專利名稱：：一種壓敏水泥基復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種水泥基復(fù)合材料。技術(shù)背景1989年，美國(guó)D.D丄.Chung教授發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的水泥基材料摻入短切碳纖維后，所制成的碳纖維水泥基復(fù)合材料在力場(chǎng)或溫度場(chǎng)的作用下，體積電阻會(huì)產(chǎn)生有規(guī)律的變化，因此碳纖維水泥基材料能夠通過(guò)電阻率的變化感知自身的應(yīng)力、應(yīng)變、損傷和溫度，即具有力-電耦合效應(yīng)、熱-電耦合效應(yīng)(力-電耦合效應(yīng)、熱-電耦合效應(yīng)統(tǒng)稱為機(jī)敏性).。通過(guò)研究還發(fā)現(xiàn)功能組分(碳黑、鋼渣及納米粒子等一中或幾種混合)與水泥基材料復(fù)合也同樣具有力-電耦合特性。由于水泥基材料具有感知靈敏度高、耐久性好、造價(jià)低等特點(diǎn)，利用其既可開發(fā)水泥基傳感元件，也可發(fā)展結(jié)構(gòu)與自感知功能一體化的本征智能結(jié)構(gòu)。因此在混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)，車輛稱重，交通測(cè)速等領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用前景。目前壓敏水泥基材料所用的功能組分，主要包括碳纖維、碳黑、鋼渣和納米二氧化鈦。其中碳纖維由于微細(xì)、憎水，難于在水泥基材料中分散，導(dǎo)致力-電耦合性能的重復(fù)性和穩(wěn)定性較難控制；碳黑由于受水泥基材料內(nèi)部水含量的影響，力-電耦合性能受環(huán)境變化影響較大；鋼渣由于自身導(dǎo)電性能較差，電學(xué)信號(hào)測(cè)試易受基體極化影響；納米二氧化鈦為半導(dǎo)體材料，其摻入水泥基材料中同樣存在電學(xué)信號(hào)測(cè)試受復(fù)合材料極化作用的影響顯著而不利于測(cè)試的缺點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有壓敏水泥基材料存在力-電耦合效應(yīng)靈敏度低及受濕度影響大、基體極化易影響電學(xué)信號(hào)測(cè)試等缺陷，而提供一種壓敏水泥基復(fù)合材料。本發(fā)明的壓敏水泥基復(fù)合材料由功能組分和水泥基材料組成，功能組分為鎳粉或者鎳粉與碳纖維、碳黑、石墨、鋼渣中一種或幾種的混合物，水泥基材料是膠凝材料或者膠凝材料與骨料的復(fù)合材料；其中功能組分占總重量的180%，其余為水泥基材料；當(dāng)功能組分為鎳粉與碳纖維、碳黑、石墨、鋼渣中一種或幾種的混合物，鎳粉占功能組分重量的195%。所述的膠凝材料為水泥或水泥與礦物摻合料的混合物，其中礦物摻合料為硅灰、粉煤灰、沸石粉、石英粉中一種或幾種的混合；所述的骨料為砂或砂與粒徑為520mm石的混合物。本發(fā)明的壓敏水泥基復(fù)合材料采用與普通水泥基材料相同的制作方法制成首先通過(guò)分散、攪拌設(shè)備將功能組分和水泥基材料均勻混和，然后成型、養(yǎng)護(hù)而成。本發(fā)明壓敏水泥基復(fù)合材料的力-電耦合效應(yīng)靈敏度高(應(yīng)力靈敏度可達(dá)0.0328/MPa)，應(yīng)變靈敏度可達(dá)幾百至上千(如電阻應(yīng)變片的應(yīng)變傳感靈敏系數(shù)僅為2~3)，也遠(yuǎn)高于現(xiàn)有以碳纖維、碳黑、鋼渣等為功能組分的壓敏水泥基復(fù)合材料力-電耦合效應(yīng)的靈敏度，并且力-電耦合效應(yīng)受濕度影響小、電學(xué)信號(hào)測(cè)試不易受基體極化影響。本發(fā)明的具有力-電耦合效應(yīng)的壓敏水泥基復(fù)合材料制作的壓敏水泥基傳感元件不僅可用于土木工程、水工、核設(shè)施等領(lǐng)域混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力/應(yīng)變的監(jiān)測(cè)，還可用于其它工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)量。