第一章緒論1.什么是智能材料？常見的智能材料有哪些？智能材料是一種能感知外部刺激，能夠判斷并適當處理且本身可執行的新型功能材料，集傳感器、驅動器和控制系統于一體，體現了生物的特有屬性，對環境具有自感知和記憶、自適應、自修復能力。常見的智能材料有光導纖維、壓電材料、電（磁）流變液、形狀記憶材料、磁致伸縮材料、智能高分子材料等。2.簡述智能材料的發展。20世紀80年代中期人們提出智能材料概念，其源于功能材料。美國研究較實用，日本偏重于澄清概念。此后相關會議不斷，智能材料發展迅速。近年來取得顯著進步，但仍需創新和深入研究，未來有集成化和小型化、開發神經中樞網絡控制材料、完善仿生功能等發展趨勢。3.什么是智能材料結構？智能材料結構有哪些特點？智能材料結構是將智能材料形成的驅動件和傳感元件緊密融合在結構中，同時集成控制電路等，通過激勵和控制，使結構具有承受荷載、識別、分析、處理及控制等多種功能，能進行數據傳輸和參數檢測，還具有自診斷、自適應、自學習、自修復、自增值、自衰減等能力。4.簡述智能材料的發展趨勢。智能材料的發展趨勢主要包括三個方面：一是集成化和小型化，以滿足智能結構多功能需要并利于埋入和復合；二是開發神經中樞網絡控制材料，為智能材料提供實時動態響應、學習和決策功能；三是完善仿生功能，使其具備類似生物體的多種功能，如承載、監測、調整、修復和學習決策等能力。5.簡述發展智能材料的可行性。發展智能材料具有可行性，主要體現在以下幾點：材料科學與技術為其誕生奠定基礎，先進復合材料使傳感器等的復合集成成為可能；對功能材料特性的探索及微電子和計算機技術發展，為材料耦合特性利用等打下基礎；軍事需求與工業界介入使其成為研究熱點，加速實用化進程；土木工程全壽命周期智能化建造促使多學科交叉融合，也推動了智能材料發展。6.智能材料內部應具有哪些生物功能？智能材料內部應具有或部分具有以下生物功能：有反饋功能，能通過傳感神經網絡對系統輸入輸出信息比較并提供給控制系統；有信息積累和識別功能，能積累、區分和分析解釋傳感網絡信息；有學習能力和預見性功能，能根據經驗對外界刺激做出反應并預見未來；有響應性功能，能根據環境變化動態調節自身；有自修復功能，能修補局部破損；有自診斷功能，能對情況進行比較和自診斷校正；有自動動態平衡及自適應功能，能根據外部環境調整內部結構和行為。7.什么是耗散結構？耗散結構是指從環境輸入能量或（和）物質，使系統轉變為新型的有序形態，這種形態依靠不斷地耗散能量或（和）物質來維持。生命系統是開放系統，通過與環境進行物質和能量交換，引進負熵，從無序產生新的有序結構，如生物體不斷攝取能量維持生命活動，其機體就是保持動態穩定的耗散結構。8.執行材料有哪些？感知材料有哪些？執行材料如膨脹合金、雙金屬片、形狀記憶合金、電致伸縮材料、電流變液、磁致伸縮材料、磁流變液等。感知材料有聲發射材料、電感材料、光導纖維、磁致伸縮材料、壓電材料、形狀記憶材料、電阻應變材料、X感光材料等。其中磁致伸縮材料、壓電材料和形狀記憶材料等兼具感知和執行功能。9.材料的自適應性是指什么？材料的自適應性是指材料中存在類似生物的自診斷、自調整、自適應、自恢復和自修復等能力，這些能力的產生是為了適應環境變化，統稱為自適應。例如利用控制論反饋概念設計的電熱智能開關，通過調整材料電阻率等實現自適應功能，延長設備使用壽命；還有水結冰、鋁鍋和不銹鋼餐具自修復、光致變色材料變色等現象也體現了材料的自適應。10.智能材料分為哪幾類？各有哪些功能？智能材料根據模擬生物行為模式可分為四類：智能傳感材料：具有監測、感知和反饋外界或內部刺激強度的能力，如應力、應變及物理、化學、光、熱、電、磁、輻射等作用，是未來智能建筑必備組件，光纖材料是常用的傳感材料，可無損感知多種物理參數。智能驅動材料：能對溫度、光度、電場或磁場等外界環境條件或內部狀態變化產生形狀、剛度、位置、固有頻率、濕度或其它機械特性響應或驅動，常用的有形狀記憶合金、壓電材料、電致伸縮材料、磁致伸縮材料、電流變體、磁流變體和功能凝膠等，可根據環境變化改變自身特性，用于制作執行或驅動元件。智能修復材料：模仿動物骨組織結構和創傷再生恢復機理，采用粘接材料和基材復合，對材料損傷具有自行愈合和再生功能，能恢復甚至提高材料性能，是新型復合材料。智能控制材料：對智能傳感材料反饋信息具有記憶、存儲、判斷和決策能力，能控制和修正智能驅動材料和智能修復材料行為，微型計算機是主要代表，其控制算法由程序提供，模擬人腦具有多方位求解復雜問題能力。11.智能材料有哪些基本組元？智能材料的基本組元包括光導纖維、壓電材料、電（磁）流變液、形狀記憶材料、磁致伸縮材料、智能高分子材料等。光導纖維利用全反射原理，可分析光傳輸特性獲得周圍參數變化，廣泛用作傳感元件；壓電材料受應力刺激產生電信號，也可接收電信號輸出力或位移；電（磁）流變液在電場（磁場）下流變特性變化，可用于減振等；形狀記憶材料在特定溫度下發生相變，能記憶形狀，電阻等性能變化，可作為執行器材料；磁致伸縮材料將磁能轉變為機械能，響應快但輸出應變小；智能高分子材料由三維高分子網絡與溶劑組成，可感知外界環境變化并膨脹收縮對外做功。12.智能材料在航空航天方面有哪些應用？智能材料在航空航天方面應用廣泛，如在直升飛機旋翼輪葉中，通過埋入光纖傳感器和形狀記憶合金網絡實現減振和診斷功能；智能蒙皮可檢測氣象條件、進行自診斷自修復、抑制噪聲振動、實現座艙環境控制，還適用于電子戰；翼面氣動彈性設計中，埋入傳感和驅動元件可實現自適應動態控制；精確控制的智能結構如空間站天線，采用智能桁架結構實現振動和形狀控制；飛行狀態監測方面，飛機結構中埋入傳感器可評價結構狀態和完整性，保障飛行安全。13.智能材料在土木工程方面有哪些應用？在土木工程中，智能材料可用于大型混凝土結構安全性診斷，如日本將碳素纖維和玻璃纖維組合埋入混凝土，我國研究壓敏、溫敏、自適應混凝土等；評估鋼筋混凝土結構強度和建筑結構完整性，通過埋入傳感器網絡實時監測；在混凝土固化監測中，利用光纖傳感器解決溫濕度變化引起的問題；在混凝土磚及大壩上，光纖技術可用于監測位移、變形和應力等；在房屋建筑中，可用于建筑系統管理控制、結構監測損傷評估和試驗應力分析；還可應用于智能自修復混凝土、橋梁工程中的橋座力測量、長期監測、振動和損傷控制等，未來在結構健康監測與保養、形狀自適應結構等方面也有應用前景。14.簡述智能材料在紡織品、汽車領域、體育和醫療方面的應用。紡織品方面：包括電子技術與紡織結合的智能紡織品，如比利時的智能跑步服、德國的多功能智能服裝、美國的溫度自控衣服；防撞服裝，如瑞士的老人智能防撞服裝；可補充維生素C的T恤；用于軍事方面的智能紡織品，如美軍的“天蝎高速戰斗服”；有毒物質探測織物等。汽車領域方面：智能材料系統關鍵在于使汽車電子學和機械學功能結合，如壓電陶瓷可用于汽車音響系統減輕重量、改善燃油噴射泵性能和作為傳感器，光導纖維用于傳輸信息，電流變和磁流變液體用于動力系和底盤試驗實現主動結構聲控，形狀記憶合金材料可用于吸收振動、降低應力集中，在動力系支座等方面應用前景廣闊，智能材料將促進汽車向多方向發展。體育和醫療方面：在體育中，部分網球拍網絲換用形狀記憶合金絲可改變球拍柔性；在醫療方面，形狀記憶合金絲可用于治療肺血栓、連接斷骨等，智能醫用膠帶能促進傷口愈合且自動脫落，機敏材料制造的藥物送進系統和人造器官可用于監測生理變化和替代人體器官，如人造胰臟可觀測血糖并釋放胰島素。

