CN101225238A

CN101225238A - 固化胶基纤维变形敏感传感材料及其制备方法

Info

Publication number: CN101225238A
Application number: CNA2007101688860A
Authority: CN
Inventors: 李小春; 汪海滨; 崔银祥
Original assignee: Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Current assignee: Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2008-07-23

Abstract

本发明公开了一种固化胶基纤维变形敏感传感材料及其制备方法，涉及一种变形敏感传感材料。本敏感传感材料由固化胶基(1)和导电纤维(2)组成；在固化胶基(1)内敷设有导电纤维(2)；所述的固化胶基(1)是一种胶凝材料；所述的导电纤维(2)是一种纤维材料。本发明操作简单，成本低廉；稳定性与耐久性好；具有满意的大变形和良好的重复性；可拓展性强；可广泛应用于岩土和土木工程的变形监测和控制中。

Description

固化胶基纤维变形敏感传感材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种变形敏感传感材料，尤其涉及一种固化胶基纤维变形敏感传感材料及其制备方法；具体地说，涉及一种岩土和土木工程变形监测和控制用的具有大变形和高传感精度的敏感传感材料。

背景技术

工程结构监测与安全评价系统主要包括：高性能传感元件与信号采集装备，多参量、多传感元件监测数据处理与管理方法，结构实时损伤识别、定位与模型修正，结构实时健康诊断与安全预警系统，等。其中，高性能传感元件与信号采集装备是监测系统得以发展的根本。传统岩土工程在应力、位移和变形的监测方面，传感器主要有应变计(钢弦应变计、电阻片和光弹应变计)和位移收敛计，只能获取荷载或应变的历史值，不能实现实时、长期监测与诊断。电阻应变片、疲劳寿命丝、压电材料、半导体材料、形状记忆合金等传感器均需埋入到结构中，埋入工艺复杂，造价较高，寿命短，抗干扰能力及耐腐蚀性差，植入成活率较低，量程偏小等等缺陷限制其在具有大变形特征的岩土和土木工程监测中的应用。

基于碳纤维开发传感器材料主要分水泥基和树脂基。

水泥基：在传统的水泥或砂浆中添加特定导电材料或纳米材料复合而成的具有压阻效应的材料。利用其电阻率与压应力存在一定对应关系的特性，制成应力自感知水泥基复合材料传感器，具有造价低、耐久性好、埋设工艺简单以及与混凝土材料相容性好等特性。

树脂基：碳纤维树脂基复合材料的比强度、比模量等综合指标在现有结构材料中最高。在强度、刚度、结构件重、疲劳特性等有严格要求的领域，碳纤维树脂基复合材料都具有优势。通过对碳纤维树脂基复合材料进行拉伸、循环加载等试验，得到其电阻随变形而变化的规律。

传统的传感元件材料普遍存在耐久性差的缺点，制作的传感器只能用于结构短时期的性能检测，无法满足全寿命性能监测的要求。

光纤虽具有超长的耐久性与稳定性，但昂贵的造价，特别是在岩土工程中，其量程较小，安装复杂，量测量简单(应力或位移/应变)和二次开发成本高，技术复杂，限制了其只能应用在室内试验。

研制开发一种造价低、耐久性好、埋设工艺简单，符合岩土工程大变形特征，适应性好，灵敏度高的传感材料已经成为土木工程(这里主要针对结构和岩土工程)监测领域的关键。由于固化胶基具有优良的电绝缘性、憎水性、耐候性及粘接性外，还具有良好的吸振性，成膜能力强。导电纤维具有耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特点。因此，将固化胶基和导电纤维按一定比例复合即可以实现这些性能。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的上述缺点和不足，实现面向岩土工程的大变形、高精度的监测要求，提供一种固化胶基纤维变形敏感传感材料及其制备方法，既能实现工程监测目的，而且自身稳定性与耐久性好更好。

本发明的目的是这样实现的：

1、固化胶基纤维变形敏感传感材料(简称本传感材料)

如图1，本传感材料由固化胶基(1)和导电纤维(2)组成；在固化胶基(1)内敷设有导电纤维(2)；

1)所述的固化胶基(1)是一种胶凝材料，有上市产品。

固化胶基(1)不仅具有优良的电绝缘性、憎水性、耐候性及粘接性外，还具有良好的吸振性，成膜能力强；其作用是和测试对象完全粘结，并随其协同拉伸或压缩变形；但对测试对象受力和变形并没有影响。

2)所述的导电纤维(2)是一种纤维材料，有上市产品。

导电纤维(2)具有耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特点。

本传感材料的工作原理是：

利用导电纤维(2)搭接形成导电网络，当固化胶基(1)随测试对象拉伸或压缩变形时，导电纤维(2)整体电阻或电容也随之产生变化，从而反映出结构或岩土材料的受力变形情况。

