阅读说明：本技术 一种改性水泥基压电复合材料传感器及其制造方法 (Modified cement-based piezoelectric composite material sensor and manufacturing method thereof ) 是由 张玉栋 毕全超 胡建林 丛晓红 赵飞 赵玉婕 于 2020-05-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种改性水泥基压电复合材料传感器及其制造方法,其传感器包括压电复合体,压电复合体包括基本相和功能相,基本相为与钢筋混凝土主体结构相适应的水泥基体,基本相中设置有用于改善基本相和功能相电化学差异的碳纳米管。功能相包括压电陶瓷柱、压电陶瓷颗粒。碳纳米管与竖向的压电陶瓷柱之间的夹角为锐角。其制造方法,包括以下步骤：向丙酮中加入碳纳米管,超声分散；加入水泥和压电陶瓷颗粒,超声分散；入蒸馏水,搅拌；加入压电陶瓷柱,抽真空；进行电场诱导；养护；二次极化。本发明中基本相为水泥基体,从而使其与被检测对象更好的相容,通过电场诱导工艺,使碳纳米管进行定向倾角排列,解决基本相和功能相之间的电化学差异。(The invention discloses a modified cement-based piezoelectric composite material sensor and a manufacturing method thereof. The functional phase comprises piezoelectric ceramic columns and piezoelectric ceramic particles. The included angle between the carbon nano tube and the vertical piezoelectric ceramic column is an acute angle. The manufacturing method comprises the following steps: adding carbon nano tubes into acetone, and performing ultrasonic dispersion; adding cement and piezoelectric ceramic particles, and performing ultrasonic dispersion; adding distilled water, and stirring; adding a piezoelectric ceramic column, and vacuumizing; performing electric field induction; maintaining; and (5) secondary polarization. The basic phase is a cement matrix, so that the basic phase is better compatible with an object to be detected, and the carbon nano tubes are aligned at a directional inclination angle through an electric field induction process, so that the electrochemical difference between the basic phase and the functional phase is solved.)

一种改性水泥基压电复合材料传感器及其制造方法

技术领域

本发明属于建筑工程健康监测领域，具体涉及一种改性水泥基压电复合材料传感器及其制造方法。

背景技术

目前，建筑工程中采用智能监测系统对建筑结构实施在线健康监测和预报已成为建筑行业的前沿研究方向。比较常用的结构传感器有以下几种,如光导纤维、压电陶瓷、记忆合金等。这些材料与钢筋混凝土结构的相容性往往存在较大的问题。相容性的问题会进一步在一定程度上影响传感精度,监测的效果也会大打折扣。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种改性水泥基压电复合材料传感器及其制造方法。

本发明的技术方案是：一种改性水泥基压电复合材料传感器，包括压电复合体，所述压电复合体包括基本相和功能相，所述基本相为与钢筋混凝土主体结构相适应的水泥基体，所述功能相置于基本相中，所述基本相中设置有用于改善基本相和功能相电化学差异的碳纳米管。

更进一步的，所述功能相包括压电陶瓷柱、压电陶瓷颗粒。

更进一步的，所述压电陶瓷柱在水泥基体竖向布设，所述压电陶瓷颗粒在水泥基体中均布。

更进一步的，所述碳纳米管与竖向的压电陶瓷柱之间的夹角为锐角。

更进一步的，所述碳纳米管与竖向的压电陶瓷柱之间的夹角为30°。

更进一步的，所述碳纳米管通过电诱导倾斜定向排列在水泥基体中。

更进一步的，所述压电复合体上下两端设置有铜网和电极。

更进一步的，所述压电复合体上下两端还设置有引线，所述引线嵌装在压电复合体的凹槽中。

更进一步的，所述引线通过焊点焊接固定。

一种改性水泥基压电复合材料传感器的制造方法，包括以下步骤：

ⅰ.将碳纳米管加入到丙酮中进行超声分散

ⅱ.向步骤ⅰ中的混合物加入水泥和压电陶瓷颗粒，超声分散

ⅲ.向步骤ⅱ中的混合物加入蒸馏水，搅拌；

ⅳ.加步骤ⅲ中的混合物加入压电陶瓷柱，抽真空；

ⅴ.在直流高压电场中对步骤ⅳ混合物内的碳纳米管进行诱导排列，诱导电场方向与压电陶瓷柱倾斜；

ⅵ.将步骤ⅴ获得的试件放置在养护箱中进行养护；

ⅶ.水泥固化后，将试件放置在硅油中进行二次极化，完成压电复合体的制备；

ⅸ.安装铜网、电极和引线。

本发明将压电复合体中的基本相设计为水泥基体，从而使其与被检测对象钢筋混凝土结构更好的相容，从根本上彻底解决了相容性误差的引入，同时通过电场诱导工艺，使碳纳米管进行定向倾角排列，解决基本相和功能相之间的电化学差异，本发明开创性的从根本点解决相容误差，保证传感精度和监测准确度。

附图说明

图1 是本发明的主视图；

图2 是图1的纵向剖面图；

图3 是本发明的顶部结构示意图；

其中：

1 压电复合体 2 铜网

3 电极 4 引线

5 水泥基体 6 压电陶瓷柱

7 压电陶瓷颗粒 8 碳纳米管

9 凹槽 10 焊点。

具体实施方式

以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：

如图1~3所示，一种改性水泥基压电复合材料传感器，包括压电复合体1，所述压电复合体1包括基本相和功能相，所述基本相为与钢筋混凝土主体结构相适应的水泥基体5，所述功能相置于基本相中，所述基本相中设置有用于改善基本相和功能相电化学差异的碳纳米管8。

