CN112408313B - 一种基于功能化微纳米纤维微纳结构化排布的智能垫片制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于功能化微纳米纤维微纳结构化排布的智能垫片制造方法，将微纳米尺度的纤维置于基体溶液中，使纤维均匀分散，得到含有功能化微纳米纤维的前驱体溶液；将前驱体溶液置于垫片模具中；使模具中溶液自然流平；利用信号发生器及结构叉指电极对模具中溶液施加结构化交流电场，使溶液中纤维在电场力的作用下定向/定域排布；在溶液未固化之前，在模具的两端引入导线；将容器中溶液固化成型，将排列好的纤维及导线全部固定在垫片内部；对固化后的材料进行脱模，得到智能垫片；将智能垫片应用于螺栓连接中，当螺栓预紧状态发生变化时，智能垫片的输出电信号发生改变，从而推断出螺栓预紧力的变化。本发明具有制备工艺简单、高效率、监测准确等优点。
Description
技术领域
本发明涉及微纳制造技术领域，特别涉及一种基于功能化微纳米纤维微纳结构化排布的智能垫片制造方法。
背景技术
近年来大型土木工程项目越来越多,超高层建筑、大型跨海桥梁、新型大跨度体育场馆、展览会馆,海洋平台等结构中广泛应用了钢结构。螺栓连接是钢结构连接形式中使用频率最高的形式,同时面临着各种极端环境的影响,一旦使用的时间达到一定程度,很容易发生螺栓松动、螺栓开裂等情况。如果关键部位的螺栓松动没能及时发现,进行维护和更新,轻则导致部分结构的失效,重则导致灾难性后果。所以对钢结构关键节点的螺栓进行实时监测是非常必要的措施,它能够有效的避免结构的破坏,以及不必要的经济损失和灾害危险。对重大的工程结构进行实时的健康监测成为越来越热门的研究项目，通过对工程结构的健康状况进行监测能及时有效的发现工程结构的故障，并且进行有针对的维护，延长工程结构的使用寿命，将利效益最大化。随着健康监测技术应用到螺栓监测中来，对螺栓的监测方法可以分成主动监测和被动监测两种，被动监测主要捕捉结构发生损伤时产生的声信号，或者利用环境因素激励下结构损伤导致的监测信号的变化来进行监测。这种方法由于激励来源未知，所以使用受到限制，而主动监测方法采用自主发射激励的方式，应用范围更加广泛。
发明内容
为了克服现有监测技术的缺点，本发明提供了一种基于功能化微纳米纤维微纳结构化排布的智能垫片制造方法，可以用于实时判断螺栓预紧状态的变化，利用电信号主动监测结构损伤，具有制备工艺简单、高效率、监测准确等优点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于功能化微纳米纤维微纳结构化排布的智能垫片制造方法，包括以下步骤；
(1)将微纳米尺度的纤维置于基体溶液中，利用磁力搅拌及超声波振荡,使纤维均匀分散，得到含有功能化微纳米纤维的前驱体溶液；
(2)将前驱体溶液置于垫片模具中；
(3)使模具中溶液自然流平；
(4)利用信号发生器及结构叉指电极对模具中溶液施加结构化交流电场，使溶液中纤维在电场力的作用下定向/定域排布；
(5)在溶液未固化之前，在模具的两端引入导线；
(6)将容器中溶液固化成型，将排列好的纤维及导线全部固定在垫片内部；
(7)对固化后的材料进行脱模，得到含有整齐排列纤维的智能垫片；
(8)将智能垫片应用于螺栓连接中，当螺栓预紧状态发生变化时，智能垫片的输出电信号发生改变，从而推断出螺栓预紧力的变化。
所述步骤(1)中的纤维直径为100nm—10μm的碳纳米管、碳纤维、碳化硅纤维、金属纤维等添加炭黑、石墨、金属粉或金属化合物等导电介质制得的高导电纤维。
所述步骤(1)中的基体溶液为可光固化的树脂类材料或可热固化的有机聚合物材料。
所述步骤(1)中的超声波振荡频率为20KHz-40KHz。
