一種基于碳纖維傳感的智能FRP復合筋制造技術

本實用新型專利技術公開了一種基于碳纖維傳感的智能FRP復合筋，該智能FRP復合筋由長標距碳纖維傳感芯和外包覆FRP層組成，長標距碳纖維傳感芯由碳纖維傳感芯半成品、非導電纖維包覆層、隔膠層及保護層組成，所述的碳纖維傳感芯半成品由碳纖維和樹脂固化層組成，在碳纖維上設置有電極，非導電纖維包覆層繞制在傳感芯半成品外表面，且電極處的非導電纖維包覆層厚度大于非電極處的非導電纖維包覆層厚度，在非電極處的非導電纖維包覆層外表面依次設置隔膠層及保護層。本實用新型專利技術智能FRP復合筋具有分布式、穩定的監測性能以及優良的力學性能，生產成本卻不顯著高于普通FRP筋的生產成本。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本技術涉及一種基于碳纖維傳感的智能FRP復合筋，屬于智能材料與結構及傳感監測的

技術介紹
連續纖維增強聚合物復合材料(Fiber Reinforced Polymer, FRP)具有拉伸強度高、密度小、比強度及比剛度高、抗化學腐蝕、耐久性好等諸多優點。因此，FRP被認為是可以在土木、交通、巖土等工程結構中代替鋼材的良好選擇，具有廣闊的應用前景。目前，用于實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合成筋材、板材以及其他各種形式的型材。其中，FRP筋受到了研究者的廣泛研究和關注。國內，東南大學、清華大學、同濟大學、福州大學等一些大學和科研機構對FRP筋的基本力學性能及其增強結構的性能展開了比較系統的研究。然而，·FRP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、脆性破壞等多項缺陷。對FRP筋實現全壽命周期的健康監測，可以有效提高其工程應用的安全性，這種高技術材料在實際工程中具有廣泛的應用前景。對比文獻KZL200910026540. 6)、2(ZL200910026538. 9)和 3CZL200910027179. 3)報道了一種基于分布式光纖傳感的自監測FRP筋/索規模化生產工藝，實為一個專利。對比文獻1、2和3中用于傳感的是基于布里淵時域散射機理的分布式光纖傳感器,根據后散射光的頻率漂移量測量應變大小，根據后散射光的接收時間進行空間定位。但該分布式光纖傳感技術需要用專門、高精度的儀器設備進行解調和分析，通常的解調設備為B0TDR、B0TDA或PPP-B0TDA解調儀，其價格高昂(B0TDR解調儀的價格通常為50萬元以上，PPP-B0TDA解調儀價格為150萬元左右)，其操作和分析也需要專門的技術人員，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。而本技術用于傳感的是分布式碳纖維傳感技術，碳纖維為普通的高強度、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格非常低廉；如同常用的電阻應變片只需要用簡單的電阻測試儀器進行電阻檢測即可，不需要價格高昂的專門儀器設備，操作和分析也相對簡單，幾乎不需要專門的技術人員，推廣和使用價值更廣。另外，光纖非常脆弱，在生產過程中極易斷裂，光纖在自監測筋/索中的成活率相對較低；而本技術所用的碳纖維具有高強度、剛度和其他力學性能，抗腐蝕性和耐久性良好，生產過程中不易斷裂，在智能FRP復合筋生產過程中存活率高。碳纖維不僅具有超過一般纖維材料的優越力學性能，而且還具有良好的導電性和壓阻效應。利用其電學性能可以制作智能傳感器，國內外對其進行了較多研究。如對比文件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測)，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)報道了用混雜碳纖維傳感器監測混凝土梁的應變和混凝土開裂，由于混雜了低彈性模量的碳纖維，因而在約4,OOO μ ε后高模量的碳纖維開始出現斷裂，監測的精度和準確度下降明顯，此后的監測主要以定性監測為主。將分布式長標距碳纖維傳感芯復合進FRP筋,形成一種智能結構材料，即智能FRP復合筋。這樣不僅使碳纖維傳感芯在實際使用時得到很好的保護，同時能夠對FRP筋進行有效的實時監測，極大提高這種高強度、高耐久性的高新FRP復合性材料在工程應用時的安全性和可靠性。