CN105623193A - 一种分布式碳纤维筋及制备方法及应变确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式碳纤维筋及制备方法及应变确定方法。所述碳纤维筋的制作方法包括以下步骤：（1）将30-60重量份的环氧树脂、10-20重量份固化剂、30-60重量份的导电粉末、10-20重量份稀释剂在10℃-40℃的常温下搅拌均匀，得到混合物A；（2）将碳纤维顺丝浸润在混合物A中，充分浸透后取出碳纤维；（3）沿碳纤维筋材径向每隔一段距离穿过一个铜套，并用导线引出；（4）将碳纤维筋材放置在模具中在标准条件下养护两天；（5）碳纤维固化完成后拆模，即制成碳纤维传感器。本发明的方法简单，使用方便，具有广阔的应用前景。

Description

一种分布式碳纤维筋及制备方法及应变确定方法

技术领域

本发明属于结构健康监测领域，特别是一种分布式碳纤维筋及制备方法及应变确定方法。

背景技术

碳纤维具有低密度，高强度，高模量，耐腐蚀，耐高温，耐低温，抗疲劳等一系列优点，被称为“新材料之王”。随着碳纤维价格的降低，碳纤维的运用也越来越广泛，尤其在土木建筑行业。但碳纤维是脆性材料，当发生破坏时往往是突然断裂而导致结构物垮塌等恶性事件，危及广大人民群众的财产和生命安全。

由于碳纤维是新材料，目前尚没有专门的监测方法。目前土木工程中主要的监测方法是以光纤为代表的嵌入式传感器和以应变片为代表的贴附式传感器，还有其他的例如观察法等传统的监测方法。但是这些方法都具有一定的局限性，比如光纤价格高比较脆弱，应变片在筋材上贴不劳等特点，传统的监测方法有离线，精度低，稳定性差，成本高等特点。目前的监测方法难于有效的测量碳纤维筋材的应力状态。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种分布式碳纤维筋及制备方法及应变确定方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种碳纤维筋，碳纤维被混合物充分包裹，该混合物包括30-60重量份的环氧树脂、10-20重量份固化剂、30-60重量份的导电粉末、10-20重量份稀释剂。

一种制备上述碳纤维筋的方法，包括以下步骤：

步骤1、将30-60重量份的环氧树脂、10-20重量份固化剂、30-60重量份的导电粉末、10-20重量份稀释剂在10℃-40℃的常温下搅拌均匀，得到混合物A；

步骤2、将碳纤维顺丝浸润在混合物A中，充分浸透后取出碳纤维；

步骤3、使碳纤维丝径向穿过若干铜套，所述铜套的截面为网状；

步骤4、将步骤3中的碳纤维筋材放置在圆柱状模具中并在常温常压下养护，使其形状固定；

步骤5、拆模，完成碳纤维筋的制备。

一种确定上述碳纤维筋应变的方法，包括以下步骤：

步骤A、在铜套表面粘贴电极，并用导线引出，形成碳纤维传感器；

步骤B、测定整段碳纤维筋的灵敏度系数为K；

步骤C、对碳纤维筋的初始电阻进行标定，具体为：假设相邻的四个铜套的编号分别为A、B、C和D，则AB,BC,CD段初始电阻分别为R₁，R₂，R₃；从A，B，C，,D引出的导线实测电阻为R_AB，R_BC，R_CD；

步骤D、确定AB,BC,CD三段的应变。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明选用材料获取途径方便，测量原理简单可靠；2)本发明制作工艺简单，使用方便，具有广阔的应用前景和良好的经济效益；3)本发明可以方便确定结构应变，只需要在监测的点接出传感器即可确定传感器附件混凝土的应力应变状态，并可以对多个监测点同时进行应力监测，可按照监测需求在多个点安装传感器，实现区域性整体实时应力监测；4)本发明制备的碳纤维筋具有良好的耐腐蚀、耐高温、耐低温性能。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为分布式碳纤维筋传感器结构示意图。

图2为铜套详细结构图，图(a)为铜套截面图，图(b)为铜套主视图。

图中编号所代表的含义为：1-碳纤维筋，2-导线，3-铜套，4-电极。

具体实施方式

结合附图，本发明的一种碳纤维筋，碳纤维被混合物充分包裹，该混合物包括30-60重量份的环氧树脂、10-20重量份固化剂、30-60重量份的导电粉末、10-20重量份稀释剂。