圖1是本發(fā)明具體實(shí)施方式九的壓敏水泥基復(fù)合材料在彈性階段的電阻率變化率與壓應(yīng)力的關(guān)系曲線圖。具體實(shí)施方式具體實(shí)施方式一本實(shí)施方式的壓敏水泥基復(fù)合材料由功能組分和水泥基材料組成，功能組分為鎳粉，水泥基材料是膠凝材料或者膠凝材料與骨料的復(fù)合材料；其中功能組分占總重量的180%，其余為水泥基材料。具體實(shí)施方式二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同點(diǎn)在于功能組分占總重量的4070%。其它與具體實(shí)施方式一相同。具體實(shí)施方式三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同點(diǎn)在于功能組分占總重量的55%。其它與具體實(shí)施方式一相同。具體實(shí)施方式四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同點(diǎn)在于功能組分中還包括碳纖維、碳黑、石墨、鋼渣中一種或幾種物質(zhì)，其中鎳粉占功能組分重量的195%。其它與具體實(shí)施方式一相同。本實(shí)施方式當(dāng)增加的碳纖維、碳黑、石墨、鋼渣幾種混合時(shí)，按任意比混合。具體實(shí)施方式五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式四不同點(diǎn)在于鎳粉占功能組分重量的6090%。其它與具體實(shí)施方式四相同。具體實(shí)施方式六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式四不同點(diǎn)在于鎳粉占功能組分重量的80%。其它與具體實(shí)施方式四相同。具體實(shí)施方式七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一和四不同點(diǎn)在于膠凝材料為水泥或水泥與礦物摻合料的復(fù)合料，當(dāng)膠凝材料為水泥與礦物摻合料的復(fù)合料時(shí)，礦物摻合料為水泥重量的050%，其中礦物摻合料為硅灰、粉煤灰、沸石粉、石英粉中一種或多種的混合。其它與具體實(shí)施方式一和四相同。本實(shí)施方式中礦物摻合料為混合物時(shí)，按任意比混合。具體實(shí)施方式八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式七不同點(diǎn)在于的骨料為砂或砂與粒徑為520mm石的復(fù)合料。其它與具體實(shí)施方式七相同。本實(shí)施方式中骨料為砂與粒徑為520mm石的復(fù)合料時(shí)，按任意比混合。具體實(shí)施方式九本實(shí)施方式壓敏水泥基復(fù)合材料由鎳粉與水泥石組成，鎳粉與水泥石的重量比為3:2。采用與普通水泥基材料相同的制作方法、成型方法和養(yǎng)護(hù)工藝制備本發(fā)明的具體實(shí)施方式九所述的復(fù)合材料，電極采用埋入式環(huán)狀電極，電阻測(cè)試采用直流四端電極法。測(cè)試在彈性階段不同外加壓應(yīng)力作用下的電阻，并計(jì)算電阻率變化率，本實(shí)施方式的復(fù)合材料在彈性階段其電阻率隨外加應(yīng)力的關(guān)系曲線如圖l。其電阻率變化率與壓應(yīng)力、壓應(yīng)變的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表l:表l<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>由測(cè)試結(jié)果表明，本發(fā)明的復(fù)合材料的力-電耦合效應(yīng)靈敏度高應(yīng)力靈敏度可達(dá)0.0328/MPa，應(yīng)變靈敏度可達(dá)500(如電阻應(yīng)變片的應(yīng)變傳感靈敏系數(shù)僅為2~3。具體實(shí)施方式十本實(shí)施方式壓敏水泥基復(fù)合材料由鎳粉、碳黑和水泥石組成，其中鎳粉、碳黑和水泥石的重量比為3:2:15。