CN112388990A - 一种内植光纤的智能碳纤维筋及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内植光纤的智能碳纤维筋及其制作方法。智能碳纤维筋内部植入光纤作为传感材料，以碳纤维为增强体通过浸渍树脂后经拉挤缠绕一体成型，兼具结构增强与服役性能监测的功能。智能碳纤维筋在外形上以纤维束或尼龙丝带在外层螺旋缠绕形成外凸或内凹的螺旋肋。本发明公开的一种内植光纤的智能碳纤维筋的制作方法，采用间歇式拉缠工艺，使光纤在碳纤维筋生产过程中一次植入、经拉挤缠绕和固化过程一体成型。本发明可以同步解决建筑结构增强/补强和服役性能智能监测两方面的问题。
Description
技术领域
本发明属于建筑结构监测技术领域，特别涉及一种内植光纤的智能碳纤维筋及其制作方法。
背景技术
碳纤维复合材料筋具有多项优良性能，是钢结构预应力筋的潜在替代选项，在建筑桥梁上具有广阔的应用前景。利用碳纤维筋配筋增强混凝土，不仅可以提高材料整体的力学性能，还可以有效地解决其使用寿命的问题，实现桥梁结构的全生命周期设计。此外，各种建筑结构、桥梁结构、地下结构、海洋结构等在其服役期因受到环境、荷载等各种作用产生损伤和病害的情况，利用碳纤维筋进行加固维护也是国际国内兴起的一种新型加固手段。另一方面，基础设施营运过程中的健康状况监测是一项重要工作。建筑结构健康监测技术就是利用现代传感技术与通信技术，结合建筑结构系统特性，来探测大型建筑各个维度上的变化，评估建筑的安全状况，科学地进行建筑结构管理和养护，并实时预警的一门新兴技术。对于建设完成或修复加固后的建筑，实时的健康监测更是保证这些建筑健康服役的必要措施。通过对建筑结构的疲劳损伤进行实时监测，可以对建筑的健康状况给出评估，减少安全事故发生的可能性，从根本上确保基础设施的安全运营。
碳纤维筋因具有强度高、重量轻、耐久性好、易于施工等优点而广泛应用于各类结构、构件的建设和维修加固中，对其服役过程中的应力变形状态监测具有十分重大的意义。而光纤传感技术通过光信号来感知外界物理量如应力、应变、温度、浓度的微小变化，具有测量线性拟合度高、稳定性好、抗电磁干扰能力强、传感器体积小、接线简单、远距离数据传输方便等的优点，对结构构件的应变能进行高精度的、分布式数字测量，特别适用于高强碳纤维筋的受力变形的监测。
以往光纤植入复合材料的方式多通过外部粘接、预浸料裹附、刻槽植入等方式实现，直接增加了应用技术难度、技术复杂度和生产成本。尽管采用光纤与复合材料拉挤缠绕一体成型制备的智能型复合材料具有多种优势和潜在应用价值，但是这类材料的制备亦面临较为复杂和苛刻的制备条件要求。首先，要实现内植光纤与外接解调设备的连接，必须将光纤端头暴露出一定长度以便与跳线等熔接。这种情况下，普通的连续拉挤缠绕成型是难以实现的，其次，要使这类材料的传感效果准确可靠，光纤与碳纤维筋紧密粘接、同步受力是必要条件。但是对于某些化学惰性材料包覆的光纤，树脂/光纤界面的粘合强度偏低，尤其是当加入内脱模剂的情况下，光纤可能在力的作用下与树脂早期脱离，从而起不到同步应变的效果。最后，使用酸酐类环氧树脂体系的固化温度一般在200℃左右，而光纤传感器外部高分子涂层的温度耐受一般在150℃左右，因此必须进行原材料或者成型工艺的改良以避免对光纤造成破坏。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种内植光纤的智能碳纤维筋及其制作方法，通过光纤的传感效果赋予碳纤维筋兼具结构增强与服役性能监测的功能。
技术方案如下：
一种内植光纤的智能碳纤维筋，包括：碳纤维筋主体和预植入碳纤维主体的光纤；所述智能碳纤维筋内部植入光纤作为传感材料；光纤表面设置有保护涂层以保护光纤在生产期间不受外力的破坏；碳纤维筋在外形以肋材在外层螺旋缠绕形成外凸或内凹的螺旋肋；碳纤维筋端头备有预留光纤段以实现信号的输入与输出。
进一步的，所述保护涂层为玻璃包层或聚醚醚酮类高分子涂层，厚度范围为100～600μm，承受250～300℃高温。
进一步的，所述光纤的功能类型包括用于位移、震动、压力、应变、湿度或温度物理量测量的光纤，光纤端头由未浸胶的筋材段中释出，从而实现与外接跳线的连接和传感信号的输入与输出。
