[发明专利]基于1‑3型水泥基压电复合材料的剪应力传感器及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于水泥基压电复合材料技术领域，尤其涉及一种基于1-3型水泥基压电复合材料的剪应力传感器及制备方法。

背景技术

水泥基压电复合材料是近几年发展起来的一种新型功能材料，具有压电性能好、机电耦合性能突出、与混凝土材料力学、声学性能匹配性好等特点，在土木工程结构的健康监测中具有潜在的应用前景。

目前研制的水泥基压电复合材料传感器克服了传统传感器与混凝土结构不相容的问题，灵敏度高且耐久性好，可用于混凝土结构内部应力应变等情况的监测。但目前尚无直接测量混凝土结构内部剪应力(即剪切波)的有效手段。混凝土材料的抗剪强度低，在受力状态下易发生剪切破坏，且混凝土的剪切破坏是一个典型的脆性破坏。所以，工作状态下混凝土结构内部剪应力的测量对混凝土结构来说至关重要。开发能直接嵌入混凝土内部、直接用于混凝土内部剪应力测量的传感器，特别是在地震、爆炸和冲击等强动力荷载作用下的动态剪应力的测量具有重要的意义。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种适用于混凝土结构内部剪应力测量的基于1-3型水泥基压电复合材料的剪应力传感器及制备方法。

本发明提供的一种1-3型水泥基压电复合材料元件，包括水泥基压电复合材料主体和电极，所述水泥基压电复合材料主体由压电陶瓷柱构成的压电陶瓷柱阵列和充填于压电陶瓷柱间的水泥基材构成；所述压电陶瓷柱阵列是通过对极化后的压电陶瓷块切割获得，切割方向与压电陶瓷块的极化方向垂直。

进一步的，所述水泥基压电复合材料主体中，压电陶瓷柱所占体积比为20％～80％。

作为优选，所述水泥基材由粉煤灰、水泥和水混合得到，其中，粉煤灰和水泥的质量比为(0.05～0.5)：1，水灰比为(0.2～0.7)：1。

本发明提供的一种基于1-3型水泥基压电复合材料的剪应力传感器，包括上述1-3型水泥基压电复合材料元件，以及1-3型水泥基压电复合材料元件外依次包覆的封装层、屏蔽层；所述1-3型水泥基压电复合材料元件的正极和负极均通过导线引出至屏蔽层外与屏蔽线相连，所述屏蔽线还连接屏蔽层。

作为优选，所述封装层的配方包括环氧树脂、粉煤灰、水泥、固化剂和水，其中，环氧树脂、粉煤灰和水泥为主要封装材料；环氧树脂、粉煤灰和水泥的质量比为(0.5～1)：(0.05～0.5)：1；环氧树脂和固化剂的质量比为(1～4)：1；水和主要封装材料的质量比为(0.2～0.7)：1。

作为优选，所述屏蔽层的配方包括石墨粉、水泥和水，其中，石墨粉和水泥为主要屏蔽材料，石墨粉和水泥的质量比为(0.05～0.3)：1，水和主要屏蔽材料的质量比为(0.2～0.7)：1。

本发明提供的一种1-3型水泥基压电复合材料元件的制备方法，包括：

(101)去掉极化后的压电陶瓷块的极化电极；

(102)将压电陶瓷块切割成压电陶瓷柱阵列，切割方向与压电陶瓷块的极化方向垂直；

(103)将压电陶瓷柱阵列置入模具，将水泥基材浇注于模具内，并养护，获得坯体；

(104)取出坯体，对坯体进行抛磨，直至坯体样品的上下表面完全露出压电陶瓷柱；

(105)在坯体完全露出压电陶瓷柱的上下表面制作电极。

作为优选，步骤(3)之前还包括对压电陶瓷柱阵列进行超声清洗的步骤。

作为优选，所述将水泥基材浇注于模具内，具体为：

首先，将配制的水泥基材进行搅拌后，放入真空设备中进行抽真空；

接着，采用抽真空振动浇注法进行浇注，即，浇注的同时进行抽真空并振动模具。

本发明提供的一种基于1-3型水泥基压电复合材料的剪应力传感器的制备方法，包括：

(201)将权利要求1～3中任一项所述1-3型水泥基压电复合材料元件的正负极均通过导线引出；

(202)采用封装材料对1-3型水泥基压电复合材料元件进行封装，并固化；

(203)采用屏蔽材料在封装后的1-3型水泥基压电复合材料元件外制备屏蔽层；

(204)将与所述1-3型水泥基压电复合材料元件正负极连接的导线连接屏蔽线，另，屏蔽线还通过另一导线连接屏蔽层。

本发明提供的一种基于1-3型水泥基压电复合材料的剪应力传感器的应用，将剪应力传感器粘贴于混凝土结构表面或置于混凝土结构内部，从而对混凝土结构进行健康监测。

和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：