一種基于功能化微納米纖維微納結(jié)構(gòu)化排布的智能墊片制造方法與流程
[0001]
本發(fā)明涉及微納制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于功能化微納米纖維微納結(jié)構(gòu)化排布的智能墊片制造方法。
背景技術(shù)：
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近年來大型土木工程項目越來越多,超高層建筑、大型跨海橋梁、新型大跨度體育場館、展覽會館,海洋平臺等結(jié)構(gòu)中廣泛應用了鋼結(jié)構(gòu)。螺栓連接是鋼結(jié)構(gòu)連接形式中使用頻率最高的形式,同時面臨著各種極端環(huán)境的影響,一旦使用的時間達到一定程度,很容易發(fā)生螺栓松動、螺栓開裂等情況。如果關(guān)鍵部位的螺栓松動沒能及時發(fā)現(xiàn),進行維護和更新,輕則導致部分結(jié)構(gòu)的失效,重則導致災難性后果。所以對鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點的螺栓進行實時監(jiān)測是非常必要的措施,它能夠有效的避免結(jié)構(gòu)的破壞,以及不必要的經(jīng)濟損失和災害危險。對重大的工程結(jié)構(gòu)進行實時的健康監(jiān)測成為越來越熱門的研究項目，通過對工程結(jié)構(gòu)的健康狀況進行監(jiān)測能及時有效的發(fā)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)的故障，并且進行有針對的維護，延長工程結(jié)構(gòu)的使用壽命，將利效益最大化。隨著健康監(jiān)測技術(shù)應用到螺栓監(jiān)測中來，對螺栓的監(jiān)測方法可以分成主動監(jiān)測和被動監(jiān)測兩種，被動監(jiān)測主要捕捉結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時產(chǎn)生的聲信號，或者利用環(huán)境因素激勵下結(jié)構(gòu)損傷導致的監(jiān)測信號的變化來進行監(jiān)測。這種方法由于激勵來源未知，所以使用受到限制，而主動監(jiān)測方法采用自主發(fā)射激勵的方式，應用范圍更加廣泛。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
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為了克服現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)的缺點，本發(fā)明提供了一種基于功能化微納米纖維微納結(jié)構(gòu)化排布的智能墊片制造方法，可以用于實時判斷螺栓預緊狀態(tài)的變化，利用電信號主動監(jiān)測結(jié)構(gòu)損傷，具有制備工藝簡單、高效率、監(jiān)測準確等優(yōu)點。
[0004]
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
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一種基于功能化微納米纖維微納結(jié)構(gòu)化排布的智能墊片制造方法，包括以下步驟；
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(1)將微納米尺度的纖維置于基體溶液中，利用磁力攪拌及超聲波振蕩,使纖維均勻分散，得到含有功能化微納米纖維的前驅(qū)體溶液；
[0007]
(2)將前驅(qū)體溶液置于墊片模具中；
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(3)使模具中溶液自然流平；
[0009]
(4)利用信號發(fā)生器及結(jié)構(gòu)叉指電極對模具中溶液施加結(jié)構(gòu)化交流電場，使溶液中纖維在電場力的作用下定向/定域排布；
[0010]
(5)在溶液未固化之前，在模具的兩端引入導線；
[0011]
(6)將容器中溶液固化成型，將排列好的纖維及導線全部固定在墊片內(nèi)部；
[0012]
(7)對固化后的材料進行脫模，得到含有整齊排列纖維的智能墊片；
[0013]
(8)將智能墊片應用于螺栓連接中，當螺栓預緊狀態(tài)發(fā)生變化時，智能墊片的輸出電信號發(fā)生改變，從而推斷出螺栓預緊力的變化。
[0014]
所述步驟(1)中的纖維直徑為100nm—10μm的碳納米管、碳纖維、碳化硅纖維、金屬纖維等添加炭黑、石墨、金屬粉或金屬化合物等導電介質(zhì)制得的高導電纖維。
[0015]
所述步驟(1)中的基體溶液為可光固化的樹脂類材料或可熱固化的有機聚合物材料。
[0016]
所述步驟(1)中的超聲波振蕩頻率為20khz-40khz。
[0017]
所述步驟(1)中的基體溶液粘度為1.5
×
10-3
pa
·
s-3
×
101pa
·
s。
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所述步驟(3)中的流平方式為自然流平。
[0019]
所述步驟(4)中的結(jié)構(gòu)化電場由叉指型電極提供，叉指電極叉指寬度為1μm-1mm，叉指之間間距為1μm-1mm。
