形状记忆合金论文参考文献

土木工程是一项综合性很高的课程,其中,土木工程材料的教学有着很强的实践性。下文是我为大家搜集整理的关于土木工程材料论文的内容，欢迎大家阅读参考!

浅论土木工程中关于智能材料的应用

【摘要】随着人们对土木工程质量和使用功能的要求不断提高，包括光纤、压磁、压电、记忆合金等各种智能材料在土木工程领域得到了广泛的应用。文章介绍了智能材料的概念、特点及其在土木工程中的应用情况，并展望了其在未来的应用趋势。

【关键词】智能材料;土木工程;特点;发展趋势

引言

目前，随着光钎、压磁、压电和形状记忆合金等材料的发展，智能材料已经被广泛应用于土木工程的各个领域。最基本的智能材料一般被称为感知材料，其可以感知内外部刺激的材料。通过感知内外部条件变化，并做出适应环境调整的材料被称作驱动材料。现在的智能材料，一般需要多种材料复合组装来实现环境变化情况下材料结构的诊断、修复、调整。

一、智能材料类型及特点

智能材料概念在20世纪80年代初被系统地提出，并于80年代末得到前所未有发展空间。随着光纤、压磁、形状记忆合金等智能材料的发展，使其在土木工程领域得到较为广泛地应用。智能材料以其具有的不同功能特点通常可分为两大类，一类为可感知外界或内部刺激强度作用的材料，称为感知材料。另一类为可响应或驱动因外界环境条件或内部状态发生变化的材料，也称为智能驱动材料。智能材料结构具有控制、传感与驱动三个要素，可利用自身感知处理信息，发出指令并执行动作，进而实现结构自我监控、诊断、检测、修复、校正与适应等各种功能。一般情况下，单一功能材料难以具有上述多种功能，这需要组元复合或组装多种材料而构成新的智能材料才能实现。

二、土木工程中智能材料的应用

1.形状记忆合金的应用

形状记忆合金是具有形状记忆效应的一种智能合金材料，作为新型功能性材料，最主要的优点就是在激发材料的形状记忆效应过程中，材料可以产生高于700兆帕的回复应力及8%左右的回复应变，同时具有较强的能量传输储存能力。该特性的应用能够将材料置于各种结构中，实现结构的自我诊断、增韧、增强与适应控制的应用研究，而且还可以将材料研制为智能型驱动器，在结构变形、损伤、裂缝及振动等方面开展应用研究工作。相变伪弹性与相变滞后性能是形状记忆合金的另一个优点，在加卸载过程中其应力-应变曲线构成环状，表明材料在此过程中能够吸收耗散较多的能量。形状记忆合金具有高达400兆帕的相变回复力，结合该特性能够研制开展形状记忆合金被动耗能控制系统，该系统可实现相变伪弹性性能，可在土木工程结构中用于耗能抗震的被动控制。通常在结构层间或底部安置形状记忆合金被动耗能控制系统，用于实现耗能系统对结构的层间变形的感知，进而起到消耗地震能量的作用。有关研究结果显示，耗能器安装形状记忆合金结构后，耗能器可吸收约为三分之二的地震能量，并显著抑制结构的位移。

2.压电材料的应用

压电材料一般是指在收到压力后，材料两端会出现电压的晶体材料。压电材料在土木工程中的应用主要包括对于结构的静变形控制、噪声控制和抗震抗风等领域。传统的压电材料使用方法是通过压电传感元件对结构的震动进行感知，利用传感器输出结果，从而实现对于震动的感知和预警。在此基础上，采取合适的控制算法对压电体的输入进行控制和定量，从而实现对于结构震动的控制，这是目前压电类智能材料的研究前沿。随着研究的深入和技术的进步，压电类的智能结构土木工程中的应该越来越广泛。

3.光导纤维的应用

光导纤维由外包层与内芯构成，是一种纤维状光通信介质材料，该材料采用先进的信息传输技术起初用于通信传输系统，由于作为信息载体的光子在速度与容量上高于电子，因此得到较为迅速的发展。光子所具有的高并行处理能力与高信息率，潜力在信息容量与处理速度得到充分发挥。光纤材料在监测、传感及信息远距离传输等方面得到应用，将光纤作为传感元件埋入传统混凝土结构中针对结构方面各项指标实现自动监测、诊断、控制、预报及评价等功能，而且将形状记忆合金等驱动元件埋入，有机结合信息处理系统与控制元件，使混凝土结构具有智能功能，进而实现混凝土结构自我诊断与修复。在土木工程结构诊断及主动控制地震响应中，光纤材料一直作为设计传感器的一种比较理想的材料，我国目前也已将其用于检测评定三峡大坝。

