CN114935349B - 一种碳粉改性多电极cfrp智能传感结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳粉改性多电极CFRP智能传感结构及其制备方法。依据电阻定律，推导CFRP智能传感结构的导电原理与力阻效应；根据复合材料导电机理，以CFRP智能传感结构中环氧树脂相与CFRP增强相的体积比对其灵敏度指标的影响，从而确定两者最优体积比；根据CFRP智能传感结构的静力场和电场相互耦合作用，用理论分析与实验验证的方式研究向CFRP智能传感结构中的环氧树脂项中添加一定体积分数的碳粉以改进其灵敏度指标，从而确定碳粉最优掺量；根据所确定CFRP智能传感结构的最优体积比与最优碳粉掺量等参数，最终确定碳粉改性多电极CFRP智能传感结构的材料构成，通过优化多电极CFRP智能传感结构中环氧树脂积与CFRP增强相的体积，进而有效提高CFRP智能传感结构灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于土木工程结构健康监测领域，尤其涉及一种碳粉改性多电极CFRP智能传感结构及其制备方法。
背景技术
当前，在役土木工程结构中的房屋建筑、道路桥梁、海工码头等大型结构不可避免的会遇到：复杂侵蚀环境、长期循环荷载与瞬时冲击荷载、材料性能退化等问题。这些因素的耦合作用会导致现役结构系统中关键构件失效，进而严重影响整体结构的承载力、稳定性与可靠性，并最终导致工程安全事故。因此，针对现役工程结构建立结构健康监测技术(Structure Health Monitoring,SHM)体系，及时侦测结构损伤并追踪损伤演化发展规律，搜集并分析关键动态指标以评估结构健康安全状态，进而建立科学的养护、加固、维修和全寿命预测分析的方法具有重大工程意义。传统的结构健康监测方法通过埋设传感元件对结构的安全性能进行预警监测，这样会破坏结构或构件材料的完整性，从而大大降低复合材料的力学性能；而无损检测方法操作复杂，工作量偏大，测试周期较长，且难以实现全场域、全时域连续监测。因此，探索并研发集承载特性与传感特性于一体的复合材料及其结构，并用以针对特定结构/构件实现自身高效状态检测、准确损伤识别、及时性能评估且贯穿全寿命服役进程，是现代工程结构中重大需求之一。碳纤维增强复合材料(Carbon FiberReinforced Polymer,CFRP)不仅具有比强度高、耐腐蚀好、耐久性强，还具有较好的自感知、自传感、自监测特性，是实现上述目标的理想材料。
当前研究表明CFRP智能传感结构的传感特性以线性度、重复性和灵敏度等指标评价其传感监测功能。其中，CFRP智能传感结构的灵敏度指标与其电阻变化率参数存在重要相关性，且其在外荷载作用下的电阻值变化主要是由内部随机接触的导电网络改变和碳纤维因泊松效应受力变形导致的电阻率改变这两部分组成。其中，由于导电网络改变而产生电阻变化值的因素要大于因CFRP纤维变形而引起的电阻变化值。因此，若要提高CFRP智能传感结构的灵敏度，则需采取相应措施使其在相同应变水平范围内其电阻变化率尽可能增大，并需保证该值在一定的离散范围内。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本申请提出了一种碳粉改性多电极CFRP智能传感结构及其制备方法，通过优化多电极CFRP智能传感结构中环氧树脂积与CFRP增强相的体积，进而有效提高CFRP智能传感结构灵敏度。
为了实现上述目的本发明所采用的技术方案如下：
一种碳粉改性多电极CFRP智能传感结构，CFRP智能传感结构包括CFRP原丝、环氧树脂、碳粉；所述环氧树脂的体积Vsz占总体积的比值取16％-24％，碳粉的体积Vt占总体积的比值取6-14％；CFRP原丝的体积占总体积的比值取70％。
进一步，所述环氧树脂的体积Vsz占总体积的比值取18％-22％，碳粉的体积Vt占总体积的比值取8-12％；CFRP原丝的体积占总体积的比值取70％。
进一步，所述环氧树脂的体积Vsz占总体积的比值取20％-22％，碳粉的体积Vt占总体积的比值取8-10％；CFRP原丝的体积占总体积的比值取70％。
