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自感知碳纳米管水泥基复合材料及其在交通探测中的应用
| 论文题名： | 自感知碳纳米管水泥基复合材料及其在交通探测中的应用 |
| 关键词： | 碳纳米管;水泥基复合材料;交通流量探测;感知性能 |
| 摘要： | 碳纳米管(CNT)具有优异的力学性能、电学和热学等物理性能以及良好的化学稳定性,同时具有独特的中空管状结构、纳米级的管径以及高的长径比,是一种制备自感知水泥基复合材料的优异纳米级填料。自感知CNT水泥基复合材料因其具有布设方便、与路面/桥面结构相容性好、耐久性好以及易于维护等优点,在交通探测方面展现出了良好的应用前景。本文主要围绕基于高效减水剂的CNT水泥基复合材料制备、CNT水泥基复合材料的感知性能测试、基于数值计算的CNT水泥基复合材料电学性能模拟、以及基于自感知CNT水泥基复合材料的交通流量探测四个方面内容进行了研究,具体如下: (1)针对已有CNT/碳纳米纤维(CNF)分散剂与水泥基体的相容性问题,提出应用高效减水剂分散CNT/CNF进而制备自感知CNT/CNF水泥基复合材料的方法。根据掺加不同掺量、不同种类CNT/CNF的水泥基复合材料的感知性能测试结果可知,应用高效减水剂制备自感知CNT/CNF水泥基复合材料是可行的,高效减水剂对CNT/CNF在水泥基体中的良好分散是由于其具有双重分散作用。 (2)针对CNT水泥基复合材料感知信号的获取问题,研究了复合材料的电导(包括电阻和电容)特性,同时测试了电阻和电容对压力的响应以及交流测试电压对感知性能的影响。基于上述研究结果,提出了直流测试方法下感知信号的提取方法,以及应用交流电路测试感知信号的交流测试方法。 (3)通过蒙特卡洛随机方法和ANSYS12.0构建了CNT水泥基复合材料的有限元模型,并基于有限元法研究了CNT长径比、直径和掺量对复合材料有效电阻率的影响;在此基础上通过GEM方程对有效电阻率数值解和电阻率实验值进行拟合,并讨论了CNT长径比、直径、掺量对复合材料感知性的影响;最后,基于Simmons隧道效应普适方程对复合材料的导电和感知机理进行了分析。 (4)采用预制和现浇两种工艺将自感知CNT水泥基复合材料嵌入至真实道路测试场的混凝土路面中,研究了不同车载类型、不同车速下以及不同测试条件下自感知CNT混凝土路面的对车辆通过探测的可行性。研究结果表明,自感知CNT混凝土路面具有良好的探测灵敏度和鲁棒性,应用其进行交通探测是可行的。 |
| 作者： | 姜海峰 |
| 专业： | 工程力学 |
| 导师： | 韩宝国 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工业大学 |
| 学位年度： | 2012 |
| 正文语种： | 中文 |
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