但在實際生產、應用中主要存在以下幾個方面問題(I)碳纖維在FRP筋的拉擠成型工藝中容易受損、存活率較低，影響連續化大規模生產和測量的精度；(2)在FRP材料普通復合工藝(即熱固性復合)中碳纖維傳感芯的導線(即用來連接測量設備的導線)引出比較困難；(3)碳纖維纖芯測量標距內碳纖維應變不均勻等因素降低了分布式傳感測試的精度，而且傳感芯與外圍纖維存在一定程度的滑移現象；(4)通常的成型工藝沒有進行預張拉，未預張拉的碳纖維通常在300 μ ε之前的傳感性能比較差。針對上述問題，本技術提出了碳纖維長標距化(即定點)、預張拉及無滑移布·設技術，可有效提高分布式傳感碳纖維的測試精度。然而，目前各種研究中總是涉及到非常繁雜的人工處理，不僅降低了工業化水平，增加了生產成本，而且會影響產品的成品率和性能的穩定性。本技術是建立在機械化、自動控制化的基礎上，真正意義實現基于碳纖維分布式傳感的智能FRP復合筋的規模化生產。
技術實現思路
技術問題本技術所要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，提供一種基于碳纖維傳感的智能FRP復合筋，并在適當改造現有FRP筋的生產設備及工藝的基礎上，研發出適合于基于分布式碳纖維傳感技術的智能FRP復合筋規模化制造工藝。技術方案本技術為解決技術問題所采用的技術方案為一種基于碳纖維分布式傳感的智能FRP復合筋，由長標距碳纖維傳感芯和外包覆FRP層組成；其中長標距碳纖維傳感芯由碳纖維傳感芯半成品、非導電纖維包覆層、隔膠層及保護層組成，所述的碳纖維傳感芯半成品由碳纖維和樹脂固化層組成，在碳纖維上設置有電極，所述的非導電纖維包覆層繞制在碳纖維傳感芯半成品外表面，且電極處的非導電纖維包覆層厚度大于非電極處的非導電纖維包覆層，在非電極處的非導電纖維包覆層外表面依次設置所述的隔膠層及保護層。外包覆層由纖維經樹脂浸潤固化而成。智能FRP復合筋的特色之處在于采用預張拉、長標距化(隔膠層封裝)及無滑移技術制得長標距碳纖維傳感芯，經過這樣的措施處理可大幅提高碳纖維傳感的精度和使用性，智能FRP復合筋的自傳感性能優劣主要取決于長標距碳纖維傳感芯的性能優劣。制備長標距碳纖維傳感芯所用的碳纖維可以為高強度、中模量和高模量碳纖維，也可以上述幾種纖維的混雜物。通常情況下，高強度碳纖維的傳感性能要優于高模量碳纖維的傳感性能；幾種碳纖維混雜后，可以實現階躍式傳感。根據不同的工程需求，可以適當選取碳纖維的種類。同時，在傳感芯的外圍纏繞一層FRP包覆層，該FRP層是主要受力層，智能FRP復合筋的力學性能優劣主要取決該FRP包覆層的力學性能。根據碳纖維傳感芯的參數(碳纖維種類、長標距與否等)及外圍FRP包覆層參數(纖維種類、樹脂種類等)，所生產的智能FRP復合筋可分為多個不同的系列。智能FRP復合筋的生產工藝包括以下步驟第一步、測量電極的安裝去除安裝測量電極部分碳纖維表面的浸潤劑，拋光金屬絲并涂導電膠，然后每隔一標距長度固定在碳纖維束上，使碳纖維和金屬絲充分接觸粘結，并預留一段金屬絲作為導線接頭；第二步、用樹脂對安裝了電極的碳纖維束進行浸潰并固化，形成長標距碳纖維傳感芯半成品；第三步、長標距碳纖維傳感芯的制備和封裝在長標距碳纖維傳感芯半成品外圍編織非導電纖維并用樹脂浸潰后形成一 FRP包覆層；在測量電極部分編織的厚度大于其他·部分，電極部分的編織長度不小于20mm，在相鄰兩電極之間涂敷一個標距長度的隔膠層，在隔膠層的外圍包覆彈性模量小的軟樹脂或泡沫塑料或低彈性模量本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于碳纖維傳感的智能FRP復合筋，其特征是：由長標距碳纖維傳感芯（8）和外包覆FRP層（29）組成；其中長標距碳纖維傳感芯（8）由碳纖維傳感芯半成品（4）、非導電纖維包覆層（5）、隔膠層（6）及保護層（7）組成，所述的碳纖維傳感芯半成品（4）由碳纖維（2）和樹脂固化層組成，在碳纖維（2）上設置有電極（1），所述的非導電纖維包覆層（5）繞制在碳纖維傳感芯半成品（4）外表面，且電極（1）處的非導電纖維包覆層（5）厚度大于非電極處的非導電纖維包覆層（5），在非電極處的非導電纖維包覆層（5）外表面依次設置所述的隔膠層（6）及保護層（7）。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊才千，王紅濤，吳智深，楊小聰，
申請(專利權)人：楊才千，
類型：實用新型
國別省市：