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鋼筋混凝土（RC）結構支撐橋梁、高層建筑和水壩等關鍵設施，對現代基礎設施至關重要。盡管它們具有高強度和耐用性，但這些結構容易因環境因素，負載變化和材料老化而開裂。所以這些裂縫的早期檢測和監測對于保持結構完整性和確保安全至關重要。傳統結構健康監測（SHM）方法，如目視檢查和標準傳感技術，已被證明是不夠的。這些方法很難檢測可能導致重大后果的小裂縫，且不能進行持續的實時監測。因此，迫切需要先進的實時監控RC結構的SHM技術，來確保基礎設施的安全。

近年來，隨著碳基納米復合材料的智能傳感技術的發展，SHM技術取得了顯著進展。碳納米材料，如碳納米管（CNTs）、石墨烯、石墨碳和混合納米結構，因其熱穩定性和機械穩定性以及電氣和電子性能而得到廣泛使用。其中，碳納米管以其獨特的細長束形狀的結構特征，可提供更高的機械強度和彈性。此外，與其他材料相比，它的成本效益可使其作為關鍵納米材料應用于大型結構，如民用、航空和空間基礎設施中的SHM應用。其中，一種由CNT/PU復合材料組成的智能皮膚，可用于檢測鋼筋混凝土結構中的裂縫。但是CNT在PU材料中的分散性是一大難題。與其他混合技術相比，三輥機具有明顯的優勢。在分散過程中使用三輥機能確保產品通過兩個剪切區。要制作CNT/PU復合材料，沒有比三輥機更有效的工具了。所以我們采用TRILOS TR50M三輥機來分散CNT/PU復合材料。  

TRILOS TR50M三輥機為基本型三輥機。特別針對處理量相對較少，精度要求相對較低的客戶而進行開發的超小型研磨設備。結構設計簡潔，尺寸較小，體積輕便，采用無極調速控制流量，機械方式調節間距。

圖1 TRILOS TR50M 三輥機

實驗步驟：

智能皮膚是通過將CNT均勻分散在PU基質中制成的，如圖2所示。首先，用50ml丙酮作為分散劑溶解高粘度PU樹脂，使用超聲波破碎儀，以脈沖模式（打開15s，關閉15s）運行80min，將CNT分散在PU基質中。為了盡量減少超聲波破碎儀的過熱影響，將含混合物的燒杯放置在裝滿冰的大燒杯中。然后，將分散后的混合物放置在60℃的加熱板上24h，以蒸發丙酮。將PU硬化劑加入到混合物中，并使用TRILOS TR50M三輥機將其充分分散。將混合物涂覆至0.7 mm的厚度，并將其真空干燥24h。最后，將硬化后的樣品切成70mmⅹ10mm的樣品。我們制備了CNT濃度在0-7 wt%范圍內變化的樣品，并對智能皮膚進行電導率等性能的測量。

圖2 智能皮膚的制備過程

結果與討論：

1. 智能皮膚的電導率

圖3a為智能皮膚的電導率與CNT濃度的關系。純PU材料的電導率約為1ⅹ10^-10 S/m，表明其絕緣特性。將CNT導電納米材料加入到PU基質中，隨著CNT的濃度從1wt%增至5wt%，PU基質內形成了導電通路，電導率也隨之增加。當CNT的濃度超過5wt%時，導電路徑變得飽和，電導率沒有顯著變化。圖3b為智能皮膚的掃描電鏡（SEM）圖像，展示了嵌入PU基質中的CNT之間完善的導電通路。

圖3 智能皮膚的電性能：（a）導電性；（b）SEM（5wt%）

2. 智能皮膚的機電特性

與純PU相比，添加5 wt%的CNT顯著提高了性能，將最大拉伸應力從2.1MPa提高到4.5MPa。圖4b表明，添加CNT導致楊氏模量增加，極限拉伸應變降低。最大拉伸應變從309%下降到101%，下降了約67%。這種趨勢主要歸因于高強度和剛度的CNT的良好分散。使用TRILOS三輥機制造的智能皮膚確保了CNT在PU基質中的均勻分散，從而增強了PU和CNT之間的界面粘附等相互作用。