进一步，所述碳粉满足：拉伸强度≥3500MPa；含碳质量比为95％；细度要求在1.5目；电阻率达到1.5×10-3Ω·cm。
进一步，所述CFRP原丝满足：拉伸强度≥3560MPa；含碳质量比为95.6％；延伸率取1.55％；电阻率取1.49×10-3Ω·cm。
进一步，还包括设置在CFRP智能传感结构两端的电极以及电极保护。
进一步，所述环氧树脂用聚酯或乙烯基脂替换。
一种碳粉改性多电极CFRP智能传感结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，混合：按比例将碳粉掺入环氧树脂中，得到含碳粉的混合环氧树脂；
步骤2，上胶：CFRP原丝上均匀涂抹含碳粉的混合环氧树脂；
步骤3，成型：将上完胶的CFRP原丝叠放在模具中，压制成型后脱模得到CFRP筋；
步骤4，装铜电极：对制备好的CFRP筋两端加工获得整齐的端面，并在两个端面分别制备电极；
步骤5，封装：对安装电极的CFRP筋两端涂抹环氧胶，形成电极保护。
进一步，若步骤2中是将CFRP原丝直接浸润在含碳粉的混合环氧树脂中，静置至原丝之间无气泡冒出；采用辊挤方式对浸润环氧树脂的CFRP原丝进行挤胶，控制环氧树脂的渗透率K在3.5×10-5mm2-6.5×10-5mm2范围内，将CFRP原丝以连续、完整、顺直、叠层的方式自下而上置入模具中，压制成型。
进一步，若步骤2中是将CFRP原丝截取一定长度，将CFRP原丝平行、顺直排列在光滑洁净的玻璃底板上并进行固定，用毛刷沾取含碳粉的混合环氧树脂均匀、平缓地涂刷CFRP原丝并刮除多余环氧胶及残留气泡；将完成刷胶的CFRP原丝束逐一、整齐排列于涂抹好脱模剂的模具中，压制成型。
本发明的有益效果如下：
1、本发明提出的一种碳粉改性多电极CFRP智能传感结构，通过优化多电极CFRP智能传感结构中环氧树脂积与CFRP增强相的体积，进而有效提高CFRP智能传感结构灵敏度。且基于该碳粉改性多电极CFRP智能传感结构，本申请还提出了该碳粉改性多电极CFRP智能传感结构的制备方法，较其它方法，本制备方法成本低、制备简单。
2、本发明针对一种碳粉改性多电极CFRP智能传感结构的优化方法，较其它方法，本方法辅之理论基础进行定性定量分析，可形成一种理论方法。
附图说明
图1为CFRP智能传感结构未加碳粉的等效电路图；
图2为根据环氧树脂基体相与CFRP增强相不同体积比所制备的CFRP筋图；
图3为向CFRP智能传感结构中环氧树脂基体相中掺入碳粉的扫描电镜图；
图4为向CFRP智能传感结构中的环氧树脂基体相中掺入碳粉的导电通路图；
图5为向环氧树脂基体相中掺入不同碳粉掺量所制备的CFRP筋图；
图6为未掺入碳粉/掺入不同碳粉掺量所制备的CFRP智能传感结构图。
图中：
图3：31、CFRP原丝，32、碳粉；
图4：31、CFRP原丝，32、碳粉，41、环氧树脂；
图6：61、导电胶，62、铜电极，63、焊点，64、导线，65、电极保护，66、CFRP智能传感结构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点表述清楚，下述将结合附图及实施例对本发明内容进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的具体实施例中选用单根多电极CFRP智能传感结构66为研究对象，对本发明的技术方案的进一步解释，具体过程如下：
由于CFRP智能传感结构的灵敏度指标与其电阻变化率参数存在重要相关性，因此本发明根据电阻定律推导出CFRP智能传感结构的导电原理，分析环氧树脂基体相41与CFRP增强相31的体积比对其灵敏度指标的影响。再根据复合材料定律推导碳粉掺入量对CFRP智能传感结构灵敏度指标的提升，具体分析分过程如下：
步骤1，依据电阻定律，碳纤维丝的电阻可表示为：
其中，ρf为电阻率；L为碳纤维长度；A为碳纤维截面面积。
对上式(1)进行微分，则有：
上式(2)表明，碳纤维的电阻变化是由几何尺寸与电阻变化率主导的。因此，其电阻率ρf和体积V存在下列关系：