进一步的，所述智能碳纤维筋的直径在8～20mm，螺旋肋的肋间距在5～15mm。
一种内植光纤的智能碳纤维筋的制作方法，以碳纤维为增强体、环氧树脂为基体、光纤为传感元件、其它助剂与填料按照一定配比经拉挤缠绕一体成型得到，其中：采用拉挤缠绕成型设备进行碳纤维筋的生产；成型过程中，将环氧树脂、固化剂及其他助剂配制成成型树脂并置入浸胶槽，两台液压机交替以0.1～0.5m/min的牵引速率将碳纤维束、光纤按照一定空间排布同步牵引浸入浸胶槽，其中光纤位于空间排布的中心或其他指定位置，两者同步浸润树脂后在成型模前集束呈棒状；此时，利用外接气泵将喷雾型塑料脱模剂均匀喷涂于匀速走行的呈棒状的碳纤维筋外表面，而后送入成型模具塑形；塑形完成后，配合设备牵引力将纤维束或丝带在呈棒状的碳纤维复合材料表面进行螺旋缠绕；完成缠绕的碳纤维复合材料表面有一层螺旋肋，开始呈现出碳纤维筋的特征，而后送入固化烘箱进行加热固化；固化完全后的碳纤维筋进行卷绕或分段切割。
进一步的，所述内植光纤的智能碳纤维筋的制作方法还包括以适时变化浸胶槽液面为特征的间歇式拉缠工艺：当智能碳纤维筋生产到指定长度，采用降低浸胶槽液面的方法间断碳纤维的浸胶，待无浸胶段被牵引走行至指定长度后再恢复浸胶槽液面进行下一段筋材的生产。
进一步的，在浸胶槽和成型模具之间设置脱模剂喷涂段，利用外接气泵将喷雾型塑料脱模剂均匀喷涂于匀速走行的碳纤维筋外表面，而后送入成型模具。
进一步的，所述光纤的功能类型包括用于位移、震动、压力、应变、湿度、温度等物理量测量的光纤，光纤端头由未浸胶的筋材段中释出，从而实现与外接跳线的连接和传感信号的输入与输出。
进一步的，所述光纤外表面设置玻璃包层或聚醚醚酮类高分子涂层以保护光纤在生产期间不受外力的破坏，光纤外表面包层或涂层的厚度在100～600μm，承受250～300℃高温。
进一步的，所述成型树脂的配制除环氧树脂和固化剂成分外，还包括稀释剂、填料和脱模剂。
进一步的，所述固化烘箱固化温度在180～250℃，固化停留时间1～3分钟，设置1～3个固化段进行分段固化。
进一步的，所述碳纤维筋表面的螺旋肋选择碳纤维、玻璃纤维或尼龙丝带，以纤维束作为螺旋肋时形成外凸的螺旋肋；以尼龙丝带进行螺旋缠绕时，在碳纤维筋固化完成后将尼龙丝带去除形成内凹的螺旋肋。
本发明选取光纤作为传感材料，避免了其他类型传感器对生产工艺和应用环境的苛刻要求，采用间歇式拉缠工艺，使光纤在碳纤维筋生产过程中一次植入、经拉挤缠绕和固化过程一体成型。此外，光纤预植入方式制备的智能碳纤维筋可以确保光纤与碳纤维筋紧密粘接、同步受力，增强传感效果可靠性的同时还可以保护光纤免受环境因素的破坏。
附图说明
图1是智能碳纤维筋的示意图；
图2是智能碳纤维筋的径向剖面示意图；
附图标记说明：
1-碳纤维筋主体，2-光纤，3-螺旋肋。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明提供的一种内植光纤的智能碳纤维筋及其制作方法进行详细描述。以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
实施例1
如图1和2所示，一种智能碳纤维筋的主要构成包括碳纤维筋主体1和预植入碳纤维主体的光纤2。智能碳纤维筋1内部植入光纤2作为传感材料。光纤2表面有高分子涂层以保护光纤2在生产期间不受外力的破坏。碳纤维筋1在外形上根据应用需求以纤维束或尼龙丝带在外层螺旋缠绕形成外凸或内凹的螺旋肋3。碳纤维筋1端头备有预留光纤段2以实现信号的输入与输出。
制备智能碳纤维筋时，以碳纤维为增强体、环氧树脂为基体、光纤为传感元件、其他助剂与填料经拉挤缠绕一体成型得到。
采用拉挤缠绕成型设备进行碳纤维筋的生产，设备的牵引速率为0.2m/min。成型过程中，将环氧树脂、固化剂、填料按照100:105:3的配比配制成成型树脂并置入浸胶槽。利用设备的牵引力将碳纤维束170束、光纤2束按照图2所示空间排布同步浸入浸胶槽，充分浸润成型树脂后在成型模前集束并在外表面均匀喷涂喷雾型塑料脱模剂。完成脱模剂喷涂后，复合材料整体进入直径为12mm成型模具塑形。塑形后的碳纤维复合材料呈棒状，此时配合设备牵引力将1mm宽的尼龙丝带在呈棒状的碳纤维复合材料表面按照10mm的螺距进行螺旋缠绕，完成缠绕的碳纤维复合材料表面形成螺旋肋3，具备了碳纤维筋的特征。此时，为保证光纤2与外部解调设备的连接，可提前将光纤2的端头由碳纤维筋主体1中释出并标记。而后将碳纤维筋送入固化烘箱进行加热固化，固化烘箱三段固化温度180℃-200℃-210℃。固化完全后的碳纤维筋可按照应用要求进行卷绕或分段切割。
