一种水泥基压电复合材料传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种水泥基压电复合材料传感器，包括：水泥基质材料、压电填充材料、纤维填充材料和导电填充材料，特点在于整个实体结构划分为传感器基体、第一电极层、压电材料复合层和第二电极层，其中：所述传感器基体为正方体结构，由水泥基质材料和纤维填充材料构成；所述第一电极层、压电材材料复合层和第二电极层依次分布在所述传感器基体的一个表面下；各层由不同的复合材料构成，通过分别不同的挤出头，用多层增材制造的方式形成所述的材料布置。所形成的传感器可以布置在混凝土结构内实现多方向应力的测量，同时与混凝土母体材料之间具有良好的相容性，且传感器结构强度更高，可靠性更强。

【技术实现步骤摘要】
一种水泥基压电复合材料传感器
本专利技术属于智能建筑领域，具体涉及一种水泥基压电复合材料传感器。
技术介绍
测量混凝土应力状态时，一般采用结构表面粘贴电阻式应变片测得混凝土表面的应变，再结合混凝土材料的弹性模量计算出成混凝土的内部应力。这种间接的测试方法在复杂结构、结构内部应力不均匀处或危险点的测试中参考价值受到限制，采用埋入式的传感器是未来结构健康监测的一个主要发展方向。在智能结构或建筑结构的健康监测中，智能材料或传感器与母体材料之间的相容性对智能材料传感功能的发挥有决定性的作用。相容性不好则智能材料的传感精度会大幅度降低。在土木工程领域，应用最大的结构材料是混凝土，研发与混凝土相容性好的智能材料或传感器具有重要意义。以水泥基材料作为智能复合材料的基体，掺入压电陶瓷材料作为功能体，可以形成与混凝土母体具有良好相容性的水泥基压电复合材料。与此同时，随着增材制造技术的进步，使得多相材料增材制造、多材料增材制造方法也得到了广泛的测试，在同一结构中布置不同物质以形成一体化制造的新型器件也已经成为可能。传统的压电陶瓷传感器在混凝土结构中布置时，容易产生碎裂且与混凝土的相容性和耦合度较差未能充分发挥压电传感器的能力，是压电传感器在这一领域应用的主要问题。
技术实现思路
为了解决传统混凝土测量中，埋入式传感器结构强度与材料相容性较差的问题，利用多材料增材制造技术，按需布置材料，提出了利用材料特殊分布形成的一种水泥基压电复合材料传感器，由水泥基质材料、压电填充材料、纤维填充材料和导电填充材料按照特定的结构与分布方式构成，单方向或多方向的应力测量，是一种全新的智能复合材料传感器。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术一种水泥基压电复合材料传感器，包括：水泥基质材料、压电填充材料、纤维填充材料和导电填充材料，特点在于整个实体结构划分为传感器基体、第一电极层、压电材料复合层和第二电极层，其中：所述传感器基体为正方体结构，由水泥基质材料和纤维填充材料构成；所述第一电极层、压电材材料复合层和第二电极层依次分布在所述传感器基体的一个表面下。所述第一电极层为一薄片体，以第一电极层中性截面内指定的材料分布规律在厚度方向上叠层沉积所形成，其截面内分布有两类复合材料，第一类是由水泥基质材料和纤维填充材料复合形成的增强水泥复合材料，添加纤维材料后，复合材料的应力传递效果和结构强度以及与压电材料的耦合效果都可得到明显的提升。第二类是在所述增强水泥复合材料内添加导电填充材料形成的导电水泥复合材料，导电填充材料的加入，可使该复合材料具有良好的导电性，该材料连通的区域内由于材料电阻产生的电势差可以忽略。所述增强水泥复合材料布置在所述第一电极层中性截面上的两部分区域内，第一部分区域为截面外边缘的中空矩形绝缘区，所述中空矩形绝缘区内部边界为矩形，第二部分区域为所述中空矩形绝缘区的中空区内均匀间隔分布的矩形结构支撑区，所述导电水泥复合材料分布在所述中空矩形绝缘区内除所述结构支撑区外的功能材料填充区域中，所述第一电极层下表面与传感器基体结合，上表面与所述压电材料复合层结合。