【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于钢结构损伤监测领域，具体涉及一种基于碳纳米管树脂基应变传感器的钢结构损伤监测方法。
技术介绍
1、钢结构有一个明显的缺点，即易腐蚀，暴露在大气环境中的钢结构，钢材表面会形成一种薄液膜，在干湿交替过程中对结构产生腐蚀。钢材大气腐蚀不但给各国国民经济造成巨大损失，而且使钢材强度、弹性模量、伸长率等各项力学性能指标发生劣化，钢结构延性及抗震性能降低，导致结构安全事故发生的概率增加。由于环境侵蚀、人为作用以及养护维修不及时，钢结构在其长期服役期间将不可避免地发生累积损伤和疲劳破坏。因此，对钢结构的性能进行实时地监测与诊断，及时发现结构的损伤，对可能出现的灾害进行预测，并评估其安全性，已成为土木工程学科发展的必然要求。
2、目前结构健康监测方法主要分为非在线监测和在线监测两大类。非在线监测主要利用传统无损检测技术，如超声c扫描技术、声发射技术等。这些监测方法设备复杂、智能化程度低、时效性差，不利于现代化工业的发展。在线监测方法是将相应的传感器，如电阻应变片、fbg光纤光栅传感器、pzt压电传感器等外贴或者内埋于结构的表面或内部，实时监测结构件的应力应变等信息，并将这些参数及时反馈到计算机，从而实现对损伤的预判和规避。这些传感器存在一些限制性原因，如fbg传感器通常对平行于光纤取向传播的裂纹不敏感；pzt传感器部分压电材料忌潮湿，需采取防潮措施，输出信号差，需使用电荷放大器或者高输入阻抗电路等。而本专利采用自主研发的碳纳米管树脂基应变传感器监测方法简便，灵敏度高，适用于钢结构损伤监测。
3、本专利通过自
技术实现思路
1、本专利技术的目的是针对应变传感器在钢结构损伤监测领域应用匮乏的问题，提供一种基于碳纳米管树脂基应变传感器的钢结构损伤监测方法，以自主研发的碳纳米管树脂基应变传感器，实现对钢结构的健康监测，推动结构监测领域的进一步发展。
2、本专利技术采用的技术方案为：一种基于碳纳米管树脂基应变传感器的钢结构损伤监测方法，包括以下步骤：
3、步骤1：将碳纳米管树脂基传感器以及金属箔式应变片贴于钢结构上，碳纳米管与金属箔式应变片粘贴于相邻位置，以确保监测的钢结构部位相同；
4、步骤2：利用lcr数字电桥(型号:vc4090a)以及应变箱(型号：tst3826f-h)对碳纳米管树脂基传感器以及应变片进行监测，并记录数据；
5、步骤3：处理收集到的数据，绘制电阻变化率-应变曲线；将曲线斜率与贴于无损伤钢材测得的碳纳米管传感器灵敏度相比较，若曲线斜率与传感器灵敏度之差大于传感器灵敏度的10％，则可判断出钢结构在传感器附近出现损伤，若曲线斜率与传感器灵敏度之差小于传感器灵敏度的10％，则认为钢结构还未出现损伤。
6、作为优选，所述步骤1所述的碳纳米管树脂基传感器随机贴于钢结构表面，碳纳米管树脂基传感器通过非直接接触，对距碳纳米管树脂基传感器边长5倍范围内的损伤以及不同大小的损伤作出反应。
7、作为优选，所述碳纳米管树脂基传感器的材料包括环氧树脂、固化剂、碳纳米管和分散剂，各组分的质量分数为：
8、碳纳米管质量分数3.5wt.％
9、分散剂质量分数0.7wt.％
10、环氧树脂质量分数73.69wt.％
11、固化剂质量分数22.11wt.％。
12、具体参数如表1和表2所示：
13、表1传感器原料
14、
15、表2ge7118a/ge7114b环氧树脂基本性能
16、
17、制备过程包括：
18、1)按照碳纳米管与分散剂质量比5:1称量碳纳米管粉末和分散剂。先将分散剂倒入砂磨机容器中，缓慢多次加入碳纳米管粉末，锆珠滚磨速率采用2300rpm，全程采用循环水对机器进行冷却，总分散时间控制在2.5h，在不破坏碳纳米管完整性和导电性的基础上将碳纳米管均匀地分散，制备碳纳米管分散液。
19、2)将制备好的碳纳米管分散液与环氧树脂按预定比例(表1)混合，超声分散30min，400rpm磁力搅拌30min；
20、3)加入固化剂(具体比例见表1)后400rpm搅拌10min，抽真空去除复合材料中的气泡，静置10min；
21、4)待粘度适中，将混合均匀的碳纳米管树脂基复合材料经丝网印刷沉积(沉积面积为20mm×5mm)在裁剪好的聚酰亚胺薄膜上(聚酰亚胺大小可根据实际需求来定，不得小于20mm×5mm)；
22、5)放入真空干燥箱中100℃固化5h；