4.压磁材料的应用

压磁材料在土木工程中的应用主要包括磁流变材料和磁致伸缩材料。基于磁流变材料的原理，当磁场的强度高于临界强度时，磁流变在极短时间内从液态向固态转化。在介于固液体之间可根据磁流变液特点具有的快速、可控及可逆性质，控制流体特性实施时需要较低的能量，因此在智能结构中通常将磁流变液作为动器件的主要材料。基于这点，磁流变材料可用于高层建筑的结构中，实现对地震的半主动控制。因为潜在应用前景的广阔，使得磁致伸缩材料近年来得到很大关注。磁致伸缩材料具有强烈的磁致伸缩效应，这种材料可以在电磁和机械之间进行可逆转换，这种特性使其可以用于大功率超声器件、声纳系统、精密定位控制等很多领域。

三、智能材料的发展趋势

在土木工程领域，智能材料的发展趋势集中体现在以下三方面。一是实时监控检测结构状态，在土木结构中集成传感与驱动元件，利用其网络实时监控结构状态，以保证土木工程结构与基础设施的安全，有效降低维修成本。二是形状自适应材料与结构，该结构不仅可承载传递运动，还能检测并改变结构特性，具有较为广阔的应用前景。三是自适应控制减振抗震抗风降噪的结构，在土木工程设计中结构动力响应一直是比较重要的一个问题，尤其是针对桥梁与高层建筑等土木工程结构的抗震抗风问题，研发应用智能材料能够为其提供重要的途径，实现结构的自适应控制。尽管当前的智能材料还存在不同程度的不足之处，但随着有关研究的不断深入，智能材料的性能将得到明显改善。在众多领域中，智能材料都将发挥其潜力，体现出广阔的应用前景，开展的研究包括力学、计算机控制、材料、微电子、人工智能等多个学科技术。

四、结语

综上所述，随着智能材料的广泛应用，同时元件逐渐向小型化、多功能化及高功率化方向发展，在建筑结构中复合控制、传感、驱动系统及耦合/连接元件，建筑结构将发展成为主动式智能建筑结构，对于有效利用太阳能、抵御地震、风振等严重自然灾害影响具有重要作用， 为人们工作生活提供更为舒适安全的环境，对于提高土木工程结构建设质量具有十分重要的意义。

参考文献：

[1]张亚东.智能材料在土木工程中的应用研究[J].科技资讯，2011(30)：49.

[2]黄浦时.关于智能材料在土木工程建设中的研究[J].数字化用户，2013(11)：27.

[3]汪洋.智能建筑材料在绿色生态节能建筑中的应用[J].国外建材科技，2008，29(2)：123-126.

[4]郑智能，张永兴，董强.智能材料及其在土木工程中的应用[J].重庆交通学院学报，2005，24(6)：91-94.

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编译 | 未玖

Nature, 10 February 2022, VOL 602, ISSUE 7896

《自然》 2022年2月10日，第602卷，7896期

天文学 Astronomy

A white dwarf accreting planetary material determined from X-ray observations

X射线观测到白矮星吸积行星物质

作者：Tim Cunningham, Peter J. Wheatley, Pier-Emmanuel Tremblay, Boris T. Gänsicke, George W. King, Odette Toloza, et al.

