建筑领域七大智能材料（2024 年）

形状记忆合金 (SMA) 是一类金属合金，在受到某些刺激（例如温度变化或机械应力）时，具有在变形后恢复其原始形状的出色能力。这种独特的特性使其成为建筑中非常理想的智能材料。

以下是 SMA 的概述及其在建筑中的重要性：

成分：SMA 通常由多种金属组合而成，最常见的是镍和钛 (NiTi)，但也可能含有铜、锌和铁等其他元素。精确的成分决定了合金的具体性能。

形状记忆效应 (SME)：SMA 的定义特性是其能够表现出形状记忆效应。这种现象是由于两种晶体结构（马氏体和奥氏体）在温度变化时发生可逆相变而发生的。当冷却到临界温度（称为“马氏体转变温度”）以下时，合金会发生变形并保持暂时形状。当加热到“奥氏体转变温度”以上时，合金会恢复到建筑智能材料中的原始形状。

超弹性：除了形状记忆效应外，SMA 还表现出超弹性行为，其特点是能够承受较大的变形而不会造成永久性损坏。这种特性使其具有高弹性，适用于需要灵活性和耐用性的应用。

建筑中的应用：自适应立面：SMA 用于自适应立面系统，通过调整其形状或位置来响应环境条件（例如温度或日照强度）。这使建筑物能够优化自然采光、通风和能源效率。

可移动结构：SMA 被纳入可移动的建筑元素，例如可伸缩屋顶、动能雕塑和可展开遮蔽物，从而实现动态转换和空间重新配置。

节能窗户：SMA 集成到智能窗户系统中，能够根据外部刺激调节透明度或绝缘性能，有助于提高热舒适度和节约能源。

抗震阻尼器：SMA 用于抗震阻尼系统，通过耗散能量和减少结构振动来减轻地震的影响，从而增强建筑物的弹性和安全性。

优点：能源效率：SMA 通过优化日光照明、热调节和 HVAC 系统性能，为节能建筑设计做出贡献。

设计灵活性：SMA 为建筑师和设计师提供了更大的灵活性，可以创建响应式和自适应的建筑形式，从而增强用户体验和功能。

结构弹性：SMA 提高建筑物抵抗地震、风荷载和其他外力的能力，从而增强结构完整性和安全性。

挑战：成本：与传统材料相比，SMA 的成本较高，可能会限制其在建筑项目中的广泛应用。

材料特性：SMA 的机械行为和性能受成分、加工技术和环境条件等因素的影响，需要仔细的设计和工程考虑。

形状记忆合金 (SMA) 是一种尖端材料技术，具有变革建筑智能材料的潜力，为节能、适应性强、弹性强的建筑环境提供创新解决方案。尽管面临挑战，但持续的研究和技术进步有望进一步扩大 SMA 在建筑设计和施工中的应用和功能。

自修复混凝土是一种创新材料，由于其能够自主修复裂缝和损坏，从而延长混凝土结构的使用寿命和耐久性，在建筑行业引起了广泛关注。

来源：代尔夫特理工大学

以下是自修复混凝土的概述及其作为建筑智能材料的重要性：

成分：自修复混凝土通常由传统混凝土成分组成，例如水泥、水、骨料（沙子、砾石）和辅助胶凝材料（例如粉煤灰、矿渣）。此外，通过加入修复剂和微生物或使用含有反应性材料的胶囊，将自修复机制融入混凝土基质中。

自我修复机制：自修复：自修复是指混凝土基质中的脱水水泥颗粒在水分存在下与水发生反应，形成水合硅酸钙 (CSH) 凝胶，从而填充微裂缝并恢复材料的完整性。

微生物修复：一些自修复混凝土配方将细菌或微生物孢子与混凝土基质内的营养丰富的环境结合在一起。当出现裂缝时，水分会渗入裂缝，激活细菌，然后细菌会产生方解石（碳酸钙）来密封裂缝。

