基于仿生特性的智能材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用探究

楊宇軒

（南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程專業(yè) 江蘇 南京 211106）

1 引言

智能材料是一類新型復(fù)合材料，它的發(fā)展十分迅速。目前多方面對智能材料的認(rèn)識還沒有達(dá)到完全的統(tǒng)一，概括來說，智能材料是從最初的自然物質(zhì)到人工合成再到復(fù)合設(shè)計(jì)這三個(gè)階段之后所發(fā)展起來的新型仿生材料，是指能夠感覺外部刺激，并能對刺激進(jìn)行分析和預(yù)判，進(jìn)而根據(jù)特定環(huán)境采取一定的措施進(jìn)行合理響應(yīng)的智能特征材料。

2 智能材料的功能和特性

2.1 仿生學(xué)助推智能材料的功能完善

人類對材料功能的需求越來越高，當(dāng)材料發(fā)展到一定階段之后，科學(xué)家想研制出一種仿生材料，因此，智能材料應(yīng)用而生，在這過程中仿生學(xué)的理論對科學(xué)家的啟發(fā)不容小覷，他們通過復(fù)合功能融合和仿生設(shè)計(jì)，智能材料就具有了類似于生物體的各種器官的“活”的功能。因此，在此情形下設(shè)計(jì)出的智能材料理應(yīng)具有或者部分具類似于生物體各種器官的“活”的功能和特性。

（1）傳感功能：顧名思義，即傳導(dǎo)和感應(yīng)，智能材料系統(tǒng)夠象生物體那樣，感知自身環(huán)境的變化并能正確選擇傳導(dǎo)到這些變化信息。

（2）反饋功能：當(dāng)外界或自身能所處的環(huán)境條件變化發(fā)生時(shí)，智能材料可通過其具有的傳感網(wǎng)絡(luò)對變化前后的信息進(jìn)行對比，并能做出記錄與反饋。

（3）信息識別與積累功能：當(dāng)外界或自身能所處的環(huán)境條件變化發(fā)生時(shí)，智能材料能夠?qū)ψ兓男畔⑦M(jìn)行識別與不斷積累。

（4）響應(yīng)功能：當(dāng)外界或自身能所處的環(huán)境條件變化發(fā)生時(shí)，智能材料能夠適時(shí)動(dòng)態(tài)地根據(jù)具體環(huán)境要求作出適度的反應(yīng)。

（5）自我調(diào)節(jié)功能：當(dāng)外界或自身能所處的環(huán)境條件變化發(fā)生時(shí)，智能材料能夠類似于生物體那樣“活動(dòng)”地調(diào)整狀態(tài)，適度地改變形態(tài)，以一種“智能”化、“仿生”化的方式“表態(tài)”自身，去不斷適應(yīng)環(huán)境變化。

（6）自我診斷功能：當(dāng)智能材料系統(tǒng)出“亞健康”、“故障”、“病灶”時(shí)，它能夠反復(fù)對比新舊信息，對材料系統(tǒng)中存在的這些問題進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、自我診斷，并及時(shí)反饋。

（7）自修復(fù)功能：智能材料能夠通過原位復(fù)合、自生長等再生功能來修復(fù)系統(tǒng)內(nèi)部的某些破壞或損傷。

2.2 仿生特性增強(qiáng)智能材料的應(yīng)用深入

仿生學(xué)對智能材料的發(fā)展起到推動(dòng)作用，借助于生物對外部環(huán)境的感知和、調(diào)節(jié)和適應(yīng)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)智能材料系統(tǒng)中必須具類似于人類的大腦、神經(jīng)系統(tǒng)、肌肉等器官和組織，用來收集、分析、處理各種信息。因此，智能材料系統(tǒng)中理應(yīng)或多或少地含有下面的幾個(gè)特別的要素：

（1）“神經(jīng)細(xì)胞”要素：“神經(jīng)細(xì)胞”在智能材料系統(tǒng)中充當(dāng)傳感器的角色，當(dāng)外界環(huán)境變化時(shí)，用以感知、收集信息。

（2）“大腦細(xì)胞”要素：“大腦細(xì)胞”在智能材料系統(tǒng)充當(dāng)中央處理器的角色，這是智能材料系統(tǒng)的指揮中心，也是最核心的部分，它直接體現(xiàn)材料系統(tǒng)的處理問題的“智商”。

（3）“肌肉細(xì)胞”要素：“肌肉細(xì)胞”要素在智能材料充當(dāng)執(zhí)行器的角色，其作用是根據(jù)“大腦細(xì)胞”——中央處理器發(fā)出的反應(yīng)指令進(jìn)行適應(yīng)性的動(dòng)作。

（4）“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”要素：智能材料系統(tǒng)應(yīng)擁有及時(shí)暢通的通信網(wǎng)絡(luò)，用傳輸“神經(jīng)細(xì)胞”、“大腦細(xì)胞”、“肌肉細(xì)胞”之間的信息傳輸與功能反饋。

由此看出，智能材料是一種具有高度仿生特性的先進(jìn)材料，它的這種仿生特性決定了在各領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深入，特別是在與生活息息相關(guān)的建筑領(lǐng)域的應(yīng)用更加具體和多樣。下面結(jié)合實(shí)際情況闡述一下智能材料為建筑領(lǐng)域帶來的新的變化。

