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工学博士学位论文
纳米炭黑环氧树脂基复合材料应变和
裂缝感知特性研究
博士研究生:季小勇
导师:李惠教授
申请学位:工学博士
学科、专业:土木工程、防灾减灾工
程及防护工程
所在单位:土木工程学院
答辩日期:2009 年 6 月
授予学位单位:哈尔滨工业大学
Classified Index:
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Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering
EPOXY POSITES FILLED
WITH NANO-CARBON BLACK AND
THEIR STRAIN AND CRACK
MONITORING
Candidate: Ji Xiaoyong
Supervisor: Prof. Li Hui
Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering
Speciality: Disaster Prevention and Reduction
Engineering and Protective Engineering
Affiliation: School of Civil Engineering
Date of Defence: June, 2009
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
结构健康监测是目前土木工程领域的研究热点,要实现对大型土木工程的
健康监测需要灵敏度高、稳定性及耐久性好的传感器。本文从工程需求出发,
系统地研究炭黑/环氧树脂基传感器的电学和力电性能,并将传感器埋入钢筋
混凝土构件中形成智能自监测系统。主要研究内容包括:
首先,以电阻率的平均值和变异系数作为评价指标,并结合扫描电镜图
片,分析研究搅拌时间和偶联剂表面改性对炭黑粉体在环氧树脂基体中分散性
的影响,并进一步研究炭黑在环氧树脂基体中分散性对炭黑/环氧树脂基块体
传感器力电性能的影响,从而确定传感器试件制备的基本工艺;通过分析其所
形成电场的差异,比较不同电极对传感器电学及力电性能的影响,确定最佳的
电极形式。
其次,通过比较掺加不同直径和结构炭黑的环氧树脂基块体传感器的伏安
特性和力电性能,分析炭黑直径和结构对传感器力电影响的机理;研究环氧树
脂基块体传感器在循环荷载下的力电性;进一步研究环向约束下炭黑/环氧树
脂块体传感器在静载和循环荷载下的力电性能,找到提高炭黑/环氧树脂基块
体传感器力灵敏度的途径。
制备炭黑/环氧树脂基单电极和多电极薄膜传感器,研究炭黑掺量对单电
极薄膜传感器电阻率和力电性能的影响,揭示其渗流特性;研究不同电极布置
形式下单电极薄膜传感器的力电性能;研究单电极薄膜传感器在循环荷载下的
力电性能,分析循环荷载作用下薄膜传感器灵敏度系数的变化机理;提出通过
在环氧树脂基体中混掺不同直径和结构炭黑改善薄膜传感器在循环荷载下的监
测性能的方法;研究多电极薄膜传感器在弯矩作用下的监测性能。
然后,研究炭黑/环氧树脂基传感器的基本传感特性,包括滞后、时间零
漂移、量程、灵敏度、线性度和重复性;研究湿度和温度对传感器性能的影
响,提出温度补偿方法;研究加载速度对传感器监测性能的影响。
最后,将炭黑/环氧树脂基传感器应用于混凝土柱及钢筋混凝土梁形成自
监测智能系统。研究环氧树脂基块体传感器对混凝土柱及钢筋混凝土梁受压区
压应变的监测,比较传感器测试结果与位移计及同测点的应变片的监测结果;
应用多电极薄膜传感器对钢筋混凝土梁受拉区裂缝进行监测,验证了监测系统
的可行性。
关键词健康监测;炭黑/环氧树脂基复合材料;力电性能;传感器;智能自
- I -
哈尔滨工业大学工学博士学位论文
监测结构
- II -
Abstract
Abstract
Structure health monitoring is an attractive topic in civil engineering. It needs
sensors with high sensitivity, good stability and durability to carry out he