第二章形狀記憶合金1.簡述形狀記憶合金的發展史。20世紀30年代發現某些合金在加熱與冷卻過程中馬氏體會收縮與長大，1963年美國發現等原子比NiTi合金具有良好形狀記憶效應，1970年美國將其用于宇宙飛船天線，此后在多領域廣泛應用。日本每年有大量相關專利，涉及眾多領域。目前智能材料結構與系統研究又拓展了其應用領域。我國記憶合金產業起步晚但起點高，近年來取得長足進步，應用領域不斷擴大。2.形狀記憶合金應用于哪些領域？形狀記憶合金在汽車、機器人、航空航天、生物醫藥、生活日用等領域均有應用。在汽車上用于制動器、防噪裝置和發動機燃料氣體控制裝置等；在機器人中用于控制手指動作和整體位置動作等；在航空航天領域用于人造衛星天線；在生物醫藥領域用于制作醫用支架；在生活日用方面有記憶胸罩、眼鏡架等產品。3.簡述馬氏體相變的概念及其特征。馬氏體相變是金屬在冷卻或加熱過程中發生的一種晶體結構轉變。一般材料的馬氏體形核后迅速長大到一定尺寸后，轉變依靠新馬氏體形核長大。形狀記憶合金中的馬氏體相變具有熱彈性特征，即馬氏體可隨溫度降低而長大、升高而縮小，這種馬氏體叫熱彈性馬氏體。形狀記憶合金冷卻時母相轉變為馬氏體，加熱時馬氏體逆轉變為母相，其相變點受合金成分和熱處理工藝控制，如NiTi合金相變點在–100~+100°C之間變化。4.什么是熱彈性馬氏體？熱彈性馬氏體是形狀記憶合金中一種特殊的馬氏體，它能夠隨著溫度的變化而發生可逆的長大和縮小。在冷卻過程中，合金的母相轉變為馬氏體，而在加熱過程中，馬氏體又可以逆轉變回母相。這種熱彈性馬氏體的相變特性是形狀記憶合金具有形狀記憶效應的重要原因。5.形狀記憶效應分為哪幾類？形狀記憶效應分為單程形狀記憶、雙程形狀記憶和全方位形狀記憶。單程形狀記憶是指材料變形后，從變形溫度少許加熱可回復到高溫固有形狀，冷卻或加熱形狀不變；雙程形狀記憶是指經特殊時效處理后，在加熱和冷卻循環中能重復記住高溫和低溫兩種形狀；全方位形狀記憶是指在實現雙程記憶基礎上，繼續冷卻到更低溫度出現與高溫完全相反形狀。6.單程形狀記憶是指什么？單程形狀記憶是指形狀記憶合金在受到外應力產生應變后，去除應力應變不能完全恢復，而在隨后加熱超過馬氏體相消失溫度時，材料能完全恢復到變形前形狀。此后若進行冷卻或加熱，形狀將保持不變，仿佛合金記住了高溫狀態賦予的變形。7.雙程形狀記憶是指什么？雙程形狀記憶是指形狀記憶合金經過特殊的時效處理后，在隨后的加熱和冷卻循環過程中，能夠重復地記住高溫狀態和低溫狀態下的兩種不同形狀。8.什么叫偽彈性？偽彈性是指形狀記憶合金在高于溫度拉伸時，拉伸過程中先出現彈性應變，之后因發生P?M相變產生附加應變；去除應力時，由于馬氏體逆轉變滯后，先發生彈性恢復，之后附加應變因馬氏體逆轉變得以恢復。其可恢復應變量可達8%，比一般金屬材料彈性應變量高且在應力恒定條件下能產生較大應變，應力應變關系不符合胡克定律。9.與一般金屬材料相比，形狀記憶材料有哪些特點？與一般金屬材料相比，形狀記憶材料具有形狀記憶效應、偽彈性、彈性模量溫度變化特性和良好阻尼性能等特點。形狀記憶效應使其能在一定條件下恢復變形前形狀；偽彈性可恢復應變量大且恒彈性；彈性模量在高溫奧氏體狀態是低溫馬氏體狀態的3倍以上，可通過改變溫度控制彈性模量；阻尼性能比普通金屬好，馬氏體奧氏體混合態阻尼性能最佳。10.形狀記憶材料有哪些力學特性？形狀記憶材料具有形狀記憶效應，能記憶并回復至奧氏體狀態形狀，回復過程快，受約束時可產生較大回復力，此回復應力可作驅動力或控制結構剛度；具有超彈性效應，在高溫奧氏體狀態恒溫拉伸除產生變形還產生馬氏體相變，可制成耗能器消耗振動能量；彈性模量隨溫度變化，高溫時彈性模量是低溫時3倍以上，可通過預埋入結構改變組織來改變結構剛度和固有頻率；阻尼性能好，馬氏體奧氏體混合態阻尼性能最佳，可制成高性能振動阻尼器。11.研究形狀記憶材料的本構關系時有哪些力學模型？研究形狀記憶材料本構關系的力學模型主要有四類：(1)基于熱動力學理論，根據自由能構成推導的本構模型：如Falk基于Landau理論提出的Helmholtz自由能函數模型，考慮晶體剪切運動；Maugin提出的離散模型考慮剪切和軸向運動耦合，討論孤波解，但距工程應用遠且未研究多晶體本構行為。(2)從相界運動的動力學出發推導的數學模型：以Abeyaratne和Knowles等提出的模型為代表，將相界運動看作準靜態過程，結合Helmholtz自由能等提出一維本構關系并討論相關行為描述能力。(3)唯象理論模型：基于熱力學、熱動力學和相變動力學的本構關系：包括Tanaka模型及其系列改進模型，如Liang和Rogers引入相變發展余弦關系，Brinson進一步發展并用于有限元計算，Boyd和Lagoudas將其推廣到三維狀態；Ivshin和Pence模型從純動力學理論出發，得到控制應力-應變-溫度關系和相變發展的方程。帶有塑性理論特點的本構關系：如Bertram引入依賴溫度的屈服準則，Achenbach提出具有內變量的塑性流動本構關系，Graesser等建立相對簡單增率形式本構關系并可推廣到三維狀況。(4)細觀力學模型：采用熱力學基礎描述相變，通過細觀力學方法描述組織相互作用能，如Sun-Hwang模型、Ranjecki-Lexcellent模型和Patoor模型等，但對于多晶材料相變內變量演化方法各異，復雜加載情況是研究重點。12.簡述形狀記憶材料的應用。形狀記憶材料在多個領域有廣泛應用，如汽車上用于制動器等提高安全性等；機器人中用于控制手指動作等；航空航天領域用于人造衛星天線，可折疊發射后展開；生物醫藥領域用于制作醫用支架，在血管中恢復形狀起支撐作用；生活日用方面有記憶胸罩、眼鏡架等產品。我國形狀記憶合金應用和開發研究起步晚但起點高，近年來發展迅速，在產業化方面取得進步，生產成本降低，應用領域拓寬，未來在絲棒板材、醫用產品等方面將是產業化發展趨勢。

第三章壓電材料1.什么是壓電效應？請畫圖說明正壓電效應的產生機理和產生壓電效應需要的條件。壓電效應是反映壓電晶體的彈性和介電性相互耦合作用的現象，包括正壓電效應和逆壓電效應。正壓電效應是指壓電晶體在外力作用下發生變形時，在其某些相對應的面上產生異號電荷的現象，此時電荷與應力成正比，表達式為Dm=dmjTj或Dm=emiS2.舉例說明壓電材料類別，高分子壓電材料有何突出優點？壓電材料主要包括壓電陶瓷和高分子壓電材料等類別。壓電陶瓷如單元系壓電陶瓷（BaTiO3）、二元系壓電陶瓷（3.壓電單晶的生長法有哪些缺點？(1)水熱溫差法對原料純度要求高：需要高純度的天然石英石作為培養體，若石英石中含有雜質，會在晶體生長過程中傳播，影響晶體質量和生長速度.生長周期長：一般需要較長的時間來完成晶體生長，例如通常保溫保壓50-55天才能得到壓電水晶，生產效率相對較低.設備要求高：需要在密封的高壓釜內進行，對高壓釜的材質、密封性能等要求嚴格，設備成本高，且操作復雜，需要專業的技術人員和嚴格的安全措施來保證生長過程的穩定性和安全性。(2)坩堝下降法單晶質量受限：生長過程中單品均與坩堝接觸，容易在單品表面引入雜質和缺陷，影響單品的質量和性能，導致內應力大、缺陷多等問題.材料選擇受限：不適用于生長負熱膨脹材料，因為在降溫過程中，材料的收縮可能會導致晶體與坩堝壁之間產生較大的應力，從而使晶體產生裂紋或破裂.難以實時觀察：生長過程在坩堝內進行，無法直接觀察到晶體的生長情況，難以實時調節生長參數，不利于對晶體生長過程的精確控制.(3)提拉法材料適用范圍有限：不適用于生長反應性較強或者熔點極高的材料，因為這些材料在高溫下容易與周圍環境發生化學反應，或者需要極高的溫度才能熔化，這對設備和工藝控制提出了極高的要求，難以實現穩定的生長.組分控制困難：當熔體中含有易揮發物質時，在提拉過程中，易揮發物質的揮發會導致熔體的組分發生變化，從而影響單品的化學計量比和性能，使得單品的組分控制較為困難.設備和工藝要求高：需要精確控制溫度、提拉速度和旋轉速度等參數，以保證晶體的生長質量和尺寸均勻性。設備的精度和穩定性對晶體生長結果有很大影響，而且工藝過程復雜，需要經驗豐富的技術人員進行操作和調試。(4)助熔劑法引入雜質：助熔劑的使用會不可避免地引入雜質離子/原子，即使是使用自助熔劑，如、等，也會由于其自身的特性或在生長過程中的揮發等原因，在晶體中產生不良影響，降低晶體的質量.生長速度慢：通常晶體生長速度較慢，導致生長周期較長，生產效率不高，增加了生產成本和時間成本.