本发明专利技术涉及一种压阻/压电材料系统及其生产应用方法。本发明专利技术的压阻/压电复合材料，包括如下按重量配比的组分：100份水泥、105-500份微/纳米级压电陶瓷粉体、10-30份粉煤灰、15-50份水、0.01-2份超塑化剂、0.1-10份韧性纤维、0.01-15份导电填料。本发明专利技术采用所述材料的传感器，包括压阻/压电复合材料层，压阻/压电复合材料层的上下表面各设置一个电极，压阻/压电复合材料层和电极皆包裹在封装外壳内，上下两电极之间通过贯穿封装外壳的电磁屏蔽导线相连，传感器设置在支座与支撑的桥面单元之间或嵌在桥面单元内。本发明专利技术具有本征结构韧性以及涵盖全频域的静/动态交通与结构参数的同步监测能力。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种自供能交通与结构参数的同步监测传感器用的自供能压阻/压电复合型传感器系统及其生产应用方法。
技术介绍
近年来，随着国民经济的快速发展，我国车辆保有量高速增长，高速公路、过江(跨海)桥梁、城市高架/立交桥不断兴建。这些交通结构一旦发生交通事故或结构坍塌，易导致整个交通系统拥堵与人员伤亡，且在短期内难以修复，造成交通运力的大幅度下降，其损失不可估量。因而，对这些枢纽区域和关键路段的交通结构进行交通控制与结构健康监测显得尤为必要。与此同时，这些交通结构(尤其是结构拼接缝处)在行车荷载作用下常处于微幅振动,相应机械振动能量若能有效收集,并供给给相应传感监测网络、甚至两侧照明系统，在当今节能环保时代具有重要意义。·作为与交通结构声阻抗与匹配相容性好、相近服役寿命的各类水泥基传感器在过去几十年里取得了长足的发展，可以说，各种交通结构监测系统的成功很大程度归功于这些智能传感器提供精确而稳定的桥梁交通与结构数据，如精确的速度信号、触发分类信息、动力性能、位移变形等信息以及长期反馈交通信息统计数据等。如中国专利号为ZL02132967.2的技术，利用掺加各类导电功能组分(碳黑、镍粉、碳纤维、碳纳米管等)的水泥基体材料的电学性能会随外荷载/变形变化而变化的压阻效应形成的压阻型传感器对(准)静态信号敏感，而对动态振动信号不敏感，传感精度低。如中国专利号为ZL201010523624. 3的技术，利用掺加微细压电陶瓷(PZT)粉体的水泥基体材料或直接用树脂混凝土封装PZT薄片的块材电极两端的电荷密度会随着外荷载/变形变化而变化的(逆)压电效应形成的压电型传感器主要对动态振动信号敏感，对(准)静态信号不敏感，存在本征结构韧性较低，易受到混凝土路面收缩开裂、路基下沉等自然环境的影响等缺陷。同时，也没有涉及利用相应压电型传感器的逆压电效应对行车机械振动能量的有效收集、储存与各种电路供能系统。
技术实现思路
本专利技术的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种压阻/压电复合材料，其将(准)静态压阻效应与动态压电效应有机结合起来，并辅以韧性纤维柔性增韧，进而提供一种在保证与混凝土结构相容性佳、服役寿命长等特点之外，同时拥有本征结构韧性高、涵盖全频域的静/动态交通结构监测以及振动自供能等多元性能于一体的智能复合材料。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案其包括如下按重量配比的组分100份水泥、105-500份微/纳米级压电陶瓷粉体、10-30份粉煤灰、15-50份水、O. 01-2份超塑化剂、O. 1-10份韧性纤维、O. 01-15份导电填料。本专利技术的另一个目的是提供一种压阻/压电复合材料的制法，包括如下步骤(I)微/纳米级压电陶瓷粉体制备；微/纳米级锆钛酸铅或铌镁锆钛酸铅压电陶瓷粉体可以采用本领域技术人员熟知的任一种方法来合成，如溶胶-凝胶法、水热法或溶胶-水热复合法。其中溶胶-凝胶法制备过程如下以醋酸铅、钛酸四丁酯、硝酸锆为原料(确保原料配比中铅、锆、钛的原子比为I :0. 52-0. 56 :0. 44-0. 48)，先硝酸锆、钛酸四丁酯分别溶于水、乙二醇中，然后在105-110°C下加热搅拌O. 5-1小时后先后加入醋酸铅、乙二醇，继续在105-110°C加热并回流I. 5-3小时，可得到压电陶瓷溶胶，干燥后在800-850°C下煅烧2_4小时即得。(2)以丙酮作助磨剂，将100份水泥、10-30份在填料与基体间起润滑与桥联作用的粉煤灰干拌球磨5-10分钟，然后与105-500份步骤(I)所制得的压电陶瓷粉体球磨10-20分钟，然后先后加入导电填料、韧性纤维，再球磨混合30-60分钟；(3)将步骤(2)获得的混合料在丙酮介质中进一步超声分散处理30-60分钟，挥发干燥得混合粉体；(4)向步骤(3)所得的混合粉体中加入溶有O. 