[發明專利]一種基于碳纖維分布式傳感的智能FRP復合筋及其規模化生產工藝

有效

• 申請號: 201210238467.0
• 申請日: 2012-07-10
• 公開（公告）號: CN102797185A
• 公開（公告）日: 2012-11-28
• 發明（設計）人: 楊才千;王紅濤;吳智深;楊小聰
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: D07B1/14
• 分類號: D07B1/14;D07B1/16;D07B7/14;G01B7/16;G01L1/22;B29C70/20;B29C70/52;B29C70/70
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 張惠忠

技術領域

本發明涉及一種基于碳纖維分布式傳感的智能FRP復合筋及其規模化生產工藝，屬于智能材料與結構及傳感監測的技術領域。

技術背景

連續纖維增強聚合物復合材料（Fiber?Reinforced?Polymer，FRP）具有拉伸強度高、密度小、比強度及比剛度高、抗化學腐蝕、耐久性好等諸多優點。因此，FRP被認為是可以在土木、交通、巖土等工程結構中代替鋼材的良好選擇，具有廣闊的應用前景。目前，用于實際工程的纖維主要有碳纖維、玻璃纖維、紡輪纖維、玄武巖纖維、Dyneema纖維、PBO纖維等多種纖維，纖維與聚合物可以復合成筋材、板材以及其他各種形式的型材。其中，FRP筋受到了研究者的廣泛研究和關注。國內，東南大學、清華大學、同濟大學、福州大學等一些大學和科研機構對FRP筋的基本力學性能及其增強結構的性能展開了比較系統的研究。然而，FRP材料是一種各向異性材料，而且完全線彈性，故FRP筋存在抗剪能力較差、脆性破壞等多項缺陷。對FRP筋實現全壽命周期的健康監測，可以有效提高其工程應用的安全性，這種高技術材料在實際工程中具有廣泛的應用前景。

對比文獻1（ZL200910026540.6）、2（ZL200910026538.9）和3（ZL200910027179.3）報道了一種基于分布式光纖傳感的自監測FRP筋/索規模化生產工藝，實為一個專利。對比文獻1、2和3中用于傳感的是基于布里淵時域散射機理的分布式光纖傳感器，根據后散射光的頻率漂移量測量應變大小，根據后散射光的接收時間進行空間定位。但該分布式光纖傳感技術需要用專門、高精度的儀器設備進行解調和分析，通常的解調設備為BOTDR、BOTDA或PPP-BOTDA解調儀，其價格高昂（BOTDR解調儀的價格通常為50萬元以上，PPP-BOTDA解調儀價格為150萬元左右），其操作和分析也需要專門的技術人員，而且儀器比較笨重、攜帶不便，一定程度上限制了其推廣和使用。而本發明用于傳感的是分布式碳纖維傳感技術，碳纖維為普通的高強度、中模量、高模量等類型的碳纖維或幾種混雜組合，與光纖相比傳感用碳纖維的價格非常低廉；如同常用的電阻應變片只需要用簡單的電阻測試儀器進行電阻檢測即可，不需要價格高昂的專門儀器設備，操作和分析也相對簡單，幾乎不需要專門的技術人員，推廣和使用價值更廣。另外，光纖非常脆弱，在生產過程中極易斷裂，光纖在自監測筋/索中的成活率相對較低；而本發明所用的碳纖維具有高強度、剛度和其他力學性能，抗腐蝕性和耐久性良好，生產過程中不易斷裂，在智能FRP復合筋生產過程中存活率高。

碳纖維不僅具有超過一般纖維材料的優越力學性能，而且還具有良好的導電性和壓阻效應。利用其電學性能可以制作智能傳感器，國內外對其進行了較多研究。如對比文件4（Distributed?sensing?of?RC?beams?with?HCFRP?sensors（基于混雜碳纖維傳感的混凝土梁分布式監測）,?Caiqian?Yang?(楊才千),?Zhishen?Wu(吳智深),?Lieping?Ye(葉列平),?Proceedings?of?the?SPIE,?Vol.5765,?2005.5.31,?P376-385）報道了用混雜碳纖維傳感器監測混凝土梁的應變和混凝土開裂，由于混雜了低彈性模量的碳纖維，因而在約4,000με后高模量的碳纖維開始出現斷裂，監測的精度和準確度下降明顯，此后的監測主要以定性監測為主。

將分布式長標距碳纖維傳感芯復合進FRP筋，形成一種智能結構材料，即智能FRP復合筋。這樣不僅使碳纖維傳感芯在實際使用時得到很好的保護，同時能夠對FRP筋進行有效的實時監測，極大提高這種高強度、高耐久性的高新FRP復合性材料在工程應用時的安全性和可靠性。

但在實際生產、應用中主要存在以下幾個方面問題：（1）碳纖維在FRP筋的拉擠成型工藝中容易受損、存活率較低，影響連續化大規模生產和測量的精度；（2）在FRP材料普通復合工藝（即熱固性復合）中碳纖維傳感芯的導線（即用來連接測量設備的導線）引出比較困難；（3）碳纖維纖芯測量標距內碳纖維應變不均勻等因素降低了分布式傳感測試的精度，而且傳感芯與外圍纖維存在一定程度的滑移現象；（4）通常的成型工藝沒有進行預張拉，未預張拉的碳纖維通常在300με之前的傳感性能比較差。

針對上述問題，本發明提出了碳纖維長標距化（即定點）、預張拉及無滑移布設技術，可有效提高分布式傳感碳纖維的測試精度。

然而，目前各種研究中總是涉及到非常繁雜的人工處理，不僅降低了工業化水平，增加了生產成本，而且會影響產品的成品率和性能的穩定性。