本發(fā)明涉及一種使用連續(xù)智能碳纖維復(fù)合材料傳感元件及其制作方法，適用于實(shí)時監(jiān)測結(jié)構(gòu)受到自身或外部溫度、荷載變化，屬于分析及控制測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

智能傳感器是一門涉及多種學(xué)科的綜合技術(shù)，是當(dāng)今社會正在發(fā)展中的高新技術(shù)，被廣泛地應(yīng)用于軍事、航天航空、科研、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、交通等領(lǐng)域和部門，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。隨著傳感器智能化概念的提出，人們對傳感器的要求也越來越高，尤其是需求量位居傳感器之首的溫度傳感器，高精度、智能化正成為溫度傳感器的發(fā)展方向。根據(jù)智能化理論，需要一種在長時間工作后，仍可精確測溫的智能溫度傳感器，解決某些特殊環(huán)境下使用的溫度傳感器安裝到位后就不能拆除下來進(jìn)行標(biāo)校的問題。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料Carbon fiber reinforced polymer/plastic，簡稱CFRP是一種高分子聚合物導(dǎo)電復(fù)合材料。它不僅綜合了無機(jī)填料的導(dǎo)電性和聚合物材料優(yōu)良的柔韌和加工性能，還具有單組分所不具有的新的物性，充分體現(xiàn)了復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)。CFRP具有智能特性、結(jié)構(gòu)特性和發(fā)熱特性。對于智能特性方面，CFRP具有力阻和溫阻兩種重要的智能傳感特性，即可通過電阻變化對自身或周邊外力、溫度響應(yīng)：建立力阻效應(yīng)關(guān)系方程，可用于結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境、承受載荷、結(jié)構(gòu)響應(yīng)和調(diào)節(jié)性能監(jiān)測；結(jié)構(gòu)損傷積累與演化過程及結(jié)構(gòu)抗力衰減規(guī)律動態(tài)監(jiān)測；評定結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，科學(xué)地對結(jié)構(gòu)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)、維修和全壽命分析與設(shè)計。建立溫阻效應(yīng)關(guān)系方程，可及時掌控大體積混凝土環(huán)境及澆筑溫度、溫度分布范圍與方式；實(shí)時監(jiān)測極冷/熱地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫度變化，預(yù)防溫度應(yīng)力產(chǎn)生；智能調(diào)節(jié)橋面溫度變化，主動抗冰融雪，減少傳統(tǒng)方法對橋面損傷；對于結(jié)構(gòu)特性方面，由于具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕的特點(diǎn)，可有效減輕結(jié)構(gòu)自重、在承載構(gòu)件中使用、耐久性性能優(yōu)越；對于發(fā)熱特性方面，它是一種很好的熱敏元件材料。綜上，使用CFRP制作的傳感元件不僅可以實(shí)現(xiàn)一系列智能監(jiān)測，未來還可以兼顧結(jié)構(gòu)性能和發(fā)熱性能，切實(shí)可行地用于工程實(shí)際。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對上述問題提供一種智能碳纖維復(fù)合材料傳感元件及其制作方法，通過手工制作方法，用摻入二氧化硅、碳粉的環(huán)氧樹脂膠封裝連續(xù)PAN基碳纖維單絲，制作而成一種碳纖維智能傳感元件，其反復(fù)性能較好，可用于實(shí)時監(jiān)測混凝土自身或外部溫度、荷載變化，將力、溫度等信號轉(zhuǎn)化為電信號，可用于智能結(jié)構(gòu)全壽命周期監(jiān)測系統(tǒng)中。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種智能碳纖維復(fù)合材料傳感元件，包括環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料；

所述環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料包括八十根連續(xù)碳纖維單絲，每四根連續(xù)碳纖維單絲順直張拉、同向排列，外涂刷環(huán)氧樹脂膠，封裝成片狀，共二十層片狀環(huán)氧樹脂/碳纖維；環(huán)氧樹脂膠基體包括雙酚環(huán)氧樹脂、碳粉和二氧化硅粉末；

所述環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料的兩端分別設(shè)有導(dǎo)電電極和電極保護(hù)裝置；所述導(dǎo)電電極包括導(dǎo)電銀膠、銅片、手工錫焊焊點(diǎn)和導(dǎo)線；所述導(dǎo)電銀膠涂覆在環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料端部和銅片粘貼，所述導(dǎo)線的一端通過手工錫焊粘結(jié)于銅片表面的焊點(diǎn)處；所述電極保護(hù)裝置分別套在導(dǎo)電電極的兩端，且導(dǎo)線的另一端穿過電極保護(hù)裝置。

上述方案中，所述環(huán)氧樹脂膠基體中碳粉和二氧化硅粉末的混合物占總膠體質(zhì)量的4％。

上述方案中，所述碳粉和二氧化硅的碳：硅＝1:0.6。

上述方案中，所述電極保護(hù)裝置為電極保護(hù)套。

上述方案中，所述連續(xù)碳纖維為連續(xù)PAN基碳纖維。

一種所述智能碳纖維復(fù)合材料傳感元件的制作方法，包括以下步驟：

S1、連續(xù)碳纖維單絲拉直，置于光滑面板，固定兩端，每四根連續(xù)碳纖維單絲緊密排成一組；

S2、每條連續(xù)碳纖維單絲外涂刷環(huán)氧樹脂膠，環(huán)氧樹脂膠基體由雙酚環(huán)氧樹脂、碳粉、二氧化硅粉末組成，其中碳粉和二氧化硅粉末的混合物占總膠體質(zhì)量的4％，碳：硅＝1:0.6，室溫固化養(yǎng)護(hù)72h；