所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维，环氧树脂和固化剂为双酚A型环氧树脂中的E51和固化剂593，或是双酚A型环氧树脂中的E44和聚酰胺650固化剂，导电粉末为导电银粉、碳粉或铜粉，稀释剂为丙酮。

一种制备上述碳纤维筋的方法，包括以下步骤：

步骤1、将30-60重量份的环氧树脂、10-20重量份固化剂、30-60重量份的导电粉末、10-20重量份稀释剂在10℃-40℃的常温下搅拌均匀，得到混合物A；

所述环氧树脂和固化剂为双酚A型环氧树脂中的E51和固化剂593，或是双酚A型环氧树脂中的E44和聚酰胺650固化剂，导电粉末为导电银粉、碳粉或铜粉，稀释剂为丙酮。

步骤2、将碳纤维顺丝浸润在混合物A中，充分浸透后取出碳纤维；

步骤3、使碳纤维丝径向穿过若干铜套，所述铜套的截面为网状；

步骤4、将步骤3中的碳纤维筋材放置在圆柱状模具中并在常温常压下养护，使其形状固定；养护时间大于等于两天。

步骤5、拆模，完成碳纤维筋的制备。

一种确定上述碳纤维筋应变的方法，包括以下步骤：

步骤A、在铜套表面粘贴电极，并用导线引出，形成碳纤维传感器；

步骤B、测定整段碳纤维筋的灵敏度系数为K；

步骤C、对碳纤维筋的初始电阻进行标定，具体为：假设相邻的四个铜套的编号分别为A、B、C和D，则AB,BC,CD段初始电阻分别为R₁，R₂，R₃；从A，B，C，,D引出的导线实测电阻为R_AB，R_BC，R_CD；

步骤D、确定AB,BC,CD三段的应变。

计算AB,BC,CD三段的应变采用直接确定的方法，所用公式为：

AB段应变： ${\mathrm{\ϵ}}_{AB}=\frac{R_{AB}-R_1}{R_1\·K}$

BC段应变： ${\mathrm{\ϵ}}_{BC}=\frac{R_{BC}-R_2}{R_2\·K}$

CD段应变： ${\mathrm{\ϵ}}_{CD}=\frac{R_{CD}-R_3}{R_3\·K}.$

或者，计算AB,BC,CD三段的应变采用间接确定的方法：

步骤D-1、确定AB,BC的应变，公式为：

${\mathrm{\ϵ}}_{AB}=\frac{R_{AB}-R_1}{R_1\·K}$

${\mathrm{\ϵ}}_{BC}=\frac{R_{BC}-R_2}{R_2\·K}$

步骤D-2、确定AC的应变，公式为：

${\mathrm{\ϵ}}_{AC}={\mathrm{\ϵ}}_{AB}\·\frac{l_{AB}}{l_{AC}}+{\mathrm{\ϵ}}_{BC}\·\frac{l_{BC}}{l_{AC}}$

其中，l_AB，l_BC，l_AC分别为区段AB,BC,AC的初始长度。

下面进行更详细的描述：

碳纤维丝与应变的本构关系如下：

假设单丝碳纤维电阻值为R，根据电阻特性有为碳纤维丝电阻率，L为碳纤维丝长度，A为碳纤维丝截面面积。当金属丝受拉或受压时，L和A均会有相应的变化。为了得到阻值R随L、A的变化规律，利用数学的微分原理，对电阻R按复合函数求微分，得

$dR=\frac{\∂R}{\∂\mathrm{\ρ}}d\mathrm{\ρ}+\frac{\∂R}{\∂L}dL+\frac{\∂R}{\∂A}dA=\frac{L}{A}d\mathrm{\ρ}+\frac{R}{A}dL-\frac{\mathrm{\ρ}L}{A^2}dA$

两端同除以R，有

$\frac{dR}{R}=\frac{d\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\ρ}}+\frac{dL}{L}-\frac{dA}{A}$

设碳纤维丝的泊松比为μ，则有：

$\frac{dA}{A}=\frac{\frac{\mathrm{\π}}{4}\·2DdD}{\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}^2}=2\frac{dD}{D}=-2\mathrm{\μ}\frac{dL}{L}=-2\mathrm{\μ}\mathrm{\ϵ}$

D为碳纤维丝直径，ε为碳纤维丝沿长度方向的应变值，最终得：

$\frac{\frac{dR}{R}}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{\frac{d\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\ρ}}}{\mathrm{\ϵ}}=1+2\mathrm{\μ}$

