CN111896151A - 一种具有压敏性能的智能建筑传感器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有压敏性能的智能建筑传感器的制备方法，涉及一种具有压敏性能传感器的制备方法。本发明是要解决现有的建筑物安全性的评价方法存在取样难度大，测试仪器笨重，结果缺少数据检测分析，并且在对高层建筑或超高层建筑进行检测时，工作量巨大，且钻芯取样具有一定的破坏性的技术问题。本发明制备的氧化石墨烯基粘土复合物传感器同时具有优异的压敏性能，经过测试此传感器在施加周期性变化的正弦荷载时，输出了具有同样正弦变化的电阻变化曲线；且具有较长的使用寿命，经过测试，在施加循环1000次的正弦荷载时，此传感器依然可以输出相对应的正弦电阻变化曲线。

Description

一种具有压敏性能的智能建筑传感器的制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有压敏性能传感器的制备方法。
背景技术
目前建筑物安全性的评价主要是通过观察分析裂纹法或钻芯取样等方式进行，这些方法不仅存在取样难度大，测试仪器笨重，结果缺少数据检测分析等诸多问题，并且在对高层建筑或超高层建筑进行检测时，工作量巨大，且钻芯取样具有一定的破坏性，所以，建筑物安全性的测评急需进一步的发展优化。智能建筑传感器不仅可以得到建筑物的性能数据，而且还能进行实时监测，有利于实时了解建筑物的工作状况，而且传感器本身就是建筑构件，检测过程不会破坏建筑物本身，这类传感器的出现推进了建筑智能化的进程。
在万物物联的时代，建筑智能化成为一个新的发展趋势。智能化建筑能实现可视化的信息管理，及时检测建筑的健康状况，并且在一些自然灾害过后，比如地震，飓风等，智能化的建筑可以提供有效的建筑受损情况分析，为进一步维护建筑物安全性提供了有力的帮助，这在装配式建筑领域、路桥检测领域也尤为关键。但是，目前建筑智能化的进程还处于初期研发阶段，如何将这一想法在实际生活中广泛应用，还需要大量的建筑智能化研究。智能建筑传感器，一种赋予建筑感知自身局部变形或者外部作用的传感器，对促进建筑智能化进程具有很大的意义。
发明内容
本发明是要解决现有的建筑物安全性的评价方法存在取样难度大，测试仪器笨重，结果缺少数据检测分析，并且在对高层建筑或超高层建筑进行检测时，工作量巨大，且钻芯取样具有一定的破坏性的技术问题，而提供一种具有压敏性能的智能建筑传感器的制备方法。
本发明的具有压敏性能的智能建筑传感器的制备方法是按以下步骤进行的：
一、称取原料：按质量份数称取氧化石墨烯0.5份～1份，粘土100份～110份和去离子水30份～180份；
二、将步骤一中称取的0.5份～1份的氧化石墨烯配置成氧化石墨烯水溶液，所述的氧化石墨烯水溶液的浓度为20mg/g～30mg/g；
再向氧化石墨烯水溶液中加入步骤一称取的30份～180份的去离子水进行稀释，搅拌10min～15min，得到氧化石墨烯稀释液；
向氧化石墨烯稀释液中加入步骤一称取的100份～110份的粘土，边添加边搅拌，添加完后继续搅拌30min～40min，得到氧化石墨烯和粘土的混合物；
三、将步骤二制备的氧化石墨烯和粘土的混合物在50℃～60℃下烘干12h～24h，得到易于塑性的复合物原材料；
四、取步骤三制备的易于塑性的复合物原材料填装到模具里，填实，用振实台振动10min～15min，然后在50℃～60℃下烘干12h～24h，得到干燥的烧结体坯体；
五、将步骤四制备的干燥的烧结体坯体放置在管式炉玻璃管中，在保护气氛下以5℃/min～10℃/min的升温速度升温至900℃～950℃，并在保护气氛和900℃～950℃的条件下烧结6h～7h，最后在保护气氛下以5℃/min～10℃/min的降温速度降至室温，得到氧化石墨烯基粘土复合物传感器。
本发明的设计原理：经过本发明的步骤五的高温烧结后，粘土具有了一定的强度；另外，氧化石墨烯在高温烧结后还原成石墨烯，石墨烯具备很好的导电性能，掺入在粘土中的石墨烯相互搭接会形成导电通路，使整个烧结体具有导电性。但是，粘土烧结体的微观结构是存在较多孔隙的，受到外力作用，这些微孔隙被压实，使得结构更致密，石墨烯接触几率增大，形成导电通路变多，宏观体现为电阻值的减小，当外力撤去时，发生弹性变化的烧结体恢复原样，电阻值也随之恢复，从而实现了外力与电阻值的对应关系，实现了传感器的功能。本发明中氧化石墨烯作为导电相的前驱体，粘土作为一个可弹性变形的载体，经过搅拌分散以及高温处理，得到具有一定强度的感应力变或形变的传感器件。
本发明具有以下有益的技术效果：
本发明制备的氧化石墨烯基粘土复合物传感器本身就是建筑构件，检测过程不会破坏建筑物本身，保持建筑的整体性。
本发明制备的氧化石墨烯基粘土复合物传感器具有优异的导电能力，经过测试此传感器的电阻率在25.54Ω·cm～3784Ω·cm之间；并且其具有较好的机械性能，经过测试此传感器的抗压强度在4.3MPa左右，抗折强度在2MPa左右。
