专利名称：一种敏感性相似材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种相似材料及其制备方法，尤其是一种适用于模拟岩土弹脆性及弹 塑性材料的敏感性相似材料及其制备方法。
背景技术：
相似模拟试验是按一定的几何、物理关系，用模型代替原型进行测试研究，并将研 究结果用于原型的试验方法。它是一种重要的科学研究手段，是在实验室内按相似原理制 作与原型相似的模型，借助测试仪表观测模型内力参数及其分布规律，利用在模型上研究 的结果，借以推断原型中可能发生的力学现象以及岩体压力分布的规律，从而解决岩体工 程生产中的实际问题。这种研究方法具有直观、简便、经济、快速以及试验周期短等优点。而 且能够根据需要，通过固定某些参数，改变另一些参数来研究实际工程中的应力随时间的 变化规律，这些都是在现场条件下难以实现的。相似材料是相似试验成功与否的关键，而在进行相似模型试验时，对模型变形信 息的测试又是根本任务，试验的数据是进行科学研究的根本依据。目前，用于相似试验的相似材料有很多种，按其胶结材料不同，分为石蜡、石膏、松 香、水泥等相似材料。而这些相似材料基本都是抗压强度较大，且在测试中都需要安装专门 的测试仪表来测试相关变形的。至今，还未有将相似材料制作成敏感性相似材料的，所以在 模型试验时，都需专门设有测试仪器进行相关的测试，而往往又由于测试仪器的原因不能 得到一些关键数据，如模型内部变形等。为此开发一种具有敏感性的智能相似材料是必要 的。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种原材料来源广、制备方法简单、价格低廉的敏 感性相似材料及其制备方法。技术方案本发明的敏感性试验材料，采用凡士林、石蜡、导电炭黑、短切碳纤维及 粉末橡胶为原料，经混合均勻制备而成，其质量配比如下凡士林100 份；导电炭黑1 10份；石蜡80 200份；短切碳纤维0 50份；粉末橡胶0 100份。本发明的敏感性相似材料的制备方法步骤如下(1)按质量配比称取凡士林、石蜡、导电炭黑、短切碳纤维、粉末橡胶；(2)先将凡士林和石蜡放入金属容器内，再放入烘箱中加温融化；(3)待凡士林和石蜡全部融化为液体后，取出金属容器，将其放入超声波分散器的 水浴槽中；
(4)打开超声波使金属容器内的溶液震荡，对溶液进行手工搅拌，边搅拌边加入导 电炭黑后，超声波震荡20 60min ；(5)将金属容器取出，放在加热炉上加温，用搅拌机进行搅拌，然后依次缓慢加入 短切碳纤维和粉末橡胶，继续搅拌至均勻；(6)将搅拌均勻的混合料注入模具，常温下冷却约24h固化，即得到敏感性试验材 料。所述放入烘箱中加温融化的温度为80 140°C ；所述的水浴槽水温约为90°C ；所 述放在加热炉上加温的温度为100 140°C。有益效果本敏感性相似材料有如下特点(1)该相似材料具有敏感性，可以直接通过宏观的电阻测试获得模型试验的变形 信息，无需额外的测试仪器，大大方便了试验中的测试工作；(2)其强度较低，较小加压荷载下便可完成试验，加压设备简单；(3)力学范围可调，可以分别模拟弹脆性材料和弹塑性材料，有较大的理论研究价 值；(4)其原材料来源广，非常易于加工、不需养护，且可以实现重复利用，大大减少了 试验成本。材料中采用的凡士林在常温下为较粘的半固体，石蜡在常温下为固体，两者通过 加温(温度高于约70度)便都变为液态，此时便可在其中加入其它原料混合成新的材料， 再去除高温条件，室温下冷却成型。