其中，c是碳纤维材料常数。结合上式(2)、式(3)得：
其中，μ为泊松比；ε为应变，则：
上式(5)表明碳纤维的力阻效应之灵敏度K与电阻变化率dR/R、应变ε之间存在函数关系。
步骤2，根据复合材料导电机理，CFRP智能传感结构中导电回路的电阻如图1所示包含碳纤维电阻Rcfrp、碳纤维之间的接触电阻Rjc、未接触的碳纤维但间距dcfrp足够小由遂穿效应引起的遂穿电阻Rsc。根据电阻定律，CFRP智能传感结构的电阻可表示为：
其中，C为传感结构的电导率，根据复合材料理论，则有：
C＝CcfrpVcfrp+CszVsz (7)
其中，Ccfrp、Vcfrp分别为智能传感结构中CFRP增强相的电导率和体积分数；Csz、Vsz分别为智能传感结构中环氧树脂相的电导率和体积分数；且同时有Vcfrp+Vsz＝1。
根据上述理论推导，制备出如图2所示多种体积比(CFRP增强项与环氧树脂项体积之比)的CFRP筋，并将其备成如图6所示多电极CFRP智能传感结构。经过试验测试的结果分析如表4所示，用以确定最优体积比，即CFRP增强相为70％，环氧树脂为30％。
步骤3，根据步骤2中最优体积比参数，在CFRP筋再次制备过程中向环氧树脂中掺入如图3所示的碳粉进行改性，则改性后的CFRP智能传感结构的导电通路如图4所示。同时，根据复合材料理论，做如下假设：
①碳粉颗粒均匀散布于复合材料，且成立方体晶格分布；
②环氧树脂电阻值为定值，且其电阻率远大于碳粉电阻率；
③平行于导电通道上的电流不计；
④传感元件只考虑轴向拉伸变形，横向变形不计。
根据复合材料导电隧道理论，CFRP智能传感结构的电阻为：
其中，Rxl为相邻两颗碳粉导电粒子间电阻；Rt为单个碳粉导电粒子的电阻；N为电流平行方向中某一条导电通道中的粒子数目；n为平行电流方向的导电通道数目。
在恒压下，导电隧道中的电流为：
其中，m、e分别为碳粉电子的质量和电荷；为相邻碳粉粒子间势垒高度；l为环氧树脂绝缘阻隔层厚度；h为普朗克常数；V为外加电压；/>
当电流流通时，两颗相邻碳粉粒子间的电阻为：
其中，A为环氧树脂绝缘阻隔层截面积。
根据前述假设②，可将碳粉电阻Rt≈0，将式(10)带入式(8)可得CFRP智能传感结构与碳粉粒子微观结构的关系，即CFRP智能传感结构的理论电阻值：
当CFRP智能传感结构受到轴向张拉时会产生形变，而此时碳粉导电粒子与智能传感结构基体的拉伸率是不同的，这就导致碳粉导电粒子间的间距会发生改变，由上式(11)可知CFRP智能传感结构的电阻值也会跟着变化。假设碳粉粒子间的间距从d0变动到d时，智能传感结构的电阻值从R0变动到R，此时智能传感结构相对电阻值为：
其中，R0为智能传感结构的初始电阻；d0为碳粉的原始粒子间距。
由于CFRP智能传感结构受到轴向拉力，则碳粉粒子间的间距为：
其中，ε智能传感结构的基体应变；σ为外加拉力；ET为智能传感结构基体的拉伸模量。
根据前述假设①，碳粉粒子的原始间距为：
其中，Dt为碳粉粒子直径；Vt为碳粉掺量体积。
将式(13)、(14)带入式(12)，则可建立CFRP智能传感结构的电阻与外加拉力之间的关系，即：
将上式(15)、(5)合并，则：
从是上式可以看出，当外力σ，智能传感结构基体的拉伸模量ET，碳粉粒子直径Dt，相邻粒子间势垒高度一定时，CFRP筋智能传感结构的灵敏度与碳粉掺量Vt成正相关。
结合式(7)与式(16)，根据复合材料理论可知，改性后传感结构的电导率为：
其中，Ct、Vt分别为智能传感结构中碳粉的电导率和体积分数；且同时有Vcfrp+Vsz+Vt＝1。
基于上述分析，本发明通添加CFRP增强相以及优化对环氧树脂相与CFRP增强相的体积比，以提高CFRP筋智能传感结构的灵敏度；具体采用的技术方案如下：
一种碳粉改性多电极CFRP智能传感结构，主要包括CFRP原丝31、环氧树脂41和碳粉32；其中，环氧树脂41的体积Vsz占总体积的比值可以取16％-24％，碳粉32的体积Vt占总体积的比值可以取6-14％；CFRP原丝31的体积为Vcfrp＝1-Vsz-Vt，占总体积的比值取70％。