晶體尺寸小：一般情況下，采用助熔劑法生長的晶體尺寸相對較小，難以獲得大尺寸的高質量單品，限制了其在一些對晶體尺寸要求較高的領域的應用.(5)固相生長法工藝控制難度大：生長工藝相對難以控制，需要對原料的預處理、燒結溫度、時間、壓力等多個參數進行精確調控，否則容易導致晶體生長不均勻、缺陷較多等問題.形狀和取向控制有限：雖然可以通過籽晶誘導等方式控制生長方向，但對于復雜形狀和特定結晶方向的控制仍存在一定難度，難以滿足一些特殊應用對晶體形狀和取向的嚴格要求.4.指出壓電常數和的物理意義。根據壓電方程Dm=dmjTj（m=1,2,3,j=1,2,3,4,5,6），壓電常數d11表示在x方向（對應1方向）施加應力T1時，在x方向產生的電位移D1與應力T1的比例關系，其物理意義為應力在x方向產生電位移的能力（單位m/V）。由Si=sijETj+dniEn和En=?gnjTj5.機電耦合系數的意義是什么？壓電陶瓷常用的機電耦合系數有哪些？機電耦合系數K表示壓電體電能與機械能的耦合程度，其平方定義K2為轉換獲得的能量與輸入總能量之比。對于逆壓電效應，K2為輸出的機械能與輸入的電能之比；對于正壓電效應，K2為輸出的電能與輸入機械能之比。壓電陶瓷常用的機電耦合系數有代表圓片徑向振動的Kp、厚度振動的Kt、縱向振動的K3-3、長方形薄片長度伸縮振動的K3-1、厚度剪切振動K1-3的等。6.與壓電單晶材料相比，壓電陶瓷有何特點呢？壓電單晶材料如SiO2（水晶）、LiNbO3（鈮酸鋰）、LiTaO3（鉭酸鋰）等，具有穩定性好、一致性好、居里點高、壓電常數小、壓電性能全面等特點，但生長困難、成本高、尺寸小，不利于廣泛應用。壓電陶瓷如BaTiO3、PbTiO3、Pb(ZrxTi1-x)O3等，具有居里點高、壓電性強、易改性和穩定性高等優點，制造工藝相對簡單、容易批量生產、價格較低，但其脆性大、極限應變小、密度大，與結構粘合后對結構力學性能影響較大。

第四章電磁流變體1.電流變效應有哪些特征？電流變效應是指某些復雜液體在一定強度的電場作用下，在毫秒量級的時間內其流變性能發生急劇、可逆變化的效應。其特征包括：在電場作用下，液體粘度可在幾毫秒內提高幾個數量級，材料呈現粘塑性固體形態；撤去電場后，幾乎立即恢復到低粘度液體狀態；電流變液的粘度與電場強度、頻率、變形歷史、溫度以及組成粒子和液體的性能、含量、形狀等微結構參數相關。2.電流變液體由哪三部分組成？絕大多數電流變液由三部分組成：可極化的固體顆粒為分散質，絕緣油作為分散劑，另外含有少量電流變活化劑。3.在選擇固體微粒材料時，應遵循什么原則？在選擇固體粒子的材料時，一般應遵循以下原則：固體粒子應具有高的磁化率和低的磁滯率，極化強度和極化率與磁化率密切相關，磁化率越高，磁流變效應越強。固體粒子要有與基液相適應的比重，以防止沉淀過快。適當的固體粒子大小和合理的粒子形狀，一般是0.5-5μm球形粒子。穩定的化學性能和物理性能，以保證較長的工作壽命和磁流變效應的穩定性。耐磨、無毒，對接觸材料無腐蝕性。此外，固體粒子一般使用軟磁材料，具有高磁化率、低矯頑力、高飽和磁感應強度、低磁損耗和良好穩定性等特點。4.試用雙電層畸變及交疊理論解釋電流變效應在多相體系中發生的原因。雙電層由緊密吸附在微粒表面的單層離子和延伸到液體中的擴散層組成。在電場作用下，雙電層誘導極化導致電荷不平衡分布，雙電層發生形變，變形雙電層間靜電相互作用使流體發生剪切流動且使耗散的能量增加，強度增加。當雙電層重疊時，靜電相互作用更大。雙電層機理的定性分析與實驗結果一致，成功解釋了電流變液的流變性能與電場強度、分散相體積分數以及溫度之間的關系。但由電粘效應引起的粘度增加不大，一般在兩倍以內，與電流變效應有本質區別，所以雙電層的極化、變形和交疊不是多數體系中電流變效應產生的主要原因，但在一些體系中有實際意義，對研制穩定性良好的電流變液有一定參考價值。5.磁流變液有什么特征？磁流變液的特征包括：在外部磁場作用下，流體的流變性質發生突變，迅速固化失去流動性，固化是瞬變過程（毫秒內完成）且可逆；液態和固態轉換可逆、可控，能量消耗低、溫度穩定、安全可靠；表觀粘度隨磁場強度變化連續無級，磁場響應敏感（響應時間毫秒級）；磁流變效應使材料的流變性、磁化性、導電性、傳熱性及其他物理性質顯著改變。6.試分析良好的磁流變液應具備什么性能？良好的磁流變液應具備以下性能：固體粒子應具有高的磁化率和低的磁滯率，合適的比重、大小、形狀，穩定的化學和物理性能，耐磨、無毒、無腐蝕性，常用軟磁材料如碳基鐵粉和鐵合金粉等。基液應具有高沸點、低凝固點、低場粘度、大密度和良好化學穩定性，常用礦物油、硅油和機油等。添加劑能提高粒子磁化率、增強極化能力、改善潤濕性、防止粒子沉淀，常用磺酸鹽、油酸、偶聯劑等。此外，磁流變液應具有良好的磁流變效應，屈服應力較高，溫度工作范圍大且穩定性好，對污染和雜質不敏感，響應時間較短，所需場源電壓低且易于實現，達到相同控制效果所需體積小、功耗合理。7.試說明磁流變體的應用領域有哪些？磁流變體的應用領域廣泛，包括但不限于以下方面：能源傳輸：如液壓控制、伺服閥等采用管道流模式的設備。航空航天技術：可用于飛行器結構的振動控制等。結構主動控制：如磁流變阻尼器用于建筑、橋梁的抗震控制。機器人控制系統：電流變離合器可用于機器人控制等領域。生物醫學工程：電流變作動器有望在醫學治療等虛擬現實領域發揮作用。汽車工業：磁流變液減震器廣泛應用于汽車領域，磁流變液雙質量飛輪用于傳動系扭振控制，磁流變液潤滑浮環軸承用于軸承潤滑和控制。光學領域：如光學開關、光學透鏡磨制加工工藝等。其他：還包括智能支座、密封、潤滑、醫療器械等，以及磁流變拋光技術、軟模成形工藝、夾層梁、柔順關節等方面的應用。

第五章智能纖維材料1.導電纖維可以分為幾種？電子傳導纖維又可分為幾種？導電纖維可大致分為電子傳導纖維、離子傳導纖維、感應性（介電質性）纖維。電子傳導纖維又分為合成纖維和纖維自身中具有電子的非定域化和電荷移動絡化物的導電性纖維。2.按傳輸模式光纖可分為哪幾種？其直徑分別是多少？按傳輸模式可以將光纖分為單模光纖和多模光纖。標準的單模光纖纖芯直徑為8-10μm，多模光纖纖芯直徑約為50μm，標準的單模和多模光纖包層直徑均為125μm2。3.光纖傳感系統由什么組成？與傳統的各種傳感器比較有何優點？光纖傳感系統一般由光發送器（光源）、敏感組件、光接收器、信號處理系統以及光傳輸線路組成。與傳統的各種傳感器比較，光纖傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、損耗低、頻帶寬、抗電磁干擾、耐腐蝕、電絕緣性好、防爆、光路可撓曲、便于與計算機連接、結構緊湊等優點，能夠傳感多種物理量和化學量，工作可靠。4.光纖傳感器的分類。按光纖在傳感系統中所起的作用，可分為傳光型光纖傳感器（光導纖維僅起導光作用，敏感組件由非光纖元器件構成）和傳感型光纖傳感器（利用特種光纖或光纖特定結構作為敏感組件，敏感組件和光信號傳輸線路均由光纖構成）。按被調制的光波參數不同，可分為強度調制光纖傳感器、相位調制光纖傳感器、偏振調制光纖傳感器、頻率調制光纖傳感器和波長調制光纖傳感器。按被測量的外界參數不同，可分為光纖溫度傳感器、光纖位移傳感器、光纖應變傳感器、光纖振動傳感器、光纖電流傳感器、光纖流速傳感器、光纖濃度傳感器等，據報道已能實現70多種物理量和化學量的測量。5.光纖光柵制作方法包括哪些？目前光纖光柵制作方法主要包括相位掩模法、全息曝光法和逐點寫入法，其中相位掩模法是較為常用的方法。相位掩模法是用紫外激光照射相位掩模板或振幅掩模板，利用掩模板后的正負1級衍射光干涉形成的周期性明暗相間的直條紋對光纖進行曝光成柵，對光纖預先采用高壓載氫技術提高光敏性，成柵后加熱退火以提高穩定性。6.光纖對復合材料力學性能的影響有哪些？