基于1‑3型水泥基压电复合材料的剪应力传感器及制备方法与流程

本发明属于水泥基压电复合材料技术领域，尤其涉及一种基于1-3型水泥基压电复合材料的剪应力传感器及制备方法。

背景技术：

水泥基压电复合材料是近几年发展起来的一种新型功能材料，具有压电性能好、机电耦合性能突出、与混凝土材料力学、声学性能匹配性好等特点，在土木工程结构的健康监测中具有潜在的应用前景。

目前研制的水泥基压电复合材料传感器克服了传统传感器与混凝土结构不相容的问题，灵敏度高且耐久性好，可用于混凝土结构内部应力应变等情况的监测。但目前尚无直接测量混凝土结构内部剪应力(即剪切波)的有效手段。混凝土材料的抗剪强度低，在受力状态下易发生剪切破坏，且混凝土的剪切破坏是一个典型的脆性破坏。所以，工作状态下混凝土结构内部剪应力的测量对混凝土结构来说至关重要。开发能直接嵌入混凝土内部、直接用于混凝土内部剪应力测量的传感器，特别是在地震、爆炸和冲击等强动力荷载作用下的动态剪应力的测量具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提供一种适用于混凝土结构内部剪应力测量的基于1-3型水泥基压电复合材料的剪应力传感器及制备方法。

本发明提供的一种1-3型水泥基压电复合材料元件，包括水泥基压电复合材料主体和电极，所述水泥基压电复合材料主体由压电陶瓷柱构成的压电陶瓷柱阵列和充填于压电陶瓷柱间的水泥基材构成；所述压电陶瓷柱阵列是通过对极化后的压电陶瓷块切割获得，切割方向与压电陶瓷块的极化方向垂直。

进一步的，所述水泥基压电复合材料主体中，压电陶瓷柱所占体积比为20％～80％。

作为优选，所述水泥基材由粉煤灰、水泥和水混合得到，其中，粉煤灰和水泥的质量比为(0.05～0.5)：1，水灰比为(0.2～0.7)：1。

本发明提供的一种基于1-3型水泥基压电复合材料的剪应力传感器，包括上述1-3型水泥基压电复合材料元件，以及1-3型水泥基压电复合材料元件外依次包覆的封装层、屏蔽层；所述1-3型水泥基压电复合材料元件的正极和负极均通过导线引出至屏蔽层外与屏蔽线相连，所述屏蔽线还连接屏蔽层。

作为优选，所述封装层的配方包括环氧树脂、粉煤灰、水泥、固化剂和水，其中，环氧树脂、粉煤灰和水泥为主要封装材料；环氧树脂、粉煤灰和水泥的质量比为(0.5～1)：(0.05～0.5)：1；环氧树脂和固化剂的质量比为(1～4)：1；水和主要封装材料的质量比为(0.2～0.7)：1。

作为优选，所述屏蔽层的配方包括石墨粉、水泥和水，其中，石墨粉和水泥为主要屏蔽材料，石墨粉和水泥的质量比为(0.05～0.3)：1，水和主要屏蔽材料的质量比为(0.2～0.7)：1。

本发明提供的一种1-3型水泥基压电复合材料元件的制备方法，包括：

(101)去掉极化后的压电陶瓷块的极化电极；

(102)将压电陶瓷块切割成压电陶瓷柱阵列，切割方向与压电陶瓷块的极化方向垂直；

(103)将压电陶瓷柱阵列置入模具，将水泥基材浇注于模具内，并养护，获得坯体；

(104)取出坯体，对坯体进行抛磨，直至坯体样品的上下表面完全露出压电陶瓷柱；

(105)在坯体完全露出压电陶瓷柱的上下表面制作电极。

作为优选，步骤(3)之前还包括对压电陶瓷柱阵列进行超声清洗的步骤。

作为优选，所述将水泥基材浇注于模具内，具体为：

首先，将配制的水泥基材进行搅拌后，放入真空设备中进行抽真空；

接着，采用抽真空振动浇注法进行浇注，即，浇注的同时进行抽真空并振动模具。

本发明提供的一种基于1-3型水泥基压电复合材料的剪应力传感器的制备方法，包括：

(201)将权利要求1～3中任一项所述1-3型水泥基压电复合材料元件的正负极均通过导线引出；

(202)采用封装材料对1-3型水泥基压电复合材料元件进行封装，并固化；

(203)采用屏蔽材料在封装后的1-3型水泥基压电复合材料元件外制备屏蔽层；

(204)将与所述1-3型水泥基压电复合材料元件正负极连接的导线连接屏蔽线，另，屏蔽线还通过另一导线连接屏蔽层。

本发明提供的一种基于1-3型水泥基压电复合材料的剪应力传感器的应用，将剪应力传感器粘贴于混凝土结构表面或置于混凝土结构内部，从而对混凝土结构进行健康监测。

和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

(1)本发明采用自行设计的1-3型水泥基压电复合材料元件制备剪应力传感器，所制备剪应力传感器灵敏度高、频带响应宽、抗干扰效果好，且与混凝土结构相容性好。可将本发明剪应力传感器埋入混凝土结构内部或粘贴于混凝土结构表面，测量混凝土结构的剪应力，对水泥基压电复合材料在混凝土结构健康监测中的应用具有重要意义。

