炭黑/硅橡胶导电复合薄膜传感特性研究

利用溶剂法工艺成功制作了炭黑/硅橡胶导电复合薄膜(厚度约0.1 mm),对其进行了拉伸、压缩及温度敏感性试验。测试结果表明,试样具有优良的拉-敏传感特性,随着拉伸变形的增大(应变达到25%)试样电阻不断增大,且电阻-应变之间具有较好的线性关系。压缩过程中,随着压力的增大(压力达到30 MPa)试样电阻增大,两者同样具有较好的线性关系。温敏试验表明,试样电阻随温度的下降而降低,且趋势相似。研究结果表明,薄膜结构的炭黑/硅橡胶导电复合材料具有优良的传感特性。

炭黑/硅橡胶导电复合材料微观结构及其导电特性

对炭黑/硅橡胶导电复合材料的微观结构及导电特性进行了研究。以液体硅橡胶为绝缘基体、纳米导电炭黑颗粒为填充材料制作的复合材料具有优良的导电特性,通过实验测试获得了不同炭黑含量下复合材料的电阻率,当炭黑质量分数>4%时,可获得较好的导电性。利用电子扫描系统对炭黑颗粒在硅橡胶基体中的微观结构分布进行了观察,观察发现纳米炭黑颗粒主要以"团聚体"及与之相连的"链条"结构两种形式存在,并不是均匀规则的。将"团聚体"与"链条"结构简化为可变形的"大颗粒",在此基础上建立了相应的导电模型。

厚砂土层斜井井壁应力分布规律三维光弹性模型试验

以穿越厚砂土层的某煤矿主斜井为工程背景,设计了物理模型试验,建立了斜井井壁三维光弹性应力冻结试验方法。实现了考虑斜向倾角作用下穿越厚砂土层斜井井壁应力状态的三维试验模拟,并结合应力冻结后模型横、纵向切片光弹测试得到的全场最大剪应力等值线图对井壁应力随埋深、环向角度变化规律进行了分析。研究结果表明,井壁横向切片内应力水平和应力分布不均匀性均远大于纵向切片,最大剪应力的应力集中区域出现在井壁两帮内缘水平面±25°范围内,斜井井壁顶部最大剪应力大于底部;随斜井井壁埋深增加,纵向应力近似线性增加,但不同环向角度对应的应力增加速度差异较大,从而导致不同埋深位置,井壁内部应力的量值和分布规律均有差异。

大型槽仓基坑填方加筋土筋带变形实测分析

针对目前土工筋带测试存在可靠性低和成本高昂的困境,自行研制了基于复合导电材料的新型筋带大变形传感元件,并成功应用于内蒙某大型槽仓基坑填方加筋带变形监测项目中。结果表明:土工筋带变形随上覆填土厚度增加呈阶梯状增大,其中相邻上层填土对筋带受力影响最大,至上覆填土2～3层后变形逐渐趋于稳定,即各层筋带施工危险期为该层以上填土施工前期。沿筋带长度方向上,各测点变形出现不均匀性和随填土高度增加动态调整的过程,但所有测点变形最大不超过1.8%,且部分测点出现受挤压现象。相应地填方底部的竖向土压力测值也随填土厚度增加呈线性增大,最大达250 kPa,且同一纵线方向上不同测点土压也呈现出不均匀性和多峰性。而墙背土压则基本也只受其上2～3层填土影响,其后趋于稳定且总值不大。最后,对填方加筋土的潜在破裂面形式分析为指数函数的直曲滑面,并结合不同高度处筋带变形最大值分布规律提出了现场铺设密度优化的建议。

负温下炭黑/硅橡胶导电复合薄膜力敏特性研究

对炭黑/硅橡胶导电复合薄膜试样进行了负温条件下的力敏特性试验研究。测试结果表明,薄膜试样在负温下(最低温度达到-35℃)仍具有优良的拉伸敏感特性。试样电阻随拉伸变形的增大而增大,电阻与应变(最大应变达到20%)之间具有良好的线性关系。不同负温条件,复合薄膜试样表现出基本一致的力敏特性。炭黑含量越大,试样导电稳定性越好,但灵敏度相应有所降低。研究结果表明,薄膜元件可满足较低负温、较大应变下的拉伸变形测试,且线性度、稳定性都较好。