01-2份超塑化剂的15-50份水，混匀后采用压制成型法压制成据实际需求的形状和尺寸的薄片试样； 5)将步骤(4)所得薄片试样置于水泥蒸汽养护箱，蒸汽45°C、相对湿度RH100%条件下养护三天后，干燥并清洁需要涂电极的上下表面；(6)将步骤(5)所得的薄片试样涂上电极，干燥后，室温条件下，在硅油浴锅中用高压直流电源极化1-12小时，老化后即得一种用压阻/压电复合材料制备的感应元件。上述的感应元件中，所述电极布置方式为全覆盖式、格栅式、交叉指形式或交叉栅式中的一种；电极材料为导电银胶电极、银电极或镍电极中的一种。水性树脂(与/或配套水性固化剂)是把树脂以微粒或液滴的形式分散于以水为连续相介质中而配得的稳定树脂乳液，能较好地与水泥基材料混合使用，在潮湿环境中黏结固化，提高硬化后水泥基材料的密实防水性、抗冲击韧性等性能。水性树脂混凝土用作传感器的封装材料既有良好的密实防水性，又与混凝土材料具有良好的声阻抗与匹配相容性及工作寿命。本专利技术的另一个目的是提供一种采用上述材料的传感器，包括压阻/压电复合材料层，压阻/压电复合材料层的上下表面各设置一个电极，压阻/压电复合材料层和电极皆包裹在封装外壳内，上下两电极之间通过贯穿封装外壳的电磁屏蔽导线相连。电极布置方式为全覆盖式或格栅式或交叉指形式或交叉栅式。电极采用导电银胶电极或银电极或镍电极。封装外壳是由水泥、粉煤灰、水性树脂、水性固化剂、韧性纤维按1:0. 1-0. 3:0. 4-0.8:0. 4-0.6:0. 01-0. I的重量比混合而成的一种纤维增强树脂混凝土。上述压阻/压电感应元件利用纤维增强树脂混凝土封装成压阻/压电复合型传感器的制备方法，包括以下步骤按照比例先将韧性纤维通过高速搅拌分散在水性树脂中，然后加入相应固化剂混匀，再加入水泥与粉煤灰干拌混合料，搅拌均匀；将压阻/压电感应元件固定在模具中(上下电极通过电磁屏蔽导线引出，并接上屏蔽接头)，然后将上述纤维增强树脂混凝土混合物浇入模具中，在水泥终凝前，将模具移至真空干燥箱中进行抽真空除泡(以进一步提高封装材料的致密度和绝缘性能)；最后用水性树脂和对应的固化剂混合稀释液表面覆盖养护至28天龄期，即得本专利技术的自供能压阻/压电复合型传感器。传感器的大小可根据实际需求调整。上述的自供能压阻/压电复合型传感器中，所述水泥为硅酸盐水泥，普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥中的一种。上述的自供能压阻/压电复合型传感器中，所述粉煤灰为《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T1596 - 2005)中规定的I级粉煤灰。上述的自供能压阻/压电复合型传感器中，所述水为市售蒸馏水、去离子水中的一种。上述的自供能压阻/压电复合型传感器中，所述超塑化剂为聚羧酸盐系高效减水齐Li、脂肪族闻效减水剂、氣基横酸盐系闻效减水剂、蜜胺树脂系闻效减水剂、蔡系闻效减水剂中的一种或几种组合。上述的自供能压阻/压电复合型传感器中，所述韧性纤维为聚乙烯醇纤维、聚丙 烯纤维、聚酰亚胺纤维中的一种。上述的自供能压阻/压电复合型传感器中，所述导电填料为微/纳米级碳黑、微/纳米级镍粉、碳纤维、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯接枝碳纤维、氧化石墨烯接枝碳纳米纤维中的一种或其中几种的混合。上述的自供能压阻/压电复合型传感器中，所述水性树脂为水性环氧树脂、水性酚醛树脂、水性脲醛树脂、水性密胺-甲醛树脂、水性聚氨酯树脂、水溶性聚酰亚胺树脂中的一种；所述水本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种压阻/压电复合材料，其特征在于，包括如下按重量配比的组分：100份水泥、105？500份微/纳米级压电陶瓷粉体、10？30份粉煤灰、15？50份水、0.01？2份超塑化剂、0.1？10份韧性纤维、0.01？15份导电填料。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：罗健林，李秋义，赵铁军，高嵩，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：
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