压敏碳纤维水泥石性能、传感器制品与结构

摘要

材料各种性能之间的交叉耦合关系使其具有本征智能特性，从而为制作新型传感器件和发展新型智能结构体系提供了途径。碳纤维水泥基材料具有压敏灵敏系数高、耐久性好、造价低、与混凝土相容性好等优点，因此，应用碳纤维水泥基材料有望开发出适合混凝土结构局部监测的嵌入式传感器，发展相应的智能混凝土结构。　　本文围绕碳纤维水泥石压敏传感器制品与自监测混凝土结构两个主题，针对压敏碳纤维水泥石的制作方法、电极设计方法、测试方法和信号采集系统、基本性能优化以及碳纤维水泥石压敏传感器的性能和埋入混凝土结构自监测试验等方面的问题进行了系统的研究，主要研究内容如下： 1.以电阻率平均值和变异系数作为评价压敏碳纤维水泥石均匀性的指标，并结合扫描电镜的微观分析，研究了搅拌工艺、纤维分散方法以及粒子分散方法对碳纤维水泥浆的匀化效果及作用机理。　　2.在电极设计选型分析的基础上提出了网状电极的概念，通过实验确定了网状电极的埋入式设置方式，并综合分析了埋入式网状电极的优点。同时基于埋入式网状电极的两电极和四电极布置形式的比较，提出了压敏碳纤维水泥石电阻的四电极测试方法。　　3.对比了复合碳纤维、石墨、钢纤维以及纳米粒子的水泥石在应力作用下的电阻率变化规律。以掺和料的物理特性和几何形态为基础，结合水泥石的导电机理、水泥基复合材料的渗流和量子隧道导电机理，比较分析了各种掺和料对水泥石压敏效应的强化效果。同时重点讨论了碳纤维掺量和长度对压敏碳纤维水泥石导电性和压敏性的影响，并针对制作碳纤维水泥石压敏传感器对压敏碳纤维水泥石导电性和压敏性两个基本性能的要求，采用碳纤维与碳黑复掺的方法对压敏碳纤维水泥石的导电性和压敏性进行了优化。　　4.讨论了所定型的碳纤维水泥石压敏传感器在一次加载和循环加载下的应力和应变关系、应力和电阻率变化率关系，进而明确了传感器的监测内容。　　5.通过碳纤维水泥石压敏传感器埋入混凝土构件对结构承载力的影响情况分析，考察了传感器的埋入相容性。同时进行了埋有碳纤维水泥石压敏传感器的嵌入式机敏混凝土梁、柱的实时监测实验。并针对因环境温、湿度变化而产生的噪声信号的解耦问题设计了传感器的补偿电路，进而提出了补偿电路在结构中的应用形式。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1课题背景

1.2国内外研究现状及分析

1.2.1混凝土测试技术体系的形成和发展

1.2.2智能材料结构的研究与应用现状

1.2.3机敏混凝土结构的研究与发展

1.2.4碳纤维水泥基材料的研究与发展

1.3本文主要研究内容

第2章压敏碳纤维水泥石的制备方法研究

2.1引言

2.2原材料及试验方法

2.2.1原材料

2.2.2制备方法及测试方法

2.2.3碳纤维的表面处理方法

2.3碳纤维水泥石均匀性的评价方法

2.3.1新拌料浆法

2.3.2电阻测试法

2.3.3微观结构观察法

2.4搅拌工艺对碳纤维水泥石匀化的影响

2.4.1投料顺序的影响

2.4.2搅拌强度的影响

2.4.3搅拌时间的影响

2.5纤维分散对碳纤维水泥石匀化的影响

2.5.1纤维长度的影响

2.5.2纤维分散剂的影响

2.5.3纤维表面状态的影响

2.6粒子分散对碳纤维水泥石匀化的影响

2.6.1粒子分散作用与方法分析

2.6.2减水剂的影响

2.6.3水灰比的影响

2.7压敏碳纤维水泥石的配合比设计

2.7.1 正交设计

2.7.2正交分析

2.8本章小结

第3章压敏碳纤维水泥石测试方法及信号采集系统

3.1引言

3.2原材料与实验方法

3.2.1原材料

3.2.2电极选用原则及设置的选型分析

3.2.3制备及测试方法

3.3电极制作方案比较分析

3.3.1静态时各种电极制作方法的比较

3.3.2加载时各种电极制作方法的比较

3.4网状电极的特性分析

3.4.1网状电极的相容性

3.4.2网状电极与基体的接触状态

3.4.3网状电极的耐久性

3.4.4网状电极的弱极化性

3.5网状电极埋设的优化分析

3.5.1电极的布置方式

3.5.2四电极基本参数的确定

3.6信号采集系统的设计与实现

3.6.1信号采集存在的问题和解决方法

3.6.2信号采集系统的工作原理

3.6.3系统的硬件构架及数据处理程序

3.7本章小结

第4章压敏碳纤维水泥石基本性能的优化设计

4.1引言

4.2原材料与实验方法

4.2.1原材料

4.2.2试件尺寸的定型化

4.2.3制备工艺

4.2.4测试设备、装置及方法

4.2.5碳纤维水泥石的制作

4.2.6石墨与钢纤维水泥石的制作

4.2.7纳米水泥石的制作方法及测试方法

4.3多种掺和料的复合效果比较

4.3.1试验方案

4.3.2试验结果

4.3.3分析与讨论

4.4压敏碳纤维水泥石的导电性和压敏性

4.4.1试验方案

4.4.2试验结果及讨论

4.5压敏碳纤维水泥石导电性和压敏性的优化

4.5.1优化方法分析

4.5.2试验结果及讨论

4.6本章小结

第5章碳纤维水泥石压敏传感器的性能研究

5.1引言

5.2原材料及试验方法

5.2.1原材料

5.2.2实验方法

5.3传感器的本构关系

5.3.1一次加载下的力学本构和力电本构关系

5.3.2重复加载下的力学本构和力电本构关系

5.3.3机理分析

5.4传感器的监测内容

5.4.1应力监测

5.4.2应变监测

5.4.3损伤监测

5.5传感器的性能

5.5.1测定范围

5.5.2灵敏度

5.5.3线性度

5.5.4重复性

5.5.5迟滞性

5.5.6零点输出

5.5.7时间零漂移

5.6传感器的环境特性

5.6.1环境的影响分析

5.6.2湿度的影响

5.6.3温度的影响

5.6.4传感器对环境的要求

5.7本章小结

第6章埋入碳纤维水泥石压敏传感器的混凝土结构自监测实验

6.1引言

6.2原材料及试验方法

6.3传感器埋入混凝土的相容性分析

6.3.1传感器埋入对混凝土立方体试件承载力的影响

6.3.2传感器埋入对混凝土梁承载力的影响

6.4传感器埋入混凝土构件的自监测实验

6.4.1混凝土柱自监测实验

6.4.2混凝土梁自监测实验

6.5传感器补偿电路设计

6.5.1传感器补偿电路原理分析

6.5.2试验结果及分析

6.6本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明及学位论文使用授权书

致谢

个人简历