專利名稱：一種敏感性相似材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種相似材料及其制備方法，尤其是一種適用于模擬巖土彈脆性及彈 塑性材料的敏感性相似材料及其制備方法。
背景技術：
相似模擬試驗是按一定的幾何、物理關系，用模型代替原型進行測試研究，并將研 究結果用于原型的試驗方法。它是一種重要的科學研究手段，是在實驗室內按相似原理制 作與原型相似的模型，借助測試儀表觀測模型內力參數及其分布規律，利用在模型上研究 的結果，借以推斷原型中可能發生的力學現象以及巖體壓力分布的規律，從而解決巖體工 程生產中的實際問題。這種研究方法具有直觀、簡便、經濟、快速以及試驗周期短等優點。而 且能夠根據需要，通過固定某些參數，改變另一些參數來研究實際工程中的應力隨時間的 變化規律，這些都是在現場條件下難以實現的。相似材料是相似試驗成功與否的關鍵，而在進行相似模型試驗時，對模型變形信 息的測試又是根本任務，試驗的數據是進行科學研究的根本依據。目前，用于相似試驗的相似材料有很多種，按其膠結材料不同，分為石蠟、石膏、松 香、水泥等相似材料。而這些相似材料基本都是抗壓強度較大，且在測試中都需要安裝專門 的測試儀表來測試相關變形的。至今，還未有將相似材料制作成敏感性相似材料的，所以在 模型試驗時，都需專門設有測試儀器進行相關的測試，而往往又由于測試儀器的原因不能 得到一些關鍵數據，如模型內部變形等。為此開發一種具有敏感性的智能相似材料是必要 的。
發明內容
技術問題本發明的目的是提供一種原材料來源廣、制備方法簡單、價格低廉的敏 感性相似材料及其制備方法。技術方案本發明的敏感性試驗材料，采用凡士林、石蠟、導電炭黑、短切碳纖維及 粉末橡膠為原料，經混合均勻制備而成，其質量配比如下凡士林100 份；導電炭黑1 10份；石蠟80 200份；短切碳纖維0 50份；粉末橡膠0 100份。本發明的敏感性相似材料的制備方法步驟如下(1)按質量配比稱取凡士林、石蠟、導電炭黑、短切碳纖維、粉末橡膠；(2)先將凡士林和石蠟放入金屬容器內，再放入烘箱中加溫融化；(3)待凡士林和石蠟全部融化為液體后，取出金屬容器，將其放入超聲波分散器的 水浴槽中；
(4)打開超聲波使金屬容器內的溶液震蕩，對溶液進行手工攪拌，邊攪拌邊加入導 電炭黑后，超聲波震蕩20 60min ；(5)將金屬容器取出，放在加熱爐上加溫，用攪拌機進行攪拌，然后依次緩慢加入 短切碳纖維和粉末橡膠，繼續攪拌至均勻；(6)將攪拌均勻的混合料注入模具，常溫下冷卻約24h固化，即得到敏感性試驗材 料。所述放入烘箱中加溫融化的溫度為80 140°C ；所述的水浴槽水溫約為90°C ；所 述放在加熱爐上加溫的溫度為100 140°C。有益效果本敏感性相似材料有如下特點(1)該相似材料具有敏感性，可以直接通過宏觀的電阻測試獲得模型試驗的變形 信息，無需額外的測試儀器，大大方便了試驗中的測試工作；(2)其強度較低，較小加壓荷載下便可完成試驗，加壓設備簡單；(3)力學范圍可調，可以分別模擬彈脆性材料和彈塑性材料，有較大的理論研究價 值；(4)其原材料來源廣，非常易于加工、不需養護，且可以實現重復利用，大大減少了 試驗成本。材料中采用的凡士林在常溫下為較粘的半固體，石蠟在常溫下為固體，兩者通過 加溫(溫度高于約70度)便都變為液態，此時便可在其中加入其它原料混合成新的材料， 再去除高溫條件，室溫下冷卻成型。
