CN106768052B - 一种智能碳纤维复合材料传感元件及其制作方法 - Google Patents

一种智能碳纤维复合材料传感元件及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种智能碳纤维复合材料传感元件及其制作方法，包括环氧树脂/碳纤维复合材料、导电电极和电极保护装置；环氧树脂/碳纤维复合材料包括每四根连续碳纤维单丝顺直张拉、同方向排列，并在环氧树脂中加入4％的二氧化硅、碳粉混合物对其封装形成片状；环氧树脂/碳纤维固化后成型、叠入模具，层间用同一配方的环氧树脂粘贴；环氧树脂/碳纤维复合材料养护完成后两端切割整齐；导电电极包括导线焊接于铜片上；已焊接完成的铜片另一面与环氧树脂/碳纤维复合材料截面用导电银胶粘结；本发明传感元件反复性能较好，灵敏度较高，可实时监测混凝土自身或外部温度、荷载变化，将力、温度等信号转化为电信号，可用于智能结构全寿命周期监测系统中。

Description

一种智能碳纤维复合材料传感元件及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种使用连续智能碳纤维复合材料传感元件及其制作方法，适用于实时监测结构受到自身或外部温度、荷载变化，属于分析及控制测量技术领域。
背景技术
智能传感器是一门涉及多种学科的综合技术，是当今社会正在发展中的高新技术，被广泛地应用于军事、航天航空、科研、工业、农业、医疗、交通等领域和部门，具有十分广阔的应用前景。随着传感器智能化概念的提出，人们对传感器的要求也越来越高，尤其是需求量位居传感器之首的温度传感器，高精度、智能化正成为温度传感器的发展方向。根据智能化理论，需要一种在长时间工作后，仍可精确测温的智能温度传感器，解决某些特殊环境下使用的温度传感器安装到位后就不能拆除下来进行标校的问题。
碳纤维增强复合材料Carbon fiber reinforced polymer/plastic，简称CFRP是一种高分子聚合物导电复合材料。它不仅综合了无机填料的导电性和聚合物材料优良的柔韧和加工性能，还具有单组分所不具有的新的物性，充分体现了复合材料的优点。CFRP具有智能特性、结构特性和发热特性。对于智能特性方面，CFRP具有力阻和温阻两种重要的智能传感特性，即可通过电阻变化对自身或周边外力、温度响应：建立力阻效应关系方程，可用于结构的工作环境、承受载荷、结构响应和调节性能监测；结构损伤积累与演化过程及结构抗力衰减规律动态监测；评定结构的安全状态，科学地对结构进行养护、维修和全寿命分析与设计。建立温阻效应关系方程，可及时掌控大体积混凝土环境及浇筑温度、温度分布范围与方式；实时监测极冷/热地区建筑结构内外温度变化，预防温度应力产生；智能调节桥面温度变化，主动抗冰融雪，减少传统方法对桥面损伤；对于结构特性方面，由于具有轻质、高强、耐腐蚀的特点，可有效减轻结构自重、在承载构件中使用、耐久性性能优越；对于发热特性方面，它是一种很好的热敏元件材料。综上，使用CFRP制作的传感元件不仅可以实现一系列智能监测，未来还可以兼顾结构性能和发热性能，切实可行地用于工程实际。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种智能碳纤维复合材料传感元件及其制作方法，通过手工制作方法，用掺入二氧化硅、碳粉的环氧树脂胶封装连续PAN基碳纤维单丝，制作而成一种碳纤维智能传感元件，其反复性能较好，可用于实时监测混凝土自身或外部温度、荷载变化，将力、温度等信号转化为电信号，可用于智能结构全寿命周期监测系统中。
本发明的技术方案是：一种智能碳纤维复合材料传感元件，包括环氧树脂/碳纤维复合材料；
