一种石墨烯橡胶弹簧及其动态生热实时监测装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种石墨烯橡胶弹簧及其动态生热实时监测装置，属于橡胶技术领域，本发明专利技术所述的含石墨烯的橡胶基体材料极大地提高橡胶的导热性能，明显改善橡胶弹簧在动态载荷下的温升状态。本发明专利技术提出的石墨烯橡胶弹簧及其动态生热实时监测装置及使用方法，是通过在橡胶弹簧的夹层橡胶基体内部植入的光纤光栅传感器，实时在线监测橡胶弹簧在动态使役过程中内部的温度变化。相比目前橡胶结构件的表面温度检测方法，所述的监测橡胶弹簧内部温度状态的装置及方法具有测试精确、可设计性强、实时在线监控的优点。本发明专利技术涉及的包含光纤光栅传感器的石墨烯橡胶弹簧制备方法简单，温度监测方法准确可靠，适用范围广，具有较好的经济效益和社会效益。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯橡胶弹簧及其动态生热实时监测装置
本专利技术属于橡胶
，尤其涉及一种石墨烯橡胶弹簧及其动态生热实时监测装置。
技术介绍
随着交通运输体系的发展，目前已经完全形成空中、地面和地下联合的交通运输体系，在这些交通工具运行过程中，势必会遇到来自路面、轨道或空气气流的冲击或随机载荷的作用，使交通工具的振动加剧。所以，必须对所有的交通工具进行隔振或减振处理，以避免振动和冲击引起乘客不适或对所运输货物造成损坏。目前，按照具体的隔振和减振需求，各式各样的弹性元件已经广泛应用于各种交通工具上，其中橡胶弹簧是利用橡胶的弹性变形实现缓冲与减振的。橡胶弹簧具有诸多优点，它的形状不受限制，在各个方向上的刚度可以根据要求灵活设计，并且由于橡胶模量较小，具有较大的弹性变形，可实现较为理想的非线性特性。另外，由于橡胶内阻往往很高，橡胶弹簧对吸收冲击、减小高频振动和降低噪音均具有良好的效果，并且橡胶弹簧这种结构件安装和拆卸方便，无需润滑，视情维护。但是，不可避免地，橡胶弹簧相比金属弹簧也有缺点，比如耐高低温和耐油性差，老化性能和耐久性不能得到很好的保证。特别地，由于橡胶的高阻尼特点，在承受动态载荷时会将机械能转换为热能耗散，导致橡胶弹簧在使用过程中的温升严重。由于橡胶材料的力学性能对温度的依赖性，这势必会造成橡胶弹簧的实际使用性能和预先设计的性能有较大差别。并且，如果橡胶材料的生热特别严重，会严重影响其使役寿命。石墨烯是一种碳原子以sp2杂化排列的单原子层呈六角环形蜂窝状排布的片状二维晶体，在平面内有无限重复的周期性结构，而垂直于平面的方向只有纳米尺度，理论厚度只有0.335nm，是具有宏观尺度的纳米填料。石墨烯的比表面积可达2630m2.g-1，纵横比大于1000，同时具备超高的导热率(3000～5000W.m-1.K-1)及导电性(200000cm2.V-1.s-1)。这预示着石墨烯对高分子材料在功能化方面具有很大的优势。利用石墨烯优异的物理机械性能可为橡胶基质提供相对较好的导热性能。除了采用提高橡胶基体导热性能的方法来减少橡胶弹簧的温升之外，还需要解决的关键问题是如何实时监测橡胶弹簧在使役过程中的温升，这对橡胶弹簧的设计及寿命评估具有重要意义。目前对橡胶弹簧使役过程中温升监测的方法一般局限于采用红外热像仪进行测量，但是这种方案的最大弊端就是只能监测到橡胶弹簧表面的温度。对于尺寸较大的橡胶弹簧，由于橡胶基体的导热性较差，所以导致结构件内外温度差异很大，仅仅通过测量外部温度很难得知结构件的内部温度，并且这种监测方式是典型的间断式监测，很难做到橡胶弹簧使役过程中的温度实时在线监测。目前，测量橡胶弹簧在动态载荷下的内部温度主要通过在测试部位进行开孔操作，将针状温度传感器伸入到开孔部位进行测量，这种测量方式最大的弊端是需要破坏橡胶弹簧，难以保证结构件的完整性。再者，这种测试方式仅仅适合于橡胶弹簧安装在试验机上测试其温升状况，对结构件在实际使役过程中的生热及温升状态的监测适用性差。因此，有必要研究一种新的石墨烯橡胶弹簧动态生热实时监测装置。
