新型导电填料复合水泥基材料的压敏性研究

论文摘要

应用自感知机敏水泥基复合材料研制嵌入式压敏水泥基应力/应变传感元件,并构建相应的智能混凝土结构系统为实现混凝土结构的健康监测与安全评定提供了一种新的途径。为研制具有灵敏度高、稳定性好、力学性能和耐久性优异的压敏水泥基传感元件提供理论和物质基础,本文对新型导电填料复合水泥基材料的制备、测试方法,导电性,压敏性及其产生机理进行了研究,主要内容如下:1.选取了水泥基复合材料制备所需要的基体组分和几种新型导电填料（包括磨细炭纤维、乙炔炭黑、喷雾炭黑和三种镍粉）,制定了各种导电填料单掺及复掺水泥基复合材料的配比方案并提出了相应的制备方法。2.提出了水泥基复合材料的电极和试件模具设计方法,并验证了基于埋入式环状电极的四电极法测试复合材料体积电阻的可行性;结合四电极法,建立了两套复合材料电阻信号测试的数据采集系统:基于USB-6009采集卡的数据采集系统和无线数据采集传输系统。3.测试了单掺导电填料和复掺导电填料水泥基复合材料的静态电阻率及加载时的电阻率变化规律,发现乙炔炭黑、喷雾炭黑、镍粉以及复掺喷雾炭黑和镍粉在掺量适当时,复合材料均具有较好的压敏性,其中乙炔碳黑、镍粉两种导电填料的复合效果更为优异。4.通过对不同种类、不同体积掺量的镍粉水泥基复合材料的静态电阻率和压敏性灵敏度的比较,发现复合材料的导电性和压敏性与镍粉的形态及体积掺量密切相关。5.探讨了测试条件对乙炔炭黑和球状镍粉水泥基复合材料压敏性的影响,发现两种复合材料的压敏性基本不受加载速率、测试电流和偏心加载的影响。6.通过线性和波尔兹曼S型回归,分别建立了球状镍粉水泥基复合材料在单轴加载情况下的力学、力电本构关系。7.结合渗流理论和试验结果,分析了新型导电填料复合水泥基材料的导电机理和压敏机理,特别从镍粉水泥基复合材料受载时的体积变化角度讨论了其压敏性的产生机理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外的研究现状及分析
• 1.2.1 机敏水泥基材料的概念及研究应用现状
• 1.2.2 自感知机敏水泥基材料的研究与进展
• 1.3 课题主要研究内容
• 第2章 原材料与制备方法
• 2.1 引言
• 2.2 基体材料的选取及主要性能指标
• 2.2.1 水泥
• 2.2.2 硅灰
• 2.2.3 高效减水剂
• 2.2.4 水
• 2.3 导电填料的选取及主要性能指标
• 2.3.1 磨细炭纤维
• 2.3.2 炭黑
• 2.3.3 镍粉
• 2.4 配合比设计
• 2.5 电极与模具设计
• 2.5.1 电极的设计
• 2.5.2 模具的设计
• 2.6 试件制备方法
• 2.6.1 投料顺序和搅拌方法的选取
• 2.6.2 试件成型与养护
• 2.7 本章小结
• 第3章 测试方法
• 3.1 引言
• 3.2 原材料及试件制备方法
• 3.3 实验的加载设备
• 3.4 力学信号的采集
• 3.4.1 应力的测试
• 3.4.2 应变的采集
• 3.5 电学信号的采集
• 3.5.1 体积电阻的测试方法
• 3.5.2 电学信号数据采集系统的设计
• 3.6 本章小结
• 第4章 不同导电填料复合水泥基材料的压敏性
• 4.1 引言
• 4.2 试件制备与测试方法
• 4.3 单掺导电填料水泥基复合材料的压敏性
• 4.3.1 实验方案
• 4.3.2 静态电阻率
• 4.3.3 荷载作用下的电阻率变化
• 4.3.4 不同种类镍粉复合水泥基材料的压敏性
• 4.4 复掺导电填料水泥基复合材料的压敏性
• 4.4.1 实验方案
• 4.4.2 静态电阻率
• 4.4.3 荷载作用下的电阻率变化
• 4.5 本章小结
• 第5章 测试条件对压敏性的影响及本构关系的建立
• 5.1 引言
• 5.2 试件制作和测试方法
• 5.3 压敏性的重现性和测试条件对压敏性的影响
• 5.3.1 实验方案
• 5.3.2 加载速率对压敏性的影响
• 5.3.3 测试电流对压敏性的影响
• 5.3.4 偏心加载对压敏性的影响
• 5.4 镍粉水泥基复合材料本构关系的建立
• 5.4.1 实验方案
• 5.4.2 力学本构关系
• 5.4.3 力电本构关系
• 5.5 本章小结
• 第6章 机理分析
• 6.1 引言
• 6.2 高分子基复合材料的导电机理
• 6.2.1 导电通路形成理论
• 6.2.2 通路形成后的导电机理
• 6.3 水泥基复合材料导电机理
• 6.3.1 导电通路的形成理论
• 6.3.2 通路形成后的导电机理
• 6.4 水泥基复合材料的等效电路图
• 6.5 新型导电填料复合水泥基材料的导电机理分析
• 6.5.1 水泥基复合材料的渗流现象
• 6.5.2 静态和荷载作用下水泥基复合材料导电机理分析
• 6.6 结合体积变化分析镍粉水泥基复合材料的导电机理
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