所述环氧树脂/碳纤维复合材料包括八十根连续碳纤维单丝，每四根连续碳纤维单丝顺直张拉、同向排列，外涂刷环氧树脂胶，封装成片状，共二十层片状环氧树脂/碳纤维；环氧树脂胶基体包括双酚环氧树脂、碳粉和二氧化硅粉末；
所述环氧树脂/碳纤维复合材料的两端分别设有导电电极和电极保护装置；所述导电电极包括导电银胶、铜片、手工锡焊焊点和导线；所述导电银胶涂覆在环氧树脂/碳纤维复合材料端部和铜片粘贴，所述导线的一端通过手工锡焊粘结于铜片表面的焊点处；所述电极保护装置分别套在导电电极的两端，且导线的另一端穿过电极保护装置。
上述方案中，所述环氧树脂胶基体中碳粉和二氧化硅粉末的混合物占总胶体质量的4％。
上述方案中，所述碳粉和二氧化硅的碳：硅＝1:0.6。
上述方案中，所述电极保护装置为电极保护套。
上述方案中，所述连续碳纤维为连续PAN基碳纤维。
一种所述智能碳纤维复合材料传感元件的制作方法，包括以下步骤：
S1、连续碳纤维单丝拉直，置于光滑面板，固定两端，每四根连续碳纤维单丝紧密排成一组；
S2、每条连续碳纤维单丝外涂刷环氧树脂胶，环氧树脂胶基体由双酚环氧树脂、碳粉、二氧化硅粉末组成，其中碳粉和二氧化硅粉末的混合物占总胶体质量的4％，碳：硅＝1:0.6，室温固化养护72h；
S3、揭下固化完成的环氧树脂/碳纤维，修剪多余环氧树脂，形成片状；
S4、将修剪好的片状环氧树脂/碳纤维层叠方式放入模具，并使用S2中同样配合比的环氧树脂胶将层间相互粘黏，排尽新胶与片状环氧树脂/碳纤维间气泡，堆叠二十层片状环氧树脂/碳纤维，室温养护72h；
S5、环氧树脂/碳纤维复合材料养护完成后脱模，两端切割平整，环氧树脂/碳纤维复合材料1制作完成；
S6、用手工锡焊的方法将导线6的一端粘结于铜片3表面，用导电银胶2涂覆在制作完成环氧树脂/碳纤维复合材料1端部和粘结导线端部的铜片3粘贴，养护72小时；
S7、电极养护完成后，两端套上电极保护套5，导线6的另一端穿过电极保护套5。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明创新性地用手工的方法，使用柔性碳纤维单丝制作传感器，使制作出的传感器更加方便、电阻阻值更加稳定，且反复性能较好，方便地运用于试验或实际中使用。碳粉的加入使得碳纤维之间形成更多的导电通路；二氧化硅粉末的加入，使温度、外力变化过程中导电通路变化更加活跃，电阻随外力、温度的变化也更加灵敏。
附图说明
图1是本发明一实施方式的连续碳纤维复合材料传感元件结构示意图。
图中：1.环氧树脂/碳纤维复合材料；2.导电银胶；3.铜片；4.焊点；5.电极保护套；6.导线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
图1所示为本发明所述智能碳纤维复合材料传感元件的一种实施方式，所述智能碳纤维复合材料传感元件，包括环氧树脂/碳纤维复合材料1、导电电极和电极保护装置三部分。
所述环氧树脂/碳纤维复合材料1包括八十根连续碳纤维单丝，每四根连续碳纤维单丝顺直张拉、同方向排列，外涂刷环氧树脂胶，封装成片状，共二十层片状环氧树脂/碳纤维；环氧树脂胶基体包括双酚环氧树脂、碳粉和二氧化硅粉末。
所述环氧树脂/碳纤维复合材料1的两端分别设有所述导电电极和电极保护装置；所述导电电极包括导电银胶2、铜片3、手工锡焊焊点4和导线6；所述导电银胶2涂覆在环氧树脂/碳纤维复合材料1端部和铜片3粘贴，所述导线6的一端通过手工锡焊粘结于铜片3表面的焊点4处；所述电极保护装置分别套在导电电极的两端，且导线6的另一端穿过电极保护装置；所述电极保护装置为电极保护套5，用于保护已制作完成的导电电极端部。
所述环氧树脂胶基体中碳粉和二氧化硅粉末的混合物占总胶体质量的4％；所述碳粉和二氧化硅的碳：硅＝1:0.6。
所述连续碳纤维为连续PAN基碳纤维。