技术实现思路
为了解决上述现有技术存在的问题，本专利技术旨在提供一种石墨烯橡胶弹簧及其动态生热实时监测装置；本专利技术的橡胶弹簧由于石墨烯纳米材料的加入，使橡胶基体的导热性增加，在动态载荷下，有利于加快橡胶弹簧的散热；另外，本专利技术的监测装置可以在不破坏橡胶弹簧整体性的情况下准确测量橡胶弹簧在动态载荷下的温度变化。更重要的是，对于较为复杂的安装工况，本专利技术的监测装置也可以很好地实现橡胶弹簧使役过程中生热状态的全程实时在线监测，而非局限于试验测试。本专利技术的目的之一是提供一种石墨烯橡胶弹簧。本专利技术的目的之二是提供一种石墨烯橡胶弹簧的制备方法。本专利技术的目的之三是提供一种石墨烯橡胶弹簧动态生热实时监测装置。本专利技术的目的之四是提供一种石墨烯橡胶弹簧动态生热实时监测装置的使用方法。本专利技术的目的之五是提供石墨烯橡胶弹簧及其制备方法以及石墨烯橡胶弹簧动态生热实时监测装置及其使用方法的应用。为实现上述专利技术目的，本专利技术公开了下述技术方案：首先，本专利技术公开一种石墨烯橡胶弹簧，所述橡胶弹簧是由石墨烯橡胶基体与环状金属隔板相间排列组成，其特征在于：所述石墨烯橡胶基体内设置有光纤光栅温度传感器。优选的，所述环状金属隔板由不锈钢制成。所述光纤光栅温度传感器由光纤和不锈钢毛细管组成，且光纤上的光栅栅区被封装在不锈钢毛细管内。由于不锈钢的导热系数远大于橡胶的导热系数，为了提高橡胶温度检测精度，要求每个光栅栅区用独立的不锈钢毛细管封装，避免在同一条光纤上的两个或多个相邻的光栅栅区用同一条不锈钢毛细管封装。优选的，需要用树脂对不锈钢毛细管端口进行封口，以避免硫化时石墨烯橡胶基体渗入不锈钢毛细管内。所述光纤包括纤芯、包层、涂覆层和保护套，所述光纤上设置有若干光栅栅区。所述光栅栅区的数量及同一条光纤上的相邻光栅之间的距离依照温升的测试需求进行设置，本专利技术不做限定。优选的，所述光栅栅区的数量为4个，同一条光纤上的相邻两个光栅栅区之间的距离为5-25mm，每个光栅栅区的轴向尺寸为5-7mm。所述光纤光栅温度传感器与光纤引线的一端连接，光纤引线的另一端连接有光纤光栅引线接口，以便于和光纤耦合器及解调仪连接。所述不锈钢毛细管表面镀有铜锌合金层，该合金层在石墨烯橡胶弹簧成型过程中可以提高石墨烯橡胶基体和不锈钢毛细管之间的界面强度，因为在硫化初期，模具中的橡胶呈粘流态，将毛细钢管紧密包裹，并在硫化过程中，橡胶基体与不锈钢毛细管表面的铜镀层形成强化学键，保证两者之间的界面强度。优选的，所述不锈钢毛细管的外径0.6-0.8mm、壁厚0.2-0.25mm，进一步优选为外径0.6mm、壁厚0.2mm。其次，本专利技术公开一种石墨烯橡胶弹簧的制备方法，具体的，所述方法包括如下步骤：(1)石墨烯橡胶基体的制备：将天然橡胶生胶、氧化锌、硬脂酸、炭黑、石墨烯石蜡油和防老剂在20min内依次加到密炼机中，密炼后得到共混物；然后将密炼共混物加到开炼机中，加入促进剂、硫磺进行混炼后即得石墨烯橡胶基体；(2)充模和包覆：将步骤(1)制备好的石墨烯橡胶基体填充到排列且定位了环状金属隔板的模具中，使石墨烯橡胶基体与环状金属隔板相间排列，并将预先制备好的光纤光栅温度传感器置于石墨烯橡胶基体中，使光纤光栅温度传感器被石墨烯橡胶基体完全包覆；(3)硫化成型：将步骤(2)中的含有石墨烯橡胶基体和光纤光栅温度传感器的模具置于硫化机上进行硫化，即得石墨烯橡胶弹簧。步骤(1)中，所述密炼温度为100℃，时间为20min。步骤(1)中，所述混炼的辊温为45℃，时间为20min。步骤(1)中，所述防老剂包括：2,2,4-三甲基-1,2-二氢喹啉聚合物(防老剂RD)和N-(1,3-二甲基)丁基-N'-苯基对苯二胺(防老剂DMPPD)。