本发明制备的氧化石墨烯基粘土复合物传感器同时具有优异的压敏性能，经过测试此传感器在施加周期性变化的正弦荷载时，输出了具有同样正弦变化的电阻变化曲线；且具有较长的使用寿命，经过测试，在施加循环1000次的正弦荷载时，此传感器依然可以输出相对应的正弦电阻变化曲线。
附图说明
图1是荷载频率为1Hz时的载荷-时间曲线图；
图2为在图1的载荷条件下的电阻-时间曲线图；
图3是荷载频率为2Hz时的载荷-时间曲线图；
图4为在图3的载荷条件下的电阻-时间曲线图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式为一种具有压敏性能的智能建筑传感器的制备方法，具体是按以下步骤进行的：
一、称取原料：按质量份数称取氧化石墨烯0.5份～1份，粘土100份～110份和去离子水30份～180份；
二、将步骤一中称取的0.5份～1份的氧化石墨烯配置成氧化石墨烯水溶液，所述的氧化石墨烯水溶液的浓度为20mg/g～30mg/g；
再向氧化石墨烯水溶液中加入步骤一称取的30份～180份的去离子水进行稀释，搅拌10min～15min，得到氧化石墨烯稀释液；
向氧化石墨烯稀释液中加入步骤一称取的100份～110份的粘土，边添加边搅拌，添加完后继续搅拌30min～40min，得到氧化石墨烯和粘土的混合物；
三、将步骤二制备的氧化石墨烯和粘土的混合物在50℃～60℃下烘干12h～24h，得到易于塑性的复合物原材料；
四、取步骤三制备的易于塑性的复合物原材料填装到模具里，填实，用振实台振动10min～15min，然后在50℃～60℃下烘干12h～24h，得到干燥的烧结体坯体；
五、将步骤四制备的干燥的烧结体坯体放置在管式炉玻璃管中，在保护气氛下以5℃/min～10℃/min的升温速度升温至900℃～950℃，并在保护气氛和900℃～950℃的条件下烧结6h～7h，最后在保护气氛下以5℃/min～10℃/min的降温速度降至室温，得到氧化石墨烯基粘土复合物传感器。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中按质量份数称取氧化石墨烯0.7份，粘土100份和去离子水150份。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中将步骤一中称取的0.7份的氧化石墨烯配置成氧化石墨烯水溶液，所述的氧化石墨烯水溶液的浓度为25mg/g。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：步骤二中向氧化石墨烯稀释液中加入步骤一称取的100份的粘土，边添加边搅拌，添加完后继续搅拌30min，得到氧化石墨烯和粘土的混合物。其他与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤二中将步骤二制备的氧化石墨烯和粘土的混合物在50℃下烘干12h，得到易于塑性的复合物原材料。其他与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤四中取步骤三制备的易于塑性的复合物原材料填装到模具里，填实，用振实台振动15min，然后在50℃下烘干12h，得到干燥的烧结体坯体。其他与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：步骤四中所述的模具为长方体，具体尺寸为10mm×10mm×40mm。其他与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：步骤五中所述的保护气氛为氮气。其他与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤五中在保护气氛下以10℃/min的升温速度升温至900℃，并在保护气氛和900℃的条件下烧结6h。其他与具体实施方式五相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤五中最后在保护气氛下以10℃/min的降温速度降至室温，得到氧化石墨烯基粘土复合物传感器。其他与具体实施方式五相同。
用以下试验对本发明进行验证：
试验一：本试验为一种具有压敏性能的智能建筑传感器的制备方法，具体是按以下步骤进行的：
一、称取原料：按质量份数称取氧化石墨烯0.7份，粘土100份和去离子水150份；
二、将步骤一中称取的0.7的氧化石墨烯配置成氧化石墨烯水溶液，所述的氧化石墨烯水溶液的浓度为25mg/g；
再向氧化石墨烯水溶液中加入步骤一称取的150份的去离子水进行稀释，搅拌15min，得到氧化石墨烯稀释液；
