智能型水泥基复合材料的制备(3)

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最合适的用于自我监测的材料是不导电的纤维增强水泥复合材料。事实上，非导电性或不良导电性的基体具有更大的电阻变化的敏感性。

前人论文作品的结果表明，静态或缓慢循环荷载作用下，纤维增强的水泥基传感器之间的电阻率的变化和负载变化的显示出良好的相关性。这种特性使它们适合于SHM应用程序。研究还表明，碳纳米管在水泥基传感器中具有相比其他纳米粒子更好的应变灵敏度和保真度。

水泥基材料具有的介电性能，使其具有极化的影响。极化时电介质受电场的影响。通过施加电场使分子中随机分布的偶极矩定向排列，产生极化。极化的结果是两个相反的电场形成偶极子。由于偏振，在测量过程中会导致电阻增加。此外，在材料中的更高的导电性会导致较低的极化倾向。

1.2.1 聚合物基复合材料导电机理

材料对于应力-应变的感知性能就称之为压阻特性，是实现将自感应混凝土作为实际工程结构中健康检测的重要条件。目前能够用于自感应混凝土结构的压阻复合材料中，主要包括聚合物基和水泥基复合材料。由于压阻复合材料的自感应功能的实现与其电导率密切相关，可是导电复合材料的导电机制相当复杂，因此，需要科研工作人员通过不懈的努力，对其导电机理进行不断的试验与研究。

有关聚合物基压阻复合材料导电理论的实验目标主包含两个方面：一方面是着手于导电通路怎样产生的研究，二是对于材料构成导电通路后载流子转移方式的探讨。针对这两方面的研究，人们构建出了用以表征聚合物基压阻复合材料的导电机理的模型，而这之中最富有代表性的导电机理模型包括有效介质理论、渗滤理论和隧道效应理论这三个模型[16]。实际上，复合材料的导电行为是很难用单一的机理来解释的，往往是许多导电机理同时发挥作用或者相互之间竞争的结果。

1.2.1.1 导电通路形成理论

现如今，渗滤理论是无论国内还是国外的专家均普遍认同并且赞同的导电通路形成理论，就是在导电通路形成的过程中在聚合物基复合材料中能够观察到存在渗滤现象。而渗滤现象，则是指在复合材料中导电掺料的掺量增加至某一极限值后，测得的复合材料电阻率急速降低的现象。然而渗滤理论仅仅是从试验中所表现出来的性质来说明复合材料的电导率变化的现象，用以解释电阻率与导电填料掺量的关系，并不能说明材料导电的根本原因。为了解释这种现象，科研人员作出了大量的理论模型。这些模型大致可分为四种：统计渗滤模型、热力学模型、有效介质理论和微结构模型[17]。

1. 统计渗滤模型

统计渗滤模型的起始点以及特征在于将基体看成二维或三维的规则点阵排列，认为导电组分随机的分布在点阵上，当导电组分在点阵的占有率达到某一极限值时，将出现相靠近的点集分散至整个点阵的现象，并由此表现出长程相关性。对于各不一样的无序排列的介质组成，通过利用数学计算来导出经验公式。模型的弊端在于它仅仅是建立在数学基础上的统计的模型，并没有综合的考虑掺料和基体的现实性质、相互影响和加工工艺的问题。

2. 热力学模型

热力学模型着手于解决渗滤模型的不足之处，是一种反应内部的机制，并且与导电通道的形成相关。它是以平衡热力学原理为基础的，重点指出了导电组分和基质界面之间的交互影响对于导电通路的产生的所起到的关键性影响，同时指出渗滤现象是一种不同相之间分离的过程，促进分离的动力是剩余的界面能，介绍了动力学修正得到的渗滤阈值[18]。不足的地方是，动力学修正和部分对模型做出的假设还不够完善。