圖1為本發明敏感性相似材料實例一的應力_應變及電阻_應變曲線；圖2為本發明敏感性相似材料實例二的應力_應變及電阻_應變曲線；圖3為本發明敏感性相似材料實例三的應力_應變及電阻_應變曲線；圖4為本發明敏感性相似材料實例四的應力_應變及電阻_應變曲線。
具體實施例方式實施例一、按質量配比稱量凡士林100 份；石蠟200 份；短切碳纖維40份；導電炭黑 5份；粉末橡膠 100份；短切碳纖維采用0. 2mm長的短切碳纖維。先將按質量配比的100份凡士林和200份石蠟放入不銹鋼杯子中，再將不銹鋼杯 子放入烘箱中加熱，烘箱溫度調為120攝氏度；打開超聲波分散器，調節加熱溫度至90度， 開始加熱其水浴槽中的水；約3小時左右后，凡士林和石蠟都完全融化為液體，超聲波分散 器水浴槽中的水溫也升高到90度左右后，將不銹鋼杯子取出，放在超聲波分散器水浴槽水 面上，打開超聲波震蕩，邊手工攪拌邊緩慢加入質量配比5份的導電炭黑，震蕩約40分鐘
4后，將不銹鋼杯子取出，放于加熱爐上，控制容器內混合料溫度在120攝氏度左右，使用攪 拌機攪拌混合料，緩慢加入質量配比40份0. 2mm長的短切碳纖維、100份粉末橡膠，攪拌混 合料15分鐘左右；混合料分散均勻后，將其注入模具，室溫冷卻24小時后，拆模，便得到敏 感性相似材料。對該質量配比制成的敏感性相似材料進行單軸壓縮測試，試樣兩端采用銅絲網做 電極，用來測試其電阻值，分別得到應力_應變曲線及電阻-應變曲線，如圖1所示。實施例二、按質量配比稱量凡士林100 份；石蠟80份；短切碳纖維0份；導電炭黑 2份；粉末橡膠 80份。先將按質量配比的100份凡士林和80份石蠟放入不銹鋼杯子中，再將不銹鋼杯子 放入烘箱中加熱，烘箱溫度調為130攝氏度；打開超聲波分散器，調節加熱溫度至約90度， 開始加熱其水浴槽中的水；約3小時左右后，凡士林和石蠟都完全融化為液體，超聲波分散 器水浴槽中的水溫也升高到90度左右后，將不銹鋼杯子取出，放在超聲波分散器水浴槽水 面上，打開超聲波震蕩，邊手工攪拌邊緩慢加入導電炭黑，震蕩20分鐘后，將不銹鋼杯子取 出，放于加熱爐上，控制容器內混合料溫度在120攝氏度左右，使用攪拌機攪拌混合料，緩 慢加入粉末橡膠，攪拌混合料10分鐘左右；混合料分散均勻后，將其注入模具，室溫冷卻24 小時后，拆模，便得到敏感性相似材料。對該質量配比制成的敏感性相似材料進行單軸壓縮測試，試樣兩端采用銅絲網做 電極，用來測試其電阻值，分別得到應力_應變曲線及電阻-應變曲線，如圖2所示。實施例三、按質量配比稱量凡士林100 份；石蠟160 份；短切碳纖維30份；導電炭黑 1.5份；粉末橡膠 20份；短切碳纖維采用0. 6mm長的短切碳纖維。先將按質量配比稱取的100份凡士林和160份石蠟放入不銹鋼杯子中，再將不銹 鋼杯子放入烘箱中加熱，烘箱溫度調為120攝氏度；打開超聲波分散器，調節加熱溫度至 90度，開始加熱其水浴槽中的水；約3小時左右后，凡士林和石蠟都完全融化為液體，超聲 波分散器水浴槽中的水溫也升高到90度左右后，將不銹鋼杯子取出，放在超聲波分散器水 浴槽水面上，打開超聲波震蕩，邊手工攪拌邊緩慢加入導電炭黑，震蕩30分鐘后，將不銹鋼 杯子取出，放于加熱爐上，控制容器內混合料溫度在120攝氏度左右，使用攪拌機攪拌混合 料，緩慢加入短切碳纖維、粉末橡膠，攪拌混合料15分鐘左右；混合料分散均勻后，將其注 入模具，室溫冷卻24小時后，拆模，便得到敏感性相似材料。對該質量配比制成的敏感性相似材料進行單軸壓縮測試，試樣兩端采用銅絲網做 電極，用來測試其電阻值，分別得到應力_應變曲線及電阻-應變曲線，如圖3所示。