向氧化石墨烯稀释液中加入步骤一称取的100份的粘土，边添加边搅拌，添加完后继续搅拌30min，得到氧化石墨烯和粘土的混合物；
三、将步骤二制备的氧化石墨烯和粘土的混合物在50℃下烘干12h，得到易于塑性的复合物原材料；
四、取步骤三制备的易于塑性的复合物原材料填装到模具里，填实，用振实台振动15min，然后在50℃下烘干12h，得到干燥的烧结体坯体；所述的模具为长方体结构，具体尺寸为10mm×10mm×40mm；
五、将步骤四制备的干燥的烧结体坯体放置在管式炉玻璃管中，在保护气氛下以10℃/min的升温速度升温至900℃，并在保护气氛和900℃的条件下烧结6h，最后在保护气氛下以10℃/min的降温速度降至室温，得到氧化石墨烯基粘土复合物传感器。
使用美国美特斯公司生产的647Hydraulic Wedge Grip材料试验机(MTS)对试验一制备的氧化石墨烯基粘土复合物传感器进行压敏性能测试，
图1是荷载频率为1Hz时的载荷-时间曲线图，图2为在图1的载荷条件下的电阻-时间曲线图；
图3是荷载频率为2Hz时的载荷-时间曲线图，图4为在图3的载荷条件下的电阻-时间曲线图。
从这四幅图中可以发现试验一制备的氧化石墨烯基粘土复合物传感器对于给定的规律性荷载(这里是用位移表示荷载的施加，施加荷载后会产生微量的位移)可以输出同样规律性的电阻信号。因为在正常使用过程中，建筑物的受力是不可视的，但是可以通过该传感器输出的对应电信号间接反映出受力的情况。

Claims (10)

1.一种具有压敏性能的智能建筑传感器的制备方法，其特征在于具有压敏性能的智能建筑传感器的制备方法是按以下步骤进行的：
一、称取原料：按质量份数称取氧化石墨烯0.5份～1份，粘土100份～110份和去离子水30份～180份；
二、将步骤一中称取的0.5份～1份的氧化石墨烯配置成氧化石墨烯水溶液，所述的氧化石墨烯水溶液的浓度为20mg/g～30mg/g；
再向氧化石墨烯水溶液中加入步骤一称取的30份～180份的去离子水进行稀释，搅拌10min～15min，得到氧化石墨烯稀释液；
向氧化石墨烯稀释液中加入步骤一称取的100份～110份的粘土，边添加边搅拌，添加完后继续搅拌30min～40min，得到氧化石墨烯和粘土的混合物；
三、将步骤二制备的氧化石墨烯和粘土的混合物在50℃～60℃下烘干12h～24h，得到易于塑性的复合物原材料；
四、取步骤三制备的易于塑性的复合物原材料填装到模具里，填实，用振实台振动10min～15min，然后在50℃～60℃下烘干12h～24h，得到干燥的烧结体坯体；
五、将步骤四制备的干燥的烧结体坯体放置在管式炉玻璃管中，在保护气氛下以5℃/min～10℃/min的升温速度升温至900℃～950℃，并在保护气氛和900℃～950℃的条件下烧结6h～7h，最后在保护气氛下以5℃/min～10℃/min的降温速度降至室温，得到氧化石墨烯基粘土复合物传感器。
2.根据权利要求1所述的一种具有压敏性能的智能建筑传感器的制备方法，其特征在于步骤一中按质量份数称取氧化石墨烯0.7份，粘土100份和去离子水150份。
3.根据权利要求2所述的一种具有压敏性能的智能建筑传感器的制备方法，其特征在于步骤二中将步骤一中称取的0.7份的氧化石墨烯配置成氧化石墨烯水溶液，所述的氧化石墨烯水溶液的浓度为25mg/g。
4.根据权利要求2所述的一种具有压敏性能的智能建筑传感器的制备方法，其特征在于步骤二中向氧化石墨烯稀释液中加入步骤一称取的100份的粘土，边添加边搅拌，添加完后继续搅拌30min，得到氧化石墨烯和粘土的混合物。
5.根据权利要求1所述的一种具有压敏性能的智能建筑传感器的制备方法，其特征在于步骤二中将步骤二制备的氧化石墨烯和粘土的混合物在50℃下烘干12h，得到易于塑性的复合物原材料。
6.根据权利要求1所述的一种具有压敏性能的智能建筑传感器的制备方法，其特征在于步骤四中取步骤三制备的易于塑性的复合物原材料填装到模具里，填实，用振实台振动15min，然后在50℃下烘干12h，得到干燥的烧结体坯体。
7.根据权利要求1所述的一种具有压敏性能的智能建筑传感器的制备方法，其特征在于步骤四中所述的模具为长方体，具体尺寸为10mm×10mm×40mm。
8.根据权利要求1所述的一种具有压敏性能的智能建筑传感器的制备方法，其特征在于步骤五中所述的保护气氛为氮气。
9.根据权利要求1所述的一种具有压敏性能的智能建筑传感器的制备方法，其特征在于步骤五中在保护气氛下以10℃/min的升温速度升温至900℃，并在保护气氛和900℃的条件下烧结6h。
10.根据权利要求1所述的一种具有压敏性能的智能建筑传感器的制备方法，其特征在于步骤五中最后在保护气氛下以10℃/min的降温速度降至室温，得到氧化石墨烯基粘土复合物传感器。
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