[发明专利]一种碳粉改性多电极CFRP智能传感结构及其制备方法

说明书

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。

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V_sz占总体积的比值取16％-24％，碳粉的体积V_t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V_sz占总体积的比值取18％-22％，碳粉的体积V_t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V_sz占总体积的比值取20％-22％，碳粉的体积V_t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％。