專利名稱：一種敏感性相似材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種相似材料及其制備方法，尤其是一種適用于模擬巖土彈脆性及彈 塑性材料的敏感性相似材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
相似模擬試驗(yàn)是按一定的幾何、物理關(guān)系，用模型代替原型進(jìn)行測試研究，并將研 究結(jié)果用于原型的試驗(yàn)方法。它是一種重要的科學(xué)研究手段，是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)按相似原理制 作與原型相似的模型，借助測試儀表觀測模型內(nèi)力參數(shù)及其分布規(guī)律，利用在模型上研究 的結(jié)果，借以推斷原型中可能發(fā)生的力學(xué)現(xiàn)象以及巖體壓力分布的規(guī)律，從而解決巖體工 程生產(chǎn)中的實(shí)際問題。這種研究方法具有直觀、簡便、經(jīng)濟(jì)、快速以及試驗(yàn)周期短等優(yōu)點(diǎn)。而 且能夠根據(jù)需要，通過固定某些參數(shù)，改變另一些參數(shù)來研究實(shí)際工程中的應(yīng)力隨時(shí)間的 變化規(guī)律，這些都是在現(xiàn)場條件下難以實(shí)現(xiàn)的。相似材料是相似試驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵，而在進(jìn)行相似模型試驗(yàn)時(shí)，對模型變形信 息的測試又是根本任務(wù)，試驗(yàn)的數(shù)據(jù)是進(jìn)行科學(xué)研究的根本依據(jù)。目前，用于相似試驗(yàn)的相似材料有很多種，按其膠結(jié)材料不同，分為石蠟、石膏、松 香、水泥等相似材料。而這些相似材料基本都是抗壓強(qiáng)度較大，且在測試中都需要安裝專門 的測試儀表來測試相關(guān)變形的。至今，還未有將相似材料制作成敏感性相似材料的，所以在 模型試驗(yàn)時(shí)，都需專門設(shè)有測試儀器進(jìn)行相關(guān)的測試，而往往又由于測試儀器的原因不能 得到一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如模型內(nèi)部變形等。為此開發(fā)一種具有敏感性的智能相似材料是必要 的。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種原材料來源廣、制備方法簡單、價(jià)格低廉的敏 感性相似材料及其制備方法。技術(shù)方案本發(fā)明的敏感性試驗(yàn)材料，采用凡士林、石蠟、導(dǎo)電炭黑、短切碳纖維及 粉末橡膠為原料，經(jīng)混合均勻制備而成，其質(zhì)量配比如下凡士林100 份；導(dǎo)電炭黑1 10份；石蠟80 200份；短切碳纖維0 50份；粉末橡膠0 100份。本發(fā)明的敏感性相似材料的制備方法步驟如下(1)按質(zhì)量配比稱取凡士林、石蠟、導(dǎo)電炭黑、短切碳纖維、粉末橡膠；(2)先將凡士林和石蠟放入金屬容器內(nèi)，再放入烘箱中加溫融化；(3)待凡士林和石蠟全部融化為液體后，取出金屬容器，將其放入超聲波分散器的 水浴槽中；
(4)打開超聲波使金屬容器內(nèi)的溶液震蕩，對溶液進(jìn)行手工攪拌，邊攪拌邊加入導(dǎo) 電炭黑后，超聲波震蕩20 60min ；(5)將金屬容器取出，放在加熱爐上加溫，用攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，然后依次緩慢加入 短切碳纖維和粉末橡膠，繼續(xù)攪拌至均勻；(6)將攪拌均勻的混合料注入模具，常溫下冷卻約24h固化，即得到敏感性試驗(yàn)材 料。所述放入烘箱中加溫融化的溫度為80 140°C ；所述的水浴槽水溫約為90°C ；所 述放在加熱爐上加溫的溫度為100 140°C。有益效果本敏感性相似材料有如下特點(diǎn)(1)該相似材料具有敏感性，可以直接通過宏觀的電阻測試獲得模型試驗(yàn)的變形 信息，無需額外的測試儀器，大大方便了試驗(yàn)中的測試工作；(2)其強(qiáng)度較低，較小加壓荷載下便可完成試驗(yàn)，加壓設(shè)備簡單；(3)力學(xué)范圍可調(diào)，可以分別模擬彈脆性材料和彈塑性材料，有較大的理論研究價(jià) 值；(4)其原材料來源廣，非常易于加工、不需養(yǎng)護(hù)，且可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用，大大減少了 試驗(yàn)成本。材料中采用的凡士林在常溫下為較粘的半固體，石蠟在常溫下為固體，兩者通過 加溫(溫度高于約70度)便都變?yōu)橐簯B(tài)，此時(shí)便可在其中加入其它原料混合成新的材料， 再去除高溫條件，室溫下冷卻成型。


