedan utilizarse en proyectos específicos para convertir materiales inorgánicos en vitalidad. La aparición de sistemas de estructura de materiales inteligentes a principios de la década de 1990 ha atraído la participación de investigadores de los campos de la física, la química, la electrónica, la aeroespacial, la ingeniería civil y otros campos, y ha logrado resultados fructíferos.

1 El concepto y las características de los materiales inteligentes

Los materiales inteligentes se originaron a partir de "Adaptive Materials" (Adaptive Material-rial). Con el esfuerzo de Rogers, Claus y otros, se crearon sistemas de materiales inteligentes. Poco a poco ha sido reconocido y valorado por organismos oficiales de todo el mundo y se ha desarrollado rápidamente. El material inteligente (IM) actualmente no tiene una definición clara, pero generalmente se define en función de su función. Es la cuarta generación de materiales después de los materiales naturales, los materiales poliméricos sintéticos y los materiales diseñados artificialmente. Los antecedentes de la aparición de materiales inteligentes determinan sus ventajas únicas y determinan que eventualmente generarán importantes innovaciones en la ciencia de los materiales. En términos generales, los materiales inteligentes tienen las siguientes siete funciones: (1) Sensación: capaz de monitorear e identificar efectos internos y externos; (2) Retroalimentación: transmitir y retroalimentar información obtenida a través del monitoreo (3) Identificación y acumulación de información: Identificar y; recordar información de retroalimentación; (4) Respuesta: Dar respuestas flexibles y efectivas a los cambios internos y externos; (5) Autodiagnóstico: Implementar autodiagnóstico, análisis y evaluación de información interna y externa; Reparar fallas del sistema según métodos específicos.

2 Aplicación de materiales inteligentes en estructuras de ingeniería civil

2.1 Fibra óptica

El principal componente químico de la fibra óptica es la sílice, que se utiliza como aislante para transmisión de información.Es un medio excelente y tiene capacidades conductoras incomparables con cualquier otro material. El material se compone principalmente de un medio transparente cilíndrico interior y un medio transparente anular exterior. La capa interior es el núcleo y la capa exterior es el revestimiento. La diferencia en el índice de refracción entre las capas interna y externa puede garantizar que la luz que transporta información pierda menos energía en la fibra y tenga una distancia de transmisión más larga. La fibra óptica se implanta en la estructura de hormigón para formar una estructura de hormigón de fibra óptica. Cuando la estructura de hormigón se deforma debido a cambios en factores externos, las fibras implantadas en la estructura de hormigón también cambian, lo que a su vez hace que la luz en las fibras cambie. Los sensores correspondientes pueden obtener directamente los cambios, determinando así indirectamente varios aspectos de la estructura. estructura de concreto.Este cambio de desempeño permite un seguimiento integral de la estructura y proporciona orientación técnica para la sostenibilidad del proyecto.

2.2 Aleación con memoria de forma

Qué es una aleación con memoria de forma, es decir, el material tiene capacidad de memoria de forma. Cuando se cambia la forma del material, se puede estimular su efecto de memoria inherente, lo que generará automáticamente tensión y tensión de recuperación, devolviendo el material a su forma original. Al mismo tiempo, los materiales de aleación pueden transmitir energía y lograr almacenamiento de energía. En vista de esto, los materiales con memoria se pueden colocar en la estructura durante la ingeniería. Cuando la estructura se deforma, agrieta, daña o se ve afectada por cargas dinámicas externas, la mayor parte de la energía puede ser consumida por el material de aleación con memoria, lo que puede mejorar enormemente. la estabilidad de la estructura. Si el material se aplica a estructuras de edificios en áreas propensas a terremotos, absorberá y disipará la energía sísmica y mejorará en gran medida el rendimiento sísmico del edificio. La superelasticidad de cambio de fase de los materiales de aleación con memoria de forma permite su uso para fabricar amortiguadores que disipan energía y logran un control pasivo inteligente.

Al mismo tiempo, debido a que su cambio de fase provocará la generación de un bucle de histéresis superelástico, el material tiene una resistencia a la fatiga extremadamente alta. La vida útil del amortiguador fabricado en base a esto es mucho más larga que la de los amortiguadores comunes y la calidad estructural. se puede mejorar mucho.

2.3 Materiales piezomagnéticos

Los materiales piezomagnéticos convencionales en el campo de la ingeniería civil incluyen principalmente materiales magnetorreológicos y materiales inteligentes magnetoestrictivos. Bajo la influencia de un campo magnético externo, la plasticidad viscoelástica del sistema de suspensión de fluido magnetorreológico cambiará significativamente y este cambio es reversible. Cuando el campo magnético externo excede una cierta intensidad, la magnetorreología también se convertirá en un estado sólido en muy poco tiempo. Microscópicamente, las partículas de fase dispersa del material forman una estructura de cadena a lo largo de la dirección del campo magnético. Las propiedades variables únicas de los fluidos magnetorreológicos entre líquidos y sólidos, así como el bajo consumo de energía, la amplia gama de cambios y el bajo costo al controlar estas propiedades, hacen de los fluidos magnetorreológicos una opción importante en estructuras de ingeniería. Actualmente, los fluidos magnetorreológicos se utilizan principalmente en muchos campos, como puentes de control de componentes y conmutación de fuentes de alimentación de alta velocidad. Y la aplicación del fluido magnetorreológico en el campo de la ingeniería civil se concentra principalmente en edificios de gran altura, torres, pórticos de grandes luces y estructuras de grandes luces. Al mismo tiempo, los materiales magnetoestrictivos inteligentes con altos efectos magnetoestrictivos pueden garantizar la conversión directa y reversible de materiales entre campos mecánicos y electromagnéticos, por lo que tienen amplias perspectivas de aplicación.

