[发明专利]一种石墨烯橡胶弹簧及其动态生热实时监测装置

说明书

本发明涉及一种石墨烯橡胶弹簧及其动态生热实时监测装置，属于橡胶技术领域，本发明所述的含石墨烯的橡胶基体材料极大地提高橡胶的导热性能，明显改善橡胶弹簧在动态载荷下的温升状态。本发明提出的石墨烯橡胶弹簧及其动态生热实时监测装置及使用方法，是通过在橡胶弹簧的夹层橡胶基体内部植入的光纤光栅传感器，实时在线监测橡胶弹簧在动态使役过程中内部的温度变化。相比目前橡胶结构件的表面温度检测方法，所述的监测橡胶弹簧内部温度状态的装置及方法具有测试精确、可设计性强、实时在线监控的优点。本发明涉及的包含光纤光栅传感器的石墨烯橡胶弹簧制备方法简单，温度监测方法准确可靠，适用范围广，具有较好的经济效益和社会效益。

技术领域

本发明属于橡胶技术领域，尤其涉及一种石墨烯橡胶弹簧及其动态生热实时监测装置。

背景技术

随着交通运输体系的发展，目前已经完全形成空中、地面和地下联合的交通运输体系，在这些交通工具运行过程中，势必会遇到来自路面、轨道或空气气流的冲击或随机载荷的作用，使交通工具的振动加剧。所以，必须对所有的交通工具进行隔振或减振处理，以避免振动和冲击引起乘客不适或对所运输货物造成损坏。

目前，按照具体的隔振和减振需求，各式各样的弹性元件已经广泛应用于各种交通工具上，其中橡胶弹簧是利用橡胶的弹性变形实现缓冲与减振的。橡胶弹簧具有诸多优点，它的形状不受限制，在各个方向上的刚度可以根据要求灵活设计，并且由于橡胶模量较小，具有较大的弹性变形，可实现较为理想的非线性特性。另外，由于橡胶内阻往往很高，橡胶弹簧对吸收冲击、减小高频振动和降低噪音均具有良好的效果，并且橡胶弹簧这种结构件安装和拆卸方便，无需润滑，视情维护。

但是，不可避免地，橡胶弹簧相比金属弹簧也有缺点，比如耐高低温和耐油性差，老化性能和耐久性不能得到很好的保证。特别地，由于橡胶的高阻尼特点，在承受动态载荷时会将机械能转换为热能耗散，导致橡胶弹簧在使用过程中的温升严重。由于橡胶材料的力学性能对温度的依赖性，这势必会造成橡胶弹簧的实际使用性能和预先设计的性能有较大差别。并且，如果橡胶材料的生热特别严重，会严重影响其使役寿命。

石墨烯是一种碳原子以sp²杂化排列的单原子层呈六角环形蜂窝状排布的片状二维晶体，在平面内有无限重复的周期性结构，而垂直于平面的方向只有纳米尺度，理论厚度只有0.335nm，是具有宏观尺度的纳米填料。石墨烯的比表面积可达2630m².g^-1，纵横比大于1000，同时具备超高的导热率(3000～5000W.m^-1.K^-1)及导电性(200000cm².V^-1.s^-1)。这预示着石墨烯对高分子材料在功能化方面具有很大的优势。利用石墨烯优异的物理机械性能可为橡胶基质提供相对较好的导热性能。

除了采用提高橡胶基体导热性能的方法来减少橡胶弹簧的温升之外，还需要解决的关键问题是如何实时监测橡胶弹簧在使役过程中的温升，这对橡胶弹簧的设计及寿命评估具有重要意义。目前对橡胶弹簧使役过程中温升监测的方法一般局限于采用红外热像仪进行测量，但是这种方案的最大弊端就是只能监测到橡胶弹簧表面的温度。对于尺寸较大的橡胶弹簧，由于橡胶基体的导热性较差，所以导致结构件内外温度差异很大，仅仅通过测量外部温度很难得知结构件的内部温度，并且这种监测方式是典型的间断式监测，很难做到橡胶弹簧使役过程中的温度实时在线监测。

目前，测量橡胶弹簧在动态载荷下的内部温度主要通过在测试部位进行开孔操作，将针状温度传感器伸入到开孔部位进行测量，这种测量方式最大的弊端是需要破坏橡胶弹簧，难以保证结构件的完整性。再者，这种测试方式仅仅适合于橡胶弹簧安装在试验机上测试其温升状况，对结构件在实际使役过程中的生热及温升状态的监测适用性差。因此，有必要研究一种新的石墨烯橡胶弹簧动态生热实时监测装置。

发明内容