图1为本发明敏感性相似材料实例一的应力_应变及电阻_应变曲线；图2为本发明敏感性相似材料实例二的应力_应变及电阻_应变曲线；图3为本发明敏感性相似材料实例三的应力_应变及电阻_应变曲线；图4为本发明敏感性相似材料实例四的应力_应变及电阻_应变曲线。
具体实施例方式实施例一、按质量配比称量凡士林100 份；石蜡200 份；短切碳纤维40份；导电炭黑 5份；粉末橡胶 100份；短切碳纤维采用0. 2mm长的短切碳纤维。先将按质量配比的100份凡士林和200份石蜡放入不锈钢杯子中，再将不锈钢杯 子放入烘箱中加热，烘箱温度调为120摄氏度；打开超声波分散器，调节加热温度至90度， 开始加热其水浴槽中的水；约3小时左右后，凡士林和石蜡都完全融化为液体，超声波分散 器水浴槽中的水温也升高到90度左右后，将不锈钢杯子取出，放在超声波分散器水浴槽水 面上，打开超声波震荡，边手工搅拌边缓慢加入质量配比5份的导电炭黑，震荡约40分钟
4后，将不锈钢杯子取出，放于加热炉上，控制容器内混合料温度在120摄氏度左右，使用搅 拌机搅拌混合料，缓慢加入质量配比40份0. 2mm长的短切碳纤维、100份粉末橡胶，搅拌混 合料15分钟左右；混合料分散均勻后，将其注入模具，室温冷却24小时后，拆模，便得到敏 感性相似材料。对该质量配比制成的敏感性相似材料进行单轴压缩测试，试样两端采用铜丝网做 电极，用来测试其电阻值，分别得到应力_应变曲线及电阻-应变曲线，如图1所示。实施例二、按质量配比称量凡士林100 份；石蜡80份；短切碳纤维0份；导电炭黑 2份；粉末橡胶 80份。先将按质量配比的100份凡士林和80份石蜡放入不锈钢杯子中，再将不锈钢杯子 放入烘箱中加热，烘箱温度调为130摄氏度；打开超声波分散器，调节加热温度至约90度， 开始加热其水浴槽中的水；约3小时左右后，凡士林和石蜡都完全融化为液体，超声波分散 器水浴槽中的水温也升高到90度左右后，将不锈钢杯子取出，放在超声波分散器水浴槽水 面上，打开超声波震荡，边手工搅拌边缓慢加入导电炭黑，震荡20分钟后，将不锈钢杯子取 出，放于加热炉上，控制容器内混合料温度在120摄氏度左右，使用搅拌机搅拌混合料，缓 慢加入粉末橡胶，搅拌混合料10分钟左右；混合料分散均勻后，将其注入模具，室温冷却24 小时后，拆模，便得到敏感性相似材料。对该质量配比制成的敏感性相似材料进行单轴压缩测试，试样两端采用铜丝网做 电极，用来测试其电阻值，分别得到应力_应变曲线及电阻-应变曲线，如图2所示。实施例三、按质量配比称量凡士林100 份；石蜡160 份；短切碳纤维30份；导电炭黑 1.5份；粉末橡胶 20份；短切碳纤维采用0. 6mm长的短切碳纤维。先将按质量配比称取的100份凡士林和160份石蜡放入不锈钢杯子中，再将不锈 钢杯子放入烘箱中加热，烘箱温度调为120摄氏度；打开超声波分散器，调节加热温度至 90度，开始加热其水浴槽中的水；约3小时左右后，凡士林和石蜡都完全融化为液体，超声 波分散器水浴槽中的水温也升高到90度左右后，将不锈钢杯子取出，放在超声波分散器水 浴槽水面上，打开超声波震荡，边手工搅拌边缓慢加入导电炭黑，震荡30分钟后，将不锈钢 杯子取出，放于加热炉上，控制容器内混合料温度在120摄氏度左右，使用搅拌机搅拌混合 料，缓慢加入短切碳纤维、粉末橡胶，搅拌混合料15分钟左右；混合料分散均勻后，将其注 入模具，室温冷却24小时后，拆模，便得到敏感性相似材料。对该质量配比制成的敏感性相似材料进行单轴压缩测试，试样两端采用铜丝网做 电极，用来测试其电阻值，分别得到应力_应变曲线及电阻-应变曲线，如图3所示。