所述步骤(1)中的基体溶液粘度为1.5×10-3Pa·s-3×101Pa·s。
所述步骤(3)中的流平方式为自然流平。
所述步骤(4)中的结构化电场由叉指型电极提供，叉指电极叉指宽度为1μm-1mm，叉指之间间距为1μm-1mm。
所述步骤(4)中的结构化交流电场电压为10V-100V，频率为100Hz-10MHz。
所述步骤(4)中的定向/定域排布方式为直线型阵列化排布。
所述步骤(6)中的固化成型方式为紫外光固化、蓝光固化或热固化，其中光固化的光强为50mW/cm2-200mW/cm2,固化时间为1min-3min，热固化过程中选用的温度为55℃-65℃，固化时间为10min-30min。
所述步骤(8)中的电信号变化为智能垫片的电容及电阻的改变，采用阻抗分析仪测得。
本发明的有益效果：
(1)、本发明提出了一种全新的制作智能垫片的方式，相比于传统机械垫片，该智能垫片采用了纤维基复合材料，具有高强轻质等优点，使垫片物理性能得到大幅提升，具有推广和应用价值。
(2)、本发明从实现功能化微纳米纤维的定向操控入手，设计和制备出了含有整齐纤维阵列的智能垫片，提升了垫片的强度等性能。并且可以通过改变纤维的类型及浓度，从而改变纤维的排布状态，制备出不同类型的智能垫片。如选用不同浓度的碳化硅纤维，当浓度较高时，碳化硅纤维紧密排布，当浓度较低时，碳化硅纤维稀疏排布。
(3)、本发明可以通过主动监测的方式，对智能垫片的输出电信号进行分析，从而推断出螺栓的预紧状态，可以实现真正意义上的实时监测与响应。
附图说明
图1是本发明所述实现功能化微纳米纤维的定向排布的原理图。
图2是本发明所述实现含有微纳米纤维的智能垫片的结构场制造方法。
图3是本发明所述实现基体溶液固化之后制得的智能垫片。
图4为垫片与螺栓连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例：如图1-图4所示：
(1)将直径为3μm的碳化硅纤维1置于PDMS溶液中，磁力搅拌五分钟，再超声振荡15分钟，使纤维均匀分散，得到均匀分布有碳化硅纤维的PDMS溶液。
(2)将基体溶液倒入模具2内，使其自然流平。
(3)将叉指指宽40μm，指距40μm的结构化叉指电极3施于基体溶液。对溶液中纤维1进行操控，纤维1在电场力的作用下会在叉指线的中间沿电场线的方向排布。其中，结构化电场两端电压为10V，频率为1MHz。
(4)在溶液未固化之前，在模具的两端引入导线4。
(5)采用热固化方式使基体溶液进行固化，从而使排列好的纤维及导线全部固定在垫片内部。
(6)对固化后的材料进行脱模，得到含有整齐排列纤维的智能垫片5。
(7)将智能垫片5应用于螺栓连接中，利用阻抗分析仪监测垫片的输出电信号。当螺栓预紧状态发生变化时，智能垫片的输出电信号发生改变，从而推断出螺栓预紧力的变化。以垫片输出的电阻信号为例，当螺栓处于正常预紧状态时，输出的电阻信号为定值。当螺栓开始松动时，垫片受到的压力减弱，垫片中纤维的排列间距随着压力的减弱而减小，由于纤维为高导电性纤维，间距的减小会导致垫片导电性能的提升，从而引起垫片输出的电阻信号的减弱，由此可以推断出螺栓预紧状态的变化。(如图4所示)
该方法通过利用结构化电场，对均匀分散在可固化树脂基溶液中的微纳米纤维进行定向操控和排布。利用光/热固化技术使含有排列整齐的微纳米纤维的基体溶液进行固化，固化后的树脂基复合材料具有可循环利用、环境友好、高强度、低密度等特点,在作为智能垫片方面有着优良的应用前景。作为智能垫片使用时，当螺栓连接界面发生松动时，垫片受到的挤压力会发生改变，导致垫片中纤维排列的相对位置及排列状态发生变化。由于纤维具有优良的导电性，当排列发生变化时，会引起智能垫片导电性能的改变。通过对垫片的输出电信号进行分析，可以确定螺栓的预紧状态。本发明适用于各种螺栓连接界面情况，并且具有制备工艺简单、可定域调节纤维排列、高效率、成型快速等优点，为制造基于材料和功能一体化的智能垫片提供了一种新的办法。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的实例而已，并不用于限制本发明。