令

$\frac{\frac{d\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\ρ}}}{\mathrm{\ϵ}}=1+2\mathrm{\μ}=K$

则有

$\frac{dR}{R}=K\mathrm{\ϵ}$

式中K的物理意义表示单位应变所引起碳纤维丝阻值的改变量，它能够反映出电阻丝阻值对应变的敏感程度，故称作单丝灵敏度系数。

碳纤维传感器工作机理与应变确定方法如下：

在结构物受外力改变时，碳纤维筋材的应力应变状态发生变化，从而碳纤维筋材的电阻发生变化。基于这一特性，通过测量两个电极间的电阻，得到该段碳纤维应力应变状态。分析应力状态，来判断结构是否有损伤以及结构的剩余寿命。

应变确定方法：

在实验室标定整段碳纤维筋的灵敏度系数为K，如图1所示，所以已知其AB,BC,CD段初始电阻分别为R₁，R₂，R₃，从A，B，C，,D引出的导线实测电阻为R_AB，R_BC，R_CD。

根据可计算得应变如下：

${\mathrm{\ϵ}}_{AB}=\frac{R_{AB}-R_1}{R_1\·K},{\mathrm{\ϵ}}_{BC}=\frac{R_{BC}-R_2}{R_2\·K}$

若从A，C电极实测AC段电阻为R_AC，则有

${\mathrm{\ϵ}}_{AC}=\frac{R_{AC}-(R_1+R_2)}{(R_1+R_2)\·K}=\frac{R_{AB}+R_{BC}-(R_1+R_2)}{(R_1+R_2)\·K}=\frac{R_{AB}-R_1}{(R_1+R_2)\·K}+\frac{R_{AB}-R_2}{(R_1+R_2)\·K}$

在实际运用中，若测得AB端、BC端电阻值R_AB和R_BC则AC段平均应变计算如下：

${\mathrm{\ϵ}}_{AC}=\frac{{\mathrm{\Δl}}_{AC}}{l_{AC}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{AB}\·l_{AB}+{\mathrm{\ϵ}}_{BC}\·l_{BC}}{l_{AC}}=\frac{\frac{R_{AB}-R_1}{R_1\·K}\·l_{AB}+\frac{R_{AB}-R_2}{R_2\·K}\·l_{BC}}{l_{AC}}=\frac{R_{AB}-R_1}{R_1\·K}\·\frac{l_{AB}}{l_{AC}}+\frac{R_{AB}-R_2}{R_2\·K}\·\frac{l_{BC}}{l_{AC}}$

根据上述算法，我们可以根据实测数据计算得到不同区段的应变值，方便对结构进行健康监测。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：

实施例1

一种具有自感知特性的分布式碳纤维筋传感器制作方法，包括以下步骤：

(1)将60重量份的E51环氧树脂、20重量份固化剂591、60重量份的碳粉、20重量份稀释剂丙酮在10℃-40℃的常温下搅拌均匀，得到混合物A；

(2)将碳纤维顺丝浸润在混合物A中，充分浸透后取出碳纤维；

(3)控制每根筋材中碳纤维单丝的数量，将多余的碳纤维胶水滤去；

(4)沿碳纤维筋材径向使碳纤维丝径向每隔一段距离穿过一个铜套，通过铜套表面电极用导线引出；

(5)在预先准备好的模具中涂上脱模剂，便于之后的脱模；

(6)将碳纤维筋材放置在圆柱状模具中，排除模具中的多余气泡，压实筋材，在标准条件下养护两天；

(7)碳纤维固化完成后拆模，完成制备。

在实验室标定的K＝68，已知l_AB＝50cm，l_bc＝60cm，初始电阻分别为R₁＝55.6Ω，R₂＝72Ω,实测R_AB＝60.1Ω，R_BC＝76.5Ω

计算AB,BC应变如下：

${\mathrm{\ϵ}}_{AB}=\frac{R_{AB}-R_1}{R_1\·K}=\frac{60.1-55.6}{55.6\×68}=1190\mathrm{\μ}\mathrm{\ϵ}$

${\mathrm{\ϵ}}_{BC}=\frac{R_{BC}-R_2}{R_2\·K}=\frac{76.5-72}{72\×68}=919\mathrm{\μ}\mathrm{\ϵ}$