光纖對復合材料結構彈性模量和拉伸強度影響較小，平均在3%以內；而對抗壓強度和壓縮模量有較大影響，若光纖平行于載荷方向鋪設，抗壓強度下降相對較小（最多20%），當光纖垂直載荷方向或同時垂直于增強纖維時，抗壓強度下降相對較大（分別最多30%和70%）。但這種影響可通過優化光纖直徑、包層模量、包層厚度與鋪設方向來減小，一般性結論為應盡量選用小直徑光纖，光纖包層模量應較大但小于基體材料模量，光纖包層厚度不宜過大，光纖鋪設方向應盡量平行于載荷方向。7.溫度變化歷程在材料的整個疲勞過程中可分為哪三個階段？在材料的整個疲勞過程中，溫度變化歷程大致可分為以下三個階段：溫度穩定階特征：在疲勞過程的初期，材料的溫度變化相對較小，基本保持穩定。這是因為在這個階段，材料內部的微觀結構變化還不明顯，產生的熱量主要來源于材料的彈性變形。由于彈性變形是可逆的，在應力循環過程中，材料吸收和釋放的能量基本平衡，所以溫度不會出現顯著的升高或降低。溫度緩慢上升階段特征：隨著疲勞循環次數的增加，材料內部開始出現微觀裂紋的萌生和少量擴展。這一過程會導致材料內部產生不可逆的塑性變形，而塑性變形會消耗能量，其中一部分能量會以熱能的形式散發出來，使得材料的溫度逐漸上升。不過，在這個階段，溫度上升的速度相對較為緩慢，因為裂紋還處于初期發展階段，產生的熱量有限。溫度快速上升階段特征：當材料內部的裂紋擴展到一定程度后，裂紋的快速擴展和合并會導致材料的有效承載面積急劇減小。此時，材料在循環應力作用下會發生大量的塑性變形，消耗更多的能量，從而使溫度快速上升。這個階段通常意味著材料已經接近疲勞失效，溫度的快速上升是材料內部結構嚴重破壞的一個重要標志。

第六章智能高分子材料1.高分子材料的智能性體現在哪些方面？高分子材料的智能性體現在能夠對環境刺激產生響應，環境刺激因素包括溫度、pH值、離子、電場、溶劑、反應物、光或紫外光、應力、磁場等，對這些刺激產生有效響應時，其自身性質如相、形狀、光學、力學、電場、表面能、反應速率、滲透速率和識別性能等會隨之發生變化。2.什么是模糊材料，簡述模糊材料的發展方向。模糊材料是指其刺激響應性不限于一一對應，材料本身能判斷，依次發揮其調節功能，像動物的腦那樣能記憶和判斷的材料。其發展方向是在21世紀有望不斷發展進步，在智能性方面進一步提升，具備更復雜和智能的調節功能，以滿足更多領域的需求，但文檔中未明確提及更具體的發展方向。3.簡述高分子材料的記憶功能。具有形狀記憶功能的高分子材料應用在哪些方面？高分子材料的記憶功能體現在如經過輻射交聯反應的塑料（如聚乙烯等），加熱到結晶熔融溫度以上時，施加外力使之變形并冷卻會產生再結晶，將變形固定下來；再次加熱到熔融溫度以上，若不施加外力，內存的變形會因結晶消失而恢復到原來形狀。具有形狀記憶功能的高分子材料可用于制造熱收縮空管、熱收縮膜、電動機線圈，還可用于制造防皺、不縮水、免熨燙的形狀記憶棉纖維織物等。4.簡述智能高分子材料的設計原理。智能高分子材料功能的實現基于信息流（能量流）的傳遞、轉換和控制，其基本原理是物質和場（物理場或化學場）之間的交互作用。首先明確材料應用目標，分析控制目標要求，確定智能復合材料控制輸入和輸出形式（物理場或化學場），關鍵是運用材料科學知識和自動控制原理，根據物-場相互作用原則，構想中間能量傳遞形式，選擇中間場，借助中間場通過幾個物理（化學）效應結合來實現控制目標。設計模式有兩種，一是將各種功能融為一體，類似生物體神經元；二是利用離子工程、激光燒蝕、激光加工等技術控制原子、分子有序程度，形成功能性超薄膜累積膜，控制各層結合狀況，使材料內部自由傳遞信息。5.智能高分子材料有哪幾種合成方法？智能高分子材料當前的合成方法主要有以下三種：粒子復合：具有不同功能的材料顆粒按特定方式組裝，可構制出具有多功能特性的材料。如在特定襯底上，通過電子束掃描產生電子氣化花樣，在電子靜電引力作用下，帶電顆粒排列成設計花樣，重復操作可構成由不同粉末顆粒組成的三維結構。薄膜復合：將兩種或多種機敏材料以多層次的薄膜復合可獲得優化的多功能特性。如將鐵彈性的形狀記憶合金與鐵磁或電驅材料復合，可改變驅動方式，拓寬響應頻率范圍，提高響應速度。納米粒子及分子的組裝：人們已能直接對納米粒分子、原子實施搬遷操作，控制納米或原子團簇尺寸上的精細結構。將具有不同功能的納米粒子復合在多孔道骨架內，可調控納米粒子大小、相互作用，得到兼有多種響應性質的智能材料。如在沸石分子篩中組裝半導體納米材料可做電控元件，組裝納米光學材料可做光控元件。6.智能高分子纖維有哪些種類？各有什么作用？應用于哪些領域？智能高分子纖維主要有以下幾種：導電纖維：可分為電子傳導纖維、離子傳導纖維、感應性（介電質性）纖維。電子傳導纖維又分為合成纖維和纖維自身具有電子非定域化和電荷移動絡化物的導電性纖維。導電纖維可用于電子傳導功能的靈感元件、電場效果、半導體管、開關、蓄電功能元件、電池等，未來導電性高分子自身有望成為纖維材料，如聚乙烯、聚丙烯纖維等浸透電解液可用作電池分離。感應（介電質）性纖維材料：一般作為絕緣體使用，具有感應（介電質）性、駐極體（永久極化的電解質）、電壓性、焦電性等特點。在加熱狀態下，如丁基酚醛甲醛樹脂浸泡到羊毛中的纖維可成為駐極體。在通用絕緣體聚合物上施加電場會產生大變形，能源損失小，還會產生特殊運動，可應用于微型管、微型閥等，基于此可向新自律應對智能纖維系統發展。形狀記憶纖維：如鎳鉛合金纖維，熱成型時能記憶外界賦予的形狀，冷卻時可任意形變，再次加熱時能可逆恢復原始形狀。已被用于智能結構、醫療矯形、防燙傷服裝和新型記憶服裝等，如意大利發明的襯衣，其纖維由尼龍和鎳鉛鐵合金織造而成，可根據溫度變化自動卷袖子。變色纖維：主要有光敏變色纖維和熱敏變色纖維兩種，在受到外界刺激后可逆、自動改變顏色。用其做成的服裝在不同環境下呈現色彩變化，適合士兵隱蔽、舞臺服裝、童裝等。調溫纖維：能根據外界環境溫度變化，通過內部相變物質的液-固可逆相變，吸收或放出熱量，在纖維周圍形成溫度相對恒定的微氣候，實現溫度調節。主要用于滑雪衫、靴、手套、襪、帽、體育運動服裝等。智能抗菌纖維：如美國Nylstar公司制造的“智能聚酰胺纖維”，抗菌劑包藏于纖維內部，不會引起皮膚過敏，耐洗滌，可控制皮膚表面細菌數量，區別于一般抗菌纖維。7.簡述光纖傳感器的應用。光纖傳感器可應用于多個領域，主要包括：復合材料領域固化監測：用于樹脂基復合材料固化過程監測，可預先埋于預浸料鋪層中測量工藝過程參數，如利用光纖折射率傳感器、光纖微彎傳感器、光纖紅外傳輸譜傳感器、光纖布拉格光柵傳感器以及光纖Fabry-Perot傳感器等，通過跟蹤樹脂折射率變化、分析樹脂紅外吸收光譜等方式監測固化過程，實現成型工藝過程的在線監測。結構服役監測：光纖布拉格光柵傳感器等可在復合材料結構服役期繼續用于內部應變監測，為結構損傷監測、剩余疲勞壽命預報以及斷裂失效預警提供信息。土木工程結構健康監測領域：通過對鋼筋混凝土內部應力、應變的監測，獲取構件強度儲備信息和實際載荷狀況，應力、應變監測成為其在該領域最主要的應用。用于應變、應力測量的光纖傳感器主要有光纖邁克爾遜傳感器、光纖馬赫-澤德傳感器、光纖法布里-珀羅傳感器和光纖布拉格光柵傳感器等。