步骤(1)中，所述天然橡胶生胶、氧化锌、硬脂酸、炭黑、石墨烯石蜡油、防老剂、促进剂、硫磺的添加比例为(重量份)100:(4-6):1:(10-40):(0-5):1.5:(1.5-3):1.5。步骤(1)中，所述促进剂包括促进剂TMTD、促进剂DM，其中，促进剂TMTD的添加比例为1.5-2重量份，促进剂DM的添加比例为0-1.0重量份。步骤(3)中，所述硫化的温度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯橡胶弹簧，其特征在于：所述橡胶弹簧由石墨烯橡胶基体与环状金属隔板相间排列组成，所述石墨烯橡胶基体内设置有光纤光栅温度传感器；所述光纤光栅温度传感器由光纤和不锈钢毛细管组成，且光纤上的光栅栅区被封装在不锈钢毛细管内；所述光纤包括纤芯、包层、涂覆层和保护套，所述光纤上设置有若干光栅栅区；所述光纤光栅温度传感器与光纤引线的一端连接，光纤引线的另一端连接有光纤光栅引线接口。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯橡胶弹簧，其特征在于：所述橡胶弹簧由石墨烯橡胶基体与环状金属隔板相间排列组成，所述石墨烯橡胶基体内设置有光纤光栅温度传感器；所述光纤光栅温度传感器由光纤和不锈钢毛细管组成，且光纤上的光栅栅区被封装在不锈钢毛细管内；所述光纤包括纤芯、包层、涂覆层和保护套，所述光纤上设置有若干光栅栅区；所述光纤光栅温度传感器与光纤引线的一端连接，光纤引线的另一端连接有光纤光栅引线接口。2.如权利要求1所述的石墨烯橡胶弹簧，其特征在于：需要用树脂对不锈钢毛细管端口进行封口；优选的，所述环状金属隔板由不锈钢制成。3.如权利要求1或2所述的石墨烯橡胶弹簧，其特征在于：所述的每个光栅栅区用独立的不锈钢毛细管封装，同一条光纤上相邻两个光栅栅区之间的距离为5-25mm，每个光栅栅区的轴向尺寸为5-7mm。4.如权利要求3所述的石墨烯橡胶弹簧，其特征在于：所述不锈钢毛细管表面镀有铜锌合金层；优选的，所述不锈钢毛细管的外径0.6-0.8mm、壁厚0.2-0.25mm，进一步优选为外径0.6mm、壁厚0.2mm。5.如权利要求1-4任一项所述的石墨烯橡胶弹簧的制备方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：(1)石墨烯橡胶基体的制备：将天然橡胶生胶、氧化锌、硬脂酸、炭黑、石墨烯石蜡油和防老剂在20min内依次加到密炼机中，密炼后得到共混物；然后将密炼共混物加到开炼机中，加入促进剂、硫磺进行混炼后即得石墨烯橡胶基体；(2)充模和包覆：将步骤(1)制备好的石墨烯橡胶基体填充到排列且定位了环状金属隔板的模具中，使石墨烯橡胶基体与环状金属隔板相间排列，并将预先制备好的光纤光栅温度传感器置于石墨烯橡胶基体中，使光纤光栅温度传感器被石墨烯橡胶基体完全包覆；(3)硫化成型：将步骤(2)中的含有石墨烯橡胶基体和光纤光栅温度传感器的模具置于硫化机上进行硫化，即得石墨烯橡胶弹簧。6.如权利要求5所述的石墨烯橡胶弹簧的制备方法，其特征在于：所述天然橡胶生胶、氧化锌、硬脂酸、炭黑、石墨烯石蜡油、防老剂、促进剂、硫磺的添加比例为(重量份)100:(4-6):1:(10-40):(0-5):1.5:(1.5-3):1.5；优选的，所述防老剂包括：2,2,4-三甲基-1,2-二氢喹啉聚合物(防老剂RD)和N-(1,3-二甲基)丁基-N'-苯基...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖亮庆，贾玉玺，智杰颖，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37