本发明涉及一种用于高速铁路无砟轨道板健康状况实时监测的传感器材料及其制备方法，属于建筑材料
技术领域：
以及传感器材料领域。
背景技术：
：截至2019年底，中国高铁运营里程突破3.5万公里，约占全球高铁网的七成，运营范围广泛，建设环境复杂，途经高寒、高盐、高湿地区等严酷环境。随着列车运行速度的不断提高，列车荷载产生的动力效应越来越明显，极易影响轨道板结构，其安全性能会大幅度下降并且出现很多安全隐患，从而影响到轨道板结构运行的稳定性，如若不能对其健康状况进行实时监测，会对人员和财产造成巨大的损失。在早期及时发现隐蔽损伤，在有效时间内及时获得后期维修和加固的信息，可有效避免高速铁路事故的发生。随着科学研究不断深入，高铁健康监测技术在不断进步，一些新的监测技术、监测数据分析与处理方法等不断出现，但都存在着技术成本高、检测精准度不高、难以实时得到数据等很多缺点。达到这一目的的最大瓶颈在于如何高灵敏获得轨道板结构物的实时健康信息。采用高灵敏度柔性可拉伸复合形变传感器实现轨道板的实时监测是突破这一瓶颈的重要途径。具有耐久性、拉伸性能好、电阻率变化范围大等优点的导电高分子材料，在经过改性后，可作为柔性传感器材料应用到高速铁路无砟轨道板检测中去。导电硅橡胶复合材料作为一种新型的传感材料，近年来已成为功能导电高分子材料的重要成员，其弹性和导电性良好，检测灵敏度高，且抗电磁干扰，倍受学者青睐。导电硅橡胶复合材料是将导电填料(碳纤维、炭黑、石墨粉、金属微粒等)填充在不导电的硅橡胶基体中所获得的柔性复合材料。目前，国内外关于硅橡胶复合材料性能的研究报道多集中于压敏材料，而对拉伸敏感特性及其应用的研究还较少，在交通工程领域利用硅橡胶复合材料采集拉敏信息并进行健康状况监测的报道更加鲜见。技术实现要素：发明目的：为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于高速铁路无砟轨道板健康状况实时监测的传感器材料及其制备方法。本发明提供的用于高速铁路无砟轨道板健康状况实时监测传感器材料对拉伸形变具有优良的响应特性，对拉伸形变有十分迅速的响应速度，且性能稳定，是良好的传感器材料。技术方案：为了实现上述目的，本发明公开了一种用于高速铁路无砟轨道板健康状况实时监测的传感器材料，工艺简单，并且材料具有良好的柔韧性和电阻变形特性。一种用于高速铁路无砟轨道板健康状况实时监测的传感器材料，其主要是由聚二甲基硅氧烷橡胶、固化剂、碳补强材料和有机溶剂制成，所述聚二甲基硅氧烷橡胶与固化剂的质量比为(5～15):1，碳补强材料掺量与聚二甲基硅氧烷橡胶质量比为(2～20):100。可根据改变碳补强材料与聚二甲基硅氧烷橡胶的质量比，从而调控拉伸传感器材料的拉伸敏感率，提高材料的拉伸相应速度。作为优选方案：所述碳补强材料选自炭黑、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中的一种或几种采用任意比例进行混合。所述碳补强材料选自炭黑和碳纤维，其质量分别为聚二甲基硅氧烷橡胶质量的6％。所述聚二甲基硅氧烷橡胶和固化剂选自包括聚二甲基硅氧烷橡胶和固化剂双组份的硅橡胶pdms，型号184。本发明还提供该用于高速铁路无砟轨道板健康状况实时监测的传感器材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将聚二甲基硅氧烷橡胶与固化剂合并溶于有机溶剂中，混合均匀形成均质体；(2)将碳补强材料加入到上述均质体中，搅拌均匀，充分分散；(3)将步骤(2)所得混合物浇筑于模具中，然后真空干燥，以除去气泡和溶剂；(4)最后进行硫化，固化成型后取出样品。作为优选方案：所述有机溶剂选自甲苯。所述硫化，是在70-90℃硫化3-5h。技术效果：相对于现有技术，本发明提供的高速铁路无砟轨道板健康状况实时监测传感器材料制备工艺简单，原料易得，只需将原料简单混合均匀即得产品，无须锻烧耗费燃煤，安全无污染，而且使用方便，利于产品升级转型，实现可循环经济和可持续发展。本发明提供的用于高速铁路无砟轨道板健康状况实时监测传感器材料对拉伸形变具有优良的响应特性，对拉伸形变有十分迅速的响应速度，且性能稳定，是良好的传感器材料。具体实施方式下面结合具体实例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。本发明实施例中，在样品两端连接铜片，利用数字电表(ut33b)测定电阻，并根据公式ρ＝rs/l计算体积电阻率。将试样夹在万能试验机(utm6503型，深圳三思纵横公司生产)样品夹中间进行往复拉伸，夹具间距10mm，采用电化学工作站(chi600e型，北京吉特普伦生物技术有限公司)记录位移过程中通过材料的电流，计算体积电阻率对拉伸位移变化的响应，测试时间为10h。实施例1本实施例提供用于高速铁路无砟轨道板健康状况实时监测传感器材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将硅橡胶pdms，型号184，其中的聚二甲基硅氧烷橡胶与固化剂按10∶1质量比合并溶于有机溶剂如甲苯等中，混合均匀形成均质体。(2)将相对于聚二甲基硅氧烷橡胶质量的6％的炭黑混入均匀有机混合物溶液中，搅拌均匀，充分分散。(3)将混合物浇筑于聚四氟乙烯模具中，然后放入真空干燥箱中真空干燥2h，以除去气泡和溶剂。