[0020]
所述步驟(4)中的結(jié)構(gòu)化交流電場電壓為10v-100v，頻率為100hz-10mhz。
[0021]
所述步驟(4)中的定向/定域排布方式為直線型陣列化排布。
[0022]
所述步驟(6)中的固化成型方式為紫外光固化、藍光固化或熱固化，其中光固化的光強為50mw/cm
2-200mw/cm2,固化時間為1min-3min，熱固化過程中選用的溫度為55℃-65℃，固化時間為10min-30min。
[0023]
所述步驟(8)中的電信號變化為智能墊片的電容及電阻的改變，采用阻抗分析儀測得。
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本發(fā)明的有益效果：
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(1)、本發(fā)明提出了一種全新的制作智能墊片的方式，相比于傳統(tǒng)機械墊片，該智能墊片采用了纖維基復合材料，具有高強輕質(zhì)等優(yōu)點，使墊片物理性能得到大幅提升，具有推廣和應用價值。
[0026]
(2)、本發(fā)明從實現(xiàn)功能化微納米纖維的定向操控入手，設計和制備出了含有整齊纖維陣列的智能墊片，提升了墊片的強度等性能。并且可以通過改變纖維的類型及濃度，從而改變纖維的排布狀態(tài)，制備出不同類型的智能墊片。如選用不同濃度的碳化硅纖維，當濃度較高時，碳化硅纖維緊密排布，當濃度較低時，碳化硅纖維稀疏排布。
[0027]
(3)、本發(fā)明可以通過主動監(jiān)測的方式，對智能墊片的輸出電信號進行分析，從而推斷出螺栓的預緊狀態(tài)，可以實現(xiàn)真正意義上的實時監(jiān)測與響應。
附圖說明
[0028]
圖1是本發(fā)明所述實現(xiàn)功能化微納米纖維的定向排布的原理圖。
[0029]
圖2是本發(fā)明所述實現(xiàn)含有微納米纖維的智能墊片的結(jié)構(gòu)場制造方法。
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圖3是本發(fā)明所述實現(xiàn)基體溶液固化之后制得的智能墊片。
[0031]
圖4為墊片與螺栓連接示意圖。
具體實施方式
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下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0033]
實施例：如圖1-圖4所示：
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(1)將直徑為3μm的碳化硅纖維1置于pdms溶液中，磁力攪拌五分鐘，再超聲振蕩15
分鐘，使纖維均勻分散，得到均勻分布有碳化硅纖維的pdms溶液。
[0035]
(2)將基體溶液倒入模具2內(nèi)，使其自然流平。
[0036]
(3)將叉指指寬40μm，指距40μm的結(jié)構(gòu)化叉指電極3施于基體溶液。對溶液中纖維1進行操控，纖維1在電場力的作用下會在叉指線的中間沿電場線的方向排布。其中，結(jié)構(gòu)化電場兩端電壓為10v，頻率為1mhz。
[0037]
(4)在溶液未固化之前，在模具的兩端引入導線4。
[0038]
(5)采用熱固化方式使基體溶液進行固化，從而使排列好的纖維及導線全部固定在墊片內(nèi)部。
[0039]
(6)對固化后的材料進行脫模，得到含有整齊排列纖維的智能墊片5。
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(7)將智能墊片5應用于螺栓連接中，利用阻抗分析儀監(jiān)測墊片的輸出電信號。當螺栓預緊狀態(tài)發(fā)生變化時，智能墊片的輸出電信號發(fā)生改變，從而推斷出螺栓預緊力的變化。以墊片輸出的電阻信號為例，當螺栓處于正常預緊狀態(tài)時，輸出的電阻信號為定值。當螺栓開始松動時，墊片受到的壓力減弱，墊片中纖維的排列間距隨著壓力的減弱而減小，由于纖維為高導電性纖維，間距的減小會導致墊片導電性能的提升，從而引起墊片輸出的電阻信號的減弱，由此可以推斷出螺栓預緊狀態(tài)的變化。(如圖4所示)
[0041]
該方法通過利用結(jié)構(gòu)化電場，對均勻分散在可固化樹脂基溶液中的微納米纖維進行定向操控和排布。利用光/熱固化技術(shù)使含有排列整齊的微納米纖維的基體溶液進行固化，固化后的樹脂基復合材料具有可循環(huán)利用、環(huán)境友好、高強度、低密度等特點,在作為智能墊片方面有著優(yōu)良的應用前景。作為智能墊片使用時，當螺栓連接界面發(fā)生松動時，墊片受到的擠壓力會發(fā)生改變，導致墊片中纖維排列的相對位置及排列狀態(tài)發(fā)生變化。由于纖維具有優(yōu)良的導電性，當排列發(fā)生變化時，會引起智能墊片導電性能的改變。通過對墊片的輸出電信號進行分析，可以確定螺栓的預緊狀態(tài)。本發(fā)明適用于各種螺栓連接界面情況，并且具有制備工藝簡單、可定域調(diào)節(jié)纖維排列、高效率、成型快速等優(yōu)點，為制造基于材料和功能一體化的智能墊片提供了一種新的辦法。
[0042]
最后應說明的是：以上所述僅為本發(fā)明的實例而已，并不用于限制本發(fā)明。
[0043]