圖1為本發(fā)明敏感性相似材料實(shí)例一的應(yīng)力_應(yīng)變及電阻_應(yīng)變曲線；圖2為本發(fā)明敏感性相似材料實(shí)例二的應(yīng)力_應(yīng)變及電阻_應(yīng)變曲線；圖3為本發(fā)明敏感性相似材料實(shí)例三的應(yīng)力_應(yīng)變及電阻_應(yīng)變曲線；圖4為本發(fā)明敏感性相似材料實(shí)例四的應(yīng)力_應(yīng)變及電阻_應(yīng)變曲線。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一、按質(zhì)量配比稱量凡士林100 份；石蠟200 份；短切碳纖維40份；導(dǎo)電炭黑 5份；粉末橡膠 100份；短切碳纖維采用0. 2mm長的短切碳纖維。先將按質(zhì)量配比的100份凡士林和200份石蠟放入不銹鋼杯子中，再將不銹鋼杯 子放入烘箱中加熱，烘箱溫度調(diào)為120攝氏度；打開超聲波分散器，調(diào)節(jié)加熱溫度至90度， 開始加熱其水浴槽中的水；約3小時(shí)左右后，凡士林和石蠟都完全融化為液體，超聲波分散 器水浴槽中的水溫也升高到90度左右后，將不銹鋼杯子取出，放在超聲波分散器水浴槽水 面上，打開超聲波震蕩，邊手工攪拌邊緩慢加入質(zhì)量配比5份的導(dǎo)電炭黑，震蕩約40分鐘
4后，將不銹鋼杯子取出，放于加熱爐上，控制容器內(nèi)混合料溫度在120攝氏度左右，使用攪 拌機(jī)攪拌混合料，緩慢加入質(zhì)量配比40份0. 2mm長的短切碳纖維、100份粉末橡膠，攪拌混 合料15分鐘左右；混合料分散均勻后，將其注入模具，室溫冷卻24小時(shí)后，拆模，便得到敏 感性相似材料。對該質(zhì)量配比制成的敏感性相似材料進(jìn)行單軸壓縮測試，試樣兩端采用銅絲網(wǎng)做 電極，用來測試其電阻值，分別得到應(yīng)力_應(yīng)變曲線及電阻-應(yīng)變曲線，如圖1所示。實(shí)施例二、按質(zhì)量配比稱量凡士林100 份；石蠟80份；短切碳纖維0份；導(dǎo)電炭黑 2份；粉末橡膠 80份。先將按質(zhì)量配比的100份凡士林和80份石蠟放入不銹鋼杯子中，再將不銹鋼杯子 放入烘箱中加熱，烘箱溫度調(diào)為130攝氏度；打開超聲波分散器，調(diào)節(jié)加熱溫度至約90度， 開始加熱其水浴槽中的水；約3小時(shí)左右后，凡士林和石蠟都完全融化為液體，超聲波分散 器水浴槽中的水溫也升高到90度左右后，將不銹鋼杯子取出，放在超聲波分散器水浴槽水 面上，打開超聲波震蕩，邊手工攪拌邊緩慢加入導(dǎo)電炭黑，震蕩20分鐘后，將不銹鋼杯子取 出，放于加熱爐上，控制容器內(nèi)混合料溫度在120攝氏度左右，使用攪拌機(jī)攪拌混合料，緩 慢加入粉末橡膠，攪拌混合料10分鐘左右；混合料分散均勻后，將其注入模具，室溫冷卻24 小時(shí)后，拆模，便得到敏感性相似材料。對該質(zhì)量配比制成的敏感性相似材料進(jìn)行單軸壓縮測試，試樣兩端采用銅絲網(wǎng)做 電極，用來測試其電阻值，分別得到應(yīng)力_應(yīng)變曲線及電阻-應(yīng)變曲線，如圖2所示。實(shí)施例三、按質(zhì)量配比稱量凡士林100 份；石蠟160 份；短切碳纖維30份；導(dǎo)電炭黑 1.5份；粉末橡膠 20份；短切碳纖維采用0. 6mm長的短切碳纖維。先將按質(zhì)量配比稱取的100份凡士林和160份石蠟放入不銹鋼杯子中，再將不銹 鋼杯子放入烘箱中加熱，烘箱溫度調(diào)為120攝氏度；打開超聲波分散器，調(diào)節(jié)加熱溫度至 90度，開始加熱其水浴槽中的水；約3小時(shí)左右后，凡士林和石蠟都完全融化為液體，超聲 波分散器水浴槽中的水溫也升高到90度左右后，將不銹鋼杯子取出，放在超聲波分散器水 浴槽水面上，打開超聲波震蕩，邊手工攪拌邊緩慢加入導(dǎo)電炭黑，震蕩30分鐘后，將不銹鋼 杯子取出，放于加熱爐上，控制容器內(nèi)混合料溫度在120攝氏度左右，使用攪拌機(jī)攪拌混合 料，緩慢加入短切碳纖維、粉末橡膠，攪拌混合料15分鐘左右；混合料分散均勻后，將其注 入模具，室溫冷卻24小時(shí)后，拆模，便得到敏感性相似材料。對該質(zhì)量配比制成的敏感性相似材料進(jìn)行單軸壓縮測試，試樣兩端采用銅絲網(wǎng)做 電極，用來測試其電阻值，分別得到應(yīng)力_應(yīng)變曲線及電阻-應(yīng)變曲線，如圖3所示。
