用于碳纳米纤维增强沥青电阻应力检测的半导体传感纤维、纤维界面传感装置及其检测方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于碳纳米纤维增强沥青电阻应力检测的半导体传感纤维，包括纤维本体和负载于纤维本体表面的碳纳米管层；为了检测不同材料对道路沥青封层结构增强性能的优劣程度，设计半导体纤维从沥青内部检测裂缝发展的试验方式，研究沿纤维垂向和纤维轴向两种不同加载模式下纤维对应力的响应情况。试验通过超声分散CNTs有机溶剂，在纤维表面浸涂法接枝多壁碳纳米管制成半导体纤维，调整试验参数使纤维的表面相貌和导电性能达到稳定。通过乳化沥青的破乳硬化使纤维埋覆于沥青基体中，以恒速率压缩沥青基体或拉伸两个串联基体，实时检测纤维两露出端间的电阻变化。

【技术实现步骤摘要】
用于碳纳米纤维增强沥青电阻应力检测的半导体传感纤维、纤维界面传感装置及其检测方法
本专利技术涉及道路建筑施工
，具体涉及一种用于碳纳米纤维增强沥青电阻应力检测的半导体传感纤维、纤维界面传感装置及其检测方法。
技术介绍
我国自上世纪80年代中期开始大量修建高速公路，截至2017年末总里程达到13.26万公里，其中80％以上使用的是半刚性路面结构。由于受到基层混凝土板易温缩、干缩的性质，半刚性路面中最显著的道路病害之一则是由反射裂缝引起的结构破坏，反射裂缝的产生不仅影响路面美观和行车舒适性，更重要的是大大的缩短了路面的使用寿命。沥青碎石封层作为路面面层与基层的连接层，能有效抑制道路反射裂缝形成与发展，因此在工程中得到了广泛的应用。纤维因其优异的抗拉强度、稳定性和成熟的制造工艺，是目前各领域中良好的基体增强材料，向封层中加入纤维增强改性，能提升封层关键的抗拉裂强度。为了达到理想的增强效果，纤维与封层材料间界面力学性能研究则显得尤为的重要，然而目前国内外对复合材料界面性能的研究手段受到一定技术的限制。在道路领域，界面性能大都通过宏观试验来间接表征，少有通过细观甚至微观界面研究来解释材料间的接合效果从而提出最佳的材料用量。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种用于碳纳米纤维增强沥青电阻应力检测的半导体传感纤维、纤维界面传感装置及其检测方法，能够在增强沥青与复合材料间粘结性能的同时，实时监测材料界面结构应力/应变及破坏。本专利技术的用于碳纳米纤维增强沥青电阻应力检测的半导体传感纤维，包括纤维本体和负载于纤维本体表面的碳纳米管层；进一步，所述纤维本体为玄武岩纤维，所述碳纳米管为多壁碳纳米管；进一步，采用浸涂法将碳纳米管负载于纤维本体表面形成碳纳米管层；进一步，包括以下步骤：将2-乙氧基乙醇、偶联剂和碳纳米管均匀混合形成碳纳米管溶液，将碳纳米管溶液超声分散处理并将纤维垂直浸入溶液中进行超声浸涂处理后烘干；进一步，所述偶联剂为偶联剂KH560，所述碳纳米管溶液的浓度为0.5～2.5g/L，超声浸涂的时间为15～30s。本专利技术公开一种用于碳纳米纤维增强沥青电阻应力检测的纤维界面传感装置，包括用于加载垂向荷载的单体试模和加载轴向荷载的串体试模，所述单体试模包括由乳化沥青固化形成的模体和一根贯穿模体且两端固定于模体外的半导体传感纤维，所述串体试模由一根纤维贯穿两个模体构成，所述串体试模设置有用于将串体试模水平固定的夹具，所述单体试模和串体试模的纤维两端设置有用于与待测电阻连接的电极；进一步，所述半导体传感纤维平行于模体底面且在模体内呈伸直状态，所述半导体传感纤维与模体底面的距离为4～6mm，所述串体试模两个模体之间的距离为5～10mm。本专利技术还公开一种道路封层用碳纳米纤维增强沥青电阻应力检测方法，包括以下步骤：a.垂直纤维荷载试验:向含有半导体传感纤维的单体试模通直流电并采用万能试验机沿对应半导体传感纤维的单体试模表面施加垂直荷载，监测纤维电流变化以及万能试验机的顶针引起的应力/应变；b.轴向拉伸纤维荷载试验:向含有半导体传感纤维的串体试模通直流电并采用万能试验机沿纤维长度方向的串体试模两端施加拉伸荷载；监测纤维电阻变化情况；进一步，步骤a中，万能试验机为恒速率塑性加压模式，速率为0.4～1mm/min，总时长10～4min；步骤b中，万能试验机为上下拉伸的加载模式，恒定速率为1～5mm/min，总时长10～2min；进一步，步骤a中，单体试模通过电极连接电化学工作站待测电阻，设置工作电压为1～5V，灵敏度1～10μA，滤波10～100HZ，采样间隔0.1～0.5s的直流电路；串体试模通过电极连接电化学工作站待测电阻，设置工作电压为1～5V，灵敏度1～10μA，滤波10～100HZ，采样间隔0.1～0.5s的直流电路。本专利技术的有益效果是：本专利技术公开的用于碳纳米纤维增强沥青电阻应力检测的半导体传感纤维、纤维界面传感装置及其检测方法，为了检测不同材料对道路沥青封层结构增强性能的优劣程度，设计半导体纤维从沥青内部检测裂缝发展的试验方式，研究沿纤维垂向和纤维轴向两种不同加载模式下纤维对应力的响应情况。试验通过超声分散CNTs有机溶剂，在纤维表面浸涂法接枝多壁碳纳米管制成半导体纤维，调整试验参数使纤维的表面相貌和导电性能达到稳定。通过乳化沥青的破乳硬化使纤维埋覆于沥青基体中，以恒速率压缩沥青基体或拉伸两个串联基体，实时检测纤维两露出端间的电阻变化。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步描述：图1为本专利技术的单体模结构示意图；图2为本专利技术的串体模结构示意图；图3为本专利技术的垂直纤维荷载试验示意图；图4为本专利技术的轴向荷载试验示意图。具体实施方式本实施例的用于碳纳米纤维增强沥青电阻应力检测的半导体传感纤维，包括纤维本体和负载于纤维本体表面的碳纳米管层；碳纳米管是一种受到广泛关注的典型一维纳米材料，简称CNTs(carbonnanotubes)，因质轻、长径比大、韧性、弹性模量以及轴向强度极高，被认为是复合材料领域的理想增强体以及填料。另外碳纳米管拥有超低的渗流阈值(极少量占比存在于基体中就可以形成导电通路)以及其它优异的电磁性能，开发作为应力/应变，温度，湿度，气体传感器等方面也受到广泛的关注。利用碳纳米管的材料特性，于纤维表面覆盖一层均匀且薄的碳纳米管层，制成一种能够反映界面应力变化的半导体传感纤维材料(CNTs-纤维)，该材料能够在增强沥青与复合材料间粘结性能的同时，实时监测材料界面结构应力/应变及破坏。优选为所述纤维本体为玄武岩纤维，所述碳纳米管为多壁碳纳米管。通过调整试验参数能使纤维的表面相貌和导电性能达到稳定。本实施例中，采用浸涂法将碳纳米管负载于纤维本体表面形成碳纳米管层；浸润法即超声浸涂法，是将纤维浸润于超声分散的碳纳米管溶液中，利用纤维表面多种含氧基团与碳纳米管中羧基官能团的分子间的结合力以及范德华力接结在一起，浸润方法的优点在于试验过程的直接有效性，相比提及的静电吸附法等依靠分子力形式粘结效果将更加稳固。浸涂法制作的CNT-纤维可以保证纤维的完整性以及赋予纤维以半导体的传感特性，扫描电镜观察下发现纤维表面涂覆沿纤维轴线较均匀。通过对六种不同溶剂进行对比，确定最佳分散溶剂配比为：2-乙氧基乙醇+KH560(0.01mg/ml)+MWCNTS(1.5mg/ml)。后续参数调试中确定了碳纳米管浓度在1.5mg/mL时制作的纤维导电性能相对较为稳定，电阻平均区间保持在14-28kΩ/cm且可以依据材料浓度进行调节。本实施例中，包括以下步骤：将2-乙氧基乙醇、偶联剂和碳纳米管均匀混合形成碳纳米管溶液，将碳纳米管溶液超声分散处理并将纤维垂直浸入溶液中进行超声浸涂处理后烘干；所述偶联剂为偶联剂KH560，所述碳纳米管溶液的浓度为0.5～2.5g/L，超声浸涂的时间为15～30s。试验流程：①挑选表面洁净且纤维细丝间粘接良好、无分散的束状玄武本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于碳纳米纤维增强沥青电阻应力检测的半导体传感纤维，其特征在于：包括纤维本体和负载于纤维本体表面的碳纳米管层。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于碳纳米纤维增强沥青电阻应力检测的半导体传感纤维，其特征在于：包括纤维本体和负载于纤维本体表面的碳纳米管层。


