碳纤维/硅橡胶复合材料的拉敏特性及应用研究

摘要

硅橡胶导电复合材料作为一种新的传感材料，将其应用于交通领域，监测并判断道路、桥梁内部的微小形变，避免先破坏后保养，可大大节约养护成本。本文以碳纤维/硅橡胶复合材料为研究对象，试验结合理论对其电学性能、力学性能及拉敏特性等进行分析，并对其在监测混凝土结构变形中的应用进行研究，为开发新的传感材料提供试验基础与理论支持。
　　以短碳纤维为导电填料，双组份室温硫化液体硅橡胶为基体，采用溶剂稀释辅以超声分散的制备工艺，试验证明纤维经表面预处理过程后可获得分散均匀、表面光滑平整的硅橡胶复合材料。
　　通过对电学、力学及拉敏特性的分析表明：常温下，复合材料存在显著的渗流导电现象，渗流阈值仅为0.8vol％，外加电压低于10V时，复合材料的伏安曲线呈良好的线性，服从欧姆定律；另外，随着温度的提高，复合材料的电导率先是下降比较平缓，后急剧下降，临界温度附近电导率下降幅度可达3~5个数量级。碳纤维的掺入改善导电性能的同时，还提高了复合材料的力学性能。掺量为1.26vol%时，弹性模量也只有3.3MPa，较低的弹性模量保证了复合材料显著的拉敏特性。渗流阈值附近，复合材料表现出最好的拉敏特性，应变灵敏系数高达25.88，随着拉伸循环次数的提高，拉敏特性比较稳定。
　　通过对复合材料导电性能和拉敏性能理论分析表明：渗流阈值附近，复合材料电导率服从σ=5.6×104(1.008Φ-0.008)2.2136的规律，为建立拉敏模型提供理论依据，拉伸状态下，渗流阈值的改变是其产生拉敏特性的原因；而结合导电机理和试验得到在小变形范围内，复合材料电导率服从 lg(σ/σ0)=Aε的规律，是一种合格的拉敏材料。
　　最后通过复合材料在混凝土中的应用研究表明：混凝土在单轴压缩和三点弯曲时，复合材料的电阻-应变变化和混凝土自身应力-应变关系几乎是同步的，本文利用回归法建立经验公式描述了两者的关系，从而预测混凝土结构的变形和内部损伤程度。试验证明，碳纤维/硅橡胶复合材料可以作为一种优良的混凝土变形监测的传感器材料应用于道路、桥梁等交通领域。

目录

碳纤维/硅橡胶复合材料的拉敏特性及应用研究

STUDIES ON THE PULLING SENSIBILITY AND

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 硅橡胶复合材料的研究现状

1.3 存在的主要问题

1.4 主要研究内容

第2章 碳纤维/硅橡胶复合材料制备及性能测试方法

2.1 原材料

2.2 试验设备及测量仪器

2.3 碳纤维/硅橡胶复合材料的制备流程

2.4 性能测试方法

第3章 碳纤维/硅橡胶复合材料的拉敏特性研究

3.1 碳纤维/硅橡胶复合材料的电学性能研究

3.2 碳纤维/硅橡胶复合材料的力学性能研究

3.3 碳纤维/硅橡胶复合材料的拉敏特性研究

3.4 本章小结

第4章 碳纤维/硅橡胶复合材料拉敏特性机理研究

4.1 拉敏特性机理分析

4.2 拉敏模型的建立

4.3 本章小结

第5章 碳纤维/硅橡胶复合材料的应用研究

5.1 碳纤维/硅橡胶复合材料监测混凝土压缩变形研究

5.2 碳纤维/硅橡胶复合材料监测混凝土弯曲变形研究

5.3 本章小结

结 论

参考文献

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致 谢