[00378502]水泥基压电复合监测材料与器件成套制备技术及在混凝土工程应用

该项目属无机非金属基复合材料领域。混凝土是土木工程领域用量最大的材料。混凝土工程在服役过程中，因缺乏有效的在线监测，事故时有发生，造成重大的人员伤亡和财产损失，对其服役过程进行实时有效安全监测，是业内同行公认解决问题的技术途径。世界范围内没有一种有效的监测手段能够实现对混凝土工程的长期监测，而最缺乏的是与混凝土相容的监测材料。发明适合混凝土工程监测的材料、器件与技术迫在眉睫，是尚未解决的国际难题。现有监测材料与混凝土存在明显的相容问题，如界面耦合差、频率范围窄、声阻抗高等，导致监测结果不准确、不可靠，引起误判；另一方面，现有监测材料普遍不具备测定特定方向应力波的能力，不能分辨不同方向的损伤信号，无法实现对混凝土结构损伤源的定位。针对上述应用背景和技术瓶颈，该项目首次提出了“水泥与压电陶瓷复合”制备监测材料的构想，通过材料组成、空间结构和电场分布设计，界面调控，力-电-声模型建立及监测系统集成，经过十多年研发和工程应用，形成了具有自主知识产权的监测材料与器件成套制备和工程应用技术，主要发明点如下：发明了系列水泥基压电复合监测材料，实现了水泥与压电陶瓷之间力-电-声性能的协同耦合。与压电陶瓷相比，压电常数g33提高了2倍，机械品质因数Qm降低了6倍，声阻抗降低了2倍，克服了与混凝土材料的相容问题，解决了混凝土工程缺乏有效监测技术的难题。发明了正交异性水泥基压电复合监测材料，创新设计了材料复合的空间结构与电场分布模式，在360°方向上的接收信号差异明显，正交方向接收信号幅值比大于2,正交异性显著，突破了现有监测材料各向同性的局限，实现了混凝土结构损伤的准确定位。发明了基于水泥基压电复合监测材料的声发射、超声和正交异性等系列传感器，攻克了监测材料、匹配层和背衬层材料与混凝土之间的耦合难题，压电传感器的灵敏度、带宽和分辨率显著增强，如声发射传感器阈值＜40dB，中心频率150kHz,工作带宽20kHz-1000kHz；开发了封装材料掺杂改性技术，解决了传感器抗干扰和耐候性问题。基于上述发明，建立了水泥基压电在线监测系统，实现了对混凝土工程的实时动态和主被动一体化监测，为大型混凝土结构安全提供了技术保障。该项目获授权国家发明专利14项，软件著作权2项；在该领域国际重要学术期刊发表SCI收录论文51篇；项目成果获2015年中国建筑材料联合会•中国硅酸盐学会建筑材料科学技术发明一等奖。项目成果已广泛应用于京沪高铁、胶州湾跨海大桥、南水北调、云南宁蒗泸沽湖机场等一批国家重大及关键基础设施安全监测工程。其中，成功对京沪高铁和南水北调两个桥梁工程进行了预警，避免了重大人员和财产损失。监测数据已成为国家交通管理部门评价工程安全的重要依据，为重大混凝土工程安全提供了保障，经济和社会效益巨大。