本发明还提供一种根据所述智能碳纤维复合材料传感元件的制作方法，包括以下步骤：
S1、连续碳纤维单丝拉直，置于光滑面板，固定两端，每四根连续碳纤维单丝紧密排成一组；
S2、每条连续碳纤维单丝外涂刷环氧树脂胶，环氧树脂胶基体由双酚环氧树脂、碳粉、二氧化硅粉末组成，其中碳粉和二氧化硅粉末的混合物占总胶体质量的4％，碳：硅＝1:0.6，室温固化养护72h；
S3、小心揭下固化完成的环氧树脂/碳纤维，修剪多余环氧树脂，形成片状；
S4、将修剪好的片状环氧树脂/碳纤维层叠方式放入模具，并使用S2中同样配合比的环氧树脂胶将层间相互粘黏，尽量排尽新胶与片状环氧树脂/碳纤维间气泡，堆叠二十层片状环氧树脂/碳纤维，室温养护72h；
S5、环氧树脂/碳纤维复合材料养护完成后脱模，两端切割平整，环氧树脂/碳纤维复合材料1制作完成；
S6、用手工锡焊的方法将导线6的一端粘结于铜片3表面，用导电银胶2涂覆在制作完成环氧树脂/碳纤维复合材料1端部和粘结导线端部的铜片3粘贴，养护72小时；
S7、电极养护完成后，两端套上电极保护套5，导线6的另一端穿过电极保护套5。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种智能碳纤维复合材料传感元件的制作方法，其特征在于，所述智能碳纤维复合材料传感元件，包括环氧树脂基碳纤维复合材料(1)；所述环氧树脂基碳纤维复合材料(1)包括八十根连续碳纤维单丝，每四根连续碳纤维单丝顺直张拉、同向排列，外涂刷环氧树脂胶，封装成片状，共二十层片状环氧树脂基碳纤维；环氧树脂胶基体包括双酚环氧树脂、碳粉和二氧化硅粉末；所述环氧树脂胶基体中碳粉和二氧化硅粉末的混合物占总胶体质量的4％；所述碳粉和二氧化硅的碳：硅＝1:0.6；所述环氧树脂基碳纤维复合材料(1)的两端分别设有导电电极和电极保护装置；所述导电电极包括导电银胶(2)、铜片(3)、手工锡焊焊点(4)和导线(6)；所述导电银胶(2)涂覆在环氧树脂基碳纤维复合材料(1)端部和铜片(3)粘贴，所述导线(6)的一端通过手工锡焊粘结于铜片(3)表面的焊点(4)处；所述电极保护装置分别套在导电电极的两端，且导线(6)的另一端穿过电极保护装置；
该方法包括以下步骤：
S1、连续碳纤维单丝拉直，置于光滑面板，固定两端，每四根连续碳纤维单丝紧密排成一组；
S2、每条连续碳纤维单丝外涂刷环氧树脂胶，环氧树脂胶基体由双酚环氧树脂、碳粉、二氧化硅粉末组成，其中碳粉和二氧化硅粉末的混合物占总胶体质量的4％，碳：硅＝1:0.6，室温固化养护72h；
S3、揭下固化完成的环氧树脂基碳纤维，修剪多余环氧树脂，形成片状；
S4、将修剪好的片状环氧树脂基碳纤维层叠方式放入模具，并使用S2中同样配合比的环氧树脂胶将层间相互粘黏，排尽新胶与片状环氧树脂基碳纤维间气泡，堆叠二十层片状环氧树脂基碳纤维，室温养护72h；
S5、环氧树脂基碳纤维复合材料养护完成后脱模，两端切割平整，环氧树脂基碳纤维复合材料(1)制作完成；
S6、用手工锡焊的方法将导线(6)的一端粘结于铜片(3)表面，用导电银胶(2)涂覆在制作完成环氧树脂基碳纤维复合材料(1)端部和粘结导线端部的铜片(3)粘贴，养护72小时；
S7、电极养护完成后，两端套上电极保护套(5)，导线(6)的另一端穿过电极保护套(5)。
2.一种智能碳纤维复合材料传感元件，其特征在于，根据权利要求1所述智能碳纤维复合材料传感元件的制作方法制备得到的。
3.根据权利要求2中所述的智能碳纤维复合材料传感元件，其特征在于，所述电极保护装置为电极保护套(5)。
4.根据权利要求2中所述的智能碳纤维复合材料传感元件，其特征在于，所述连续碳纤维为连续PAN基碳纤维。
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