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摘要

大多数白矮星的大气受到重元素的污染，这些重元素预计会在短时间内从可见层下沉。这被解释为白矮星不断吸积小行星、彗星和巨行星碎片的标志。探测一些白矮星周围的碎片盘和行星碎片凌星现象支持了这一设想。

然而，光球金属只是持续吸积的间接证据，推断的吸积率和母体成分在很大程度上取决于白矮星大气中扩散和混合过程的模型。

研究组报道了被污染白矮星G29–38的X射线σ探测。根据测得的X射线光度，他们推导出瞬时吸积率MX= 109 g s 1，且独立于恒星大气模型。该比率高于过去对G29–38光球丰度研究所作的估计，表明可能需要对流过冲来模拟白矮星碎片聚集的光谱。

研究组测量出kBT=     keV的低等离子体温度，证实了此前预测的白矮星以低吸积率吸积的爆炸方式。

Abstract

The atmospheres of a large proportion of white dwarf stars are polluted by heavy elements that are expected to sink out of visible layers on short timescales. This has been interpreted as a signature of ongoing accretion of debris from asteroids, comets and giant planets. This scenario is supported by the detection of debris discs and transits of planetary fragments around some white dwarfs. However, photospheric metals are only indirect evidence for ongoing accretion, and the inferred accretion rates and parent body compositions heavily depend on models of diffusion and mixing processes within the white dwarf atmosphere. Here we report a σ detection of X-rays from a polluted white dwarf, G29–38. From the measured X-ray luminosity, we derive an instantaneous accretion rate of MX= 109 g s 1, which is independent of stellar atmosphere models. This rate is higher than estimates from past studies of the photospheric abundances of G29–38, suggesting that convective overshoot may be needed to model the spectra of debris-accreting white dwarfs. We measure a low plasma temperature of kBT =     keV, corroborating the predicted bombardment solution for white dwarfs accreting at low accretion rates.

物理学 Physics

Real-space visualization of intrinsic magnetic fields of an antiferromagnet

反铁磁体内禀磁场的实空间可视化

作者：Yuji Kohno, Takehito Seki, Scott D. Findlay, Yuichi Ikuhara & Naoya Shibata

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摘要

原子尺度的磁性结构表征，是材料和器件中纳米磁性设计与调控的核心。然而，在该维度上，磁场的实空间可视化一直颇具挑战性。近年来，原子分辨率差分相衬扫描透射电子显微镜（DPC STEM）已能够直接成像单个原子内部的电场分布。

研究组展示了在无磁场环境中使用原子分辨率DPC STEM实现反铁磁赤铁矿（α-Fe2O3）内部磁场分布的实空间可视化。

在去除原子电场引起的相移分量并通过单元平均法提高信噪比后，研究组实现了α-Fe2O3内禀磁场的实空间可视化。这些研究结果为许多磁性结构的实空间表征提供了新途径。

Abstract

Characterizing magnetic structures down to atomic dimensions is central to the design and control of nanoscale magnetism in materials and devices. However, real-space visualization of magnetic fields at such dimensions has been extremely challenging. In recent years, atomic-resolution differential phase contrast scanning transmission electron microscopy (DPC STEM) has enabled direct imaging of electric field distribution even inside single atoms. Here we show real-space visualization of magnetic field distribution inside antiferromagnetic haematite (α-Fe2O3) using atomic-resolution DPC STEM in a magnetic-field-free environment. After removing the phase-shift component due to atomic electric fields and improving the signal-to-noise ratio by unit-cell averaging, real-space visualization of the intrinsic magnetic fields in α-Fe2O3 is realized. These results open a new possibility for real-space characterization of many magnetic structures.

Ferroelectric incommensurate spin crystals

铁电不相称自旋晶体

作者：Dorin Rusu, Jonathan J. P. Peters, Thomas P. A. Hase, James A. Gott, Gareth A. A. Nisbet, Jörg Strempfer, et al.

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摘要

铁性材料，尤其是铁磁体，在特定的电和力学边界条件下，可形成复杂的拓扑自旋结构，如漩涡和斯格明子。

在专用铁电系统中，尤其是在PbTiO3/SrTiO3等铁电-绝缘体超晶格中，人们已观察到简单的涡状电偶极子拓扑结构，但后来由于其高去极化场，被证明是一个模型系统。迄今为止，还没有实验观察到由Dzyaloshinskii–Moriya相互作用（DMi）驱动的有序磁自旋晶格的等效电偶极。

研究组探讨了夹在SrRuO3电极间的单一PbTiO3外延层的畴结构。他们观察到周期性的顺时针和逆时针铁电旋涡，沿其环形核心受到二阶调制。计算结果支持的拓扑结构是具有两个正交周期调制的迷宫状图案，形成了一个不相称的极性晶体，其铁电性类似于最近在铁磁材料中发现的不相称自旋晶体。