第七章其他傳感原件1.電阻應變測量的基本原理是什么？電阻應變測量的基本原理是金屬絲在機械應變作用下會發生電阻變化，即電阻應變絲埋入復合材料結構后，隨著結構變形，金屬絲的電阻值隨其機械變形而變化，這一特性稱為“應變電阻效應”。2.應變電阻測量技術的優點有哪些？應變電阻測量技術具有以下優點：靈敏度高，測量速度快，結果精確、可靠、穩定。易于實現測試過程的自動化和多點同步測量、遠距測量和遙測。應變絲式應變片形小質輕，不改變測試對象的原有應力狀態。可進行靜態、動態和瞬態應變測量，可測頻帶寬。運用范圍廣，可在高溫、高壓、高速、旋轉和具有放射性干擾等特殊條件下進行測量。易于進行各種補償，使用方便。3.電阻應變絲工作原理是什么？電阻應變絲工作原理基于“應變電阻效應”，當電阻應變絲感受變形時，其電阻值會發生變化。電阻計算與變化因素電阻絲電阻計算公式為R=其中為R電阻，ρ為電阻率，L為長度，F為橫截面。當電阻絲受拉伸長dL時，橫截面積減小dF，電阻率改變dρ，這些變化引起電阻改變dR，公式為d應變與電阻變化關系屬導線長度相對變化dL/L用應變ε表示，對于圓形截面導線，dF將相關式子代入可得dRKKs稱為電阻絲的靈敏系數，表示電阻絲產生單位應變時電阻相對變化的大小，越大越靈敏。電信號轉化方式應變電阻絲阻值變化反映被測應變值大小，阻值變化需轉化為電信號才能測量，一般有兩種工作方式，一是電橋形式，一是雙恒流源電路。在電橋形式中，直流電橋各橋臂電阻可全部或部分為應變電阻絲，根據不同橋臂連接方式分為單臂、半橋和全橋測量，其輸出電壓與電阻應變絲電阻變化有關。4.試說明智能結構中電阻應變絲的選擇條件是什么？在強度型損傷自診斷智能結構中，選擇電阻應變絲需滿足以下條件：靈敏系數值要大，并能在較大應變范圍內保持常值。具有高的和穩定的電阻率。在工作溫度范圍內，電阻溫度系數數值小且分散性小。機械強度高，焊接性能好，與引線材料熱電勢小。有高度金相穩定性、抗氧化性、耐腐蝕，蠕變和機械滯后小。價格低。5.試介紹下常用電阻應變絲的材料及其特點、適用范圍。常用電阻應變絲材料及其特點、適用范圍如下：銅鎳合金（康銅）：含銅量55-60%，含鎳量40-45%，在-50-250℃性能穩定，電阻溫度系數可控制，可作溫度自補償電阻應變絲，常用于靜應變測量，高于250℃會腐蝕，電阻溫度系數急劇變化，不適用于高溫靜應變測量。鎳鉻合金及鎳鉻改良型合金：鎳鉻合金：含80%鎳和20%鉻，電阻率大，主要用于動應變測量，經穩定化處理可用于-269℃至430℃靜應變測量（430℃以上金相變化），在核輻射下工作良好。改良型合金（如卡瑪合金、伊文合金、鎳鉻錳硅合金）：通過添加元素改善性能，具有高電阻率，可用于-269°C到400℃靜應變測量（溫度超400°C不穩定），測量動應變可用到800°C，可通過成分變化等制成溫度自補償應變絲。鎳鉻鐵合金（恒彈性合金）：如含36%鎳、8%鉻、0.5%鉬、余量為鐵或含60%鎳、16%鉻、24%鐵的合金，靈敏系數大，疲勞壽命高，電阻溫度系數大，極限工作溫度-195℃-230℃左右，適合制造疲勞壽命要求高的應變片，因是磁性材料，不宜在磁場附近使用。鐵鉻鋁合金：含鉻20-25%，含鋁5-10%，電阻率高、靈敏系數較大、抗氧化性能好，改變成分或添加微量金屬可改變電阻溫度系數，使用溫度-269℃到+1000℃，電阻溫度系數線性度不好，在特定區間變化較大。鉑及鉑合金：耐酸、耐堿、抗腐蝕、高溫抗氧化性好，電阻溫度系數線性度好、靈敏系數大，是制造高溫應變絲重要材料，但電阻溫度系數大，使用不便，鉑及鉑合金電阻率低，可用于制造半橋式溫度補償應變片的補償柵，鉑鎢合金和鉑鎢錸鎳鉻合金可用于高溫動態應變測量。6.智能結構中電阻應變絲在測量時需要采用哪幾種補償和修正？其中溫度補償可以采用哪幾種方法？在一般應變電測應用中，測量時需進行多種補償和修正，如橫向效應的修正、長導線修正、溫度補償、應變片靈敏系數的修正、應變片阻值的修正等。在實現損傷評估智能復合材料結構中，直接用電阻應變絲測量，主要考慮溫度補償，其他因素影響固定可忽略。溫度補償可采用以下方法：曲線修正法：智能復合材料試驗件制作完成后，測定其熱輸出曲線，實際使用時同時測電阻應變絲輸出和試件溫度，根據曲線對輸出修正，達到溫度補償目的。線路補償法：用相同電阻絲補償，在與智能復合材料試驗件材料相同的試件上埋置相同性能電阻應變絲，使兩者溫度環境相同，工作電阻絲和補償電阻絲接入電橋相鄰臂，相互抵消溫度影響。在智能復合材料結構中，可在試件正反兩面埋設電阻應變絲接為鄰橋，提高測量靈敏度，全橋測量靈敏度可再提高一倍。溫度自補償應變絲：利用兩種不同電阻溫度系數（一正一負）材料串聯組成應變絲，使各段電阻絲隨溫度變化產生的電阻增量大小相等、符號相反，從而在一定范圍內實現溫度補償。可用于溫度自補償的電阻絲材料有電阻溫度系數α的康銅或卡碼合金、α為正的鎳鉻合金與α為負的康銅或卡碼合金、α為正的鉑或鉑合金與α為負的鐵鉻合金、α的鐵鉻鋁合金等。7.可以用來進行溫度自補償的電阻絲材料有哪幾種？可以用來進行溫度自補償的電阻絲材料有以下幾種：電阻溫度系數α的康銅或卡碼合金。α為正的鎳鉻合金與α為負的康銅、卡碼合金。α為正的鉑或鉑合金與為α負的鐵鉻合金。α的鐵鉻鋁合金等。8.碳纖維的優點？碳纖維的優點包括：電性能好，化學性質穩定，適于耐久性結構。耐高溫，可長期在高溫下工作。彈性模量大，比強度高，抗疲勞蠕變能力強。9.試舉例碳纖維復合材料作為智能性結構診斷的用途？碳纖維復合材料作為智能性結構診斷的用途如下：銀行防盜保安墻體及類似場所：將碳纖維與玻璃纖維粘接成棒狀交叉成網狀，兩側覆蓋混凝土做成墻體，如銀行防盜保安墻體、自動售貨機和自動提款機壁材等，任何地方鉆孔打洞會引起電學信號值急劇變化發出警報，成本低、經久耐用且不易被發現。高層建筑監測：連接到高層建筑物混凝土鋼筋上，可監測傾斜度、各部分形變量和受力過大部位；埋入高層混凝土墻體中，可掌握大樓內各部位受力和形變非均勻性情況，提高安全性。水泥管道漏水監測：在鋼筋混凝土管道外壁內平行于管道軸線等間距安置碳纖維敏感棒材，通過監測其電阻值變化監測管道漏水情況，因碳纖維周圍水分增高時導電性明顯增加。混凝土堿性物質去除：在含有碳纖維棒或絲的混凝土兩端施加高壓直流電，混凝土中的堿性物質被導電碳纖維吸附并向負極移動，最終清洗干凈。墻體加熱及拆除輔助：在含有碳纖維復合棒材或剪斷碳纖維的混凝土中通電，可使墻體表面溫度提高5°C-20°C，用于地下防空洞墻體或圖書資料館墻體，電壓在10V以下對人體無害；反復通電加熱可使墻體產生微型裂紋，有利于拆除廢舊混凝土墻體。10.溫阻關系的定義及什么影響了溫阻關系？溫阻關系是指碳纖維水泥基復合材料在溫度變化過程中，電阻與溫度之間呈現出的特定關系。在升溫初始階段，電阻隨溫度升高而迅速降低，呈現電阻的負溫度系數（NTC）效應；隨溫度升高，電阻變化出現轉折點，此后電阻隨溫度升高而增大，呈現電阻的正溫度系數（PTC）效應，存在NTC/PTC轉變現象，定義出現轉變時的溫度為臨界轉變溫度。影響溫阻關系的因素主要有：碳纖維的體積分數：碳纖維體積分數增大，NTC/PTC轉變溫度降低，體系的導電過程更多依賴于碳纖維相互搭接，在較低溫度下可能使導致PTC效應的過程占主導地位。循環次數：在循環的升溫-降溫過程中，隨著循環次數增加，體系的溫阻曲線趨向穩定，這為開發水泥基溫控器件和火災預警系統提供了材料基礎。水泥基體：砂灰比增大，體積分數相同的碳纖維水泥基導電復合材料電導率降低，電阻測試值波動增大，NTC/PTC轉變溫度提高，但砂灰比為3:1時出現相反變化且電阻率波動大，表明水泥基體內部結構對導電性能起主要影響。11.在使用二氧化釩的智能調溫的性能時應解決的兩大問題是什么？在使用二氧化釩的智能調溫性能時，應解決以下兩大問題：降低相變溫度：二氧化釩薄膜相變溫度為68℃，需降低到接近室溫（如30℃左右），且要保證相變前后在太陽能紅外區透過率有較大變化，以實現溫度低于室溫時讓更多光能進入室內，溫度高于室溫時讓較少光能進入室內。目前可通過薄膜制取方法、工藝的改進以及摻雜等方法改變相變溫度，但純摻雜會擴大熱滯回線寬度且使相變前后物理量改變量減小，應將新工藝、新方法與摻雜結合。提高可見光透過率：希望可見光有較大透過率，以保證室內采光并使光線柔和，這與二氧化釩薄膜在智能窗方面的應用密切相關，其透過率與制備方法、膜厚等因素有關。