本传感材料在延性、粘结性、敏感性、稳定性、耐久性等指标方面相对水泥基和树脂基更具优越性。同时具有和结构(岩土)材料粘结方便；具有满意的大变形和良好的重复性，蠕变很小，稳定性较好；进行其拉伸、循环加载等试验，得到其电阻(或电容特性)随变形而变化的规律；在弹性范围内，拉伸变形时电阻或电容值呈可逆地增加；变形恢复时电阻或电容值呈可逆地减小。

2、固化胶基纤维变形敏感传感材料的制备方法(简称本制备方法)

本制备方法包括下列步骤：

①将导电纤维(2)加工成设计好的长度；

②将低粘度固化胶基(1)和导电纤维(2)按设计的重量比例称量、混合、搅拌均匀；

③在模具内涂刷专用脱模剂；

④在模具内按规定的尺寸和位置涂抹固化胶基(1)和导电纤维(2)混合料，并挤压成设计的厚度模片；

⑤将已经凝固的固化胶基纤维变形敏感传感材料脱模；

⑥按设计尺寸将固化胶基纤维变形敏感传感材料切割成型。

本发明具有下列优点和积极效果：

1、操作简单，成本低廉。本传感材料和结构(岩土)材料粘结方便，测试设备可采用一般的电工仪表，不需要专用仪器设备，一般人员即可进行操作和完成，或可随时在线对每一结构部位进行不破坏测试，无形中降低了整个监测的成本。

2、本发明稳定性与耐久性好，具有耐腐蚀、抗潮防水、成活率高等优点，特别适用于岩土工程野外恶劣气候和环境，能实现长期在线健康监测传感器的开发。

3、具有满意的大变形和良好的重复性，蠕变很小，传感精度高，抗电磁干扰，性能信号噪音小。

4、可拓展性强。基于多点布设电极，即可进行准分布式传感，实现多元高密度信息远程监测。

总之，由于本发明性能价格比高，因此可广泛应用于岩土和土木工程的变形监测和控制中。

附图说明

图1是本材料结构图。

其中：

1-固化胶基；

2-导电纤维。

具体实施方式

一、本传感材料及其本制备方法

1、固化胶基(1)和导电纤维(2)的重量比

固化胶基(1)∶导电纤维(2)＝1～0.125。

当比例较大时，本传感材料延性较好，抗电磁干扰，性能信号噪音小，适合在大变形要求高的监测及传感中应用；

当比例较小时，固化胶基纤维变形敏感传感材料灵敏度高，适合在对传感精度及解析度要求高的监测及传感中应用。

2、固化胶基(1)

固化胶基(1)要求选用低黏度材料，或采用稀释剂稀释。

3、导电纤维(2)

为保证导电纤维(2)接触对数目及间隙大小，要求将导电纤维(2)加工成长度为3～20mm；

各种长度级配比：

3mm～6mm为35～45％；6mm～10mm为35～45％；10mm～20mm为：15～25％。

验证：各组分的下限之和小于100％，各组分的上限之和大于100％，每一组分下限加其它组分的上限之和大于100％，每一组分上限加其它组分的下限之和小于100％。

二、本发明使用方法

①按监测项目所需尺寸将本传感材料切割成型。

②将本传感材料粘贴在测试对象上；

③采用万用表量测本传感材料随测试对象拉伸或压缩变形所发生的电阻或电容变化；

④整理记录电阻(或电容)—变形数据；

⑤形成电阻(或电容)—变形特征方程；

⑥在线对每一结构部位进行不破坏测试。

Claims

1.一种固化胶基纤维变形敏感传感材料，其特征在于：

由固化胶基(1)和导电纤维(2)组成；在固化胶基(1)内敷设有导电纤维(2)；

所述的固化胶基(1)是一种胶凝材料；

所述的导电纤维(2)是一种纤维材料。

2.一种固化胶基纤维变形敏感传感材料的制备方法，其特征在于包括下列步骤：

①将导电纤维(2)加工成设计好的长度；

③在模具内涂刷专用脱模剂；

⑤将已经凝固的固化胶基纤维变形敏感传感材料脱模；

⑥按设计尺寸将固化胶基纤维变形敏感传感材料切割成型。

3.按权利要求2所述的一种固化胶基纤维变形敏感传感材料的制备方法，其特征在于步骤①中，将导电纤维(2)加工成长度为3～20mm，各种长度级配比：3mm～6mm为35～45％；6mm～10mm为35～45％；10mm～20mm为15～25％。

4.按权利要求2所述的一种固化胶基纤维变形敏感传感材料的制备方法，其特征在于步骤②中，重量比是：

固化胶基(1)：导电纤维(2)＝1～0.125。