结构支撑区连通了外保护层和传感器基体，这部分结构一方面使传感器结构中的机敏材料压电陶瓷得到保护；另一方面使压电陶瓷层内的应力更加接近于混凝土中的实际情况，减少了由于压电复合材料部分与混凝土弹性模量不同而引起的测量误差，从而提高测试精度。所述压电材料复合层构成方式和中性截面上材料分布规律与所述第一电极层相同，差别在于所述功能材料填充区域中布置的是在所述增强水泥复合材料中均匀添加所述压电填充材料复合形成的压电复合材料；所述第二电极层构成与所述第一电极层相同，下表面与所述压电材料复合层结合，上表面与所述传感器基体的外保护层结合；所述外保护层为所述传感器基体的表面层，厚度不小于所述第一电极层、压电材材料复合层和第二电极层三者的厚度之和，保护层要保证一定的厚度，以实现与混凝土母体材料的良好结合，同时保护内部的功能层。各种材料通过多材料增材制造技术按需布置在指定的位置，通过一次成型制成所述结构。当器件尺寸较小，或测试工况中应力较小时，可以采用简化的传感器方案，即所述中空矩形绝缘区内部边界为圆形，所述结构支撑区由与所述中空矩形绝缘区内部圆形边界同心的圆形边界所围成。这样形成的传感器，机敏材料结构更加简单，线性度和精度都会有提升。由于压电复合材料在极化后测试的都是一个方向上的应力，要想测量更加复杂的空间应力参数，就要采用多方向布置机敏材料的方案，即所述第一电极层、压电材料复合层和第二电极层构成的功能区分别布置在传感器基体上过同一顶点的三个表面下。由于采用增材制造技术，增加机敏材料的分布并不会明显增加工艺难度或加工时间，因此可以采用可靠性更好的多机敏单元组合方案，即所述第一电极层、压电材料复合层和第二电极层构成的功能区分别布置在传感器基体上的每个表面下。成型后的结构，钻孔深入所在的电极区域，在其中固定导线连通所需电极，并在两电极间施加高压直流电，完成压电复合材料的极化并对传感器进行标定。使用时将传感器布置在所需的测量位置，混凝土制备完成后进行方位标定即可实现多方向应力的测量。附图说明图1是本专利技术一种水泥基压电复合材料传感器材料分布示意图。图2是本专利技术一种水泥基压电复合材料传感器各材料分区结构示意图。图3是本专利技术一种水泥基压电复合材料传感器材料表面下剖面图。图4是本专利技术一种水泥基压电复合材料传感器材料第一电极层中性截面材料分布示意图。具体实施方式参照图1、图2、图3和图4，本专利技术一种水泥基压电复合材料传感器，包括：水泥基质材料、PZT压电填充材料、玻璃纤维填充材料和导电填充材料，特点在于整个实体结构划分为传感器基体1、第一电极层2、压电材料复合层3和第二电极层4，其中：所述传感器基体1为正方体结构，由水泥基质材料和玻璃纤维填充材料构成；所述第一电极层2、压电材材料复合层3和第二电极层4依次分布在所述传感器基体1的一个表面下；所述第一电极层2为一薄片体，以第一电极层中性截面内指定的材料分布规律在厚度方向上叠层沉积所形成，其截面内分布有两类复合材料，第一类是由水泥基质材料和玻璃纤维填充材料复合形成的增强水泥复合材料，第二类是在所述增强水泥复合材料内添加导电填充材料复合形成的导电水泥复合材料，所述增强水泥复合材料布置在所述第一电极层中性截面上的两部分区域内，第一部分区域为截面外边缘的中空矩形绝缘区12，所述中空矩形绝缘区内部边界为矩形，第二部分区域为所述中空矩形绝缘区12的中空区内均匀间隔分布的矩形结构支撑区13，所述导电水泥复合材料分布在所述中空矩形绝缘区12内除所述结构支撑区13外的功能材料填充区域中，所述第一电极层2下表面与传感器基体1结合，上表面与所述压电材料复合层3结合；所述压电材料复合层3构成方式和中性截面上材料分布规律与所述第一电极层2相同，差别在于所述功能材料填充区域中布置的是在所述增强水泥复合材料中均匀添加所述PZT压电填充材料复合形成的