(2)本发明剪应力传感器采用的1-3型水泥基压电复合材料元件，对水泥基材进行改良，使水泥基压电复合材料结构更加致密，从而提高水泥基压电复合材料的稳定性。

(3)本发明剪应力传感器采用环氧树脂、水泥和粉煤灰的混合物制备封装层，可提高剪应力传感器的灵敏度和频带宽，且封装粘结强度高；同时，还具有良好的耐热性、耐碱性和绝缘性，对1-3型水泥基压电复合材料元件起到保护和封装的作用。

(4)本发明剪应力传感器采用水泥和石墨粉的混合物制备屏蔽层，该屏蔽层使剪应力传感器与混凝土结构具有良好的耦合效果，并具有良好的噪音屏蔽效果，可提高剪应力传感器的信噪比。

(5)本发明剪应力传感器采用铜芯导线和屏蔽铜芯线缆，可更好地降低噪音影响。

(6)本发明1-3型水泥基压电复合材料元件和剪应力传感器的制备工艺简单易操作，适合大规模生产。

附图说明

图1为1-3型水泥基压电复合材料元件具体的制备工艺示意图；

图2为基于1-3型水泥基压电复合材料的剪应力传感器具体的结构示意图；

图3为图2中剪应力传感器的剖视图；

图4为基于1-3型水泥基压电复合材料的剪应力传感器具体的制备工艺示意图。

图中：1-压电陶瓷块，2-极化电极，3-底座，4-压电陶瓷柱，5-水泥基材，6-坯体，7-新电极，8-导线，9-水泥基压电复合材料元件，10-封装层，11-屏蔽层，12-屏蔽线，a表示去掉极化电极步骤，b表示切割压电陶瓷柱步骤，c表示水泥基材浇注步骤，d表示切割底座和抛磨步骤，e表示制作电极步骤，f表示连接导线步骤。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

见图1，本具体实施方式中，采用切割-浇注法制备1-3型水泥基压电复合材料元件，主要原材料包括压电陶瓷块和水泥基材，具体工艺如下：

(101)去掉极化后的压电陶瓷块1的极化电极2，将压电陶瓷块1置于底座3上。所述压电陶瓷块可以为锆钛酸铅压电陶瓷、铌镁锆钛酸铅压电陶瓷、铌锂锆钛酸铅压电陶瓷等。

(102)利用切割机，将压电陶瓷块1切割成若干均匀排列的压电陶瓷柱4，获得压电陶瓷柱阵列；切割方向与压电陶瓷块1的极化方向垂直。

本实施例中，压电陶瓷块1的尺寸为8mm×8mm×8mm，所切割的压电陶瓷柱4尺寸为2mm×2mm×7mm。

(103)将压电陶瓷柱阵列连底座3置入模具内，将水泥基材5浇注于模具中，浇注完成后，放入养护箱养护。

作为优选方案，在实施本步骤前，可采用超声波清洗机对压电陶瓷柱阵列进行超声清洗，去除残留的陶瓷残渣，以避免影响水泥基压电复合材料元件的性能。之后，再将晾干后的压电陶瓷柱阵列置入模具内。

为消除水泥基材中的气泡，提高水泥基材的致密性，将配制的水泥基材进行充分搅拌后，放入真空设备中进行抽真空处理；同时，采用抽真空振动浇注法进行浇注，即，浇注的同时进行抽真空并振动模具。

为减少水泥基材中的孔洞，增强水泥基材的致密性，进一步提高水泥基压电复合材料的整体性能，本发明还提供了一种由水泥、粉煤灰和水混合而成的水泥基材，其中，粉煤灰和水泥的质量比为(0.05～0.5)：1，水灰比为(0.2～0.7)：1，所述水灰比指m水：(m粉煤灰+m水泥)，其中，m水、m粉煤灰、m水泥分别表示水、粉煤灰、水泥的质量。其中，水泥可采用硫铝酸盐水泥、硫铝酸钡钙水泥、硅酸盐水泥、氯酸盐水泥、氟氯酸盐水泥等；粉煤灰可采用ⅰ级粉煤灰、ⅱ级粉煤灰、ⅲ级粉煤灰等。采用该水泥基材浇注，可明显提升提高水泥基压电复合材料的致密性，从而获得更好的稳定性。

(104)养护完成后，取出坯体6，切割掉底座3，并对坯体6进行抛磨，直至坯体6的上下表面完全露出压电陶瓷柱4。本实施例中，最终获得的压电陶瓷柱4尺寸为2mm×2mm×6mm。