采用與普通水泥基材料相同的制作方法、成型方法和養(yǎng)護(hù)工藝制備本發(fā)明的具體實(shí)施方式九所述的復(fù)合材料，電極采用埋入式環(huán)狀電極，電阻測(cè)試采用直流四端電極法。測(cè)試在彈性階段不同外加壓應(yīng)力作用下的電阻，并計(jì)算電阻率變化率，本實(shí)施方式的復(fù)合材料在彈性階段其電阻率變化率隨外加壓應(yīng)力、應(yīng)變的變化規(guī)律如下表2:表2<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>由測(cè)試結(jié)果表明，本發(fā)明的復(fù)合材料的力-電耦合效應(yīng)靈敏度高應(yīng)力靈敏度可達(dá)0.0122/MPa，應(yīng)變靈敏度可達(dá)119(如電阻應(yīng)變片的應(yīng)變傳感靈敏系數(shù)僅為2~3。權(quán)利要求1、一種壓敏水泥基復(fù)合材料，其特征在于它由功能組分和水泥基材料組成，功能組分為鎳粉，水泥基材料是膠凝材料或者膠凝材料與骨料的復(fù)合材料;其中功能組分占總重量的180%，其余為水泥基材料。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓敏水泥基復(fù)合材料，其特征在于功能組分占總重量的4070%。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓敏水泥基復(fù)合材料，其特征在于功能組分占總重量的55%。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓敏水泥基復(fù)合材料，其特征在于膠凝材料為水泥或者水泥與礦物摻合料的混合物，當(dāng)膠凝材料為水泥與礦物摻合料的復(fù)合料時(shí)，礦物摻合料為水泥重量的050%，其中礦物摻合料為硅灰、粉煤灰、沸石粉、石英粉中一種或幾種的混合。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓敏水泥基復(fù)合材料，其特征在于骨料為砂或者砂與粒徑為520mm石的混合物。6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓敏水泥基復(fù)合材料，其特征在于功能組分中還包括碳纖維、碳黑、石墨、鋼渣中一種或幾種物質(zhì)，其中鎳粉占功能組分重量的195%。7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種壓敏水泥基復(fù)合材料，其特征在于鎳粉占功能組分重量的6090Q%。8、根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種壓敏水泥基復(fù)合材料，其特征在于于鎳粉占功能組分重量的80%。全文摘要一種壓敏水泥基復(fù)合材料，它涉及一種水泥基復(fù)合材料。本發(fā)明解決了現(xiàn)有壓敏水泥基材料存在力-電耦合效應(yīng)靈敏度低及受濕度影響大、基體極化易影響電學(xué)信號(hào)測(cè)試等缺陷。本發(fā)明由功能組分和水泥基材料組成，功能組分為鎳粉或者鎳粉與碳纖維、碳黑、石墨、鋼渣中一種或幾種的混合物，水泥基材料是膠凝材料或者膠凝材料與骨料的復(fù)合材料；其中功能組分占總重量的1～80％，其余為水泥基材料。本發(fā)明壓敏水泥基復(fù)合材料的力-電耦合效應(yīng)靈敏度高，應(yīng)變靈敏度可達(dá)幾百至上千，高于現(xiàn)有以碳纖維、碳黑、鋼渣等為功能組分的壓敏水泥基復(fù)合材料力-電耦合效應(yīng)的靈敏度，并且力-電耦合效應(yīng)受濕度影響小、電學(xué)信號(hào)測(cè)試不易受基體極化影響。文檔編號(hào)C04B22/04GK101121582SQ20071007247公開日2008年2月13日申請(qǐng)日期2007年7月6日優(yōu)先權(quán)日2007年7月6日發(fā)明者張靈燕,歐進(jìn)萍,韓寶國(guó),韓寶忠申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)