炭黑/硅橡胶导电复合材料力敏元件温度响应试验研究

利用炭黑/硅橡胶导电复合材料制作了大变形力敏传感元件,对其温度荷载下的电阻响应进行了试验研究,并根据其导电机理对温敏特性进行了深入分析。试验发现制作的大变形力敏传感元件具有正温度系数特性,电阻随温度的升高而增大;温度稳定时,具有电阻弛豫现象。硅橡胶基体随温度变化体积发生变化是造成复合材料温度敏感性的主要原因;同时,温度变化也会影响电子跃迁能力,进而影响到复合材料温度响应。橡胶基体的粘弹性以及试样具有一定厚度的尺寸效应是导致其温度响应滞后性的主要原因。

炭黑/硅橡胶导电敏感复合材料可重复性试验研究

利用溶剂法工艺制备了炭黑/硅橡胶导电复合材料，对其进行了拉伸及压缩敏感试验，研究其可重复性。拉伸试验结果表明，各配方试样电阻-拉伸应变曲线均具有较好的可重复性（最大应变达到24%左右）；C4与C6试样的可重复性略差于C8~C18试样，这主要是由于炭黑含量小于6%时，复合材料内部导电网络不太稳定造成的。压缩试验结果表明，复合材料的压阻敏感性也具有一定的可重复性（最大压力达到15 MPa左右）。总体看来，炭黑/硅橡胶复合材料的拉伸及压缩敏感性在较大拉伸应变及压应力范围内都具有较好的可重复性及线性度，满足开发传感器的基本性能要求。

炭黑/硅橡胶复合材料力敏元件热、力敏感试验研究

在岩土力学与工程领域,大变形测试方法与技术亟待开发。前期研究发现,利用炭黑/硅橡胶导电复合材料研发的力敏元件具有较好的大变形敏感特性。根据研究需要,通过试验方法研究了这种大变形力敏元件的热、力敏感耦合特性。对制作的力敏元件进行了两种加载试验,一是固定拉伸应变下温度循环试验;二是变应变下温度循环试验。试验结果表明,恒定应变下,试样电阻随温度循环而循环,且呈现出电阻松弛现象;应变与温度同时变化时,电阻的变化主要受应变影响,温度影响相对较弱。

土工筋带变形测试传感器研发与试验研究

工程上,土工加筋带变形测试一直是个难题,主要是因为其应变较大且加筋带外层是相对较软的聚合物结构。利用纳米导电炭黑颗粒充填聚合物获得敏感材料,再通过印刷技术将其印刷在塑料薄片上,制作成传感元件。通过拉伸试验测试了四种不同底板传感元件的传感性能,试验结果表明,四种元件均具有拉伸敏感性,电阻值随拉伸应变的增大而增大,且满足模量匹配与较大应变要求。对比分析发现,PVC底板传感元件的综合性能最佳,适合作为土工筋带变形测试元件使用。另外,这种方法制作的传感元件可批量化生产,无需逐个标定,极大地提高了它的实用性。

负温下炭黑/树脂复合材料温度敏感特性

对纳米炭黑填充的树脂基导电复合材料负温下的温度响应进行了试验研究。试验发现,该导电复合材料在负温下具有正温度系数(PTC)特性,电阻值随温度的降低而降低,随温度的升高而升高。炭黑含量对其温度敏感性的影响是明显的,35%配方的温度灵敏度最好,随着炭黑含量增大,灵敏度逐渐降低。分析认为,树脂基材料的热胀冷缩是导致该复合材料热敏性的主要原因;炭黑含量越高,材料内部的导电网络越稳定,温度变化对电阻的影响越小。

低温下胶基导电复合材料力敏特性试验研究

对炭黑/硅橡胶导电复合材料进行了低温条件下的力敏特性试验研究。测试结果表明,胶基导电复合材料在低温下仍具有优良的拉伸敏感性(最低温度达到-35℃)及压缩敏感特性。拉伸时,试样电阻随拉伸变形的增大而增大,电阻与应变(最大应变达到20%)之间具有良好的线性关系;压缩时,试样电阻与压缩应力之间也表现出较好的线性关系。研究结果表明,胶基导电复合材料是较低负温下应变及应力测试的理想敏感元件,特别对于大变形测试具有明显优势。

炭黑充填重塑粉土单轴压缩裂隙群体发展演化测试

利用炭黑充填粉土配制了导电性的土工材料,通过表面布置分布式电极的测试方法,对其内部电阻变化率沿压缩方向进行分布式测量。研究表明:内部裂隙繁衍发展引起的电阻变化可对试样受力阶段进行同步且敏感的响应;根据不同电极间电阻变化率测试值的差异,可反映试样受压破坏演化过程不同部位裂隙扩展程度。研究认为,电极间测试电阻对裂隙扩展具有敏感性,分布式电极的测试方法能够对试样破坏演化过程进行捕捉并反映不同部位裂隙群体发展变化情况,初步具有自测试的能力。