基于水泥基压电复合材料元件的全应力传感器的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于水泥基压电复合材料元件的全应力传感器的制备方法，包括：第一步，制备d15模式的1‑3型水泥基压电复合材料元件，即d15模式元件；第二步，制备d33模式的1‑3型水泥基压电复合材料元件，即d33模式元件；第三步，利用d15模式元件和d33模式元件制备全应力传感器，主要包括：在水泥基体两两相邻的三个表面的每一面上，均布置一d33模式元件和一d15模式元件；三个d15模式元件的极化方向两两垂直，三个d33模式元件的极化方向也两两垂直。本发明专利技术所制备的全应力传感器灵敏度高、频带响应宽、抗干扰效果好，且与混凝土结构相容性好。将其埋入混凝土结构内部或粘贴于混凝土结构表面，可同时测量混凝土结构的全应力。

【技术实现步骤摘要】
基于水泥基压电复合材料元件的全应力传感器的制备方法
本专利技术属于水泥基压电复合材料
，尤其涉及一种基于水泥基压电复合材料元件的全应力传感器的制备方法。
技术介绍
土木工程领域，混凝土结构是应用最广泛的土木结构。在混凝土结构的整体寿命中，结构的安全稳定是十分重要的一点。因此，近些年来，混凝土结构的健康监测越来越受到重视。目前土木工程领域中所用的传感元件，一般都是在其它领域已使用比较成熟的材料，如光导纤维、压电陶瓷、记忆合金等。这些材料与土木工程领域中最主要的结构材料—混凝土往往存在着非常明显的相容性问题。不能原位、真实的反映混凝土结构的应力应变情况。因此，开发能直接嵌入混凝土内部、直接用于混凝土内部三维应力测量的传感器十分必要。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。基于水泥基压电复合材料制成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。但目前尚无能够直接测量出混凝土结构内部全部应力状态的有效手段，如果能开发出可直接嵌入混凝土内部、直接用于混凝土内部正应力与剪应力同时测量的全应力传感器，对于工作状态下的混凝土内部的应力测量具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于水泥基压电复合材料元件的全应力传感器的制备方法，所制备的全应力传感器适用于混凝土结构内部的全应力测量。本专利技术提供的基于水泥基压电复合材料元件的全应力传感器的制备方法，包括：第一步，制备d15模式的1-3型水泥基压电复合材料元件，具体包括：(101)对压电陶瓷块进行极化；(102)去掉压电陶瓷块的极化电极；(103)利用切割机，将压电陶瓷块切割成若干均匀排列的陶瓷柱，获得压电陶瓷柱阵列，切割方向与极化方向垂直；(104)将压电陶瓷柱阵列连底座置入模具内，将水泥基材浇注于模具中，浇注完成后，放入养护箱养护；(105)养护完成后，取出坯体，切割掉底座，并对坯体进行抛磨；(106)在坯体中垂直于切割方向的两相对表面制作工作电极，即获得陶瓷柱的体积占比为20％～80％的d15模式的1-3型水泥基压电复合材料元件，简记为d15模式元件；第二步，制备d33模式的1-3型水泥基压电复合材料元件，具体包括：(201)对压电陶瓷块进行极化；(202)去掉压电陶瓷块的极化电极；(203)利用切割机，将压电陶瓷块切割成若干均匀排列的陶瓷柱，获得压电陶瓷柱阵列，切割方向与极化方向平行；(204)将压电陶瓷柱阵列连底座置入模具内，将水泥基材浇注于模具中，浇注完成后，放入养护箱养护；(205)养护完成后，取出坯体，切割掉底座，并对坯体进行抛磨；(206)在坯体中垂直于切割方向的两相对表面制作工作电极，即获得陶瓷柱的体积占比为20％～80％的d33模式的1-3型水泥基压电复合材料元件，简记为d33模式元件；第三步，利用d15模式元件和d33模式元件制备全应力传感器，具体包括：(301)将d15模式元件和d33模式元件的工作电极均通过导线引出；(302)将三个d15模式元件和三个d33模式元件布置在立方体的水泥基体两两相邻的三个表面上，每一面上均布置一d33模式元件和一d15模式元件；三个d15模式元件的极化方向两两垂直，三个d33模式元件的极化方向也两两垂直；(303)采用封装材料对布置于水泥基体上的d15模式元件和d33模式元件进行整体封装，并固化；(304)采用屏蔽材料在封装层外制备屏蔽层；(305)将与d15模式元件和d33模式元件的工作电极连接的导线连接屏蔽线，另外，屏蔽线还通过另一导线连接屏蔽层。