S3、揭下固化完成的環(huán)氧樹脂/碳纖維，修剪多余環(huán)氧樹脂，形成片狀；

S4、將修剪好的片狀環(huán)氧樹脂/碳纖維層疊方式放入模具，并使用S2中同樣配合比的環(huán)氧樹脂膠將層間相互粘黏，排盡新膠與片狀環(huán)氧樹脂/碳纖維間氣泡，堆疊二十層片狀環(huán)氧樹脂/碳纖維，室溫養(yǎng)護(hù)72h；

S5、環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料養(yǎng)護(hù)完成后脫模，兩端切割平整，環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料1制作完成；

S6、用手工錫焊的方法將導(dǎo)線6的一端粘結(jié)于銅片3表面，用導(dǎo)電銀膠2涂覆在制作完成環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料1端部和粘結(jié)導(dǎo)線端部的銅片3粘貼，養(yǎng)護(hù)72小時；

S7、電極養(yǎng)護(hù)完成后，兩端套上電極保護(hù)套5，導(dǎo)線6的另一端穿過電極保護(hù)套5。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明創(chuàng)新性地用手工的方法，使用柔性碳纖維單絲制作傳感器，使制作出的傳感器更加方便、電阻阻值更加穩(wěn)定，且反復(fù)性能較好，方便地運(yùn)用于試驗(yàn)或?qū)嶋H中使用。碳粉的加入使得碳纖維之間形成更多的導(dǎo)電通路；二氧化硅粉末的加入，使溫度、外力變化過程中導(dǎo)電通路變化更加活躍，電阻隨外力、溫度的變化也更加靈敏。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一實(shí)施方式的連續(xù)碳纖維復(fù)合材料傳感元件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1.環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料；2.導(dǎo)電銀膠；3.銅片；4.焊點(diǎn)；5.電極保護(hù)套；6.導(dǎo)線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。

圖1所示為本發(fā)明所述智能碳纖維復(fù)合材料傳感元件的一種實(shí)施方式，所述智能碳纖維復(fù)合材料傳感元件，包括環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料1、導(dǎo)電電極和電極保護(hù)裝置三部分。

所述環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料1包括八十根連續(xù)碳纖維單絲，每四根連續(xù)碳纖維單絲順直張拉、同方向排列，外涂刷環(huán)氧樹脂膠，封裝成片狀，共二十層片狀環(huán)氧樹脂/碳纖維；環(huán)氧樹脂膠基體包括雙酚環(huán)氧樹脂、碳粉和二氧化硅粉末。

所述環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料1的兩端分別設(shè)有所述導(dǎo)電電極和電極保護(hù)裝置；所述導(dǎo)電電極包括導(dǎo)電銀膠2、銅片3、手工錫焊焊點(diǎn)4和導(dǎo)線6；所述導(dǎo)電銀膠2涂覆在環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料1端部和銅片3粘貼，所述導(dǎo)線6的一端通過手工錫焊粘結(jié)于銅片3表面的焊點(diǎn)4處；所述電極保護(hù)裝置分別套在導(dǎo)電電極的兩端，且導(dǎo)線6的另一端穿過電極保護(hù)裝置；所述電極保護(hù)裝置為電極保護(hù)套5，用于保護(hù)已制作完成的導(dǎo)電電極端部。

所述環(huán)氧樹脂膠基體中碳粉和二氧化硅粉末的混合物占總膠體質(zhì)量的4％；所述碳粉和二氧化硅的碳：硅＝1:0.6。

所述連續(xù)碳纖維為連續(xù)PAN基碳纖維。

本發(fā)明還提供一種根據(jù)所述智能碳纖維復(fù)合材料傳感元件的制作方法，包括以下步驟：

S1、連續(xù)碳纖維單絲拉直，置于光滑面板，固定兩端，每四根連續(xù)碳纖維單絲緊密排成一組；

S2、每條連續(xù)碳纖維單絲外涂刷環(huán)氧樹脂膠，環(huán)氧樹脂膠基體由雙酚環(huán)氧樹脂、碳粉、二氧化硅粉末組成，其中碳粉和二氧化硅粉末的混合物占總膠體質(zhì)量的4％，碳：硅＝1:0.6，室溫固化養(yǎng)護(hù)72h；

S3、小心揭下固化完成的環(huán)氧樹脂/碳纖維，修剪多余環(huán)氧樹脂，形成片狀；

S4、將修剪好的片狀環(huán)氧樹脂/碳纖維層疊方式放入模具，并使用S2中同樣配合比的環(huán)氧樹脂膠將層間相互粘黏，盡量排盡新膠與片狀環(huán)氧樹脂/碳纖維間氣泡，堆疊二十層片狀環(huán)氧樹脂/碳纖維，室溫養(yǎng)護(hù)72h；

S5、環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料養(yǎng)護(hù)完成后脫模，兩端切割平整，環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料1制作完成；

S6、用手工錫焊的方法將導(dǎo)線6的一端粘結(jié)于銅片3表面，用導(dǎo)電銀膠2涂覆在制作完成環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料1端部和粘結(jié)導(dǎo)線端部的銅片3粘貼，養(yǎng)護(hù)72小時；

S7、電極養(yǎng)護(hù)完成后，兩端套上電極保護(hù)套5，導(dǎo)線6的另一端穿過電極保護(hù)套5。

應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書是按照各個實(shí)施例描述的，但并非每個實(shí)施例僅包含一個獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。

上文所列出的一系列的詳細(xì)說明僅僅是針對本發(fā)明的可行性實(shí)施例的具體說明，它們并非用以限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡未脫離本發(fā)明技藝精神所作的等效實(shí)施例或變更均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。