[发明专利]一种基于碳纤维分布式传感的智能FRP复合筋及其规模化生产工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于碳纤维分布式传感的智能FRP复合筋及其规模化生产工艺，属于智能材料与结构及传感监测的技术领域。

技术背景

连续纤维增强聚合物复合材料（Fiber Reinforced Polymer，FRP）具有拉伸强度高、密度小、比强度及比刚度高、抗化学腐蚀、耐久性好等诸多优点。因此，FRP被认为是可以在土木、交通、岩土等工程结构中代替钢材的良好选择，具有广阔的应用前景。目前，用于实际工程的纤维主要有碳纤维、玻璃纤维、纺轮纤维、玄武岩纤维、Dyneema纤维、PBO纤维等多种纤维，纤维与聚合物可以复合成筋材、板材以及其他各种形式的型材。其中，FRP筋受到了研究者的广泛研究和关注。国内，东南大学、清华大学、同济大学、福州大学等一些大学和科研机构对FRP筋的基本力学性能及其增强结构的性能展开了比较系统的研究。然而，FRP材料是一种各向异性材料，而且完全线弹性，故FRP筋存在抗剪能力较差、脆性破坏等多项缺陷。对FRP筋实现全寿命周期的健康监测，可以有效提高其工程应用的安全性，这种高技术材料在实际工程中具有广泛的应用前景。

对比文献1（ZL200910026540.6）、2（ZL200910026538.9）和3（ZL200910027179.3）报道了一种基于分布式光纤传感的自监测FRP筋/索规模化生产工艺，实为一个专利。对比文献1、2和3中用于传感的是基于布里渊时域散射机理的分布式光纤传感器，根据后散射光的频率漂移量测量应变大小，根据后散射光的接收时间进行空间定位。但该分布式光纤传感技术需要用专门、高精度的仪器设备进行解调和分析，通常的解调设备为BOTDR、BOTDA或PPP-BOTDA解调仪，其价格高昂（BOTDR解调仪的价格通常为50万元以上，PPP-BOTDA解调仪价格为150万元左右），其操作和分析也需要专门的技术人员，而且仪器比较笨重、携带不便，一定程度上限制了其推广和使用。而本发明用于传感的是分布式碳纤维传感技术，碳纤维为普通的高强度、中模量、高模量等类型的碳纤维或几种混杂组合，与光纤相比传感用碳纤维的价格非常低廉；如同常用的电阻应变片只需要用简单的电阻测试仪器进行电阻检测即可，不需要价格高昂的专门仪器设备，操作和分析也相对简单，几乎不需要专门的技术人员，推广和使用价值更广。另外，光纤非常脆弱，在生产过程中极易断裂，光纤在自监测筋/索中的成活率相对较低；而本发明所用的碳纤维具有高强度、刚度和其他力学性能，抗腐蚀性和耐久性良好，生产过程中不易断裂，在智能FRP复合筋生产过程中存活率高。

碳纤维不仅具有超过一般纤维材料的优越力学性能，而且还具有良好的导电性和压阻效应。利用其电学性能可以制作智能传感器，国内外对其进行了较多研究。如对比文件4（Distributed sensing of RC beams with HCFRP sensors（基于混杂碳纤维传感的混凝土梁分布式监测）, Caiqian Yang (杨才千), Zhishen Wu(吴智深), Lieping Ye(叶列平), Proceedings of the SPIE, Vol.5765, 2005.5.31, P376-385）报道了用混杂碳纤维传感器监测混凝土梁的应变和混凝土开裂，由于混杂了低弹性模量的碳纤维，因而在约4,000με后高模量的碳纤维开始出现断裂，监测的精度和准确度下降明显，此后的监测主要以定性监测为主。

将分布式长标距碳纤维传感芯复合进FRP筋，形成一种智能结构材料，即智能FRP复合筋。这样不仅使碳纤维传感芯在实际使用时得到很好的保护，同时能够对FRP筋进行有效的实时监测，极大提高这种高强度、高耐久性的高新FRP复合性材料在工程应用时的安全性和可靠性。

但在实际生产、应用中主要存在以下几个方面问题：（1）碳纤维在FRP筋的拉挤成型工艺中容易受损、存活率较低，影响连续化大规模生产和测量的精度；（2）在FRP材料普通复合工艺（即热固性复合）中碳纤维传感芯的导线（即用来连接测量设备的导线）引出比较困难；（3）碳纤维纤芯测量标距内碳纤维应变不均匀等因素降低了分布式传感测试的精度，而且传感芯与外围纤维存在一定程度的滑移现象；（4）通常的成型工艺没有进行预张拉，未预张拉的碳纤维通常在300με之前的传感性能比较差。

针对上述问题，本发明提出了碳纤维长标距化（即定点）、预张拉及无滑移布设技术，可有效提高分布式传感碳纤维的测试精度。

然而，目前各种研究中总是涉及到非常繁杂的人工处理，不仅降低了工业化水平，增加了生产成本，而且会影响产品的成品率和性能的稳定性。