压电复合材料；所述第二电极层4构成与所述第一电极层2相同，下表面与所述压电材料复合层3结合，上表面与所述传感器基体1的外保护层11结合；所述外保护层11为所述传感器基体1的表面层，厚度为所述第一电极层2、压电材材料复合层3和第二电极层4三者的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水泥基压电复合材料传感器，包括：水泥基质材料、压电填充材料、纤维填充材料和导电填充材料，特点在于整个实体结构划分为传感器基体(1)、第一电极层(2)、压电材料复合层(3)和第二电极层(4)，其中：所述传感器基体(1)为正方体结构，由水泥基质材料和纤维填充材料构成；所述第一电极层(2)、压电材材料复合层(3)和第二电极层(4)依次分布在所述传感器基体(1)的一个表面下；所述第一电极层(2)为一薄片体，以第一电极层中性截面内指定的材料分布规律在厚度方向上叠层沉积所形成，其截面内分布有两类复合材料，第一类是由水泥基质材料和纤维填充材料复合形成的增强水泥复合材料，第二类是在所述增强水泥复合材料内添加导电填充材料复合形成的导电水泥复合材料，所述增强水泥复合材料布置在所述第一电极层中性截面上的两部分区域内，第一部分区域为截面外边缘的中空矩形绝缘区(12)，所述中空矩形绝缘区内部边界为矩形，第二部分区域为所述中空矩形绝缘区(12)的中空区内均匀间隔分布的矩形结构支撑区(13)，所述导电水泥复合材料分布在所述中空矩形绝缘区(12)内除所述结构支撑区(13)外的功能材料填充区域中，所述第一电极层(2)下表面与传感器基体(1)结合，上表面与所述压电材料复合层(3)结合；所述压电材料复合层(3)构成方式和中性截面上材料分布规律与所述第一电极层(2)相同，差别在于所述功能材料填充区域中布置的是在所述增强水泥复合材料中均匀添加所述压电填充材料复合形成的压电复合材料；所述第二电极层(4)构成与所述第一电极层(2)相同，下表面与所述压电材料复合层(3)结合，上表面与所述传感器基体(1)的外保护层(11)结合；所述外保护层(11)为所述传感器基体(1)的表面层，厚度不小于所述第一电极层(2)、压电材材料复合层(3)和第二电极层(4)三者的厚度之和。...

【技术特征摘要】
1.一种水泥基压电复合材料传感器，包括：水泥基质材料、压电填充材料、纤维填充材料和导电填充材料，特点在于整个实体结构划分为传感器基体(1)、第一电极层(2)、压电材料复合层(3)和第二电极层(4)，其中：所述传感器基体(1)为正方体结构，由水泥基质材料和纤维填充材料构成；所述第一电极层(2)、压电材材料复合层(3)和第二电极层(4)依次分布在所述传感器基体(1)的一个表面下；所述第一电极层(2)为一薄片体，以第一电极层中性截面内指定的材料分布规律在厚度方向上叠层沉积所形成，其截面内分布有两类复合材料，第一类是由水泥基质材料和纤维填充材料复合形成的增强水泥复合材料，第二类是在所述增强水泥复合材料内添加导电填充材料复合形成的导电水泥复合材料，所述增强水泥复合材料布置在所述第一电极层中性截面上的两部分区域内，第一部分区域为截面外边缘的中空矩形绝缘区(12)，所述中空矩形绝缘区内部边界为矩形，第二部分区域为所述中空矩形绝缘区(12)的中空区内均匀间隔分布的矩形结构支撑区(13)，所述导电水泥复合材料分布在所述中空矩形绝缘区(12)内除所述结构支撑区(13)外的功能材料填充区域中，所述第一电极层(2)下表面与传感器基体(1)结合，上表面与所述压电材料复合层(3)...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琳，蔡斌，李博，曹祥扩，潘国亮，
申请(专利权)人：吉林建筑大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22