第八章智能混凝土1.簡述智能混凝土的定義和發展史。定義：智能混凝土是在傳統混凝土基礎上，復合智能型組分（如導電組分、微膠囊、纖維等），使其具備自感知和記憶、自適應、自修復等多種功能的多功能復合材料。這些功能并非單一存在，而是相互結合，共同作用。發展史：早期探索(20世紀60年代):前蘇聯學者率先嘗試使用炭黑制備水泥基導電復合材料，這可以視為智能混凝土研究的雛形。概念提出與初步研究(20世紀80年代末):日本土木工程界提出“對環境變化具有感知和控制功能”的智能建筑材料的概念，并開始相關研究。功能性探索(20世紀90年代初):日本和美國的研究人員分別致力于開發具有自調節（記憶）和自修復功能的智能混凝土，嘗試使用微膠囊（含粘結劑）和空心玻璃纖維（注入高分子溶液）等方法實現自修復。美國還開辦了相關工廠。發展瓶頸(20世紀90年代中期):盡管取得了一些成果，但由于智能混凝土需要同時具備自感知、自記憶、自適應、自修復等多種功能，技術難度較大，制備完善的智能混凝土仍然相當困難。特定功能發展(20世紀90年代中期以后):研究重點轉向特定功能的智能混凝土，例如在歐美國家開展的基于碳纖維混凝土的自適應融雪融冰系統研究，以及國內利用壓電陶瓷研制自調節混凝土，以及利用活性無機摻和料、微細低彈模纖維和有機化合物實現自修復的研究。2.簡述自診斷、自愈合混凝土的工作過程第一種：基于形狀記憶合金（SMA）絲和液芯光纖的智能混凝土:損傷檢測：激光通過液芯光纖傳輸，光纖的出射光被光敏管接收。當混凝土內部出現開裂、分層、脫膠等損傷時，光纖信號會發生變化，數據采集處理系統會根據這些變化判斷損傷的位置、類型和程度。SMA激勵與膠液釋放：系統驅動控制電路，激勵損傷處的SMA絲。SMA絲產生局部壓應力，導致損傷處的液芯光纖斷裂，釋放出其中的膠液。自修復：釋放出的膠液流入損傷處，填充裂縫。同時，SMA絲激勵產生的熱量加速膠液固化，提高修復質量，最終使結構恢復原有形狀第二種：仿生自診斷和自修復智能混凝土(同濟大學研究)損傷感知：混凝土中嵌入的仿生傳感器感知內部損傷（如微裂紋）。自愈合：當出現微裂紋時，部分含粘結劑的液芯纖維破裂，釋放出粘結劑。粘結劑流入裂縫，填充并修復裂縫，恢復甚至提高混凝土的性能。3.簡述智能混凝土的發展趨勢智能組件的集成化和小型化：在智能混凝土中集成和小型化傳感元件、執行元件、信息處理元件等智能組件，這將有利于這些組件與混凝土基材更好地復合，從而提高智能混凝土的整體性能和應用潛力。開發智能控制材料：研究和開發能夠模擬神經中樞網絡功能的智能控制材料，這些材料將為智能混凝土提供實時動態響應和環境適應性的能力，并且能夠實現自診斷和自修復等功能。開發這樣的控制材料需要深入探索新的模型、研究方法和制造工藝。實現混凝土材料結構的智能一體化：未來的智能混凝土材料將不僅具有高性能的建筑結構特性，還將擁有優異的智能特征，包括：骨骼系統（基材）：提供承載能力。神經系統（內埋傳感網絡）：提供監測和感知能力。肌肉系統（驅動元件）：提供調整和適應響應。免疫系統（修復元件）：提供康復能力。神經中樞系統（控制元件）：提供學習和決策能力。4.當前的智能混凝土有哪些智能特性？1、損傷自診斷混凝土（自感應混凝土）（1）自診斷智能混凝土的壓敏性（2）自診斷智能混凝土的溫敏性2、溫度自調節混凝土3、仿生自愈合水泥砂漿5.自診斷智能混凝土的壓敏性和溫敏性分別指什么？壓敏性：根據水泥基材料中摻入碳纖維混凝土復合材料在受力時的電阻變化與所受荷載呈現的線性關系，可以掌握其內部的應力—應變關系，該機敏性反映了內部損傷狀況的豐富信息，據此可以敏感有效地監測拉、彎、壓等工況及靜態和動態荷載作用下結構的內部情況。溫敏性：即溫度變化引起電阻變化（溫阻性）及碳纖維混凝土內部的溫度差會產生電位差的熱電性（Seebeck效應）6.溫度自調節混凝土的工作機理是什么，溫度調節混凝土可應用于哪些方面？工作機理：溫度自調節混凝土的工作機理是基于電熱效應和熱電效應。具體來說，通過碳纖維混凝土的電熱效應，可以實現混凝土的溫度調節和控制。同時，混凝土的熱電效應使其能夠實時檢測建筑物內部和周圍環境溫度變化。溫度調節混凝土可應用于以下方面：融雪和融冰：利用碳纖維混凝土的電熱效應，可以對混凝土路面、橋面和機場跑道等結構進行融雪和融冰。建筑物內部溫度控制：可以利用電熱效應來控制建筑物內部環境的溫度，提供舒適的生活和工作環境。智能化建筑：碳纖維混凝土的電熱效應和熱電效應使其可以方便地實時檢測建筑物內部和周圍環境溫度變化，并利用電熱效應來控制溫度，從而促進智能化建筑的發展。特殊鋼筋混凝土橋梁的平整度調節：可以利用機敏混凝土的電熱和電力自調節功能調節由于溫度、自重所引起的蠕變，保持橋梁的平整度。

第九章結構控制1.結構控制的途徑有哪些？(1)控制振動的震源(2)切斷震源的傳播途徑(3)避免結構共振(4)提高結構的衰減性(5)施加與結構運動相反的作用力2.什么是吸振技術？吸振技術振動控制是將一個子系統安裝在結構之上，子系統與結構一起振動，分擔部分振動能量，從而使主結構的振動減弱。3.什么是耗能技術？耗能器有哪幾種？耗能技術是將結構的某些部件設計成耗能部件或安裝一些耗能器來消耗振動能量。耗能器主要包括粘彈性耗能阻尼器、摩擦耗能阻尼器、金屬耗能阻尼器等。4.簡述結構的主動控制、半主動控制和混合控制。主動控制：應用現代控制技術，對輸入地震動和結構反應實現聯機實時跟蹤和預測，再按照分析計算結果應用伺服加力裝置對結構施加控制力，使結構在地震過程中始終定位在初始狀態附近或使某些反應盡可能小，達到保護結構免遭損傷的目的。常用的主動控制技術包括主動控制調諧質量控制系統（AMD）、主動錨索控制系統（ATS）、主動支撐系統（ABS）等。半主動控制：以被動控制為依托，僅需少量的能量用于改變被動控制系統的參數或工作狀態，以適應系統對最優狀態的跟蹤從而取得較好的控制效果。常見的半主動控制裝置包括隔板孔洞可調節的柱型液體阻尼器（TLCD）、半主動變剛度裝置（AVS）、半主動變阻尼裝置以及主動調治參數質量阻尼系統（ATMD）等。混合控制：將主動控制系統和被動控制系統同時施加在同一個結構上的結構控制系統。充分利用了被動控制與主動控制各自的優點，既可以改變結構的振動特性，增加人工阻尼，又可以利用主動控制系統保證控制效果，比單純的主動控制能節省大量的能源。目前出現的混合控制技術有主動質量阻尼控制系統（AMD）和質量阻尼系統（TMD）、調諧液體阻尼系統（TLD）的混合控制；阻尼耗能（VEDamper）和主動控制（ABS）的混合控制；隔震系統和主動控制系統（AMD）的混合控制等。5.什么是智能材料-結構系統？智能材料-結構系統中的智能材料是指什么？智能材料-結構系統：以智能材料為主導材料，具有仿生命的感應和自我調節功能的結構系統。智能材料：是某些具有特殊功能的材料，如電流變材料、磁流變材料、光纖材料、壓電材料、磁致伸縮材料和形狀記憶合金等。6.簡述電（磁）流變材料在建筑結構控制領域中的應用。電（磁）流變材料是用不導電的母液和均勻散布其中的固體電解質顆粒或磁性顆粒制成的懸浮液，在電場或磁場作用下能從流動性良好的牛頓流體轉變為具有一定屈服剪應力的粘塑性體。可用于結構減震，其工作原理是根據動力傳感器測得的結構瞬時振動狀態，由ER（MR）智能可調參數結構構件中的ER（MR）智能可調阻尼器在各瞬時調整參數，從而實現減小整個結構地震反應的目的。用這些可控流體設計和制作的耗能器具有結構簡單、耗電功率小、反應迅速等特點，可和其它隔震、減震機構串聯或并聯使用。ER可控流體耗能器的原理是迫使流體通過一對固定板的間隙，通過調節極板外加電場強度改變流體流過間隙的阻力獲得阻尼，目前用該類材料制作的耗能器類型有閥式耗能器、剪切式耗能器和擠壓流動式耗能器等；磁流變體制作的耗能器類型有MR流體轉動閘耗能器、足尺單推桿MR耗能器和足尺雙推桿MR耗能器等。7.簡述形狀記憶合金在建筑結構控制領域中的應用。用于被動控制：制成被動阻尼器，利用其超彈性效應和高阻尼特性抑制橋梁和框架等結構地震反應。如在橋梁減振控制中，可減輕地震對橋梁的損傷，減少橋墩數量；在框架結構中可控制層間變形，消耗地震能量。在隔震技術中也有應用，如設計隔震復位裝置，克服以往阻尼器的缺點。還用于實際工程加固，如加固意大利Giorgio教堂的鐘塔。