2.根据权利要求1所述的用于碳纳米纤维增强沥青电阻应力检测的半导体传感纤维，其特征在于：所述纤维本体为玄武岩纤维，所述碳纳米管为多壁碳纳米管。


3.根据权利要求1所述的用于碳纳米纤维增强沥青电阻应力检测的半导体传感纤维的制备方法，其特征在于：采用浸涂法将碳纳米管负载于纤维本体表面形成碳纳米管层。


4.根据权利要求3所述的用于碳纳米纤维增强沥青电阻应力检测的半导体传感纤维的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：将2-乙氧基乙醇、偶联剂和碳纳米管均匀混合形成碳纳米管溶液，将碳纳米管溶液超声分散处理并将纤维垂直浸入溶液中进行超声浸涂处理后烘干。


5.根据权利要求4所述的用于碳纳米纤维增强沥青电阻应力检测的半导体传感纤维的制备方法，其特征在于：所述偶联剂为偶联剂KH560，所述碳纳米管溶液的浓度为0.5～2.5g/L，超声浸涂的时间为15～30s。


6.一种用于碳纳米纤维增强沥青电阻应力检测的纤维界面传感装置，其特征在于：包括用于加载垂向荷载的单体试模和加载轴向荷载的串体试模，所述单体试模包括由乳化沥青固化形成的模体和一根贯穿模体且两端固定于模体外的半导体传感纤维，所述串体试模由一根纤维贯穿两个模体构成，所述串体试模设置有用于将串体试模水平固定的夹具，所述单体试模和串体试模的纤维两端设置有用于与待测电阻连接的电极。


7...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘燕燕，许勇，
申请(专利权)人：重庆交通大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50