所述功能相包括压电陶瓷柱6、压电陶瓷颗粒7。

所述压电陶瓷柱6在水泥基体5竖向布设，所述压电陶瓷颗粒7在水泥基体5中均布。

所述碳纳米管8与竖向的压电陶瓷柱6之间的夹角为锐角。

所述碳纳米管8通过电诱导倾斜定向排列在水泥基体5中。

所述压电复合体1上下两端设置有铜网2和电极3。

所述压电复合体1上下两端还设置有引线4，所述引线4嵌装在压电复合体1的凹槽9中。

所述引线4通过焊点10焊接固定。

所述压电复合体1的基本相采用水泥基体5能够很好的与钢筋混凝土主体结构进行相容，从而彻底解决光导纤维、压电陶瓷、记忆合金与钢筋混凝土主体结构相容性差的问题，避免了相容性误差引入到监测结果中，提高了传感精确度。

优选的，所述压电陶瓷柱6为1型压电陶瓷柱，所述压电陶瓷颗粒7为0型压电陶瓷颗粒，提高整个传感器中的功能材料。

又一实施例

一种改性水泥基压电复合材料传感器，包括压电复合体1，所述压电复合体1包括基本相和功能相，所述基本相为与钢筋混凝土主体结构相适应的水泥基体5，所述功能相置于基本相中，所述基本相中设置有用于改善基本相和功能相电化学差异的碳纳米管8。

所述功能相包括压电陶瓷柱6、压电陶瓷颗粒7。

所述压电陶瓷柱6在水泥基体5竖向布设，所述压电陶瓷颗粒7在水泥基体5中均布。

优选的，所述碳纳米管8与竖向的压电陶瓷柱6之间的夹角为30°。

所述碳纳米管8通过电诱导倾斜定向排列在水泥基体5中。

所述压电复合体1上下两端设置有铜网2和电极3。

所述压电复合体1上下两端还设置有引线4，所述引线4嵌装在压电复合体1的凹槽9中。

所述引线4通过焊点10焊接固定。

所述压电复合体1的基本相采用水泥基体5能够很好的与钢筋混凝土主体结构进行相容，从而彻底解决光导纤维、压电陶瓷、记忆合金与钢筋混凝土主体结构相容性差的问题，避免了相容性误差引入到监测结果中，提高了传感精确度。

优选的，所述压电陶瓷柱6为1型压电陶瓷柱，所述压电陶瓷颗粒7为0型压电陶瓷颗粒，提高整个传感器中的功能材料。

所述碳纳米管8为水泥基体5的改性材料，改善基体相和功能相之间的电化学差异。

优选的，通过定向角度排列提高改性效果，所述碳纳米管8与竖向的压电陶瓷柱6之间的夹角为30°，是通过电场诱导，使碳纳米管在基体中进行定向排列。

其中电场诱导的过程如下：

在水泥基未固化前，将试件放置在直流高压电场中对碳纳米管进行诱导排列，诱导电场方向与压电陶瓷柱夹角为30度，诱导电压为600V/cm，诱导时间为30min。

所述凹槽9对引线4和焊点10进行容纳，防止使用过程中引线脱落。

所述水泥基体5中的水泥采用42.5普通硅酸盐水泥。

所述碳纳米管8的长度5-15μm。

优选的，碳纳米管8的体积掺量为基体相的0.7%，压电陶瓷颗粒7的体积掺量为基体相的20%，压电陶瓷柱6的体积掺量为基体相的40%。

一种改性水泥基压电复合材料传感器的制造方法，包括以下步骤：

ⅰ.将碳纳米管加入到丙酮中进行超声分散

ⅱ.向步骤ⅰ中的混合物加入水泥和压电陶瓷颗粒，超声分散

ⅲ.向步骤ⅱ中的混合物加入蒸馏水，搅拌；

ⅳ.加步骤ⅲ中的混合物加入压电陶瓷柱，抽真空；

ⅴ.在直流高压电场中对步骤ⅳ混合物内的碳纳米管进行诱导排列，诱导电场方向与压电陶瓷柱倾斜；

ⅵ.将步骤ⅴ获得的试件放置在养护箱中进行养护；

ⅶ.水泥固化后，将试件放置在硅油中进行二次极化，完成压电复合体的制备；

ⅸ.安装铜网、电极和引线。

优选的，一种改性水泥基压电复合材料传感器的制造方法，包括以下步骤：

ⅰ.将碳纳米管加入到丙酮中进行超声分散，超声分散24h；

ⅱ.向步骤ⅰ中的混合物加入水泥和压电陶瓷颗粒，超声分散，超声分散2h；

ⅲ.向步骤ⅱ中的混合物加入蒸馏水，搅拌，搅拌10分钟；

ⅳ.加步骤ⅲ中的混合物加入压电陶瓷柱，抽真空5分钟，抽真空5分钟；

ⅴ.在直流高压电场中对步骤ⅳ混合物内的碳纳米管进行诱导排列，诱导电场方向与压电陶瓷柱倾斜，其中，诱导电场方向与压电陶瓷柱夹角为30度，诱导电压为600V/cm，诱导时间为30min；

ⅵ.将步骤ⅴ获得的试件放置在养护箱中进行养护，养护3d；

ⅶ.水泥固化后，将试件放置在硅油中进行二次极化，完成压电复合体的制备。

当诱导电场方向与1型压电陶瓷柱的夹角为30度时，0-3-1型压电复合材料的压电应变常数可以达到118pC/N。

本发明将压电复合体中的基本相设计为水泥基体，从而使其与被检测对象钢筋混凝土结构更好的相容，从根本上彻底解决了相容性误差的引入，同时通过电场诱导工艺，使碳纳米管进行定向倾角排列，解决基本相和功能相之间的电化学差异，本发明开创性的从根本点解决相容误差，保证传感精度和监测准确度。