[實(shí)用新型]一種基于碳纖維傳感的智能FRP復(fù)合筋

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201220333731.4
• 申請(qǐng)日: 2012-07-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN202705768U
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-01-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊才千;王紅濤;吳智深;楊小聰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 楊才千
• 主分類號(hào): D07B1/14
• 分類號(hào): D07B1/14;D07B1/16;G01B7/16;G01L1/22
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 張惠忠

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及一種基于碳纖維傳感的智能FRP復(fù)合筋，屬于智能材料與結(jié)構(gòu)及傳感監(jiān)測(cè)的技術(shù)領(lǐng)域。?

背景技術(shù)

連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料（Fiber?Reinforced?Polymer，F(xiàn)RP）具有拉伸強(qiáng)度高、密度小、比強(qiáng)度及比剛度高、抗化學(xué)腐蝕、耐久性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此，F(xiàn)RP被認(rèn)為是可以在土木、交通、巖土等工程結(jié)構(gòu)中代替鋼材的良好選擇，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，用于實(shí)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(fù)合成筋材、板材以及其他各種形式的型材。其中，F(xiàn)RP筋受到了研究者的廣泛研究和關(guān)注。國(guó)內(nèi)，東南大學(xué)、清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、福州大學(xué)等一些大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)對(duì)FRP筋的基本力學(xué)性能及其增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的性能展開(kāi)了比較系統(tǒng)的研究。然而，F(xiàn)RP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(xiàng)缺陷。對(duì)FRP筋實(shí)現(xiàn)全壽命周期的健康監(jiān)測(cè)，可以有效提高其工程應(yīng)用的安全性，這種高技術(shù)材料在實(shí)際工程中具有廣泛的應(yīng)用前景。?

對(duì)比文獻(xiàn)1（ZL200910026540.6）、2（ZL200910026538.9）和3（ZL200910027179.3）報(bào)道了一種基于分布式光纖傳感的自監(jiān)測(cè)FRP筋/索規(guī)模化生產(chǎn)工藝，實(shí)為一個(gè)專利。對(duì)比文獻(xiàn)1、2和3中用于傳感的是基于布里淵時(shí)域散射機(jī)理的分布式光纖傳感器，根據(jù)后散射光的頻率漂移量測(cè)量應(yīng)變大小，根據(jù)后散射光的接收時(shí)間進(jìn)行空間定位。但該分布式光纖傳感技術(shù)需要用專門(mén)、高精度的儀器設(shè)備進(jìn)行解調(diào)和分析，通常的解調(diào)設(shè)備為BOTDR、BOTDA或PPP-BOTDA解調(diào)儀，其價(jià)格高昂（BOTDR解調(diào)儀的價(jià)格通常為50萬(wàn)元以上，PPP-BOTDA解調(diào)儀價(jià)格為150萬(wàn)元左右），其操作和分析也需要專門(mén)的技術(shù)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。而本實(shí)用新型用于傳感的是分布式碳纖維傳感技術(shù)，碳纖維為普通的高強(qiáng)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(jià)格非常低廉；如同常用的電阻應(yīng)變片只需要用簡(jiǎn)單的電阻測(cè)試儀器進(jìn)行電阻檢測(cè)即可，不需要價(jià)格高昂的專門(mén)儀器設(shè)備，操作和分析也相對(duì)簡(jiǎn)單，幾乎不需要專門(mén)的技術(shù)人員，推廣和使用價(jià)值更廣。另外，光纖非常脆弱，在生產(chǎn)過(guò)程中極易斷裂，光纖在自監(jiān)測(cè)筋/索中的成活率相對(duì)較低；而本實(shí)用新型所用的碳纖維具有高強(qiáng)度、剛度和其他力學(xué)性能，抗腐蝕性和耐久性良好，生產(chǎn)過(guò)程中不易斷裂，在智能FRP復(fù)合筋生產(chǎn)過(guò)程中存活率高。?

碳纖維不僅具有超過(guò)一般纖維材料的優(yōu)越力學(xué)性能，而且還具有良好的導(dǎo)電性和壓阻效應(yīng)。利用其電學(xué)性能可以制作智能傳感器，國(guó)內(nèi)外對(duì)其進(jìn)行了較多研究。如對(duì)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(jiān)測(cè)）,?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(bào)道了用混雜碳纖維傳感器監(jiān)測(cè)混凝土梁的應(yīng)變和混凝土開(kāi)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(kāi)始出現(xiàn)斷裂，監(jiān)測(cè)的精度和準(zhǔn)確度下降明顯，此后的監(jiān)測(cè)主要以定性監(jiān)測(cè)為主。?

將分布式長(zhǎng)標(biāo)距碳纖維傳感芯復(fù)合進(jìn)FRP筋，形成一種智能結(jié)構(gòu)材料，即智能FRP復(fù)合筋。這樣不僅使碳纖維傳感芯在實(shí)際使用時(shí)得到很好的保護(hù)，同時(shí)能夠?qū)RP筋進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，極大提高這種高強(qiáng)度、高耐久性的高新FRP復(fù)合性材料在工程應(yīng)用時(shí)的安全性和可靠性。?

但在實(shí)際生產(chǎn)、應(yīng)用中主要存在以下幾個(gè)方面問(wèn)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(xù)化大規(guī)模生產(chǎn)和測(cè)量的精度；（2）在FRP材料普通復(fù)合工藝（即熱固性復(fù)合）中碳纖維傳感芯的導(dǎo)線（即用來(lái)連接測(cè)量設(shè)備的導(dǎo)線）引出比較困難；（3）碳纖維纖芯測(cè)量標(biāo)距內(nèi)碳纖維應(yīng)變不均勻等因素降低了分布式傳感測(cè)試的精度，而且傳感芯與外圍纖維存在一定程度的滑移現(xiàn)象；（4）通常的成型工藝沒(méi)有進(jìn)行預(yù)張拉，未預(yù)張拉的碳纖維通常在300με之前的傳感性能比較差。?

針對(duì)上述問(wèn)題，本實(shí)用新型提出了碳纖維長(zhǎng)標(biāo)距化（即定點(diǎn)）、預(yù)張拉及無(wú)滑移布設(shè)技術(shù)，可有效提高分布式傳感碳纖維的測(cè)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(yè)化水平，增加了生產(chǎn)成本，而且會(huì)影響產(chǎn)品的成品率和性能的穩(wěn)定性。?