專利名稱：固化膠基纖維變形敏感傳感材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種變形敏感傳感材料，尤其涉及一種固化膠基纖維變形敏感傳 感材料及其制備方法；具體地說(shuō)，涉及一種巖土和土木工程變形監(jiān)測(cè)和控制用的 具有大變形和高傳感精度的敏感傳感材料。
背景技術(shù)：
工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)與安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)主要包括高性能傳感元件與信號(hào)采集裝備， 多參量、多傳感元件監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與管理方法，結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)損傷識(shí)別、定位與模型 修正，結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)健康診斷與安全預(yù)警系統(tǒng)，等。其中，高性能傳感元件與信號(hào)采 集裝備是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得以發(fā)展的根本。傳統(tǒng)巖土工程在應(yīng)力、位移和變形的監(jiān)測(cè)方 面，傳感器主要有應(yīng)變計(jì)(鋼弦應(yīng)變計(jì)、電阻片和光彈應(yīng)變計(jì))和位移收斂計(jì)， 只能獲取荷載或應(yīng)變的歷史值，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與診斷。電阻應(yīng)變片、 疲勞壽命絲、壓電材料、半導(dǎo)體材料、形狀記憶合金等傳感器均需埋入到結(jié)構(gòu)中， 埋入工藝復(fù)雜，造價(jià)較高，壽命短，抗干擾能力及耐腐蝕性差，植入成活率較低， 量程偏小等等缺陷限制其在具有大變形特征的巖土和土木工程監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用?；谔祭w維開(kāi)發(fā)傳感器材料主要分水泥基和樹(shù)脂基。水泥基在傳統(tǒng)的水泥或砂漿中添加特定導(dǎo)電材料或納米材料復(fù)合而成的具 有壓阻效應(yīng)的材料。利用其電阻率與壓應(yīng)力存在一定對(duì)應(yīng)關(guān)系的特性，制成應(yīng)力 自感知水泥基復(fù)合材料傳感器，具有造價(jià)低、耐久性好、埋設(shè)工藝簡(jiǎn)單以及與混 凝土材料相容性好等特性。樹(shù)脂基:碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料的比強(qiáng)度、比模量等綜合指標(biāo)在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材 料中最高。在強(qiáng)度、剛度、結(jié)構(gòu)件重、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域,碳纖維樹(shù) 脂基復(fù)合材料都具有優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料進(jìn)行拉伸、循環(huán)加載等試驗(yàn)，得到其電阻隨變形而變化的規(guī)律。傳統(tǒng)的傳感元件材料普遍存在耐久性差的缺點(diǎn)，制作的傳感器只能用于結(jié)構(gòu) 短時(shí)期的性能檢測(cè)，無(wú)法滿足全壽命性能監(jiān)測(cè)的要求。光纖雖具有超長(zhǎng)的耐久性與穩(wěn)定性，但昂貴的造價(jià)，特別是在巖土工程中， 其量程較小，安裝復(fù)雜，量測(cè)量簡(jiǎn)單(應(yīng)力或位移/應(yīng)變)和二次開(kāi)發(fā)成本高，技 術(shù)復(fù)雜，限制了其只能應(yīng)用在室內(nèi)試驗(yàn)。研制開(kāi)發(fā)一種造價(jià)低、耐久性好、埋設(shè)工藝簡(jiǎn)單，符合巖土工程大變形特征， 適應(yīng)性好，靈敏度高的傳感材料已經(jīng)成為土木工程(這里主要針對(duì)結(jié)構(gòu)和巖土工 程)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的關(guān)鍵。由于固化膠基具有優(yōu)良的電絕緣性、憎水性、耐候性及粘 接性外，還具有良好的吸振性，成膜能力強(qiáng)。