进一步的，第一步和第二步中，在采用水泥基材浇注于模具前，在真空设备中对水泥基材进行抽真空处理；采用采用水泥基材浇注于模具的同时，对模具进行抽真空并振动。进一步的，第一步和第二步中所用的水泥基材由水泥、粉煤灰和水混合而成，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。进一步的，所述封装材料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，环氧树脂与固化剂的质量比为(1～4)：1，水和主要封装材料的质量比为(0.2～0.7)：1。进一步的，所述屏蔽材料的配方包括石墨粉、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。和现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：(1)本专利技术首先制备自行设计的1-3型水泥基压电复合材料元件，然后利用所制备的1-3型水泥基压电复合材料元件来制备全应力传感器，所制备的全应力传感器灵敏度高、频带响应宽、抗干扰效果好，且与混凝土结构相容性好。将本专利技术所制备的全应力传感器埋入混凝土结构内部或粘贴于混凝土结构表面，可同时测量混凝土结构的正应力以及剪应力，对水泥基压电复合材料在混凝土结构健康监测中的应用具有重要意义。(2)本专利技术全应力传感器所制备的两种模式的1-3型水泥基压电复合材料元件，对水泥基材进行改良，使水泥基压电复合材料结构更加致密，从而提高水泥基压电复合材料的稳定性。(3)本专利技术全应力传感器采用环氧树脂、水泥和粉煤灰的混合物制备封装层，可提高全应力传感器的灵敏度和频带宽，且封装粘结强度高；同时，还具有良好的耐热性、耐碱性和绝缘性，对两种模式1-3型水泥基压电复合材料元件起到保护和封装的作用。(4)本专利技术全应力传感器采用水泥和石墨粉的混合物制备屏蔽层，该屏蔽层使全应力传感器与混凝土结构具有良好的耦合效果，并具有良好的噪音屏蔽效果，可提高全应力传感器的信噪比。(5)本专利技术全应力传感器采用铜芯导线和屏蔽铜芯线缆，可更好地降低噪音影响。(6)本专利技术制备工艺简单易操作，适合大规模生产。附图说明图1为实施例中d15模式元件的制备工艺流程；图2为实施例中d33模式元件的制备工艺流程；图3为实施例中全应力传感器的具体结构示意图；图4为混凝土结构内任一空间点的三维应力示意图；图5为本专利技术中d33模式元件和d15模式元件的压电效应原理图，其中，图(a)为d33模式元件的压电效应原理图，图(b)为d15模式元件的压电效应原理图；图6为实施例中全应力传感器的制备工艺流程。图中，1-压电陶瓷块，2-极化电极，3-陶瓷柱，4-底座，5-水泥基材，6-坯体，7-工作电极，8-第一d15模式元件，9-第二d15模式元件，10-第三d15模式元件，11-第一d33模式元件，12-第二d33模式元件，13-第三d33模式元件，14-水泥基体，15-封装层，16-屏蔽层，17-导线，18-屏蔽线，19-电荷；a和f表示去掉极化电极步骤，b和g表示切割陶瓷柱步骤，c和h表示水泥基材浇注步骤，d和i表示切割底座和抛磨步骤，e和j表示制作工作电极步骤。