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探討土木工程中新型功能材料的應(yīng)用進(jìn)展
形狀記憶效應(yīng)的一個(gè)重要表現(xiàn)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(yīng)用進(jìn)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(lái)一種受到廣泛關(guān)注的新型功能材料，是一種集執(zhí)行、驅(qū)動(dòng)、傳感于一體的特殊材料，由于其優(yōu)良的穩(wěn)定性、阻尼性能、超彈性、特有的形狀記憶效應(yīng)、耐腐蝕性和抗疲勞性，使其在土木工程中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】形狀記憶合金;應(yīng)用;研究;性能
1 形狀記憶合金的特點(diǎn)
形狀記憶效應(yīng)(Shape memory effect， SME)的產(chǎn)生主要來(lái)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(yīng)力的形狀記憶合金(Shape memory alloys， SMAs)在馬氏體狀態(tài)下進(jìn)行一定限度的塑性變形。當(dāng)不斷給材料加熱溫度上升，并超過(guò)了馬氏體相變的溫度時(shí)，材料的塑性變形就會(huì)消失，恢復(fù)到未發(fā)生變形時(shí)的形狀和體積。形狀記憶效應(yīng)主要分為兩種，分別是單程形狀記憶效應(yīng)(One ways shape mem ory effect： OWSME)和雙程形狀記憶效應(yīng)(Two way shape memory effect： SME)。目前應(yīng)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(yīng)用得較多的是Ti-Ni基的形狀記憶合金。形狀記憶合金的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，是由其獨(dú)特的力學(xué)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(yīng)使其應(yīng)用在建筑工程中，能發(fā)揮獨(dú)特的效用。
1.1 超彈性
形狀記憶效應(yīng)的一個(gè)重要表現(xiàn)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(dá)到相變溫度(Ms)時(shí)，如果被繼續(xù)加熱，并施加一定的應(yīng)力，那么此時(shí)馬氏體表現(xiàn)出的相變就是其超彈性的呈現(xiàn)。另外，如果馬氏體的逆向變溫度為(As)時(shí)，繼續(xù)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(huì)增加，馬氏體會(huì)發(fā)生相變，與此同時(shí)，馬氏體還會(huì)產(chǎn)生宏觀“塑性”變形。之所以說(shuō)宏觀，是因?yàn)檫@種變形是肉眼可以辨識(shí)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(fā)生的是卸載過(guò)程，在這個(gè)過(guò)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(zhuǎn)變成母相，回到未變形前的狀態(tài)。一般材料都會(huì)發(fā)生彈性形變，而應(yīng)力誘發(fā)的馬氏體產(chǎn)生的形變，被成為超彈性形變，這是因?yàn)檫@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(huì)具備阻尼性能，也稱之為內(nèi)耗，指材料在受到外力，內(nèi)部經(jīng)受振動(dòng)變形的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生與外力相抵抗的力，從而消耗振動(dòng)能力，這種材料自身?yè)p耗振動(dòng)能量的能力就是材料的阻尼性能。馬氏體的相變有時(shí)候是在外力的驅(qū)使下發(fā)生的，而發(fā)生相變的過(guò)程，具體自協(xié)調(diào)性，會(huì)產(chǎn)生生長(zhǎng)和成核過(guò)程，并且會(huì)形成各種界面，這些界面也會(huì)發(fā)生一定的運(yùn)動(dòng)，正是由于馬氏體在發(fā)生相變過(guò)程中的這些規(guī)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(nèi)耗值能夠達(dá)到10-1數(shù)量級(jí)，是普通金屬的100倍。我們比較常見(jiàn)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(qiáng)度也更好。形狀記憶合金還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是，能夠消除由于時(shí)間的推移而帶來(lái)的可靠性發(fā)生變化以及材料老化等引起的類(lèi)似問(wèn)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(yù)埋到結(jié)構(gòu)中時(shí)，需要改變結(jié)構(gòu)的局部剛度或整體剛度，都可以通過(guò)給形狀記憶合金加熱或冷卻來(lái)完成。因?yàn)榧訜岷屠鋮s形狀記憶合金，都可以改變它的組織，進(jìn)而控制其彈性模量的變化，并且控制其剛度，達(dá)到避開(kāi)共振的目的。
2 形狀記憶合金在土木工程中的應(yīng)用
形狀記憶合金由于這些獨(dú)特性能，使其在土木工程中大受歡迎，在結(jié)構(gòu)防震隔震、智能混凝土等工程上都有比較好的應(yīng)用。