用于主動控制：主要通過兩種方式實現，一是利用形狀記憶效應產生的回復力對結構進行驅動，如復合于復合材料層合結構中控制振動頻率，調整復合材料梁的諧振頻率和剛度，控制高分子梁、多層建筑結構的振動等；二是利用彈性模量隨溫度變化的特性改變結構振動頻率，如改變復合材料薄板、SMA彈簧的彈性模量。但由于形狀記憶合金的特性，其主要適用于低頻的主動控制。用于智能控制：利用其獨特性能設計智能控制裝置，如在鋼筋混凝土簡支梁中預埋，通過加熱控制梁的靜、動力反應；提出自適應吸收器概念設計方案；在橋梁結構中提出“智能限制器”和適用于橋梁的智能控制裝置，可實現對橋梁振動的智能控制，減小地震響應并實現自復位功能。8.結構振動控制主要利用形狀記憶合金的哪些特性？簡述這些特性。形狀記憶效應：材料在發生塑性變形后，加熱超過特定溫度能自動恢復到原來形狀，殘余變形消失。與普通金屬材料不同，形狀記憶合金通過相變改變彈性和完成內耗能，卸載時變形恢復到原點，普通金屬材料則通過屈服和損傷實現，殘余變形不可恢復。超彈性效應：變形能力比普通金屬材料約大30倍（形狀記憶合金的彈性應變可到5%-7%，普通金屬材料只有0.2%），耗能能力大，阻尼比可達40%（普通金屬如低碳鋼僅為6%），且超彈性滯回環由相變完成，不損傷材料，抗疲勞能力極好。高阻尼特性：在振動過程中能有效消耗能量，使結構在小震時表現出類似普通金屬的彈性特性，大震時通過超彈性大變形能力消耗地震能量，并利用記憶效應恢復變形。

第十章智能橡膠與智能彈性體1.實現橡膠的智能化有哪些手段？合成：通過特定的化學反應合成具有特殊性能的橡膠。共混：將不同的橡膠或橡膠與其他材料混合，以獲得新的性能。接枝改性：在橡膠分子鏈上接枝其他官能團，改變其性能。與新型材料復合或混合：如與納米材料復合，增強橡膠性能。新型加工方法：采用特殊的加工工藝，賦予橡膠特殊性能。2.智能橡膠有哪些特殊性能？力學性能方面：超低硬度、超高強度。熱學性能方面：導熱、熱敏變色。電學性能方面：導電、電磁波屏蔽和吸收。光學性能方面：光刻、光蓄。生物學性能方面：仿生。其他方面：磁性、親水性、形狀記憶和富氧等特性。3.什么是智能彈性體？智能彈性體是指在保持彈性體自身特性的基礎上，使其賦有其他特性或功能的材料。兼備兩種功能（如自身特性和其他特殊功能）的稱之為D-功能；由于形態記憶而產生的功能稱之為sh-功能或智能彈性體。4.D-智能彈性體有哪幾種？化學智能彈性體：主要用于離子交換、催化生理活性以及乳化劑等。水敏性功能彈性體：包括水敏性彈性體（在濕氣或水存在條件下，聚合物分子之間成鍵）和親水性彈性體（通過水分子成鍵，又可分為吸水性和出水性），可作密封材料和覆蓋材料等。光敏性功能彈性體：在吸收光的作用下，引起分子內和分子間的化學或結構變化，主要用途為自動記錄器和光敏折曲印刷板，未來在彈性涂料和板材方面可能有新用途。輻射功能彈性體：以X-射線和γ-射線為主要研究對象，如環氯化聚丁二烯和聚異丁烯等，前者感光率高，有發展前途。導電（磁性）功能彈性體：(1)半導體類導電性橡膠：如聚醚氨基甲酸乙酯離子型樹脂和四氰基醌二甲烷的鉀鹽的反應生成物等，通過對電氣特性研究有望發展。(2)分散復合類導電橡膠：防過電流、過熱元件：如用炭黑、石墨作填料的PTC發熱體，橡膠種類在耐久性方面EPDM、硅橡膠、氟橡膠等適宜。壓敏導電性橡膠（PCR）：電阻值隨壓力變化，如硅橡膠制成的報警用傳感器等，炭黑配合膠料可制成可變電阻性加壓導電橡膠，炭黑種類及配合條件影響材料行為，需根據用途選擇。(3)異向導電性橡膠：導電特性異向，如層疊型連接器可用于電器間微細連接，橡膠材料主要為硅橡膠，還可用于電磁波屏蔽等，今后需對聚氨酯、氟橡膠、硅橡膠等進行研究以滿足不同用途。生物醫用功能彈性體：(1)聚氨酯：包括嵌段型聚氨酯（抗血栓性與軟段、硬段結構有關）、含氟鏈段型聚氨酯（FPU，抗血栓性更好，有待進一步研究開發）等，聚氨酯溶血性和細胞毒性高，導入聚二甲基硅氧烷可改善。(2)硅橡膠：基本為聚二甲基硅氧烷，生物適應性方面，植入體內幾乎惰性，抗血栓性適中，可作人工器官等，通過改性（如表面接枝聚合等）可提高抗血栓性，氟硅橡膠強度提高后可替代硅橡膠。(3)其他醫用橡膠：如合成含水橡膠、氟橡膠、氟硅橡膠、氟磷腈橡膠等高性能橡膠，醫用材料需具備功能性和生物適應性，今后改性將向仿生材料開發轉移。5.Sh-智能彈性體有哪幾種？1,2-聚丁二烯：日本合成橡膠公司生產，有非交聯和交聯兩種使用形式。非交聯材料可作新鮮食品包裝材料（無污染、透氣性和透溫性好）、醫療和醫用材料（對可溶性脂肪藥物無吸附作用、柔軟透明）；交聯材料可作感光材料、發泡材料、熱固性材料（如制作光學唱片）。分離智能彈性體：大體分為氣體和金屬離子分離膜兩類。氣體分離膜中硅橡膠氧氣透過系數大但強度低不易成膜；金屬離子分離膜中在聚氨酯主鏈或側鏈引入冠醚較有成效，因為冠醚對金屬離子配位能力強。

第十一章建筑智能化技術1.智能材料在建筑工程中的應用功能？提升建筑結構安全性和可靠性：能感知外力、震動、溫度、裂紋等變化，通過應變能力主動應對，預警危險并消除危害。節能環保：有助于實現建筑節能、節水、節地、節材，減少廢棄物和污染，降低地球負荷，如智能玻璃可調節光線和溫度，減少能源消耗。優化建筑性能：如透水混凝土可調節環境溫濕度，電磁屏蔽混凝土可降低電磁輻射污染，自診斷混凝土可檢測結構損傷等。促進建筑智能化發展：使建筑具備自適應、自調節等功能，如智能毯可提供多種功能，相轉變材料可用于儲能和溫度控制。2.建筑工程中的智能材料在建筑結構上的分類及功能？透水混凝土：具有良好透水透氣性，可增加地表透水、透氣面積，調節環境溫度、濕度，減少城市熱島效應，維持地下水位和植物生長。調濕混凝土：通過添加關鍵組分納米天然沸石粉制成，可探測室內環境溫度并調控，滿足建筑對濕度的控制要求。電磁屏蔽混凝土：摻入金屬粉末導電纖維等低電阻導體材料，能屏蔽和吸收電磁波，降低電磁輻射污染，提高室內電視影像和通訊質量。抗菌混凝土：加入納米抗菌防霉組分，具有抑制霉菌生長和滅菌效果。生物相容型混凝土：利用透水透氣性提供植物生長所需營養，可用于河川護堤綠化美化，形成淡水生物、海洋生物相容型混凝土，調節生態平衡。再生混凝土：廢棄混凝土處理后部分或全部代替天然骨料配制，減少城市垃圾，節約資源。凈水生態混凝土：復合高活性凈水組分與多孔混凝土，提高吸附能力，凈化水質，提供生物生息場所和自然景觀效果，用于淡水和海水凈化。凈化空氣混凝土：添加納米二氧化鈦等光催化劑，可凈化甲醛、苯等室內有毒揮發物，減少二氧化碳濃度。溫度自監控混凝土：摻入短切碳纖維產生熱電效應，實時測量建筑物內部和周圍環境溫度，還可能利用溫差發電。自診斷混凝土：如碳纖維混凝土用于機場跑道、橋梁路面等工程，可自動融雪除冰，檢測結構損傷；光纖維混凝土用于混凝土養護溫度及應力自我監測。自修復混凝土：自修復系統可修補結構微裂縫，免去監控儀器和外部修補費用，延長混凝土材料使用壽命，提高安全性和耐久性。高阻尼混凝土：提高混凝土材料阻尼比，增強結構抗震能力。自調節混凝土：能自動調整建筑結構承載力和環境濕度，減輕自然災害破壞。3.建筑工程中的智能材料在節能環保上的分類及功能？涂料：室外凈化空氣涂料：暴曬后激活光催化劑捕捉空氣污染，表面抗污性好，雨水可沖刷污染物。室內環境凈化涂料：添加稀土激活無機抗菌凈化材料，凈化室內環境污染氣體，殺菌并利用表面超親水效應方便去污。負離子功能涂料：增加室內負離子濃度，產生森林功能效果，吸收二氧化碳及有害氣體，抑菌除臭。阻熱防水涂料：用于瀝青表面反射太陽能量，增強瀝青抗老化性能。智能乳膠漆：加入復合材料可自動調節光亮度適應環境。露珠仙外墻涂料：仿生荷葉效應自清潔，抑制菌類藻類繁殖，防水防紫外線，透氣耐候性好。玻璃：低輻射玻璃：反射熱輻射，減少可見光遮擋，與普通玻璃配合用于雙層中空窗，保溫隔熱節能，降低光污染。光致變色玻璃：含金屬鹵化物或光學變色塑料，隨紫外線強度改變顏色，減少可見光通過，吸收熱輻射。