基于胶囊的修复：将含有聚合物、粘合剂或矿物材料等修复剂的胶囊嵌入混凝土混合物中。当出现裂缝时，胶囊破裂，将修复剂释放到裂缝区域，在那里发生反应并形成密封。

建筑中的应用：基础设施：自修复混凝土对于基础设施项目特别有益，包括桥梁、道路、隧道和水坝，这些项目的耐久性和维护至关重要。

建筑结构：在建筑施工中，自修复混凝土可用于地基、墙壁、地板和其他结构部件，从而延长使用寿命并减少维护要求。

可持续建筑：通过最大限度地减少维修和更换的需要，自修复混凝土减少了材料消耗、废物产生和生命周期环境影响，为可持续建筑实践做出了贡献。

优点：延长使用寿命：自修复混凝土有助于延长结构的使用寿命，因为它可以防止裂缝扩展并减轻随时间的恶化。

降低维护成本：自修复混凝土的自我修复能力减少了昂贵的维护和修复干预的需要，从而节省了结构的使用寿命。

增强耐久性：通过保持结构完整性和降低渗透性，自修复混凝土可提高对湿气侵入、冻融循环和化学腐蚀等环境因素的抵抗力。

挑战：兼容性：修复剂和混凝土成分之间可能出现兼容性问题，从而影响修复过程的有效性和长期性能。

激活：自我修复机制的激活，特别是微生物或基于胶囊的系统，取决于湿度、温度和裂缝宽度等因素，这些因素在不同环境中可能有所不同。

成本：由于采用了专门的添加剂或技术，自修复混凝土的初始成本可能比传统混凝土更高。

自修复混凝土为增强建筑和施工中混凝土结构的弹性、耐久性和可持续性提供了一种有希望的解决方案。虽然需要进一步研究和开发以应对技术挑战并优化性能，但自修复混凝土作为建筑中的智能材料，在改变基础设施和建筑物的设计、建造和维护方式方面具有巨大潜力。

热致变色材料是会随着温度变化而改变颜色的物质。这种独特的特性使其用途广泛，适合各种应用，包括建筑中的智能材料。

以下是热致变色材料及其在建筑中的重要性的概述：

成分：热致变色材料可以是有机或无机化合物，它们会随着温度的变化而发生可逆的颜色变化。有机热致变色材料通常由嵌入聚合物基质中的无色染料或液晶组成，而无机热致变色材料则包括金属氧化物或硫属化合物。

颜色变化机制：热致变色材料的颜色变化通常是由分子结构或晶格排列随温度变化而改变所致。这可能涉及吸收或反射特性的变化，从而导致可察觉的颜色变化。

建筑中的应用：智能窗户：热致变色材料用于制造智能窗户，可根据温度变化动态调整其透明度或遮光性能。在较温暖的条件下，窗户可能会变暗以阻挡过多的阳光并减少太阳热量的增加，而在较凉爽的条件下，它们可能会变得更清晰，以允许更多的自然光穿透。

外墙系统：热致变色材料可融入外墙覆盖系统，打造视觉上动态的建筑围护结构，以响应季节性或每日温度波动。这不仅增强了建筑的美感，还通过优化采光和太阳能控制提高了能源效率。

室内设计元素：热致变色材料用于墙面覆盖物、地板和家具等室内设计元素，以引入互动和引人入胜的功能。例如，墙壁可以根据居住者的体温或室温改变颜色，从而创造身临其境的动态空间体验。

艺术装置：建筑师和艺术家在艺术装置和互动雕塑中使用热致变色材料来唤起情感反应并刺激感官参与。这些装置可能包含热致变色涂料、颜料或涂层，以创造由环境条件或人类互动触发的变革性视觉效果。

优点：能源效率：热致变色材料通过优化日光和太阳热增益，减少对人工照明和机械冷却系统的依赖，有助于节能建筑设计。

美学多功能性：热致变色材料为建筑师和设计师提供了广泛的颜色选择和设计可能性，允许定制和适应性强的建筑表达，以动态响应不断变化的环境条件。

用户参与：热致变色元素通过创建吸引注意力和激发好奇心的视觉刺激和沉浸式环境，增强用户体验和建筑空间内的互动。

挑战：耐用性：确保热致变色材料的长期耐用性和稳定性，特别是在暴露于恶劣环境条件下的户外应用中，面临着与材料降解、褪色和性能一致性相关的挑战。

成本：热致变色材料的成本，尤其是具有增强性能或专门应用的先进配方，与传统建筑材料相比可能更高，从而影响其可负担性和广泛采用。

集成：将热致变色材料集成到建筑元素和建筑系统中需要仔细的规划、协调和兼容性考虑，以确保无缝操作和功能。

热致变色材料为建筑设计中的创新和创造力提供了令人兴奋的机会，使人们能够创造出动态、响应迅速且视觉上引人入胜的建筑环境。随着研究和开发工作的不断推进，热致变色材料将在塑造建筑的未来、促进可持续性、舒适性和美学卓越性方面发挥越来越重要的作用。