计算AC整段平均应变如下：

${\mathrm{\ϵ}}_{AC}={\mathrm{\ϵ}}_{AB}\·\frac{l_{AB}}{l_{AC}}+{\mathrm{\ϵ}}_{BC}\·\frac{l_{BC}}{l_{AC}}=1190\mathrm{\μ}\mathrm{\ϵ}\×\frac{50}{110}+919\mathrm{\μ}\mathrm{\ϵ}\×\frac{60}{110}=1042\mathrm{\μ}\mathrm{\ϵ}$

由上可知，本发明可以方便确定结构应变，只需要在监测的点接出传感器即可确定传感器附件混凝土的应力应变状态，并可以对多个监测点同时进行应力监测，可按照监测需求在多个点安装传感器，实现区域性整体实时应力监测。

实施例2

一种具有自感知特性的分布式碳纤维筋传感器制作方法，包括以下步骤：

(1)将60重量份的E44环氧树脂、20重量份聚酰胺650固化剂、60重量份的碳粉、20重量份稀释剂丙酮在10℃-40℃的常温下搅拌均匀，得到混合物A；

(2)将碳纤维顺丝浸润在混合物A中，充分浸透后取出碳纤维；

(3)控制每根筋材中碳纤维单丝的数量，将多余的碳纤维胶水滤去；

(4)沿碳纤维筋材径向使碳纤维丝径向每隔一段距离穿过一个铜套，通过铜套表面电极用导线引出；

(5)在预先准备好的模具中涂上脱模剂，便于之后的脱模；

(6)将碳纤维筋材放置在圆柱状模具中，排除模具中的多余气泡，压实筋材，在标准条件下养护两天；

(7)碳纤维固化完成后拆模，完成制备。

在实验室标定的K＝72，已知l_AB＝50cm，l_bc＝60cm，初始电阻分别为R₁＝70.3Ω，R₂＝82.5Ω,实测R_AB＝74.2Ω，R_BC＝86.4Ω

计算AB,BC应变如下：

${\mathrm{\ϵ}}_{AB}=\frac{R_{AB}-R_1}{R_1\·K}=\frac{74.2-70.3}{70.3\×72}=771\mathrm{\μ}\mathrm{\ϵ}$

${\mathrm{\ϵ}}_{BC}=\frac{R_{BC}-R_2}{R_2\·K}=\frac{86.4-82.5}{82.5\×72}=657\mathrm{\μ}\mathrm{\ϵ}$

计算AC整段平均应变如下：

${\mathrm{\ϵ}}_{AC}={\mathrm{\ϵ}}_{AB}\·\frac{l_{AB}}{l_{AC}}+{\mathrm{\ϵ}}_{BC}\·\frac{l_{BC}}{l_{AC}}=771\mathrm{\μ}\mathrm{\ϵ}\×\frac{50}{110}+657\mathrm{\μ}\mathrm{\ϵ}\×\frac{60}{110}=709\mathrm{\μ}\mathrm{\ϵ}$

本发明制作工艺简单，使用方便，具有广阔的应用前景和良好的经济效益。

实施例3

一种具有自感知特性的分布式碳纤维筋传感器制作方法，包括以下步骤：

(1)将60重量份的E51环氧树脂、20重量份固化剂591、60重量份的铜粉、20重量份稀释剂丙酮在10℃-40℃的常温下搅拌均匀，得到混合物A；

(2)将碳纤维顺丝浸润在混合物A中，充分浸透后取出碳纤维；

(3)控制每根筋材中碳纤维单丝的数量，将多余的碳纤维胶水滤去；

(4)沿碳纤维筋材径向使碳纤维丝径向每隔一段距离穿过一个铜套，通过铜套表面电极用导线引出；

(5)在预先准备好的模具中涂上脱模剂，便于之后的脱模；

(6)将碳纤维筋材放置在圆柱状模具中，排除模具中的多余气泡，压实筋材，在标准条件下养护两天；

(7)碳纤维固化完成后拆模，完成制备。

在实验室标定的K＝65，已知l_AB＝50cm，l_bc＝60cm，初始电阻分别为R₁＝75.7Ω，R₂＝92Ω,实测R_AB＝80.1Ω，R_BC＝95.6Ω

计算AB,BC应变如下：

${\mathrm{\ϵ}}_{AB}=\frac{R_{AB}-R_1}{R_1\·K}=\frac{80.1-75.7}{75.7\×65}=894\mathrm{\μ}\mathrm{\ϵ}$

${\mathrm{\ϵ}}_{BC}=\frac{R_{BC}-R_2}{R_2\·K}=\frac{95.6-92}{92\×65}=602\mathrm{\μ}\mathrm{\ϵ}$