这些发现进一步模糊了突现铁磁和铁电拓扑之间的边界，为未来磁DMi驱动相的电对应物的实验实现扫清了道路。

Abstract

Ferroics, especially ferromagnets, can form complex topological spin structures such as vortices and skyrmions when subjected to particular electrical and mechanical boundary conditions. Simple vortex-like, electric-dipole-based topological structures have been observed in dedicated ferroelectric systems, especially ferroelectric–insulator superlattices such as PbTiO3/SrTiO3, which was later shown to be a model system owing to its high depolarizing field. To date, the electric dipole equivalent of ordered magnetic spin lattices driven by the Dzyaloshinskii–Moriya interaction (DMi) has not been experimentally observed. Here we examine a domain structure in a single PbTiO3 epitaxial layer sandwiched between SrRuO3 electrodes. We observe periodic clockwise and anticlockwise ferroelectric vortices that are modulated by a second ordering along their toroidal core. The resulting topology, supported by calculations, is a labyrinth-like pattern with two orthogonal periodic modulations that form an incommensurate polar crystal that provides a ferroelectric analogue to the recently discovered incommensurate spin crystals in ferromagnetic materials. These findings further blur the border between emergent ferromagnetic and ferroelectric topologies, clearing the way for experimental realization of further electric counterparts of magnetic DMi-driven phases.

材料科学 Materials Science

A highly distorted ultraelastic chemically complex Elinvar alloy

一种高度变形超弹性化学复杂的艾林瓦合金

作者：Q. F. He, J. G. Wang, H. A. Chen, Z. Y. Ding, Z. Q. Zhou, L. H. Xiong, et al.

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摘要

高性能超弹性金属的研发具有超高强度、大弹性应变极限和温度不敏感的弹性模量（艾林瓦效应），对于从致动器、医疗设备到高精度仪器的各种工业应用都至关重要。由于位错易滑动，体晶金属的弹性应变极限通常小于1%。

形状记忆合金（包括胶质金属和应变玻璃合金）的弹性应变极限可高达几个百分点，虽然这是伪弹性的结果，且伴随着巨大的能量耗散。近年来，化学性质复杂的合金，如“高熵”合金，因其良好性能引发了人们广泛的研究兴趣。

在这项工作中，研究组报道了一种化学复杂的合金，其原子尺寸错配较大，常规合金通常无法承受。该合金在室温下具有较高的弹性应变极限（约2%）和极低的内耗（小于2    10 4 ）。

更有趣的是，这种合金表现出非凡的艾林瓦效应，在室温和627 （900K）之间的弹性模量近乎恒定，迄今为止报道的现有合金均无法与之比拟。

Abstract

The development of high-performance ultraelastic metals with superb strength, a large elastic strain limit and temperature-insensitive elastic modulus (Elinvar effect) are important for various industrial applications, from actuators and medical devices to high-precision instruments. The elastic strain limit of bulk crystalline metals is usually less than 1 per cent, owing to dislocation easy gliding. Shape memory alloys—including gum metals and strain glass alloys—may attain an elastic strain limit up to several per cent, although this is the result of pseudo-elasticity and is accompanied by large energy dissipation. Recently, chemically complex alloys, such as ‘high-entropy’ alloys, have attracted tremendous research interest owing to their promising properties. In this work we report on a chemically complex alloy with a large atomic size misfit usually unaffordable in conventional alloys. The alloy exhibits a high elastic strain limit (approximately 2 per cent) and a very low internal friction (less than 2    10 4 ) at room temperature. More interestingly, this alloy exhibits an extraordinary Elinvar effect, maintaining near-constant elastic modulus between room temperature and 627 degrees Celsius (900 kelvin), which is, to our knowledge, unmatched by the existing alloys hitherto reported.

人工智能 Artificial Intelligence

Outracing champion Gran Turismo drivers with deep reinforcement learning

通过深度强化学习超越Gran Turismo冠军级赛车手

作者：Peter R. Wurman, Samuel Barrett, Kenta Kawamoto, James MacGlashan, Kaushik Subramanian, Thomas J. Walsh, et al.