3 智能的建筑材料

3.1 智能玻璃

玻璃作為建筑采光材料具有不可替代性，由于智能材料的發(fā)展，在玻璃方面近年來出現(xiàn)了很多的新技術(shù)新產(chǎn)品，如：

（1）熱變色玻璃：主要是在玻璃中加入熱變色材料，玻璃受熱時(shí)引起化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而引起內(nèi)部材料顏色的改變，這種玻璃會(huì)隨著太陽光變化而改變特性，人們利用它來散射或被吸收太陽輻射。

（2）電致變色玻璃:當(dāng)玻璃通過低壓直流電的驅(qū)動(dòng)時(shí)，它能夠根據(jù)需要適時(shí)調(diào)光，其中的電變色材料(如W03)變亮或變暗，對日照中紫外線的消除率達(dá)到99%左右。

（3）電泳玻璃:這種雙層玻璃面上附著了透明的涂層，涂層可以導(dǎo)電，雙層玻璃中間充滿懸浮液，當(dāng)有電流通過時(shí)時(shí)，懸浮液中的黑色針狀懸浮顆粒在電流的作用下會(huì)產(chǎn)生定向排列，起到改變透明度的作用，有時(shí)根據(jù)電壓大小也可做到連續(xù)調(diào)光。

3.2 智能涂料

涂料作為建筑中的“化妝品”十分常見，隨著生活水平的提高，涂料的功能被不斷開發(fā)，智能涂料的出現(xiàn)十分耀眼。如：在涂料中加入輕質(zhì)熱敏物質(zhì)，該涂料會(huì)象上述講的智能玻璃那樣隨著溫度和光照的變化而改變自身的顏色或狀態(tài)，或深或淺或冷或暖。有時(shí)也用它實(shí)現(xiàn)能量循環(huán)，也可在其中植入抗菌聚合體從而讓涂料擁有健康衛(wèi)生功能。

3.3 環(huán)保磚

有一種“燒結(jié)型透水保濕路面磚”，用工業(yè)廢料制成，具有良好的透水透氣性，實(shí)現(xiàn)環(huán)保加生態(tài)的雙重效果；另一種磚使用形式是利用自身多孔結(jié)構(gòu)和表面涂覆材料，有效吸收汽車尾氣等有害氣體。

4 智能材料的仿生功能在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

4.1 “自診斷”功能

具有自診斷功能的碳纖維壓敏混凝土結(jié)構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用，即在水泥漿中加入碳纖維材料作為導(dǎo)電材料，為了調(diào)節(jié)其硬化電阻的特性，我們會(huì)通過控制纖維用量和制備工，讓它會(huì)隨外界的壓力變化而變化，也即對應(yīng)力敏感，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力接近損傷區(qū)或破壞區(qū)時(shí)，這種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可自動(dòng)報(bào)警，該技術(shù)已在長江三峽工程的圍堰上應(yīng)用，并取得較好的效果。

利用這一特性，對長江三峽工程、其他橋梁及重要的工程結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)適時(shí)監(jiān)測和階段性損傷評估。

4.2 “自愈合“功能

長期以來，橋梁、高大的建筑設(shè)施以及地下管道的“健康”狀況難以估摸，科學(xué)家正集中力量研制一種智能材料，讓其在“服役”時(shí)能自我診其“亞健康”、“故障”、“病灶”狀況，并能根據(jù)條件“醫(yī)治疾病”的材料。根據(jù)報(bào)道，西方科學(xué)家經(jīng)過長期研究，已經(jīng)研發(fā)出了具有自愈合功能的復(fù)合纖維。這種纖維具有很強(qiáng)的仿生功能，在建筑中作用十分明顯，若把這種智能纖維適量的加入混凝土中后，當(dāng)混凝土出現(xiàn)“亞健康”時(shí)，它能通過其自身系統(tǒng)感覺混凝土中出現(xiàn)的細(xì)小的裂紋，然后通過其智能系統(tǒng)釋不斷放出一種物質(zhì)，自動(dòng)填充到混凝土的裂紋中達(dá)到粘合的效果，若在鋼筋周圍加入這種防腐蝕纖維，當(dāng)鋼筋周圍出現(xiàn)“病灶”時(shí)，纖維的涂層不斷放出一種物質(zhì)來阻止混凝土中鋼筋被腐蝕，起到很好的保護(hù)作用。

4.3 “自動(dòng)化”功能

在鋼筋混凝土中預(yù)置光導(dǎo)纖維，它可以代替原來的導(dǎo)線用作強(qiáng)度監(jiān)測、通訊等，并能實(shí)現(xiàn)建筑物的辦公自動(dòng)化，目前正在深入研究的利用驅(qū)動(dòng)件制成可改變結(jié)構(gòu)層面剛度的主動(dòng)抗振剪切板以及具有控制系統(tǒng)的抗震智能建筑物，其主要做法是是在結(jié)構(gòu)中埋入壓電加速度計(jì)。

5 結(jié)語

智能材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用還有很多方面，本文只列舉了其中一小部分，未來智能材料將在建筑領(lǐng)域占據(jù)重要位置，我們應(yīng)多了解和掌握智能建筑材料的仿生特性和結(jié)構(gòu)特征，開闊自己的知識面，通過不斷的實(shí)踐和研究，相信智能材料的應(yīng)用能給建筑及人們的生活帶來巨大的好處。