圖4c、d分別顯示了智能皮膚在全范圍應變和斷裂應變下的電性。可以清楚地看到，所有樣品的電阻都隨著拉伸應變的增加而增加。在全范圍應變下，隨著CNT濃度的增加，電阻的電性迅速增加。智能皮膚的拉伸應變靈敏度是通過將電阻的分數變化除以拉伸應變來計算的，如圖4c、d的小圖所示。較低濃度的CNT對應于較高的拉伸應變靈敏度。在斷裂應變下，所有樣品的拉伸應變靈敏度始終保持在10左右。如表1所示，智能皮膚的所有樣品的應變靈敏度都比傳統金屬型應變計高3.1倍以上。

表1 拉伸應變靈敏度 vs CNT濃度

圖4（a）應力-應變曲線；（b）最大拉伸應變和楊氏模量；（c）全范圍應變下的電阻的分數變化；

（d）在斷裂應變下電阻的分數變化

3. 智能皮膚在鋼筋混凝土（RC）結構中的應用

圖5為用于RC結構的智能皮膚的測試裝置。為了驗證智能皮膚作為裂縫監測傳感器的功能，對一個長700mm、寬150mm、高150mm的矩形RC結構進行了四點彎曲測試。測試以1.2 kN/min的恒定位移速率進行，直到RC結構的斷裂點。為了檢查有裂縫的部分，在RC結構的底面上的五個部位涂覆了智能皮膚，每個部位的尺寸是：長70mm，寬10mm，厚0.7mm。智能皮膚的CNT濃度選為5wt%，在機械變形和環境變化下表現出穩定的電性。使用銅帶、銅線和銀墨在每個部位的兩端形成電極，并將其連接到數據采集器，以每秒的間隔記錄智能皮膚的電阻。同時，在智能皮膚附近連接應變計，以測量RC結構中產生的裂縫寬度。

圖5應用于RC結構的智能皮膚測試裝置

圖6為測試后出現裂縫的RC結構的圖像。在B、C和D部位觀察到裂縫，其中，B部位發現的裂縫寬度最大。裂縫生長后，所有部位的智能皮膚都保持完整。特別是在B部位，應變計無法承受裂縫生長并脫落，這與智能皮膚的性能形成鮮明對比。另外，智能皮膚僅在裂縫形成階段出現電變化，而在裂縫未生長時沒有觀察到電變化。在裂縫寬度變化的循環過程中表現出優異的重現性和可靠性。表明采用TRILOS三輥機制備的智能皮膚，適用于RC結構的裂縫監測傳感器。做為SHM傳感器，可與物聯網系統集成并在智慧城市中實施。

圖6試驗后鋼筋混凝土結構剖面圖裂縫狀況圖

(左圖為鋼筋混凝土結構側面圖，右圖為鋼筋混凝土結構底部圖，箭頭表示受力方向)

TRILOS公司介紹

TRILOS（泰洛思）是精密設備制造商，視客戶滿意為終極目標，力求將出色的工藝技術結合客戶的實際需求，設計出貼近客戶所需的產品。

泰洛思正在積極開拓全球市場，目前產品已經在美國、中國、歐洲、韓國、日本和臺灣等地區獲得了廣泛應用。

TRILOS三輥機優點：

① TRILOS三輥機采用一次循環，有可能完全實現物質的均質化與分散，減少顆粒尺寸，打破團聚粒子。其結果是均質化的漿料，可為物料的進一步加工打下良好的基礎。

② 可用觸摸屏實現每個輥間距離調節，確保輥子平行度。彈性張緊的刮刀插口確保刮刀恒壓，在操作過程中不需要重新調節。

③ 不同材質的輥子都可以使用，輥子及刮刀材質的選擇-從不銹鋼到氧化鋁，碳化硅及氧化鋯-滿足各種不同需要。

④ 三輥機上的安全裝置確保操作人員的安全，機器可簡易而及其快速的清洗。

⑤ TRILOS的物聯網、智能化三輥機解決方案，解決了客戶在使用中遇到的數據無法量化分析，數據丟失，設備互相獨立，無法聯網進行管理和控制等等方面的問題。讓客戶可以對設備進行數據分析，對員工進行權限分配和管理，設備運行過程保持全程記錄和備份，利于加工過程參數的研究和設計開發。此外，智能物聯平臺還可以接入混料機、三輥機、上料機、均質機等設備平臺，同時可以接入在線粘度計、在線粒度儀、在線近紅外分析儀等儀器進行實時監控。