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摘要

人工智能的许多潜在应用涉及与人类交互时在物理系统中做出实时决策。赛车就是这种情况的一个典型代表；赛车手必须执行复杂的战术性操作以超越或阻挡对手，同时在牵引力极限下驾驶赛车。

赛车模拟，比如PlayStation 游戏 Gran Turismo，忠实地再现了真实赛车的非线性控制挑战，同时也封装了复杂的多代理交互。

研究组介绍了他们如何训练Gran Turismo的AI代理，使其能够与世界上最优秀的电子竞技赛车手相匹敌。他们将最先进的、无模型的深度强化学习算法与混合场景训练相结合，来学习一种综合控制策略，将卓越的速度与令人印象深刻的战术相结合。

此外，研究组还构建了一个奖励函数，使AI代理能够在遵守重要但灵活的赛车规则的同时保持竞争力。最终研究组的AI代理Gran Turismo Sophy崭露头角，在正面竞争中战胜了四名世界顶级Gran Turismo赛车手。

通过描述如何训练冠军级别的赛车手，研究组展示了使用这些技术来控制复杂动态系统的机遇和挑战，在这些领域中，AI代理必须尊重灵活定义的人类规则。

Abstract

Many potential applications of artificial intelligence involve making real-time decisions in physical systems while interacting with humans. Automobile racing represents an extreme example of these conditions; drivers must execute complex tactical manoeuvres to pass or block opponents while operating their vehicles at their traction limits. Racing simulations, such as the PlayStation game Gran Turismo, faithfully reproduce the non-linear control challenges of real race cars while also encapsulating the complex multi-agent interactions. Here we describe how we trained agents for Gran Turismo that can compete with the world’s best e-sports drivers. We combine state-of-the-art, model-free, deep reinforcement learning algorithms with mixed-scenario training to learn an integrated control policy that combines exceptional speed with impressive tactics. In addition, we construct a reward function that enables the agent to be competitive while adhering to racing’s important, but under-specified, sportsmanship rules. We demonstrate the capabilities of our agent, Gran Turismo Sophy, by winning a head-to-head competition against four of the world’s best Gran Turismo drivers. By describing how we trained championship-level racers, we demonstrate the possibilities and challenges of using these techniques to control complex dynamical systems in domains where agents must respect imprecisely defined human norms.

地球科学 Earth Science

Superionic iron alloys and their seismic velocities in Earth’s inner core

超离子铁合金及其在地球内核中的地震速度

作者：Yu He, Shichuan Sun, Duck Young Kim, Bo Gyu Jang, Heping Li & Ho-kwang Mao

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摘要

地球内核（IC）的密度低于纯铁，这表明其内部存在轻元素。硅、硫、碳、氧和氢被认为是候选元素，人们研究了铁-轻元素合金的性能以约束IC成分。轻元素对铁合金的地震速度、熔化温度和热导率有很大影响。然而，人们很少考虑IC中轻元素的状态。

研究组利用第一性原理分子动力学模拟，发现在IC条件下，六方密排铁中的氢、氧和碳转变为超离子态，表现出像流体一样的高扩散系数。这表明IC可以处于超离子态，而非正常固态。

流体轻元素导致地震速度大幅降低，接近IC的地震学观测值。横波波速的大幅降低为软IC提供了一种解释。此外，轻元素对流对IC地震学结构和磁场也有潜在影响。

Abstract

Earth’s inner core (IC) is less dense than pure iron, indicating the existence of light elements within it. Silicon, sulfur, carbon, oxygen and hydrogen have been suggested to be the candidates, and the properties of iron–light-element alloys have been studied to constrain the IC composition. Light elements have a substantial influence on the seismic velocities, the melting temperatures and the thermal conductivities of iron alloys. However, the state of the light elements in the IC is rarely considered. Here, using ab initio molecular dynamics simulations, we find that hydrogen, oxygen and carbon in hexagonal close-packed iron transform to a superionic state under the IC conditions, showing high diffusion coefficients like a liquid. This suggests that the IC can be in a superionic state rather than a normal solid state. The liquid-like light elements lead to a substantial reduction in the seismic velocities, which approach the seismological observations of the IC. The substantial decrease in shear-wave velocity provides an explanation for the soft IC. In addition, the light-element convection has a potential influence on the IC seismological structure and magnetic field.