在本实施例中，CFRP原丝31、环氧树脂41和碳粉32要求满足如下要求：
表1 CFRP原丝性能参数
表2环氧树脂性能参数
表3碳粉性能参数
为了验证本发明所制备的碳粉改性多电极CFRP智能传感结构的灵敏度，故根据上述CFRP智能传感结构中碳粉、环氧树脂的掺量，针对不同体积比的CFRP筋智能传感元件每组各制备3根(标记为a#、b#、c#)，如图2所示；在上述步骤3中，针对不同碳粉掺量改性CFRP智能传感元件每组亦制备3根(标记为1#、2#、3#)，如图5所示。并将其制备成如图6所示多电极CFRP智能传感结构并进行实验验证，经过试验测试的结果分析如表4、表5所示：
表4 CFRP传感元件中未掺入碳粉前各相不同体积比之灵敏度对比表
表5 CFRP传感元件中掺入碳粉后各相不同体积配比之灵敏度对比表
由上述实验结果与理论推导式(5)、式(16)较为吻合，因为碳粉颗粒增多进而增大了碳纤维相互搭接导通的几率，导致接触电阻Rjc减小；未接触导通的碳纤维间距dcfrp进一步减小，导致隧穿电阻Rsc减小；连续的碳纤维电阻Rcfrp被碳粉划分成子碳纤维Rcfrp,i形成并联，导致单元等效电阻减小，初始电阻R会随着碳粉含量增加而降低，故当改性树脂基碳纤维复合材料的电阻变化率随碳粉掺量的增加而变大。
通过对比表5中的数据可以看出，本申请所设计的CFRP智能传感结构的灵敏度明显更优，尤其是当CFRP增强相为70％，环氧树脂为22％，碳粉体积为8％，此时灵敏度达到了28.80。
基于上述的CFRP智能传感结构的各材料的组分，本申请还提出了一种碳粉改性多电极CFRP智能传感结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，混合：基于上文所设计的CFRP智能传感结构的各材料的组分：环氧树脂41的体积Vsz占总体积的比值取16％-24％，碳粉32的体积Vt占总体积的比值取6-14％；CFRP原丝31的体积占总体积的比值取70％；按上述比例将碳粉掺入环氧树脂中，得到含碳粉的混合环氧树脂；
步骤2，上胶：CFRP原丝31上均匀涂抹含碳粉的混合环氧树脂；
步骤3，成型：将上完胶的CFRP原丝31叠放在模具中，压制成型后脱模得到CFRP筋；
步骤4，装铜电极：按规格需求，将制备好的CFRP筋两端断面切割整齐，用砂纸打磨平整后再用酒精清除断面残屑。用导电胶61将铜电极62黏贴在CFRP筋端部截面，再用焊锡将导线64焊在铜电极上并形成焊点63以制备电极。在端部施加均匀压力后养护24h，待导电胶固化。
步骤5，封装：最后将制作好电极的CFRP筋传感元件两端均匀涂抹环氧胶，待固化完成后形成较好的电极保护65。
上述步骤2中的上胶方式有两种，分别是：
上胶方式1、在本实施例中，步骤2中可以直接将CFRP原丝31浸润在步骤1制得的含碳粉的混合环氧树脂中，静置至原丝之间无气泡冒出；
上胶方式2、在本实施例中，将CFRP原丝31截取一定长度的CFRP原丝，并将其平行排列在光滑洁净的玻璃底板上，并用固定带对CFRP原丝31进行固定，然后在CFRP原丝31两端施加一定的预拉力保证纤维顺直、紧贴玻璃底板上。对玻璃底板上的CFRP原丝31进行第一次刷胶。用毛刷沾取含碳粉的混合环氧树脂均匀、平缓地涂刷玻璃底板上的CFRP原丝，用边缘打磨光滑的玻璃刮片用力朝一个方向刮除多余环氧胶及残留气泡。
针对第一种上胶方式，由于直接将将CFRP原丝31浸润在步骤1制得的含碳粉的混合环氧树脂中，可以采用辊挤方式对浸润环氧树脂的CFRP原丝31进行挤胶，控制环氧树脂的渗透率K在3.5×10-5mm2-6.5×10-5mm2范围内。本方式中提及的辊挤方式是利用两个或多个辊轮对上胶后的CFRP原丝31进行挤压，通过调节辊轮之间的距离可以对环氧树脂的渗透率K进行调节。
在本实施例中，若采用上胶方式1，则步骤3中的成型方式为：将CFRP原丝31以连续、完整、顺直、叠层的方式自下而上置入模具中，并在丝面上放置压顶钢条保证顶面成型；在常温(18℃-35℃)下养护7天后脱模。
