多壁碳纳米管/天然橡胶复合材料的大应变传感特性研究

制备了一种多壁碳纳米管改性天然橡胶复合材料,制备过程中通过加入表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)改善碳纳米管在橡胶基体中的分散性能,降低了碳纳米管含量的渗流阈值,更有效地构建导电网络。通过实验研究发现复合材料的拉伸强度和刚度随碳纳米管含量增加而上升;材料的电阻/应变敏感因子在碳纳米管含量4%时最高;材料在循环载荷作用下,电阻和应变保持同步变化,并在一定循环次数后达到稳定,表现出高灵敏、高稳定的响应特性,证明该复合材料适用于大变形构建的应变监测与传感。

加载频率对多壁碳纳米管/天然橡胶复合材料压阻传感行为的影响

为考察多壁碳纳米管/天然橡胶(MWCNT/NR)复合材料压阻传感特性与加载频率的相关性,对不同加载频率下MWCNT/NR复合材料的压敏传感行为进行了系统研究。分析了加载频率对MWCNT/NR复合材料循环应力分布、电阻-应变响应特征和肩峰强度的影响,探讨了电阻变化幅值衰减行为、恢复能力及灵敏度与加载频率间的关系。结果表明,加载频率越大,MWCNT/NR复合材料应力强度越高;其电阻-应变响应行为随着加载循环的进行逐渐独立于加载频率,电阻变化幅值衰减随着加载频率的增大逐渐减小并趋于稳定;而在整个循环加载过程中肩峰强度发展趋势与加载频率呈正相关性。传感特性恢复能力随循环次数的增加而增强,而随加载频率的增加呈下降趋势。

导电氯丁/天然橡胶复合材料力电响应特性

为了提升导电橡胶复合材料在结构健康监测中的应用潜力,通过开炼共混制备多壁碳纳米管(MWCNT)改性氯丁橡胶(CR)-天然橡胶(NR)共混复合材料,探讨CR/NR共混比(质量比)和MWCNT质量分数对复合材料导电性能、力学性能以及电阻-应变响应性能的影响机制。结果表明:当CR/NR共混比为5/5时,MWCNT质量分数的导电渗流阈值最低(仅为0.9%)。随着碳纳米管质量分数增加,材料的强度和刚度有所提升。复合材料在静态和循环载荷下表现出大应变范围(ε>350%)和良好动态电阻-应变响应重复性。最终通过理论模拟与实验结果的对比,建立基于隧道效应理论的电阻-应变定量关系模型。

钢渣沥青混凝土的疲劳性能及应变分析

本文采用等体积代换法设计钢渣沥青混凝土配合比,应用间接拉伸疲劳试验对比了钢渣沥青混凝土与普通沥青混凝土的疲劳性能,通过数字图像相关(DIC)方法研究了两种沥青混凝土在疲劳过程中的应变变形积累。试验结果表明,采用钢渣代替天然集料后,显著提高了沥青混凝土的抗变形能力和抗疲劳性能,以细钢渣代替天然细集料的性能提升效果最为显著。

水侵蚀对钢渣沥青混合料动态模量影响研究

利用钢渣代替石灰岩沥青混合料粗集料,采用Superpave旋转压实制备钢渣沥青混合料。测量不同水侵蚀循环次数(0次、1次、2次、3次、4次、5次)后,不同温度和荷载作用频率下两种沥青混合料的动态模量。分析了不同水侵蚀循环次数对钢渣沥青混合料动态模量的影响,并利用XRD和SEM技术手段观察胀落物的物相组成和微观形貌变化,分析了钢渣沥青混合料性能劣化机理。实验结果表明,未受水侵蚀的钢渣沥青混合料试件,其动态模量明显高于普通沥青混合料;经过水侵蚀5次后,钢渣沥青混合料0℃和20℃的动态模量明显衰减,但残余动态模量仍大于普通沥青混合料;水侵蚀对钢渣沥青混合料的高温动态模量影响明显高于普通沥青混合料。通过XRD与SEM分析发现,钢渣沥青混合料性能劣化的主要机理是由于钢渣水化生成氢氧化钙(Ca(OH)_2)、碳酸钙(CaCO_3)和水化硅酸钙(C-S-H),使试件局部发生膨胀开裂,从而加剧了水的浸入,导致混合料性能衰减。