實(shí)施例四、按質(zhì)量配比稱量
凡士林100 份；
石蠟120 份；
短切碳纖維0份；
導(dǎo)電炭黑10份；
粉末橡膠50份。
先將按質(zhì)量配比稱取的100份凡士林和120份石蠟放入不銹鋼杯子中，再將不銹
鋼杯子放入烘箱中加熱，烘箱溫度調(diào)為120攝氏度；打開超聲波分散器，調(diào)節(jié)加熱溫度至 90度，開始加熱其水浴槽中的水；約3小時(shí)左右后，凡士林和石蠟都完全融化為液體，超聲 波分散器水浴槽中的水溫也升高到90度左右后，將不銹鋼杯子取出，放在超聲波分散器水 浴槽水面上，打開超聲波震蕩，邊手工攪拌邊緩慢加入導(dǎo)電炭黑，震蕩60分鐘后，將不銹鋼 杯子取出，放于加熱爐上，控制容器內(nèi)混合料溫度在120攝氏度左右，使用攪拌機(jī)攪拌混合 料，緩慢加入粉末橡膠，攪拌混合料15分鐘左右；混合料分散均勻后，將其注入模具，室溫 冷卻24小時(shí)后，拆模，便得到敏感性相似材料。 對該質(zhì)量配比制成的敏感性相似材料進(jìn)行單軸壓縮測試，試樣兩端采用銅絲網(wǎng)做 電極，用來測試其電阻值，分別得到應(yīng)力_應(yīng)變曲線及電阻-應(yīng)變曲線，如圖4所示。
權(quán)利要求
一種敏感性試驗(yàn)材料，其特征在于采用凡士林、石蠟、導(dǎo)電炭黑、短切碳纖維及粉末橡膠為原料，經(jīng)混合均勻制備而成，其質(zhì)量配比如下凡士林 100份；導(dǎo)電炭黑1～10份；石蠟80～200份；短切碳纖維 0～50份；粉末橡膠0～100份。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的敏感性相似材料的制備方法，其特征在于步驟如下(1)按質(zhì)量配比稱取凡士林、石蠟、導(dǎo)電炭黑、短切碳纖維、粉末橡膠；(2)先將凡士林和石蠟放入金屬容器內(nèi)，再放入烘箱中加溫融化；(3)待凡士林和石蠟全部融化為液體后，取出金屬容器，將其放入超聲波分散器的水浴 槽中；(4)打開超聲波使金屬容器內(nèi)的溶液震蕩，對溶液進(jìn)行手工攪拌，邊攪拌邊加入導(dǎo)電炭 黑后，超聲波震蕩20 60min ；(5)將金屬容器取出，放在加熱爐上加溫，用攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，然后依次緩慢加入短切 碳纖維和粉末橡膠，繼續(xù)攪拌至均勻；(6)將攪拌均勻的混合料注入模具，常溫下冷卻約24h固化，即得到敏感性試驗(yàn)材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的敏感性相似材料的制備方法，其特征在于所述放入烘箱中 加溫融化的溫度為80 140°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的敏感性相似材料的制備方法，其特征在于所述的水浴槽中 的水溫約為90°C的
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的敏感性相似材料的制備方法，其特征在于所述放在加熱爐 上加溫的溫度為100 140°C。凡士林 導(dǎo)電炭黑 石蠟1 10份； 80 200份； 0 50份； 0 100份。`100 份；短切碳纖維 粉末橡膠
全文摘要
本發(fā)明涉及的敏感性相似材料及其制備方法，采用質(zhì)量配比的凡士林、石蠟、導(dǎo)電炭黑、粉末橡膠、短切碳纖維為原料，先將凡士林、石蠟加溫融化，攪拌后分別加入導(dǎo)電炭黑、粉末橡膠、短切碳纖維混合均勻制備而成。該相似材料具有敏感性，可以直接通過宏觀的電阻測試獲得模型試驗(yàn)的變形信息，無需額外的測試儀器，大大方便了試驗(yàn)中的測試工作；可用于模擬巖土相似材料，其強(qiáng)度較低，較小加壓荷載下便可完成試驗(yàn)，加壓設(shè)備簡單；原材料來源廣，非常易于加工、不需養(yǎng)護(hù)，且可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用，大大減少了試驗(yàn)成本。
文檔編號C08K7/06GK101914292SQ201010255720
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月13日
發(fā)明者劉卓典, 周國慶, 廖波, 梁恒昌, 趙光思, 陳國舟 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)