對于本發(fā)明而言，可選用的結(jié)構(gòu)電極不僅限于訴述的叉指電極。盡管參照前述實例對本發(fā)明進行了詳細的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述實例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
技術(shù)特征：
1.一種基于功能化微納米纖維微納結(jié)構(gòu)化排布的智能墊片制造方法，其特征在于，包括以下步驟；(1)將微納米尺度的纖維置于基體溶液中，利用磁力攪拌及超聲波振蕩使纖維均勻分散，得到含有功能化微納米纖維的前驅(qū)體溶液；(2)將前驅(qū)體溶液置于墊片模具中；(3)使模具中溶液自然流平；(4)利用信號發(fā)生器及結(jié)構(gòu)叉指電極對模具中溶液施加結(jié)構(gòu)化交流電場，使溶液中纖維在電場力的作用下定向/定域排布；(5)在溶液未固化之前，在模具的兩端引入導線；(6)將容器中溶液固化成型，將排列好的纖維及導線全部固定在墊片內(nèi)部；(7)對固化后的材料進行脫模，得到含有整齊排列纖維的智能墊片；(8)將智能墊片應用于螺栓連接中，當螺栓預緊狀態(tài)發(fā)生變化時，智能墊片的輸出電信號發(fā)生改變，從而推斷出螺栓預緊力的變化。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于功能化微納米纖維微納結(jié)構(gòu)化排布的智能墊片制造方法，其特征在于，所述步驟(1)中的纖維直徑為100nm—10μm的碳納米管、碳纖維、碳化硅纖維、金屬纖維等添加炭黑、石墨、金屬粉或金屬化合物等導電介質(zhì)制得的高導電纖維。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于功能化微納米纖維微納結(jié)構(gòu)化排布的智能墊片制造方法，其特征在于，所述步驟(1)中的基體溶液為可光固化的樹脂類材料或可熱固化的有機聚合物材料。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于功能化微納米纖維微納結(jié)構(gòu)化排布的智能墊片制造方法，其特征在于，所述步驟(1)中的基體溶液粘度為1.5
×
10-3pa
·
s—3
×
101pa
·
s，所述步驟(1)中的超聲波振蕩頻率為20khz-40khz。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于功能化微納米纖維微納結(jié)構(gòu)化排布的智能墊片制造方法，其特征在于，所述步驟(3)中的流平方式為自然流平。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于功能化微納米纖維微納結(jié)構(gòu)化排布的智能墊片制造方法，其特征在于，所述步驟(4)中的結(jié)構(gòu)化電場由叉指型電極提供，叉指電極叉指寬度為1μm—1mm，叉指之間間距為1μm—1mm。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于功能化微納米纖維微納結(jié)構(gòu)化排布的智能墊片制造方法，其特征在于，所述步驟(4)中的結(jié)構(gòu)化交流電場電壓為10v-100v，頻率為100hz—10mhz。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于功能化微納米纖維微納結(jié)構(gòu)化排布的智能墊片制造方法，其特征在于，所述步驟(4)中的定向/定域排布方式為直線型陣列化排布。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于功能化微納米纖維微納結(jié)構(gòu)化排布的智能墊片制造方法，其特征在于，所述步驟(6)中的固化成型方式為紫外光固化、藍光固化或熱固化，其中光固化的光強為50mw/cm
2-200mw/cm2,固化時間為1min-3min，熱固化過程中選用的溫度為55℃-65℃，固化時間為10min-30min。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于功能化微納米纖維微納結(jié)構(gòu)化排布的智能墊片制造方法，其特征在于，所述步驟(8)中的電信號變化為智能墊片的電容及電阻的改變，采用阻抗分析儀測得。
技術(shù)總結(jié)
一種基于功能化微納米纖維微納結(jié)構(gòu)化排布的智能墊片制造方法，將微納米尺度的纖維置于基體溶液中，使纖維均勻分散，得到含有功能化微納米纖維的前驅(qū)體溶液；將前驅(qū)體溶液置于墊片模具中；使模具中溶液自然流平；利用信號發(fā)生器及結(jié)構(gòu)叉指電極對模具中溶液施加結(jié)構(gòu)化交流電場，使溶液中纖維在電場力的作用下定向/定域排布；在溶液未固化之前，在模具的兩端引入導線；將容器中溶液固化成型，將排列好的纖維及導線全部固定在墊片內(nèi)部；對固化后的材料進行脫模，得到智能墊片；將智能墊片應用于螺栓連接中，當螺栓預緊狀態(tài)發(fā)生變化時，智能墊片的輸出電信號發(fā)生改變，從而推斷出螺栓預緊力的變化。本發(fā)明具有制備工藝簡單、高效率、監(jiān)測準確等優(yōu)點。監(jiān)測準確等優(yōu)點。監(jiān)測準確等優(yōu)點。