钢渣沥青砂浆动态模量试验及其主曲线研究

为了获得细钢渣取代石灰岩细集料后沥青砂浆动态特性变化和更宽温频域下钢渣沥青砂浆的动态模量,根据AC-13石灰岩沥青混合料配合比去除粗集料影响得到石灰岩沥青砂浆配合比,应用等体积代换确定钢渣沥青砂浆级配,采用旋转压实成型沥青砂浆试件,并进行动态模量试验,测定不同温度和不同频率下沥青砂浆的动态模量及相位角,依赖时温等效原理计算、确定和分析钢渣沥青砂浆的动态模量主曲线和相位角主曲线。结果表明:在相同的沥青砂浆试件和温度下,动态模量随着频率的增大而增大,相位角整体变化趋势随之减小;在相同实验模式和高频下,沥青砂浆动态模量和相位角受集料的影响较小;在一定条件下,细钢渣的掺入提高了沥青砂浆的动态特性。

多壁碳纳米管/天然橡胶复合材料压阻传感特性实验分析及理论预测

为实现对隔震支座工作性能的有效监测,采用开炼法制备了多壁碳纳米管(MWCNT)/天然橡胶(NR)复合材料,研究了该复合材料在恒应变和间歇加载下的电阻-应变响应行为。结果表明:MWCNT/NR复合材料电阻-应变响应稳定性、重复性、单调性、对称性及“肩峰”效应依赖恒应变载荷;随着间歇时间的增加电阻变化幅值趋于稳定,所建立的理论模型能有效预测该幅值变化。不同脱层形式下MWCNT/NR复合材料表现出不同的压阻行为,采用Digimat和Workbench解释了其响应机制。基于MWCNT导电网络和橡胶材料黏弹性,一个能够完整表征和预测循环电阻-应变响应的数学模型被提出和验证,模型拟合结果与实验结果高度吻合,为实现MWCNT/NR复合材料的工业应用奠定理论基础。

多壁碳纳米管/氯丁橡胶复合材料的应变感知特性研究

通过多壁碳纳米管(MWCNT)共混改性氯丁橡胶(CR),得到了具有电阻-应变响应特性的复合材料。随着碳纳米管含量增加,材料的强度和刚度显著提升。MWCNT含量的导电渗流阈值为4.75 wt%,含量超过该值,MWCNT在橡胶基体内部形成隧穿导电网络,材料具有导电能力。静态和循环载荷下材料的电阻-应变响应测试分析表明,当MWCNT含量为8 wt%时,材料的电阻-应变响应灵敏系数GF>418,体现出良好的应变感知特性。随着MWCNT含量增加,GF值逐渐减小,同时电阻-应变响应的稳定性下降,并出现肩峰效应,证明过高的碳纳米管含量对导电网络随变形发生的破坏与重构产生不利影响。最终通过数字图像相关法(DIC)和电子遂穿效应理论模型,对上述电阻-应变响应机理进行了分析。

基于DIC方法的硫磺改性沥青混合料疲劳断裂试验研究

采用应力控制模式,对不同硫磺掺量(0%、30%、35%、40%)的马歇尔试件进行间接拉伸疲劳试验,使用CCD相机跟踪采集试验过程中的试件疲劳破坏的全过程,利用数字图像相关技术(DIC)和matlab处理试件变形前后中心区域和局部胶浆区域的位移场和应变场,从而研究硫改性沥青混合料的疲劳断裂性能。结果表明:硫磺掺入对沥青混合料的疲劳断裂性能有一定的提高,其中硫磺掺量为35%对沥青混合料的疲劳断裂性能有显著作用,疲劳性能提高3.61倍,硫磺掺量为40%时,疲劳性能提高约2倍,疲劳性能相对35%掺量下降约40%;沥青混合料的疲劳断裂性能取决于沥青胶浆和胶浆与粗集料的界面特性。