具体实施方式为了更清楚地说明本专利技术和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本专利技术的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于水泥基压电复合材料元件的全应力传感器的制备方法，其特征是，包括：第一步，制备d15模式的1‑3型水泥基压电复合材料元件，具体包括：(101)对压电陶瓷块进行极化；(102)去掉压电陶瓷块的极化电极；(103)利用切割机，将压电陶瓷块切割成若干均匀排列的陶瓷柱，获得压电陶瓷柱阵列，切割方向与极化方向垂直；(104)将压电陶瓷柱阵列连底座置入模具内，将水泥基材浇注于模具中，浇注完成后，放入养护箱养护；(105)养护完成后，取出坯体，切割掉底座，并对坯体进行抛磨；(106)在坯体中垂直于切割方向的两相对表面制作工作电极，即获得陶瓷柱的体积占比为20％～80％的d15模式的1‑3型水泥基压电复合材料元件，简记为d15模式元件；第二步，制备d33模式的1‑3型水泥基压电复合材料元件，具体包括：(201)对压电陶瓷块进行极化；(202)去掉压电陶瓷块的极化电极；(203)利用切割机，将压电陶瓷块切割成若干均匀排列的陶瓷柱，获得压电陶瓷柱阵列，切割方向与极化方向平行；(204)将压电陶瓷柱阵列连底座置入模具内，将水泥基材浇注于模具中，浇注完成后，放入养护箱养护；(205)养护完成后，取出坯体，切割掉底座，并对坯体进行抛磨；(206)在坯体中垂直于切割方向的两相对表面制作工作电极，即获得陶瓷柱的体积占比为20％～80％的d33模式的1‑3型水泥基压电复合材料元件，简记为d33模式元件；第三步，利用d15模式元件和d33模式元件制备全应力传感器，具体包括：(301)将d15模式元件和d33模式元件的工作电极均通过导线引出；(302)将三个d15模式元件和三个d33模式元件布置在立方体的水泥基体两两相邻的三个表面上，每一面上均布置一d33模式元件和一d15模式元件；三个d15模式元件的极化方向两两垂直，三个d33模式元件的极化方向也两两垂直；(303)采用封装材料对布置于水泥基体上的d15模式元件和d33模式元件进行整体封装，并固化；(304)采用屏蔽材料在封装层外制备屏蔽层；(305)将与d15模式元件和d33模式元件的工作电极连接的导线连接屏蔽线，另外，屏蔽线还通过另一导线连接屏蔽层。...

【技术特征摘要】
1.一种基于水泥基压电复合材料元件的全应力传感器的制备方法，其特征是，包括：第一步，制备d15模式的1-3型水泥基压电复合材料元件，具体包括：(101)对压电陶瓷块进行极化；(102)去掉压电陶瓷块的极化电极；(103)利用切割机，将压电陶瓷块切割成若干均匀排列的陶瓷柱，获得压电陶瓷柱阵列，切割方向与极化方向垂直；(104)将压电陶瓷柱阵列连底座置入模具内，将水泥基材浇注于模具中，浇注完成后，放入养护箱养护；(105)养护完成后，取出坯体，切割掉底座，并对坯体进行抛磨；(106)在坯体中垂直于切割方向的两相对表面制作工作电极，即获得陶瓷柱的体积占比为20％～80％的d15模式的1-3型水泥基压电复合材料元件，简记为d15模式元件；第二步，制备d33模式的1-3型水泥基压电复合材料元件，具体包括：(201)对压电陶瓷块进行极化；(202)去掉压电陶瓷块的极化电极；(203)利用切割机，将压电陶瓷块切割成若干均匀排列的陶瓷柱，获得压电陶瓷柱阵列，切割方向与极化方向平行；(204)将压电陶瓷柱阵列连底座置入模具内，将水泥基材浇注于模具中，浇注完成后，放入养护箱养护；(205)养护完成后，取出坯体，切割掉底座，并对坯体进行抛磨；(206)在坯体中垂直于切割方向的两相对表面制作工作电极，即获得陶瓷柱的体积占比为20％～80％的d33模式的1-3型水泥基压电复合材料元件，简记为d33模式元件；第三步，利用d15模式元件和d33模式元件制备全应力传感器，具体包括：(301)将d15模式元件和d33模式元件的工作电极均通过导线引出；(302)将三个d15模式元件和三个d33模式元件布置在立方体的水泥基体两两相邻的三个表面上，每一...

【专利技术属性】
技术研发人员：李应卫，姜清辉，马永力，丁绍华，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42