2.4 Materiales de hormigón con fibra de carbono

El hormigón tiene una amplia gama de funciones en ingeniería, por lo que la mejora de los materiales de hormigón está cada vez más respaldada por investigadores científicos y profesionales de la ingeniería. La aparición de la fibra de carbono. El hormigón es un producto importante del desarrollo de este campo. Agregar una cierta proporción de fibra de carbono al hormigón puede darle al material concreto una función impulsora y una autoinducción intrínseca. Como material con alta resistencia, alta elasticidad y alta conductividad, la adición de fibra de carbono puede mejorar en gran medida la resistencia y tenacidad del concreto, y se formará una red conductora con resistencia entre las fibras de carbono, que actúa como una barrera a la conductividad en el material, reduciendo en gran medida la resistividad del material concreto, provocando así un cambio significativo en la conductividad del material en un orden de magnitud. Lo que no se puede ignorar es que la conductividad eléctrica de este hormigón muestra respuestas regulares a los cambios de temperatura y estrés. Al mismo tiempo, el hormigón con fibra de carbono se comporta como un cambio en la resistencia causado por los cambios de temperatura, y la diferencia de temperatura dentro del material también derivará en un efecto termoeléctrico. Bajo la acción de un campo eléctrico, el hormigón con fibra de carbono producirá un efecto de cambio térmico. (efecto térmico y deformación). El contenido de fibra de carbono y la estructura del material de hormigón afectan la sensibilidad a la temperatura del material. Cuando el contenido de fibra de carbono excede una cierta proporción, es probable que el material forme una fuerza electromotriz relativamente estable. Hay dos formas principales de incorporar fibra de carbono: distribución aleatoria picada y refuerzo unidireccional de haz continuo de fibras de carbono. La adopción de diferentes métodos de mezcla puede fortalecer y mejorar las propiedades mecánicas del hormigón con fibra de carbono en diversos grados. La práctica de ingeniería demuestra que el primer método es más práctico.

3 Desarrollo futuro de materiales inteligentes

3.1 Desarrollo del rendimiento de materiales inteligentes

Los materiales inteligentes tienen propiedades superiores únicas y amplias perspectivas de desarrollo, pero debido a esto, el campo está a la vanguardia de la investigación multidisciplinaria, y los problemas existentes también deben estudiarse con urgencia:

(1) El descubrimiento de las aleaciones con memoria de forma ha cambiado muchos conceptos tradicionales. La ley de Hooke básicamente ya no se aplica a los materiales de aleación. Su función inteligente dificulta que los métodos tradicionales de investigación mecánica expliquen razonablemente su mecanismo interno. Por lo tanto, los investigadores deben encontrar otra forma de volver a explorar los principios de este nuevo material desde perspectivas tanto macro como micro, y establecer algunas prácticas y relativamente prácticas. Métodos Teorías y modelos sólidos para proporcionar orientación estandarizada para prácticas de ingeniería específicas. Al mismo tiempo, la aleación con memoria de forma actual no es perfecta y sus deficiencias, como el alto consumo de energía y la función única, la hacen poco práctica. La capacidad de desarrollar controladores multifuncionales, de alto rendimiento y de bajo consumo de energía es un aspecto importante. dirección para futuras investigaciones.

(2) Es previsible que los materiales piezoeléctricos se conviertan en el elemento sensor preferido para la medición mecánica en estructuras de ingeniería, sin embargo, su principal problema es su pequeña fuerza motriz, aunque ya existen algunas tecnologías para compensar. Sin embargo, para estructuras de ingeniería civil a gran escala, los materiales piezoeléctricos no se pueden aplicar directamente. El análisis teórico complejo, la difícil integración de la investigación y el desarrollo de tecnología y la dificultad de desarrollar tecnología de actuadores piezoeléctricos y métodos de diseño son limitaciones del futuro. El desarrollo de materiales piezoeléctricos es la dificultad, el punto crítico y el foco de la investigación.

3.2 Problemas de investigación de materiales inteligentes

En vista de los principales problemas que enfrentan los propios materiales, la investigación de aplicaciones futuras en el campo de la ingeniería civil tiene principalmente los siguientes problemas: (1) Estructural monitoreo y mantenimiento de la salud; (2) Forma de materiales y estructuras adaptables; (3) Control adaptativo de la reducción de vibraciones estructurales, resistencia a terremotos, resistencia al viento y reducción de ruido. Una mayor investigación sobre estos temas ayudará a mejorar la calidad de los proyectos, reducirá la probabilidad de accidentes catastróficos, fortalecerá la seguridad y confiabilidad de los proyectos, promoverá el desarrollo de alta tecnología en el campo de la ingeniería civil y ayudará a inyectar nuevo impulso y oportunidades de desarrollo en el campo de la ingeniería civil.

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