2.1在減震抗震上的應(yīng)用
在現(xiàn)在這個(gè)時(shí)代，自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，建筑物的抗震減震能力成為評(píng)定建筑物的一個(gè)重要指標(biāo)，建設(shè)具有抗震減震能力的建筑物是非常必要的。地震發(fā)生時(shí)，如果建筑結(jié)構(gòu)的固有頻率與地震載荷的輸入頻率相一致時(shí)，建筑物就會(huì)發(fā)生共振，內(nèi)部各個(gè)部分之間的位移速度都會(huì)加快，就會(huì)給建筑物帶來(lái)毀滅性的破壞。在建筑工程中，防震減震一直是一個(gè)重要的課題。形狀記憶合金的出現(xiàn)，給建筑物的防震減震研究帶來(lái)了福音。早在20世紀(jì)末，形狀記憶合金就在建筑工程得到應(yīng)用，那時(shí)意大利的能工巧匠發(fā)現(xiàn)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(lái)發(fā)現(xiàn)，這些經(jīng)過(guò)形狀記憶合金加固的建筑物，在相同級(jí)別的地震中巋然不動(dòng)，屹立不倒。近年來(lái)，人們對(duì)形狀記憶合金在抗震減震上的關(guān)注度得到提高，研究和探索也更加深入。
曾經(jīng)有科學(xué)家使用商用的Ti-Ni絲來(lái)做試驗(yàn)，用其作為阻尼器，在地震發(fā)生器上進(jìn)行試驗(yàn)，然后采集數(shù)據(jù)。最后的結(jié)果是，加了Ti-Ni絲的那一組，其振幅比沒(méi)加的那一組要小89.5%。然后展開(kāi)加速度響應(yīng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加了Ti-Ni絲的那一組，其振動(dòng)加速度要比沒(méi)加的那一組減少了53.9%。
研究形狀記憶合金在結(jié)構(gòu)隔震、減震上的效果，是我國(guó)專(zhuān)家、學(xué)者共同關(guān)注的問(wèn)題。我國(guó)科學(xué)家王社良設(shè)計(jì)了一種形狀記憶合金自復(fù)位隔振器，如圖3所示。試驗(yàn)證明，這種裝置應(yīng)用在建筑結(jié)構(gòu)中時(shí)，使得地震發(fā)生時(shí)，結(jié)構(gòu)的位移主要集中在隔震層。在建筑物的上部發(fā)生的位移會(huì)比較小，也就是說(shuō)，可以使得上部結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震中仍然是處于彈性狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生剛性形變。而且對(duì)每一層結(jié)構(gòu)的加速度峰值進(jìn)行測(cè)試，會(huì)發(fā)現(xiàn)這一值遠(yuǎn)遠(yuǎn)比非隔震結(jié)構(gòu)要小，能夠增大結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備。
2.2在混凝土裂紋自診斷、自修復(fù)上的應(yīng)用
混凝土裂紋是危害建筑物安全的一個(gè)重要因素，由于很多裂紋是在建筑物內(nèi)部且潛伏期長(zhǎng)，會(huì)比較難發(fā)現(xiàn)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(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的使用壽命降低，重則導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的安全得不到保證。形狀記憶合金的電阻率較大，性能穩(wěn)定，可恢復(fù)應(yīng)變大，對(duì)應(yīng)變敏感。利用形狀記憶合金的這些特性，將其應(yīng)用在混凝土結(jié)構(gòu)中，尤其是在易產(chǎn)生裂紋的部位使用這些合金材料，能夠制成自修復(fù)、自檢測(cè)的機(jī)敏混凝土。也就是說(shuō)，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)受到外力時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形的同時(shí)，形狀記憶合金也隨之產(chǎn)生變形。而當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋時(shí)，在出現(xiàn)裂紋地方的形狀記憶合金的應(yīng)變就會(huì)隨之增大，并且導(dǎo)致合金的內(nèi)部電阻值發(fā)生變化。
3 總結(jié)
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(cè)和建筑結(jié)構(gòu)的防震抗震上都得到了較好的應(yīng)用，并且取得了很好的效果。相關(guān)學(xué)者對(duì)形狀記憶合金的研究和應(yīng)用一直在進(jìn)行，相信隨著研究的深入，形狀記憶合金將會(huì)得到更為深入挖掘與應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)：
[1]王吉軍，初奕，馬孝江，等.Ni-ti形狀記憶合金振動(dòng)感知與主動(dòng)控振研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，37(6)：736-741.
[2]吳曉東，王征，吳建生.用于智能材料與結(jié)構(gòu)的 Ni-ti絲的電阻特性研究 [J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2008， 32(2)：80-83
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