(4)然后将其置于烘箱中于80℃硫化4h。固化成型后取出样品。实施例2本实施例提供用于高速铁路无砟轨道板健康状况实时监测传感器材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将硅橡胶pdms，型号184，其中的聚二甲基硅氧烷橡胶与固化剂按10∶1质量比合并溶于有机溶剂如甲苯等中，混合均匀形成均质体。(2)将相对于聚二甲基硅氧烷橡胶质量的12％的炭黑混入均匀有机混合物溶液中，搅拌均匀，充分分散。(3)将混合物浇筑于聚四氟乙烯模具中，然后放入真空干燥箱中真空干燥2h，以除去气泡和溶剂。(4)然后将其置于烘箱中于80℃硫化4h。固化成型后取出样品。实施例3本实施例提供用于高速铁路无砟轨道板健康状况实时监测传感器材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将硅橡胶pdms，型号184，其中的聚二甲基硅氧烷橡胶与固化剂按10∶1质量比合并溶于有机溶剂如甲苯等中，混合均匀形成均质体。(2)将相对于聚二甲基硅氧烷橡胶质量的6％的炭黑和6％的碳纤维混入均匀有机混合物溶液中，搅拌均匀，充分分散。(3)将混合物浇筑于聚四氟乙烯模具中，然后放入真空干燥箱中真空干燥2h，以除去气泡和溶剂。(4)然后将其置于烘箱中于80℃硫化4h。固化成型后取出样品。实施例4本实施例提供用于高速铁路无砟轨道板健康状况实时监测传感器材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将硅橡胶pdms，型号184，其中的聚二甲基硅氧烷橡胶与固化剂按10∶1质量比合并溶于有机溶剂如甲苯等中，混合均匀形成均质体。(2)将相对于聚二甲基硅氧烷橡胶质量的6％的碳纤维混入均匀有机混合物溶液中，搅拌均匀，充分分散。(3)将混合物浇筑于聚四氟乙烯模具中，然后放入真空干燥箱中真空干燥2h，以除去气泡和溶剂。(4)然后将其置于烘箱中于80℃硫化4h。固化成型后取出样品。实施例5本实施例提供用于高速铁路无砟轨道板健康状况实时监测传感器材料的制备方法，包括以下步骤：(1)硅橡胶pdms，型号184，其中的聚二甲基硅氧烷橡胶与固化剂按10∶1质量比合并溶于有机溶剂如甲苯等中，混合均匀形成均质体。(2)将相对于聚二甲基硅氧烷橡胶质量的12％的碳纤维混入均匀有机混合物溶液中，搅拌均匀，充分分散。(3)将混合物浇筑于聚四氟乙烯模具中，然后放入真空干燥箱中真空干燥2h，以除去气泡和溶剂。(4)然后将其置于烘箱中于80℃硫化4h。固化成型后取出样品。将实施例1-5的传感器材料进行体积电阻率实验，结果见表1。表1体积电阻率测试结果编号掺量/％体积电阻率(ω·m)实施例16％炭黑19.72实施例212％炭黑0.28实施例36％炭黑+6％碳纤维1.69实施例46％碳纤维60.36实施例512％碳纤维7.04由上表1结果可得，复合导电材料电阻率均随着碳补强材料掺量的增加而下降。增加导电填料用量，由于复合材料内部导电通道的形成，复合材料的体积电阻率变化明显减小。其中添加导电炭黑的复合材料电阻率比相同掺量碳纤维的复合材料电阻率要小。由于单根纤维碳重量远大于单个炭黑粒子，因此在掺用量相同条件下，导电碳纤维之间的距离更大，碳纤维之间所形成导电通路远少于炭黑，电子更加难以在相邻的两根纤维之间发生跃迁。因此，添加量相同时，添加炭纤维的复合材料电阻高于添加炭黑。同理，当一半质量的碳纤维替代炭黑时复合导电材料电阻率要比纯炭黑复合导电材料电阻率大。表2复合材料电阻率变化率对材料伸长率的响应灵敏度复合材料12％炭黑/pdms12％碳纤维/pdms6％炭黑+6％碳纤维/pdmsk1266.7//k2115.4//k3/75.0/k4/28.3/k5//370.9k6//148.5得到复合材料的应变—体积电阻率变化率关系后，分别算出不同复合材料在高伸长率和低伸长率条件下的电阻率变化率响应速率如表2所示。可以看出，炭黑/pdms复合材料对拉应力具有优良的响应特性。在伸长率较低时，电阻变化率对伸长率的响应k1达到266.7，在较高伸长率区域，其响应灵敏度略有下降，k2值为115.4。碳纤维/pdms复合材料的灵敏度低于炭黑/pdms灵敏度。在较低伸长率区域其灵敏度k3为75.0，伸长率较大时灵敏度为28.3。而炭黑+碳纤维/pdms复合材料的灵敏度高于前两者，在较低伸长率区域其灵敏度k5为370.9，伸长率较大时灵敏度为148.5。产生这种差异与两种导电填料的特性有关。粒状导电材料为点接触，因此其灵敏度高。而碳纤维导电材料较长，虽然纤维之间同样是点接触，受拉过程中，纤维之间存在接触式滑动，所以影响了导电通路断开速度，因此低于添加球形炭黑粒子的复合材料的灵敏度。同时添加两种导电填料时，既存在粒状导电材料的点接触，又存在纤维之间接触式滑动，因此导电通路丰富多样，其灵敏度比添加单种导电填料复合材料的灵敏度要高。本发明的传感器材料对拉应力具有优良的响应特性，是良好的传感器材料。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案。若本领域普通技术人员对本发明的技术例进行修改或等同替换，而不脱离本发明的宗旨，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。当前第1页12