对于本发明而言，可选用的结构电极不仅限于诉述的叉指电极。尽管参照前述实例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于功能化微纳米纤维微纳结构化排布的智能垫片制造方法，其特征在于，包括以下步骤；
(1)将微纳米尺度的纤维置于基体溶液中，利用磁力搅拌及超声波振荡使纤维均匀分散，得到含有功能化微纳米纤维的前驱体溶液；
(2)将前驱体溶液置于垫片模具中；
(3)使模具中溶液自然流平；
(4)利用信号发生器及结构叉指电极对模具中溶液施加结构化交流电场，使溶液中纤维在电场力的作用下定向/定域排布；
(5)在溶液未固化之前，在模具的两端引入导线；
(6)将容器中溶液固化成型，将排列好的纤维及导线全部固定在垫片内部；
(7)对固化后的材料进行脱模，得到含有整齐排列纤维的智能垫片；
(8)将智能垫片应用于螺栓连接中，当螺栓预紧状态发生变化时，智能垫片的输出电信号发生改变，从而推断出螺栓预紧力的变化；
所述步骤(4)中的定向/定域排布方式为直线型阵列化排布。
2.根据权利要求1所述的一种基于功能化微纳米纤维微纳结构化排布的智能垫片制造方法，其特征在于，所述步骤(1)中的纤维为直径100nm—10μm的碳纳米管、碳纤维、碳化硅纤维、金属纤维添加炭黑、石墨、金属粉或金属化合物导电介质制得的高导电纤维。
3.根据权利要求1所述的一种基于功能化微纳米纤维微纳结构化排布的智能垫片制造方法，其特征在于，所述步骤(1)中的基体溶液为可光固化的树脂类材料或可热固化的有机聚合物材料。
4.根据权利要求1所述的一种基于功能化微纳米纤维微纳结构化排布的智能垫片制造方法，其特征在于，所述步骤(1)中的基体溶液粘度为1.5×10-3Pa·s—3×101Pa·s，所述步骤(1)中的超声波振荡频率为20KHz-40KHz。
5.根据权利要求1所述的一种基于功能化微纳米纤维微纳结构化排布的智能垫片制造方法，其特征在于，所述步骤(3)中的流平方式为自然流平。
6.根据权利要求1所述的一种基于功能化微纳米纤维微纳结构化排布的智能垫片制造方法，其特征在于，所述步骤(4)中的结构化电场由叉指型电极提供，叉指电极叉指宽度为1μm—1mm，叉指之间间距为1μm—1mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于功能化微纳米纤维微纳结构化排布的智能垫片制造方法，其特征在于，所述步骤(4)中的结构化交流电场电压为10V-100V，频率为100Hz—10MHz。
8.根据权利要求1所述的一种基于功能化微纳米纤维微纳结构化排布的智能垫片制造方法，其特征在于，所述步骤(6)中的固化成型方式为紫外光固化、蓝光固化或热固化，其中光固化的光强为50mW/cm2-200mW/cm2,固化时间为1min-3min，热固化过程中选用的温度为55℃-65℃，固化时间为10min-30min。
9.根据权利要求1所述的一种基于功能化微纳米纤维微纳结构化排布的智能垫片制造方法，其特征在于，所述步骤(8)中的电信号变化为智能垫片的电容及电阻的改变，采用阻抗分析仪测得。
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