实施例四、按质量配比称量
凡士林100 份；
石蜡120 份；
短切碳纤维0份；
导电炭黑10份；
粉末橡胶50份。
先将按质量配比称取的100份凡士林和120份石蜡放入不锈钢杯子中，再将不锈
钢杯子放入烘箱中加热，烘箱温度调为120摄氏度；打开超声波分散器，调节加热温度至 90度，开始加热其水浴槽中的水；约3小时左右后，凡士林和石蜡都完全融化为液体，超声 波分散器水浴槽中的水温也升高到90度左右后，将不锈钢杯子取出，放在超声波分散器水 浴槽水面上，打开超声波震荡，边手工搅拌边缓慢加入导电炭黑，震荡60分钟后，将不锈钢 杯子取出，放于加热炉上，控制容器内混合料温度在120摄氏度左右，使用搅拌机搅拌混合 料，缓慢加入粉末橡胶，搅拌混合料15分钟左右；混合料分散均勻后，将其注入模具，室温 冷却24小时后，拆模，便得到敏感性相似材料。 对该质量配比制成的敏感性相似材料进行单轴压缩测试，试样两端采用铜丝网做 电极，用来测试其电阻值，分别得到应力_应变曲线及电阻-应变曲线，如图4所示。
权利要求
一种敏感性试验材料，其特征在于采用凡士林、石蜡、导电炭黑、短切碳纤维及粉末橡胶为原料，经混合均匀制备而成，其质量配比如下凡士林 100份；导电炭黑1～10份；石蜡80～200份；短切碳纤维 0～50份；粉末橡胶0～100份。
2.根据权利要求1所述的敏感性相似材料的制备方法，其特征在于步骤如下(1)按质量配比称取凡士林、石蜡、导电炭黑、短切碳纤维、粉末橡胶；(2)先将凡士林和石蜡放入金属容器内，再放入烘箱中加温融化；(3)待凡士林和石蜡全部融化为液体后，取出金属容器，将其放入超声波分散器的水浴 槽中；(4)打开超声波使金属容器内的溶液震荡，对溶液进行手工搅拌，边搅拌边加入导电炭 黑后，超声波震荡20 60min ；(5)将金属容器取出，放在加热炉上加温，用搅拌机进行搅拌，然后依次缓慢加入短切 碳纤维和粉末橡胶，继续搅拌至均勻；(6)将搅拌均勻的混合料注入模具，常温下冷却约24h固化，即得到敏感性试验材料。
3.根据权利要求2所述的敏感性相似材料的制备方法，其特征在于所述放入烘箱中 加温融化的温度为80 140°C。
4.根据权利要求2所述的敏感性相似材料的制备方法，其特征在于所述的水浴槽中 的水温约为90°C的
5.根据权利要求2所述的敏感性相似材料的制备方法，其特征在于所述放在加热炉 上加温的温度为100 140°C。凡士林 导电炭黑 石蜡1 10份； 80 200份； 0 50份； 0 100份。`100 份；短切碳纤维 粉末橡胶
全文摘要
本发明涉及的敏感性相似材料及其制备方法，采用质量配比的凡士林、石蜡、导电炭黑、粉末橡胶、短切碳纤维为原料，先将凡士林、石蜡加温融化，搅拌后分别加入导电炭黑、粉末橡胶、短切碳纤维混合均匀制备而成。该相似材料具有敏感性，可以直接通过宏观的电阻测试获得模型试验的变形信息，无需额外的测试仪器，大大方便了试验中的测试工作；可用于模拟岩土相似材料，其强度较低，较小加压荷载下便可完成试验，加压设备简单；原材料来源广，非常易于加工、不需养护，且可以实现重复利用，大大减少了试验成本。
文档编号C08K7/06GK101914292SQ201010255720
公开日2010年12月15日 申请日期2010年8月13日 优先权日2010年8月13日
发明者刘卓典, 周国庆, 廖波, 梁恒昌, 赵光思, 陈国舟 申请人:中国矿业大学