23、6)待复合材料完全固化后在传感器两端用导电银胶(任何型号的导电银胶都可使用)粘贴铜片(厚度为0.05mm)作为电极，放入真空干燥箱中70℃固化3h(低于环氧树脂玻璃化温度75℃)，提高导电胶的导电性和粘结性，最后在铜电极上焊接导线完成碳纳米管传感器的制备。
24、制备而成的传感器使用方法与金属箔式应变片类似，使用过程无需接通电源，测量碳纳米管树脂基传感器电阻时，需采用仪器lcr数字电桥(型号:vc4090a)。
25、本专利技术的一种用于监测钢材损伤的碳纳米管树脂基传感器，通过传感器灵敏度的变化，可以识别钢材的弹性、屈服和强化阶段，还可以识别出距传感器边长5倍范围内的损伤，也可对结构损伤的大小做出区分。这是因为损伤附近存在应力集中现象，改变了传感器附近的应变状态，相邻碳纳米管的间距发生较大的变化，隧穿效应使得碳纳米管传感器的电阻更快地增加，表现为灵敏系数的提高。本专利采用基于电阻的损伤感知方法，即采用压阻效应。当试件受到力作用时，导电材料的电阻率发生变化的现象即为压阻效应。通过测量导电材料制备而成的传感器的电阻，可以获得关于结构受力变形的信息。应变对材料电阻率的影响被称为压电阻率。当结构受力时，结构损伤(如裂缝、孔洞等)处的应变状态会发生改变，从而影响传感器的电阻率，因此处理分析监测到的数据即可判断结构是否受损。以下通过复合材料压阻理论进一步解释传感器电阻变化与结构变形关系：
26、研究表明，碳纳米管/聚合物复合材料的压阻效应主要归因于以下三种工作机制：(1)相邻碳纳米管间的隧道电阻因间距改变而产生变化；(2)碳纳米管导电网络的改变，即碳纳米管间接触的丧失或退化；(3)单个碳纳米管本身由于在应变下的变形而产生的压阻性。然而，在小应变(<1％)下，由于电阻变化很小，碳纳米管本身的压阻性和碳纳米管接触的退化可以忽略不计。在基于碳纳米管的纳米复合材料中，当管间距离不大于1.8nm时，隧道电阻在传导机制中占主导地位(相邻碳纳米管之间的三种位置关系如图1)，并且这种效应随着mwcnts浓度的增加而逐本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于碳纳米管树脂基应变传感器的钢结构损伤监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于碳纳米管树脂基应变传感器的钢结构损伤监测方法，其特征在于，所述步骤1所述的碳纳米管树脂基传感器随机贴于钢结构表面，碳纳米管树脂基传感器通过非直接接触，对距碳纳米管树脂基传感器边长5倍范围内的损伤以及不同大小的损伤作出反应。
3.根据权利要求1所述的基于碳纳米管树脂基应变传感器的钢结构损伤监测方法，其特征在于，所述碳纳米管树脂基传感器的材料包括环氧树脂、固化剂、碳纳米管和分散剂，各组分的质量分数为：
4.根据权利要求3所述的基于碳纳米管树脂基应变传感器的钢结构损伤监测方法，其特征在于，所述碳纳米管树脂基传感器的制备过程包括：
5.根据权利要求4所述的基于碳纳米管树脂基应变传感器的钢结构损伤监测方法，其特征在于，所述步骤4)中所述丝网印刷沉积面积为20mm×5mm，所述聚酰亚胺薄膜大小不得小于20mm×5mm。
6.根据权利要求4所述的基于碳纳米管树脂基应变传感器的钢结构损伤监测方法，其特征在于，所述步骤6)中所
...【技术特征摘要】
1.一种基于碳纳米管树脂基应变传感器的钢结构损伤监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于碳纳米管树脂基应变传感器的钢结构损伤监测方法，其特征在于，所述步骤1所述的碳纳米管树脂基传感器随机贴于钢结构表面，碳纳米管树脂基传感器通过非直接接触，对距碳纳米管树脂基传感器边长5倍范围内的损伤以及不同大小的损伤作出反应。
3.根据权利要求1所述的基于碳纳米管树脂基应变传感器的钢结构损伤监测方法，其特征在于，所述碳纳米管树脂基传感器的材料包括环氧树脂、固化剂、碳纳米管和分散剂，各组分的质量分数为：
【专利技术属性】
技术研发人员：邓最亮，傅乐峰，郑柏存，
申请(专利权)人：上海三瑞高分子材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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