电致变色玻璃，也称为智能玻璃或可切换玻璃，是一种动态玻璃技术，可根据施加的电压或电信号以电子方式控制玻璃的透明度或色调。这种创新材料因其能够提高居住者的舒适度、能源效率和美观度而在建筑和建筑设计中广受欢迎。

来源：智能玻璃

以下是电致变色玻璃及其在建筑中的重要性的概述：

组成和操作：电致变色玻璃通常由夹在玻璃基板之间的多层薄导电涂层、离子导电电解质和电致变色材料组成。

电致变色层含有金属氧化物（例如氧化钨）等材料，当通过电化学反应插入或提取离子时，这些材料会发生可逆的颜色变化。

对玻璃施加低压电流会触发电致变色效应，使玻璃从透明变为有色或反之亦然，具体取决于电压的极性。

建筑中的应用：智能窗户：电致变色玻璃用于制造智能窗户，可以动态调整其色调或透明度以调节日光、太阳热增益和眩光。这有助于优化室内热舒适度并最大限度地减少对人工照明和暖通空调系统的需求。

外墙系统：电致变色玻璃可集成到外墙系统中，以创建适应不断变化的环境条件的响应式建筑围护结构。通过控制玻璃的透明度，建筑师可以增强视觉美感、日光采集和隐私，同时降低能耗。

室内隔断：室内空间采用电致变色玻璃隔断，打造灵活、适应性强的房间配置。通过在透明和不透明状态之间切换，这些隔断使用户能够根据需要修改空间布局、控制视觉连接并增强声学隐私。

天窗和屋顶玻璃：电致变色玻璃用于天窗和屋顶玻璃系统，以调节室内空间的自然光进入和太阳热增益。通过根据日光水平和太阳角度调整玻璃的色调，建筑师可以减轻眩光并优化全天的热舒适度。

优点：能源效率：电致变色玻璃通过最大限度地利用自然光，同时最大限度地减少太阳热增益和眩光，减少了对人工照明和暖通空调系统的依赖，从而节省能源并减少碳排放。

用户舒适度：电致变色玻璃通过提供眩光控制、隔热和与周围环境的视觉连接来提高居住者的舒适度，从而提高生产力、幸福感和满意度。

设计灵活性：电致变色玻璃为建筑师和设计师提供了更大的灵活性，可以创建动态且响应迅速的建筑形式，以适应用户偏好、环境条件和建筑性能要求。

挑战：成本：与传统玻璃相比，电致变色玻璃的初始成本可能更高，从而影响项目预算和可负担性。

耐用性：确保电致变色玻璃系统的长期耐用性和可靠性，特别是在暴露于风化和机械应力的户外应用中，带来了与材料退化、性能下降和维护要求相关的挑战。

集成：将电致变色玻璃集成到建筑系统和控制中需要与电气和自动化系统的协调，以及与其他建筑组件和技术的兼容性。

电致变色玻璃代表着一项变革性技术，具有巨大潜力，有望彻底改变建筑设计和建筑性能。随着研发工作的不断推进，电致变色玻璃有望在创造可持续、舒适、视觉动态的建筑环境中发挥越来越重要的作用，作为建筑智能材料，满足居住者、社区和地球不断变化的需求。

光伏 (PV) 板，也称为太阳能电池板，是一种利用光伏电池将阳光直接转化为电能的设备。这些电池板在建筑和施工领域越来越受欢迎，因为它们能够利用可再生能源、减少碳排放，并作为建筑中的智能材料为可持续建筑实践做出贡献。

以下是光伏板及其在建筑中的重要性的概述：

组成和操作：光伏板由多个由半导体材料制成的太阳能电池组成，通常是晶体硅或非晶硅或碲化镉等薄膜材料。

当阳光照射到太阳能电池表面时，阳光中的光子会激发半导体材料内的电子，通过光伏效应产生电流。

单个太阳能电池产生的电流被金属导体合并和收集，形成可用的电输出。

建筑中的应用：屋顶安装系统：光伏板通常安装在建筑物屋顶上，用于发电供现场使用或通过净计量安排将多余的电力回馈到电网。屋顶安装系统可集成到新建筑和现有建筑中，提供可再生能源并减少对传统电网电力的依赖。

立面集成：建筑一体化光伏 (BIPV) 系统将太阳能电池板直接集成到建筑立面、窗户或遮阳元件中，将可再生能源发电与建筑设计融为一体。BIPV 系统提供了美观且实用的太阳能集成机会，同时最大限度地提高能源生产和建筑围护结构性能。