熱變色玻璃：受熱變色，改變光學特性，散射或吸收太陽輻射，如雙層玻璃夾層中含的水溶性聚合纖維受熱改變透明度。液晶玻璃：分散液晶在電場作用下定向排列改變透明度，通電變透明，斷電吸收散射太陽輻射。電致變色玻璃：低壓直流電驅動使電變色材料變暗，連續調光，消除大部分紫外線。電泳玻璃：通電時懸浮液中黑色針狀懸浮顆粒定向排列改變透明度，可連續調光。光伏玻璃：分層壓入太陽能電池發電，可作太陽能智能窗、光伏玻璃幕墻等。磚：環保磚：一種利用多孔結構和表面涂覆材料吸收有害氣體；另一種燒結型透水保濕路面磚用工業廢料制成，透水透氣，實現環保生態雙重效果。板材：碳纖維電熱板材：在裝飾板中加入碳纖維，通電輻射供暖，熱效率高，安全節能無污染，散熱均勻，溫度可自由調節。功能型高晶板材：在石膏板基礎上加入納米無機抗菌材料或摻入負離子，可殺菌抑菌除臭，用作內墻板、吊頂板、防火面板等。相轉變材料：利用相變儲能，儲能密度大、效率高，在太陽能利用、廢熱回收、空調建筑、調溫調濕、保溫等方面用途廣泛。地毯（智能毯）：用柔性聚酯膜材料做基層，噴涂微元素粒子，有機光電太陽能電池供電，白天蓄熱晚上供熱，提供裝飾效果。太陽能轉換材料（太陽能瓦、光纖照明）：太陽能瓦將太陽能直接轉換為電能；光纖照明用光-電轉換材料實現光-光轉換，克服傳統照明缺點，應用前景廣闊。TIM材料：半透明絕熱塑料制成復合透明隔熱墻體，拓展保溫隔熱功能，兼有采光隔熱吸熱流通空氣等作用。4.國外裝配式混凝土結構的發展與應用現狀？美國：裝配式混凝土住宅起源于20世紀30年代，1976年國會通過相關法案并出臺行業規范標準。1991年提出將裝配式混凝土建筑發展作為契機，目前其混凝土結構建筑中裝配式比例達35%左右，有三十多家專門生產單元式建筑的公司。構件連接以干式連接為主，構件商品化供應，呈現大型化趨勢，構件標準化、系列化、專業化、商品化、社會化程度高，結構性能好，通用性強，住宅美觀、舒適、個性化。英國：1945年政府發布白皮書推動建筑生產規模化、工廠化，裝配式混凝土結構發展主要體現在預制混凝土大板結構，目前工廠化預制建筑部件、現場安裝的建造方式廣泛應用。德國：二戰后裝配式混凝土建筑廣泛采用，產業鏈處于世界領先水平，建筑、結構、水暖電專業協作配套，施工企業與機械設備供應商合作密切，機械設備、材料和物流先進，高校、研究機構和企業不斷提供研發支持。目前主要采用裝配式疊合板體系，預制墻板結構性能好，構件部品可多次重復使用，節能低耗、綠色環保。德國還是降低建筑能耗發展最快的國家，提出“3升房”和“被動式建筑”理念。日本：建筑行業推崇框架結構，裝配式混凝土建筑中柱、梁、板構件連接以濕式連接為主，構件生產、儲運和現場安裝能力強，為設計提供更多空間。如蓮藕梁梁柱節點核心區整體預制保證連接安全，但誤差容忍度低。日本國土地震頻發，裝配式混凝土的減震隔震技術發達，軟鋼耗能器應用廣泛。其他國家：新加坡：政府政策推動裝配式混凝土建筑發展，如組屋項目強制推行裝配化，裝配率達70%，提高了房屋建造效率，緩解了外用勞工成本過高問題。加拿大：借鑒美國經驗，混凝土建筑裝配率高，構件通用性高，大城市多為裝配式混凝土建筑和鋼結構建筑，6度以下地區推行全預制混凝土建筑。法國：1950-1970年間開始推行裝配式混凝土建筑，目前比較完善，裝配率達80%，多采用框架或板柱體系，采用焊接等干式連接方法。新西蘭：NigelPriestley教授領導的PRESSS研究成果為高烈度地區提供了先進預制混凝土結構體系，裝配式混凝土結構被大量應用于中高層結構。澳大利亞：大力推動模塊化裝配式結構，旨在最大限度提高場外預制內容，減少現場建筑活動和返工可能性。5.國內裝配式混凝土結構的發展路徑？起步階段（20世紀50年代）：新中國成立后，建筑行業借鑒前蘇聯和東歐國家經驗，推行標準化、工業化和機械化，發展預制構件和裝配式施工。1955年北京第一建筑構件廠興建，1959年建成北京民族飯店，標志著我國裝配式混凝土建筑起步。持續發展階段（20世紀60年代初-80年代初期）：多種裝配式建筑體系快速發展，原因包括當時建筑標準低、形式單一，抗震性能要求不高，建設總量不大，資源匱乏，施工企業用工制度等。低潮階段（20世紀80年代）：1976年唐山大地震后，預制裝配式房屋抗震性差的問題暴露，加之建筑設計個性化、多樣化，裝配式生產和施工能力無法滿足需求，同時現澆結構施工技術因農民工進城、模板腳手架普及和商品混凝土應用而廣泛發展，裝配式混凝土建筑發展停滯。新發展階段（如今）：改革開放后，隨著勞動力緊缺和節能環保要求，預制裝配化建筑再次發展。2016年國務院提出裝配式建筑發展目標，國家和地方出臺扶持政策，裝配式混凝土結構迅猛發展。我國裝配式發展模式為借鑒國外經驗，做好頂層設計，完善法規規范，加大政策扶持，結合國情選擇發展方向，培養專業人才，創新技術，設立標準，完善產業鏈。6.裝配式混凝土建筑的綠色性有哪些體現？和傳統現澆建筑相比，裝配式混凝土建筑在資源消耗方面有哪些進步？為什么？綠色性體現：節約資源：裝配式建造標準化、規模化生產實現過程和資源可控，在建筑產品全壽命周期能有效實現水資源再利用、廢棄物再利用與再生利用，節約能源、建筑材料和土地等資源。節能減排：可減少施工垃圾和二次裝修垃圾排放80%-90%，能耗降低20%-30%，碳排放降低7%-15%。環境友好：減少施工現場建筑垃圾，降低對環境的污染，如減少施工揚塵、噪聲等。資源消耗進步及原因：材料節約：相較于傳統施工方式，工業化建造能降低50%左右施工材料消耗，尤其是木材節約可達90%，水資源節約40%-50%，用電量節約30%以上。在我國香港地區，裝配式建造方式使水資源節約達40%，材料節約52%以上，材料回收利用率85%以上。原因是裝配式建筑采用標準化設計和工廠化生產，可精確計算材料用量，減少浪費，同時能提高材料利用率，回收利用也更方便。能源節約：工廠化生產和裝配化施工減少了施工現場的作業量，降低了能源消耗，如塔吊、升降機等設備的使用頻率降低。同時，預制構件的生產可采用節能工藝和設備，進一步降低能源消耗。7.從綠色可持續性的角度解釋為什么要推廣裝配式混凝土建筑？資源利用高效：裝配式建筑能實現建筑材料的循環利用，減少對原始資源的依賴，如再生混凝土利用廢棄混凝土，減少了對天然骨料的開采。在建筑全壽命周期內，可提高水資源、能源等資源的利用效率，降低資源消耗，符合可持續發展理念。環境影響小：顯著減少施工過程中的建筑垃圾排放，降低對環境的污染，如減少施工現場的揚塵、噪聲和廢棄物等。同時，通過優化建筑性能，如節能、保溫等，可減少建筑使用過程中的能源消耗和溫室氣體排放，對環境更加友好。符合可持續發展理念：其標準化、工業化的生產方式有利于建筑行業的轉型升級，提高建筑質量和安全性，同時減少對勞動力的需求，緩解勞動力短缺問題，促進建筑行業的可持續發展。8.裝配式建筑與建筑工業化、產業現代化的關系？裝配式建筑與建筑工業化的關系：裝配式建筑是建筑工業化的重要構成部分，建筑工業化強調在建造全過程采用標準化設計、工廠化生產、裝配化施工、一體化裝修和信息化管理等工業生產方式，而裝配式建筑以標準化設計、工廠化生產的建筑構件現場裝配為主要特征，發展裝配式建筑是實現建筑工業化的主要途徑和趨勢。裝配式建筑與產業現代化的關系：建筑產業現代化范圍更廣，包括設備和工具現代化、產業結構現代化、勞動力現代化、管理方式現代化等。建筑工業化是建筑產業現代化的一個手段，建筑產業現代化內涵涵蓋建筑工業化范疇，強調大生產在建筑建造過程中的作用，二者目標一致，都是建造綠色環保、可持續的建筑，但側重點有所不同。9.BIM在勘察設計階段的應用價值？設計方案論證：進行設計方案比選與優化，提出性能、品質最優方案。設計建模：實現三維模型展示與漫游體驗，直觀呈現設計效果。協同建模：建筑、結構、機電各專業協同建模，參數化建模技術保證一處修改相關聯內容智能變更，避免錯、漏、碰、缺。能耗分析：輸出能耗分析模型，計算、評估建筑能耗并優化，分