计算AC整段平均应变如下：

${\mathrm{\ϵ}}_{AC}={\mathrm{\ϵ}}_{AB}\·\frac{l_{AB}}{l_{AC}}+{\mathrm{\ϵ}}_{BC}\·\frac{l_{BC}}{l_{AC}}=894\mathrm{\μ}\mathrm{\ϵ}\×\frac{50}{110}+602\mathrm{\μ}\mathrm{\ϵ}\×\frac{60}{110}=734\mathrm{\μ}\mathrm{\ϵ}$

由上可知，本发明可以方便确定结构应变，只需要在监测的点接出传感器即可确定传感器附件混凝土的应力应变状态，并可以对多个监测点同时进行应力监测，可按照监测需求在多个点安装传感器，实现区域性整体实时应力监测。

Claims (8)

1.一种碳纤维筋，其特征在于，碳纤维被混合物充分包裹，该混合物包括30-60重量份的环氧树脂、10-20重量份固化剂、30-60重量份的导电粉末、10-20重量份稀释剂。

2.根据权利要求1所述的碳纤维筋，其特征在于，所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维，环氧树脂和固化剂为双酚A型环氧树脂中的E51和固化剂593，或是双酚A型环氧树脂中的E44和聚酰胺650固化剂，导电粉末为导电银粉、碳粉或铜粉，稀释剂为丙酮。

3.一种制备权利要求1所述碳纤维筋的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将30-60重量份的环氧树脂、10-20重量份固化剂、30-60重量份的导电粉末、10-20重量份稀释剂在10℃-40℃的常温下搅拌均匀，得到混合物A；

步骤2、将碳纤维顺丝浸润在混合物A中，充分浸透后取出碳纤维；

步骤3、使碳纤维丝径向穿过若干铜套，所述铜套的截面为网状；

步骤4、将步骤3中的碳纤维筋材放置在圆柱状模具中并在常温常压下养护，使其形状固定；

步骤5、拆模，完成碳纤维筋的制备。

4.根据权利要求3所述碳纤维筋的制备方法，其特征在于，步骤1中所述环氧树脂和固化剂为双酚A型环氧树脂中的E51和固化剂593，或是双酚A型环氧树脂中的E44和聚酰胺650固化剂，导电粉末为导电银粉、碳粉或铜粉，稀释剂为丙酮。

5.根据权利要求3所述碳纤维筋的制备方法，其特征在于，步骤4中的养护时间大于等于两天。

6.一种确定权利要求1所述碳纤维筋应变的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A、在铜套表面粘贴电极，并用导线引出，形成碳纤维传感器；

步骤B、测定整段碳纤维筋的灵敏度系数为K；

步骤C、对碳纤维筋的初始电阻进行标定，具体为：假设相邻的四个铜套的编号分别为A、B、C和D，则AB,BC,CD段初始电阻分别为R₁，R₂，R₃；从A，B，C，,D引出的导线实测电阻为R_AB，R_BC，R_CD；

步骤D、确定AB,BC,CD三段的应变。

7.根据权利要求6所述的应变测量方法，其特征在于，步骤D计算AB,BC,CD三段的应变采用直接确定的方法，所用公式为：

AB段应变： ${\mathrm{\ϵ}}_{AB}=\frac{R_{AB}-R_1}{R_1\·K}$

BC段应变： ${\mathrm{\ϵ}}_{BC}=\frac{R_{BC}-R_2}{R_2\·K}$

CD段应变： ${\mathrm{\ϵ}}_{CD}=\frac{R_{CD}-R_3}{R_3\·K}.$

8.根据权利要求6所述的应变测量方法，其特征在于，步骤D计算AB,BC,CD三段的应变采用间接确定的方法：

步骤D-1、确定AB,BC的应变，公式为：

${\mathrm{\ϵ}}_{AB}=\frac{R_{AB}-R_1}{R_1\·K}$

${\mathrm{\ϵ}}_{BC}=\frac{R_{BC}-R_2}{R_2\·K}$

步骤D-2、确定AC的应变，公式为：

${\mathrm{\ϵ}}_{AC}={\mathrm{\ϵ}}_{AB}\·\frac{l_{AB}}{l_{AC}}+{\mathrm{\ϵ}}_{BC}\·\frac{l_{BC}}{l_{AC}}$

其中，l_AB，l_BC，l_AC分别为区段AB,BC,AC的初始长度。