太阳能天棚和遮阳篷：光伏板可作为高架天棚或遮阳篷安装在停车场、室外空间或建筑物入口处，同时提供遮阳、防风雨和太阳能发电。太阳能天棚有助于可持续城市设计，减少热岛效应，并提高室外区域的可用性。

建筑集成解决方案：创新的建筑设计将光伏板作为建筑结构（如屋顶、墙壁或遮阳板）的组成部分。这些集成解决方案将可再生能源发电与建筑形式和功能无缝集成，促进能源效率、可持续性和建筑创新。

优点：可再生能源发电：光伏板利用充足的阳光产生清洁、可再生电力，减少对化石燃料的依赖，并减轻与传统能源发电相关的温室气体排放。

能源独立：光伏板通过现场发电，为建筑物业主和居住者提供更大的能源独立性和弹性，减少能源价格波动和供应中断的影响。

环境效益：太阳能是一种清洁、可持续的资源，有助于减轻空气和水污染、保护自然资源、应对气候变化，有助于创造更健康、更可持续的建筑环境。

挑战：初始成本：虽然近年来光伏板的成本已大幅下降，但安装太阳能所需的初始投资对于一些建筑业主和开发商来说仍然是一个障碍，特别是对于大型或复杂的项目。

间歇性：太阳能发电取决于阳光的可用性，并随时间、季节、天气条件和地理位置等因素而变化。间歇性发电模式可能需要额外的能量存储或电网集成解决方案，以确保可靠的电力供应。

美学考虑：将光伏电池板集成到建筑设计中可能会带来与视觉美学、历史保护和社区接受度相关的挑战。平衡能源性能目标与设计偏好和监管要求对于成功集成太阳能至关重要。

光伏板为建筑和施工中的清洁电力生产提供了一种可持续且可行的解决方案，使建筑物能够减少对环境的影响，增强能源弹性，并作为建筑中的智能材料为更可持续的未来做出贡献。随着技术进步和市场采用率不断增长，光伏板预计将在塑造建筑环境和向可再生能源未来过渡方面发挥越来越重要的作用。

气凝胶隔热材料是一种先进材料，以其卓越的隔热性能、轻质结构和在各种应用中的多功能性而闻名。作为建筑智能材料，气凝胶隔热材料能够提高建筑能源效率、居住舒适度和环境可持续性，因此在建筑和施工领域引起了广泛关注。

来源：赖特·帕特森空军基地

以下是气凝胶隔热材料及其在建筑中的重要性的概述：

组成和结构：气凝胶隔热材料由具有高度多孔和低密度结构的凝胶状材料组成，通常源自二氧化硅、碳或其他有机或无机化合物。

凝胶经过称为超临界干燥的过程，其中液体成分在高压条件下被去除，留下具有纳米级孔隙结构的固体气凝胶。

气凝胶的纳米孔结构由相互连接的微小气穴网络组成，可有效阻止通过传导的热量传递，同时允许光线透射。

隔热性能：气凝胶隔热材料具有出色的隔热性能，其低导热系数可显著减少通过建筑围护结构的热量传递。

其高表面积与体积比和纳米级孔隙结构最大限度地减少了对流传热和热桥接，从而有效地保持室内舒适度并减少加热和冷却负荷。

气凝胶隔热材料在极端温度条件下也具有出色的性能，在炎热和寒冷的气候下均能保持有效。

建筑中的应用：建筑围护结构保温：气凝胶保温材料用于建筑围护结构的各个部分，包括墙壁、屋顶、地板和窗户，以增强隔热性能和能源效率。它有助于最大限度地减少冬季的热量损失和夏季的热量增加，从而减少供暖和制冷的能耗。

历史建筑保护：气凝胶隔热材料用于历史建筑的改造和翻新，以提高热性能，同时又不损害建筑的完整性或视觉美感。其轻薄的外形使其能够巧妙地融入现有结构，从而保留历史特征和特色。