(105)在坯体6完全露出压电陶瓷柱4的上下表面制作新电极7，获得1-3型水泥基压电复合材料元件，所制备的1-3型水泥基压电复合材料元件中，压电陶瓷柱4所占体积比为20％～80％，剩余为水泥基材。本实施例中，新电极7采用低温导电银奖。

图2～3为采用本发明1-3型水泥基压电复合材料元件制备的剪应力传感器，包括水泥基压电复合材料元件9、封装层10和屏蔽层11，所述水泥基压电复合材料元件9外依次包覆有封装层10、屏蔽层11，所述水泥基压电复合材料元件9的正极和负极均通过导线8引出至屏蔽层11外、且均连接屏蔽线12，屏蔽线12还通过导线连接屏蔽层11。

本具体实施方式中，所述封装层用来保护和封装所述水泥基压电复合材料元件，其配方包括环氧树脂、粉煤灰、水泥、固化剂和水，其中，环氧树脂、粉煤灰和水泥为主要封装材料，环氧树脂、粉煤灰和水泥的质量比为(0.5～1)：(0.05～0.5)：1，环氧树脂与固化剂的质量比为(1～4)：1，水和主要封装材料的质量比为(0.2～0.7)：1。作为优选，环氧树脂为ab-灌浆树脂、e-55环氧树脂或w95环氧树脂；水泥为硫铝酸盐水泥、硫铝酸钡钙水泥、硅酸盐水泥、氯酸盐水泥或氟氯酸盐水泥；粉煤灰为ⅰ级粉煤灰、ⅱ级粉煤灰或ⅲ级粉煤灰。本发明封装层可提高剪应力传感器的灵敏度和频带宽，且与所述1-3型水泥基压电复合材料元件粘结强度高，具有很好的耐热性、耐碱性和绝缘性等。

本具体实施方式中，所述屏蔽层，其配方包括石墨粉、水泥和水，其中，石墨粉和水泥为主要屏蔽材料，石墨粉和水泥的质量比为(0.05～0.3)：1，水和主要屏蔽材料的质量比为(0.2～0.7)：1。作为优选，所述水泥为硫铝酸盐水泥、硫铝酸钡钙水泥、硅酸盐水泥、氯酸盐水泥或氟氯酸盐水泥；所述石墨粉为超细石墨粉、纳米石墨粉、胶体石墨粉、高碳石墨粉或鳞片石墨粉。本发明屏蔽层可使剪应力传感器与混凝土结构具有较好的耦合效果，且可使剪应力传感器更好地屏蔽噪音，提高剪应力传感器的信噪比。

本具体实施方式中，所述导线采用铜芯导线，所述屏蔽线采用屏蔽铜芯线。

见图4，本具体实施方式中，基于1-3型水泥基压电复合材料的剪应力传感器的具体制备工艺如下：

(201)将上述步骤(101)～(105)制备的1-3型水泥基压电复合材料元件的正极和负极均通过导线引出。

(202)采用封装材料对1-3型水泥基压电复合材料元件进行封装，并固化。

所述封装材料由环氧树脂、粉煤灰、水泥、固化剂和水混合而成，其中，环氧树脂、粉煤灰和水泥为主要封装材料；环氧树脂、粉煤灰和水泥的质量比为(0.5～1)：(0.05～0.5)：1，环氧树脂和固化剂的质量比为(1～4)：1；水和主要封装材料的质量比为(0.2～0.7)：1。

所述封装，其一种具体实施方式为：

模具底部浇注搅拌均匀的封装材料，1-3型水泥基压电复合材料元件放入模具置于底部封装材料中，之后对1-3型水泥基压电复合材料元件进行浇注；浇注完成后的试样放入真空设备进行抽真空处理，以消除封装材料中的气体；最后，试样放入标准养护箱进行养护。

(203)采用屏蔽材料在封装后的1-3型水泥基压电复合材料元件外制备屏蔽层，从而获得剪应力传感器。

所述屏蔽材料由石墨粉、水泥和水混合而成，其中，石墨粉和水泥为主要屏蔽材料，石墨粉和水泥的质量比为(0.05～0.3)：1，水与主要屏蔽材料的质量比为(0.2～0.7)：1。作为优选，所述石墨粉为超细石墨粉、纳米石墨粉、胶体石墨粉、高碳石墨粉或鳞片石墨粉。

所述屏蔽层制备，其一种具体实施方式为：

养护完成的试样放入模具，采用屏蔽材料浇注；浇注完成后的试样再次放入真空设备进行抽真空处理，以消除屏蔽材料中的气体；最后，试样放入标准养护箱进行养护。

(205)将与所述1-3型水泥基压电复合材料元件的正负极连接的导线连接屏蔽线，另外，屏蔽线还通过另一导线连接屏蔽层。

本发明所制备的基于1-3型水泥基压电复合材料的剪应力传感器，可用于测量混凝土结构表面或内部的剪应力，具体为：将剪应力传感器粘贴于混凝土结构表面或置于混凝土结构内部，从而对混凝土结构进行健康监测。