導(dǎo)電纖維具有耐高溫、耐摩擦、導(dǎo) 電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等特點(diǎn)。因此，將固化膠基和導(dǎo)電纖維按一定比例復(fù)合即可以 實(shí)現(xiàn)這些性能。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺點(diǎn)和不足，實(shí)現(xiàn)面向巖土工 程的大變形、高精度的監(jiān)測(cè)要求，提供一種固化膠基纖維變形敏感傳感材料及其制備 方法，既能實(shí)現(xiàn)工程監(jiān)測(cè)目的，而且自身穩(wěn)定性與耐久性好更好。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的1、固化膠基纖維變形敏感傳感材料(簡(jiǎn)稱本傳感材料)如圖1，本傳感材料由固化膠基(1)和導(dǎo)電纖維(2)組成；在固化膠基(1) 內(nèi)敷設(shè)有導(dǎo)電纖維(2);1) 所述的固化膠基(1)是一種膠凝材料，有上市產(chǎn)品。固化膠基(1)不僅具有優(yōu)良的電絕緣性、憎水性、耐候性及粘接性外，還具 有良好的吸振性，成膜能力強(qiáng)；其作用是和測(cè)試對(duì)象完全粘結(jié)，并隨其協(xié)同拉伸 或壓縮變形；但對(duì)測(cè)試對(duì)象受力和變形并沒(méi)有影響。2) 所述的導(dǎo)電纖維(2)是一種纖維材料,有上巿產(chǎn)品。導(dǎo)電纖維(2)具有耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等特點(diǎn)。本傳感材料的工作原理是-利用導(dǎo)電纖維(2)搭接形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)固化膠基(1)隨測(cè)試對(duì)象拉伸或壓縮變形時(shí)，導(dǎo)電纖維(2)整體電阻或電容也隨之產(chǎn)生變化，從而反映出結(jié)構(gòu) 或巖土材料的受力變形情況。本傳感材料在延性、粘結(jié)性、敏感性、穩(wěn)定性、耐久性等指標(biāo)方面相對(duì)水泥 基和樹(shù)脂基更具優(yōu)越性。同時(shí)具有和結(jié)構(gòu)(巖土)材料粘結(jié)方便；具有滿意的大 變形和良好的重復(fù)性，蠕變很小，穩(wěn)定性較好；進(jìn)行其拉伸、循環(huán)加載等試驗(yàn), 得到其電阻(或電容特性)隨變形而變化的規(guī)律；在彈性范圍內(nèi)，拉伸變形時(shí)電 阻或電容值呈可逆地增加；變形恢復(fù)時(shí)電阻或電容值呈可逆地減小。2、固化膠基纖維變形敏感傳感材料的制備方法(簡(jiǎn)稱本制備方法)本制備方法包括下列步驟① 將導(dǎo)電纖維(2)加工成設(shè)計(jì)好的長(zhǎng)度；② 將低粘度固化膠基(1)和導(dǎo)電纖維(2)按設(shè)計(jì)的重量比例稱量、混合、 攪拌均勻；③ 在模具內(nèi)涂刷專用脫模劑；④ 在模具內(nèi)按規(guī)定的尺寸和位置涂抹固化膠基(1)和導(dǎo)電纖維(2)混合料， 并擠壓成設(shè)計(jì)的厚度模片；⑤ 將已經(jīng)凝固的固化膠基纖維變形敏感傳感材料脫模；⑥ 按設(shè)計(jì)尺寸將固化膠基纖維變形敏感傳感材料切割成型。 本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)和積極效果1、 操作簡(jiǎn)單，成本低廉。本傳感材料和結(jié)構(gòu)(巖土)材料粘結(jié)方便，測(cè)試 設(shè)備可采用一般的電工儀表，不需要專用儀器設(shè)備， 一般人員即可進(jìn)行操作和完 成，或可隨時(shí)在線對(duì)每一結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行不破壞測(cè)試，無(wú)形中降低了整個(gè)監(jiān)測(cè)的成 本。2、 本發(fā)明穩(wěn)定性與耐久性好，具有耐腐蝕、抗潮防水、成活率高等優(yōu)點(diǎn)， 特別適用于巖土工程野外惡劣氣候和環(huán)境，能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期在線健康監(jiān)測(cè)傳感器的開(kāi) 發(fā)。3、 具有滿意的大變形和良好的重復(fù)性,蠕變很小，傳感精度高，抗電磁干擾， 性能信號(hào)噪音小。4、 可拓展性強(qiáng)?；诙帱c(diǎn)布設(shè)電極，即可進(jìn)行準(zhǔn)分布式傳感，實(shí)現(xiàn)多元高 密度信息遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)?？傊?，由于本發(fā)明性能價(jià)格比高，因此可廣泛應(yīng)用于巖土和土木工程的變形 監(jiān)測(cè)和控制中。