上面结合实施例对本发明的实例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出的各种变化，也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种内植光纤的智能碳纤维筋，其特征在于，包括：碳纤维筋主体和预植入碳纤维主体的光纤；所述智能碳纤维筋内部植入光纤作为传感材料；光纤表面设置有保护涂层以保护光纤在生产期间不受外力的破坏；碳纤维筋在外形以肋材在外层螺旋缠绕形成外凸或内凹的螺旋肋；碳纤维筋端头备有预留光纤段以实现信号的输入与输出。
2.根据权利要求1所述的内植光纤的智能碳纤维筋，其特征在于，所述保护涂层为玻璃包层或聚醚醚酮类高分子涂层，厚度范围为100～600μm，承受250～300℃高温。
3.根据权利要求1所述的内植光纤的智能碳纤维筋，其特征在于，所述光纤的功能类型包括用于位移、震动、压力、应变、湿度或温度物理量测量的光纤，光纤端头由未浸胶的筋材段中释出，从而实现与外接跳线的连接和传感信号的输入与输出。
4.根据权利要求1所述的内植光纤的智能碳纤维筋，其特征在于，所述智能碳纤维筋的直径在8～20mm，螺旋肋的肋间距在5～15mm。
5.一种内植光纤的智能碳纤维筋的制作方法，其特征在于，以碳纤维为增强体、环氧树脂为基体、光纤为传感元件、其它助剂与填料按照一定配比经拉挤缠绕一体成型得到，其中：采用拉挤缠绕成型设备进行碳纤维筋的生产；成型过程中，将环氧树脂、固化剂及其他助剂配制成成型树脂并置入浸胶槽，两台液压机交替以0.1～0.5m/min的牵引速率将碳纤维束、光纤按照一定空间排布同步牵引浸入浸胶槽，其中光纤位于空间排布的中心或其他指定位置，两者同步浸润树脂后在成型模前集束呈棒状；此时，利用外接气泵将喷雾型塑料脱模剂均匀喷涂于匀速走行的呈棒状的碳纤维筋外表面，而后送入成型模具塑形；塑形完成后，配合设备牵引力将纤维束或丝带在呈棒状的碳纤维复合材料表面进行螺旋缠绕；完成缠绕的碳纤维复合材料表面有一层螺旋肋，开始呈现出碳纤维筋的特征，而后送入固化烘箱进行加热固化；固化完全后的碳纤维筋进行卷绕或分段切割。
6.根据权利要求5所述的内植光纤的智能碳纤维筋的制作方法，其特征在于，所述内植光纤的智能碳纤维筋的制作方法还包括以适时变化浸胶槽液面为特征的间歇式拉缠工艺：当智能碳纤维筋生产到指定长度，采用降低浸胶槽液面的方法间断碳纤维的浸胶，待无浸胶段被牵引走行至指定长度后再恢复浸胶槽液面进行下一段筋材的生产。
7.根据权利要求5所述的内植光纤的智能碳纤维筋的制作方法，其特征在于，在浸胶槽和成型模具之间设置脱模剂喷涂段，利用外接气泵将喷雾型塑料脱模剂均匀喷涂于匀速走行的碳纤维筋外表面，而后送入成型模具。
8.根据权利要求5所述的内植光纤的智能碳纤维筋的制作方法，其特征在于，所述光纤的功能类型包括用于位移、震动、压力、应变、湿度、温度等物理量测量的光纤，光纤端头由未浸胶的筋材段中释出，从而实现与外接跳线的连接和传感信号的输入与输出。
9.根据权利要求5所述的内植光纤的智能碳纤维筋的制作方法，其特征在于，所述光纤外表面设置玻璃包层或聚醚醚酮类高分子涂层以保护光纤在生产期间不受外力的破坏，光纤外表面包层或涂层的厚度在100～600μm，承受250～300℃高温；所述固化烘箱固化温度在180～250℃，固化停留时间1～3分钟，设置1～3个固化段进行分段固化。
10.根据权利要求5所述的内植光纤的智能碳纤维筋的制作方法，其特征在于，所述碳纤维筋表面的螺旋肋选择碳纤维、玻璃纤维或尼龙丝带，以纤维束作为螺旋肋时形成外凸的螺旋肋；以尼龙丝带进行螺旋缠绕时，在碳纤维筋固化完成后将尼龙丝带去除形成内凹的螺旋肋。
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