冷藏设施：气凝胶隔热材料用于冷藏设施、冷藏仓库和食品加工厂，以保持温度控制并防止能量损失。其卓越的隔热性能有助于最大限度地降低冷藏成本并确保产品质量和安全。

工业应用：气凝胶隔热材料可用于管道、储罐和设备隔热等工业环境，以减轻热传递并提高工艺效率。其重量轻且灵活，易于安装，并可根据复杂的几何形状进行定制。

优点：高热性能：与传统绝缘材料相比，气凝胶绝缘材料具有更优异的热阻，从而降低了能耗和运营成本。

空间效率：气凝胶隔热材料以最小的厚度实现了高热阻，可在受限的建筑环境中提供节省空间的隔热解决方案。

耐用性和寿命：气凝胶隔热材料具有防潮、防霉和耐降解的特点，可提供持久的隔热性能，并且在其使用寿命期间只需极少的维护。

环境可持续性：气凝胶隔热材料通过减少与建筑能源使用相关的温室气体排放和提高建筑能源效率等级，为环境可持续性做出了贡献。

挑战：成本：与传统绝缘材料相比，气凝胶绝缘材料的成本相对较高，这可能会阻碍其广泛采用，特别是对于大型项目或注重预算的客户而言。

易碎性：气凝胶绝缘材料易碎，在搬运和安装过程中容易损坏，需要小心搬运并采取保护措施以防止破损。

湿度管理：虽然气凝胶隔热材料具有抗吸湿性，但适当的湿度管理策略对于防止冷凝、霉菌生长和相邻建筑材料的降解至关重要。

气凝胶隔热材料为提高建筑节能、热舒适度和建筑施工的环境可持续性提供了一种有前途的解决方案。随着研发工作的不断推进以及制造工艺的日益高效，气凝胶隔热材料有望作为建筑智能材料在塑造可持续建筑设计和性能的未来方面发挥越来越重要的作用。

压电材料是一类表现出压电效应的材料，压电效应是指在机械应力或变形下产生电荷。相反，这些材料在受到电场作用时也可能发生机械变形。这种独特的特性使压电材料在各种行业中具有广泛的应用价值，包括建筑和建筑作为建筑中的智能材料。

来源：物理世界

以下是压电材料及其在建筑中的重要性的概述：

组成和结构：压电材料可以是有机或无机化合物，包括陶瓷、晶体、聚合物和复合材料。

在石英、罗谢尔盐和锆钛酸铅 (PZT) 等晶体材料中，压电效应源于晶格内原子或离子的不对称排列，从而产生可通过机械应力或电极化诱发或逆转的电偶极矩。

多晶陶瓷和压电聚合物由于极性分子或晶体在施加的应力下排列而表现出压电行为。

建筑中的应用：能量收集：压电材料用于从建筑物内的振动、人流或结构运动中收集机械能并将其转换为电能。压电地砖、铺路板或结构元件可以发电以补充建筑物的能源需求或为电子设备的电池充电。

结构健康监测：嵌入建筑结构的压电传感器和执行器可实时监测结构完整性、性能和安全性。这些传感器可检测机械应变、振动或变形的变化，为潜在损坏、疲劳或故障提供预警。

减振：压电材料可集成到地板、墙壁和天花板等建筑部件中，以减弱由风、交通或机械等外部源引起的振动。通过将机械能转换为电能，压电阻尼器有助于减轻结构共振并最大限度地减少噪音传播。

主动结构控制：压电执行器和控制系统用于自适应建筑结构，以实时主动调整刚度、阻尼或动态响应特性。这些系统可在不断变化的环境条件、地震事件或居住者活动下优化建筑性能，从而提高舒适度、安全性和能源效率。

优点：效率：压电材料具有较高的能量转换效率和快速的响应时间，使其适用于动态能量收集和结构控制应用。

灵敏度：压电传感器在检测机械信号时表现出高灵敏度和准确性，从而能够对建筑结构进行精确的监测和诊断。

多功能性：压电材料可以集成到各种建筑元素和建筑系统中，为能量收集、感应和驱动要求提供可定制的解决方案。

耐用性：压电材料坚固耐用，能够长时间承受恶劣的环境条件、温度变化和机械负载。

挑战：成本：压电材料，尤其是高性能陶瓷和晶体的成本与传统建筑材料相比可能相对较高，影响作为建筑智能材料的项目可行性和成本效益。

集成复杂性：将压电材料集成到建筑结构和系统中需要精心的设计、制造和安装程序，以确保兼容性、性能优化和长期可靠性。

扩展问题：扩大压电能量收集系统以在建筑物或城市基础设施中大规模部署可能会带来与成本、效率和物流相关的挑战。

压电材料为提高建筑和施工中建筑物和基础设施的性能、可持续性和弹性提供了创新的解决方案。随着研究的进步和技术的成熟，压电材料有望在塑造智能和自适应建筑环境的未来方面发挥越来越重要的作用，作为建筑中的智能材料，为能量收集、结构监测和主动控制提供可持续的解决方案。