圖l是本材料結(jié)構(gòu)圖。其中1 —固化膠基； 2—導(dǎo)電纖維。
具體實(shí)施方式
一、 本傳感材料及其本制備方法1、 固化膠基(1)和導(dǎo)電纖維(2)的重量比 固化膠基(1):導(dǎo)電纖維(2) =1 0. 125。當(dāng)比例較大時(shí)，本傳感材料延性較好，抗電磁干擾，性能信號(hào)噪音小，適合 在大變形要求高的監(jiān)測(cè)及傳感中應(yīng)用；當(dāng)比例較小時(shí)，固化膠基纖維變形敏感傳感材料靈敏度高，適合在對(duì)傳感精 度及解析度要求高的監(jiān)測(cè)及傳感中應(yīng)用。2、 固化膠基(1)固化膠基(1)要求選用低黏度材料，或采用稀釋劑稀釋。3、 導(dǎo)電纖維(2)為保證導(dǎo)電纖維(2)接觸對(duì)數(shù)目及間隙大小，要求將導(dǎo)電纖維(2)加工成 長(zhǎng)度為3 20mm;各種長(zhǎng)度級(jí)配比3mm 6mm為35 45%; 6ram 10鵬為35 45%; 10mra 20mra為15 25%。 驗(yàn)證:各組分的下限之和小于100%,各組分的上限之和大于100%，每一組分下限加其它組分的上限之和大于100%，每一組分上限加其它組分的下限之和小于100%。二、 本發(fā)明使用方法①按監(jiān)測(cè)項(xiàng)目所需尺寸將本傳感材料切割成型。②將本傳感材料粘貼在測(cè)試對(duì)象上；(D采用萬(wàn)用表量測(cè)本傳感材料隨測(cè)試對(duì)象拉伸或壓縮變形所發(fā)生的電阻或 電容變化；④ 整理記錄電阻(或電容) 一變形數(shù)據(jù)；⑤ 形成電阻(或電容) 一變形特征方程；⑥ 在線對(duì)每一結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行不破壞測(cè)試。
權(quán)利要求
1、一種固化膠基纖維變形敏感傳感材料，其特征在于由固化膠基(1)和導(dǎo)電纖維(2)組成；在固化膠基(1)內(nèi)敷設(shè)有導(dǎo)電纖維(2)；所述的固化膠基(1)是一種膠凝材料；所述的導(dǎo)電纖維(2)是一種纖維材料。
2、 一種固化膠基纖維變形敏感傳感材料的制備方法，其特征在于包括下列步驟① 將導(dǎo)電纖維(2)加工成設(shè)計(jì)好的長(zhǎng)度；② 將低粘度固化膠基(1)和導(dǎo)電纖維(2)按設(shè)計(jì)的重量比例稱量、混合、 攪拌均勻；③ 在模具內(nèi)涂刷專用脫模劑；④ 在模具內(nèi)按規(guī)定的尺寸和位置涂抹固化膠基(1)和導(dǎo)電纖維(2)混合料，并擠壓成設(shè)計(jì)的厚度模片；⑤ 將己經(jīng)凝固的固化膠基纖維變形敏感傳感材料脫模；⑥ 按設(shè)計(jì)尺寸將固化膠基纖維變形敏感傳感材料切割成型。
3、 按權(quán)利要求2所述的一種固化膠基纖維變形敏感傳感材料的制備方法， 其特征在于步驟①中，將導(dǎo)電纖維(2)加工成長(zhǎng)度為3 20ram，各種長(zhǎng)度級(jí)配比: 3咖 6mm為35 45%; 6ram 10鵬為35 45%; 10mm 20咖為15 25%。
4、 按權(quán)利要求2所述的一種固化膠基纖維變形敏感傳感材料的制備方法， 其特征在于步驟②中，重量比是固化膠基(1):導(dǎo)電纖維(2) =1 0. 125。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種固化膠基纖維變形敏感傳感材料及其制備方法，涉及一種變形敏感傳感材料。本敏感傳感材料由固化膠基(1)和導(dǎo)電纖維(2)組成；在固化膠基(1)內(nèi)敷設(shè)有導(dǎo)電纖維(2)；所述的固化膠基(1)是一種膠凝材料；所述的導(dǎo)電纖維(2)是一種纖維材料。本發(fā)明操作簡(jiǎn)單，成本低廉；穩(wěn)定性與耐久性好；具有滿意的大變形和良好的重復(fù)性；可拓展性強(qiáng)；可廣泛應(yīng)用于巖土和土木工程的變形監(jiān)測(cè)和控制中。
文檔編號(hào)C08L101/00GK101225238SQ20071016888
公開(kāi)日2008年7月23日 申請(qǐng)日期2007年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月14日
發(fā)明者崔銀祥, 李小春, 汪海濱 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所