CN103308222A - 一种碳纳米管水泥基复合材料传感器 - Google Patents

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李云峰
徐丽
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一种碳纳米管水泥基复合材料传感器。将碳纳米管在分散剂中分散形成混合溶液，加入水泥中成型碳纳米管水泥基复合材料传感器基体，在基体内放置四片导电性能良好的细密的金属网片。金属网片的顶部提前焊接导电金属电极和接线柱。该碳纳米管水泥基复合材料传感器在水泥混凝土标准养护室养护，至规定龄期。碳纳米管水泥基复合材料制作的传感器，将传感器嵌入工程结构需要监测的重要节点与部位，可方便测定监测位置应力变化情况，进行工程结构健康监测。传感器与混凝土环境介质良好匹配，减少测量误差。

Description

一种碳纳米管水泥基复合材料传感器
技术领域
本发明涉及一种工程结构监测用传感器。
背景技术
对重大工程结构进行实时健康监测、及时识别结构的累积损伤并评估其使用性能和寿命，对可能出现的灾害提前预警，建立相应的安全预警机制，不仅对于提高结构的安全性和可靠性具有重大的科学意义，而且可以降低结构的运行和维护费用，具有可观的经济效益，已经成为未来工程的必然要求，也是21世纪人类亟待解决的重要课题。工程结构的实时健康监测***中，传感器子***作为健康监测***最前端和最基本的子***，由多个各类传感器及传感网络组成。传感器可以用来感知结构的荷载和响应信息，并以电、光、声等物理量形式输出。目前发展起来的感知材料与传感元件主要有光导纤维、电阻应变丝、疲劳寿命丝、压电材料、碳纤维、半导体材料和形状记忆合金等。用这些感知材料和传感元件可以制作大规模表面附着式或埋入式传感分布阵列，从而使结构的重要构件或整体具有感知特性，以实现结构实时监测与安全预警的功能。这些传感器在混凝土工程结构健康监测中应用也存在一些弊端和问题。如光纤传感器的需要大量的辅助设备，布控困难，成本昂贵；压电材料(如压电陶瓷等)在应用中多用于简单构件，而且与混凝土材料在材质上不匹配，而且缺少工程检验；形状记忆合金要么较昂贵，要么性能不稳定，而且在非弹性阶段，电阻与应变的关系呈非线性，给信号分析带来困难等。为了减少测量误差，保证传感器与环境介质的匹配是非常重要的。在大型混凝土工程结构的实时健康监测中，需要利用与水泥混凝土介质匹配的新敏感材料开发研制新型传感器，达到传感器与环境介质完全匹配的良好效果。
碳纳米管作为拥有超高长径比的终极纤维材料，不仅具有优异的力学性能，而且化学稳定性和热稳定性优良，具有良好的电性能及微波吸收等特性，使其成为各种基体材料理想的增强体，并能赋予相应复合材料许多新的功能性能。碳纳米管充当水泥材料的增强体，可使碳纳米管水泥基复合材料具有较好电阻性能及压敏效应，掺量为0.5％的碳纳米管就可以使得相应的水泥基材料电阻率降低至几百欧姆。碳纳米管水泥基复合材料的压阻特性研究结果显示该复合材料电阻随压应力改变而变化，稳定可靠，可作为传感器应用于土木工程结构。因此新型碳纳米管水泥基复合材料传感器技术的研究与工程应用将具有极其重要的理论意义和实用价值。
发明内容
本发明利用碳纳米管水泥基复合材料制作传感器，用于工程结构的实时健康监测，保证传感器与混凝土环境介质的匹配，减少测量误差，技术方案如下：
1、碳纳米管在分散剂中分散形成混合溶液，加入水泥中进行搅拌均匀，传感器基体成型。基体尺寸可根据实际需要分别成型不同的规格。
2、传感器基体内布置固定规格的四片导电性能良好的细密的金属网片。
3、在传感器基体内***四个导电金属电极，每个电极都与一片导电金属网片可靠连接(可以焊接)。
4、四个电极上部均连接导电金属接线柱，接线柱伸出传感器基体，可以外接导线。
5、外部两端两个接线柱连接输入端导线，中间内部两个接线柱连接输出端导线。
6、传感器基体按照水泥试验标准养护方法进行养护，达到规定的龄期。
本发明内容产生以下有益效果：
(1)碳纳米管水泥基复合材料制作的传感器，将传感器嵌入工程结构需要监测的重要节点与部位，可方便测定监测位置应力变化情况，进行工程结构健康监测；
(2)传感器与混凝土环境介质良好匹配，减少测量误差；
(3)传感器制作简单，投资较少；
(4)传感器外接导线方便，输入端与输出端利用接线柱连接导线，使用简便。
附图说明
图1为碳纳米管水泥基复合材料传感器结构示意图；
图2为碳纳米管水泥基复合材料传感器截面示意图。
图中：
1——碳纳米管水泥基复合材料基体；2——碳纳米管水泥基复合材料基体内金属网片；3——传感器电极；4——传感器导线接线柱(输入端)；5——传感器导线接线柱(输出端)。
具体实施方式
参照附图，对本发明的实施例详细描述。
首先，将碳纳米管在分散剂中分散形成混合溶液，加入水泥中进行搅拌(碳纳米管掺量为水泥重量的1％)，成型碳纳米管水泥基复合材料传感器基体1，碳纳米管水泥基复合材料传感器基体尺寸规格可设为30mm×30mm×120mm。然后，在基体内***尺寸30mm×30mm的四片导电性能良好的细密的金属网片2，网片间隔30mm。金属网片的顶部提前焊接导电金属电极3和接线柱4(输入端)、接线柱5(输出端)。该碳纳米管水泥基复合材料传感器在水泥混凝土标准养护室养护，至规定龄期(28天)，传感器制作完成。

Claims (1)

1.一种碳纳米管水泥基复合材料传感器，包括碳纳米管水泥基复合材料传感器基体、导电性能良好的细密的金属网片、导电金属电极和接线柱，其特征是：传感器基体材料为碳纳米管水泥基复合材料，基体内放置四片导电性能良好的细密的金属网片，金属网片的顶部为导电金属电极和接线柱。
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