實施例四、按質量配比稱量
凡士林100 份；
石蠟120 份；
短切碳纖維0份；
導電炭黑10份；
粉末橡膠50份。
先將按質量配比稱取的100份凡士林和120份石蠟放入不銹鋼杯子中，再將不銹
鋼杯子放入烘箱中加熱，烘箱溫度調為120攝氏度；打開超聲波分散器，調節加熱溫度至 90度，開始加熱其水浴槽中的水；約3小時左右后，凡士林和石蠟都完全融化為液體，超聲 波分散器水浴槽中的水溫也升高到90度左右后，將不銹鋼杯子取出，放在超聲波分散器水 浴槽水面上，打開超聲波震蕩，邊手工攪拌邊緩慢加入導電炭黑，震蕩60分鐘后，將不銹鋼 杯子取出，放于加熱爐上，控制容器內混合料溫度在120攝氏度左右，使用攪拌機攪拌混合 料，緩慢加入粉末橡膠，攪拌混合料15分鐘左右；混合料分散均勻后，將其注入模具，室溫 冷卻24小時后，拆模，便得到敏感性相似材料。 對該質量配比制成的敏感性相似材料進行單軸壓縮測試，試樣兩端采用銅絲網做 電極，用來測試其電阻值，分別得到應力_應變曲線及電阻-應變曲線，如圖4所示。
權利要求
一種敏感性試驗材料，其特征在于采用凡士林、石蠟、導電炭黑、短切碳纖維及粉末橡膠為原料，經混合均勻制備而成，其質量配比如下凡士林 100份；導電炭黑1～10份；石蠟80～200份；短切碳纖維 0～50份；粉末橡膠0～100份。
2.根據權利要求1所述的敏感性相似材料的制備方法，其特征在于步驟如下(1)按質量配比稱取凡士林、石蠟、導電炭黑、短切碳纖維、粉末橡膠；(2)先將凡士林和石蠟放入金屬容器內，再放入烘箱中加溫融化；(3)待凡士林和石蠟全部融化為液體后，取出金屬容器，將其放入超聲波分散器的水浴 槽中；(4)打開超聲波使金屬容器內的溶液震蕩，對溶液進行手工攪拌，邊攪拌邊加入導電炭 黑后，超聲波震蕩20 60min ；(5)將金屬容器取出，放在加熱爐上加溫，用攪拌機進行攪拌，然后依次緩慢加入短切 碳纖維和粉末橡膠，繼續攪拌至均勻；(6)將攪拌均勻的混合料注入模具，常溫下冷卻約24h固化，即得到敏感性試驗材料。
3.根據權利要求2所述的敏感性相似材料的制備方法，其特征在于所述放入烘箱中 加溫融化的溫度為80 140°C。
4.根據權利要求2所述的敏感性相似材料的制備方法，其特征在于所述的水浴槽中 的水溫約為90°C的
5.根據權利要求2所述的敏感性相似材料的制備方法，其特征在于所述放在加熱爐 上加溫的溫度為100 140°C。凡士林 導電炭黑 石蠟1 10份； 80 200份； 0 50份； 0 100份。`100 份；短切碳纖維 粉末橡膠
全文摘要
本發明涉及的敏感性相似材料及其制備方法，采用質量配比的凡士林、石蠟、導電炭黑、粉末橡膠、短切碳纖維為原料，先將凡士林、石蠟加溫融化，攪拌后分別加入導電炭黑、粉末橡膠、短切碳纖維混合均勻制備而成。該相似材料具有敏感性，可以直接通過宏觀的電阻測試獲得模型試驗的變形信息，無需額外的測試儀器，大大方便了試驗中的測試工作；可用于模擬巖土相似材料，其強度較低，較小加壓荷載下便可完成試驗，加壓設備簡單；原材料來源廣，非常易于加工、不需養護，且可以實現重復利用，大大減少了試驗成本。
文檔編號C08K7/06GK101914292SQ201010255720
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月13日 優先權日2010年8月13日
發明者劉卓典, 周國慶, 廖波, 梁恒昌, 趙光思, 陳國舟 申請人:中國礦業大學