在本实施例中，若采用上胶方式2，步骤3中的成型方式为：将完成刷胶的CFRP原丝31束逐一、整齐排列于涂抹好脱模剂的模具中。
在本实施例中，环氧树脂41可以用聚酯、乙烯基脂等多种材料替换。
在本实施例中，实验过程如下所述：
对CFRP筋智能传感元件进行轴向拉伸测试：①研究不同体积比传感元件(未掺入碳粉)的灵敏度参数，进而优选出最佳体积比；②研究不同碳粉掺量的最佳体积比传感元件的灵敏度参数，进而优选出最佳碳粉掺量。
在使用电子万能试验机对传感元件进行轴向拉伸时(为防止加载机夹具与夹持的碳纤维传感元件形成导电回路，影响传感元件电阻测试的准确性，我们采用电工绝缘胶布对夹具进行包裹。)采用位移控制，加载速度为1mm/min。试件的应变由加载机量程50mm的引伸计获取。试验采用4电极法测量试样电阻，通1mA恒定电流，用数字万用表采集电极间的电压信号。开始阶段以6小时为周期定期测试其电阻，待电阻变化幅度减小后，以2小时为周期测试其电阻，直至其电阻相对稳定，记录每根树脂基碳纤维传感元件对应初始电阻值。
表4的实验结果表明，CFRP原丝体积占整个CFRP筋的70％时，CFRP筋传感元件的灵敏度最高，最高值为19.88；表5的实验结果表明，碳粉掺量为8％时，CFRP筋传感元件的灵敏度最高，最高值为28.80，较未掺碳粉最佳体积比传感元件的灵敏度提高50％。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的科研及工程技术人员能够了解本发明的内容并据以实施。本发明的保护范围不限于上述实施例，因此凡依据本发明所揭示的理论、技术及方法所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种碳粉改性多电极CFRP智能传感结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，混合：按照CFRP筋中的碳粉(32)的体积Vt占总体积的比值取10-14％，环氧树脂(41)的体积Vsz占总体积的比值取16％-20％，CFRP原丝(31)的体积占总体积的比值取70％；将碳粉掺入环氧树脂中，得到含碳粉的混合环氧树脂；
步骤2，上胶：CFRP原丝(31)上均匀涂抹含碳粉的混合环氧树脂；步骤2中是将CFRP原丝(31)直接浸润在含碳粉的混合环氧树脂中，静置至原丝之间无气泡冒出；采用辊挤方式对浸润环氧树脂的CFRP原丝(31)进行挤胶，控制环氧树脂的渗透率K在3.5×10-5mm2-6.5×10-5mm2范围内；
步骤3，成型：将上完胶的CFRP原丝(31)以连续、完整、顺直、叠层的方式自下而上置入叠放在模具中，压制成型后脱模得到CFRP筋；
步骤4，装铜电极：对制备好的CFRP筋两端加工获得整齐的端面，并在两个端面分别制备电极；
步骤5，封装：对安装电极的CFRP筋两端涂抹环氧胶，形成电极保护。
2.根据权利要求1所述的一种碳粉改性多电极CFRP智能传感结构的制备方法，其特征在于，若步骤2中是将CFRP原丝(31)截取一定长度，将CFRP原丝(31)平行、顺直排列在光滑洁净的玻璃底板上并进行固定，用毛刷沾取含碳粉的混合环氧树脂均匀、平缓地涂刷CFRP原丝(31)并刮除多余环氧胶及残留气泡；将完成刷胶的CFRP原丝(31)束逐一、整齐排列于涂抹好脱模剂的模具中，压制成型。
3.根据权利要求1所述的一种碳粉改性多电极CFRP智能传感结构的制备方法，其特征在于，所述碳粉(32)满足：拉伸强度≥3500MPa；含碳质量比为95％；细度要求在1.5目；电阻率达到1.5×10-3Ω·cm。
4.根据权利要求1所述的一种碳粉改性多电极CFRP智能传感结构的制备方法，其特征在于，所述CFRP原丝(31)满足：拉伸强度≥3560MPa；含碳质量比为95.6％；延伸率取1.55％；电阻率取1.49×10-3Ω·cm。
5.根据权利要求1所述的一种碳粉改性多电极CFRP智能传感结构的制备方法，其特征在于，所述环氧树脂(41)用聚酯或乙烯基脂替换。
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