[发明专利]一种水泥基复合材料及其压敏传感器

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种复合材料及其制备方法，具体讲涉及一种氧化石墨烯和碳纤维水泥基复合材料及其制备方法和应用。

【背景技术】

混凝土广泛应用于工业和民用建筑、道路与桥梁工程、机场、港口与水利工程。混凝土结构建筑物，特别是超大跨度桥梁、重点水利工程、重点体育场馆、大型海洋平台、核电站工程和高速铁路建设等重大工程结构设计寿命一般长达数十年，甚至上百年。其间长期反复承受各种荷载、酸雨等自然环境的长期侵蚀以及材质自身老化，不可避免地导致土木工程结构损伤，可能引起突发性灾难，给人民的生命财产安全造成极大的损失。为此已开展了诸如工程结构群体健康监测关键技术研究、材料安全服役行为和新型功能材料制备基础与性能调控相关方面的研究。重大土木工程结构实施健康监测与荷载控制技术已成为土木工程领域的热点研究课题，是未来经济建设和社会发展迫切需要解决的问题。

高性能智能传感元件是重大工程结构智能监测与健康诊断的重要组成部分。近年来，用作土木工程结构长期健康监测的传感器主要有光纤传感器和水泥基复合材料压敏传感器，光纤传感器虽然耐久性和稳定性较好，但是价格高昂，难以大规模推广使用。而水泥基复合材料压敏传感器由于埋设工艺简单，耐久性好，与土木工程结构相容性好，价格低等优点，成为土木工程结构监测与健康诊断领域的热点课题。

以水泥(砂浆或混凝土)为基体的水泥基复合材料压敏传感器，复合部分是导电相，是借助电学性质的变化反映其力学特性变化的复合材料。现有技术已对包括碳纤维、纳米碳黑，碳纳米管等导电性能进行了不同角度的尝试。1993年，D.D.L.Chung教授及她的课题组提出了机敏混凝土(Smart concrete)的概念。1996年，李卓球等研究表明，碳纤维水泥基复合材料在逐渐加压直至破坏的过程中，其间的电阻率随压应力的增加呈现显著下降、平稳过渡和迅速上升三个阶段，这三个阶段分别与碳纤维混凝土的弹性、塑性及崩溃三个阶段相对应。2000年，欧进萍等提出开发小尺寸、精度高、可重复性好、造价低、耐久性好、埋设工艺简单的标准碳纤维水泥石传感器。将其埋设于混凝土构件中形成智能混凝土结构系统，具有耐久性好、造价低、与混凝土相容性好等优点。

现有技术披露了用于水泥基体的纳米材料填充材料有：纳米SiO₂，纳米CaCO₃，纳米TiO₂，碳纳米管，纳米炭黑和纳米Fe₂O₃等。揭示了纳米材料在水泥基体中的均匀分散以及对水泥基体微观结构和宏观性能的改善。

碳家族的新成员石墨烯，是一种二维的sp²杂化的碳的同素异形体，是最薄的材料-单原子厚度的材料。石墨烯具有优异的电学性能，热学性能,超高的比表面积，杨氏模量和断裂强度等一系列优异的性质。石墨烯作为一种高性能的聚合物填充材料，可以显著提高聚合物的导电性、导热性和机械性能。氧化石墨烯不仅是制备石墨烯及功能化石墨烯的一种重要起始原料，而且也是一种重要的石墨烯衍生材料。其含有丰富的表面含氧官能团，在水相体系中分散性能良好。

申请号为201310233476.5、名称为“一种氧化石墨烯水泥基复合材料应力传感器”的专利文件中公开了一种结构工程监测用应力传感器，此传感器部件是添加0.02％氧化石墨烯的氧化石墨烯水泥基复合材料制备的。但是，虽然石墨烯具有很强的导电能力，但是氧化石墨烯几乎没有导电能力，作为石墨烯的衍生物，表面含有大量的含氧官能团，π电子结构被破坏，导电能力几乎丧失。仅添在添加0.02％的氧化石墨烯下，水泥石的导电能力提高很少，氧化石墨烯水泥基复合材料无法发挥应力传感器的作用。