《International Journal of Mechanical Sciences》：Strain Monitoring of Confined Interpenetrating Conductive Elastomers for Isolation Bearings
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导电弹性体复合材料通过自组装导电填料和PO/SR互穿相设计，有效抑制肩峰效应并提升应变监测性能，验证了其在地震隔离支承中的工程应用价值。
Bangwei Wan|Yong Yuan|Yang Yang|Rongxin Guo|Xiaotao Yu|Yong Yan
中国昆明市昆明理工大学土木工程学院，云南省土木工程灾害防治重点实验室，650500。
摘要
导电弹性体复合材料（CECMs）在大型基础设施的结构健康监测（SHM）方面具有巨大潜力。然而，其实际应用常常受到诸如检测范围狭窄、灵敏度低以及在大变形下由于肩峰效应导致的信号不稳定等限制的阻碍。为了克服这些挑战，本研究提出了一种基于机制的材料设计策略，该策略利用了自组装的导电填料和受限的、相互渗透的聚烯烃/硅橡胶（PO/SR）界面。通过将聚乙烯吡咯烷酮（PVP）功能化的多壁碳纳米管（MWCNTs）制成分散良好的导电填料（CP），同时控制聚烯烃（PO）和硅橡胶（SR）的混合比例，形成了一个紧凑且受限的界面，从而增强了界面耦合的连续性和段状限制。在最佳的PO:SR比例为7:3（CPP7–CPS3）时，所得导电弹性体表现出0.57 wt%的低渗透阈值，并展现出高度稳定的机电响应。与传统系统相比，CPP7–CPS3将滞后面积降低了76.71%，完全抑制了肩峰效应，并分别提高了拉伸强度和断裂伸长率81.39%和87.88%。此外，该复合材料具有高应变灵敏度（GF = 352.29）、快速的响应时间（329.62 ms）以及超宽的检测范围（560.36%）。实验表征和分子动力学模拟表明，受限的相互渗透界面结合填料的自组装作用，缓解了基体粘弹性松弛与导电网络演变之间的不匹配，从而防止了循环网络重构并稳定了机电响应。对地震隔震支座的实时应变监测证实，即使在较大变形下也能输出稳定且无肩峰的信号。这项工作为开发坚固的大变形应变传感器引入了一种基于受限界面的设计框架，推动了土木基础设施的长期结构健康监测技术。
部分摘录
引言
地震隔震支座是现代地震工程中的关键组件，直接决定了建筑物、桥梁等基础设施的抗震性能。通过在上部结构和基础之间引入一个柔性的隔震层，它们可以耗散地震能量并保护主体结构的完整性[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]]（图S1）。然而，长期受到动态/静态载荷的联合作用以及恶劣环境条件的影响可能会
实验与仿真部分
本节描述了本研究中使用的材料和实验方法。首先介绍了导电填料和弹性体复合材料的制备过程。接下来介绍了动态力学分析（DMA）、橡胶工艺分析（RPA）以及机械和机电特性的测试方法。最后描述了分子模型的构建和仿真工作流程。
结果与讨论
本节系统地比较了导电弹性体复合材料的电学、机械和机电性能。首先讨论了导电性、渗透行为和机械性能，然后分析了单轴和循环抗力-应变响应，以评估传感灵敏度和稳定性。随后通过微观结构表征、动态力学分析和分子动力学仿真来验证所提出的
CPP7-CPS3地震隔震支座应变监测
本节验证了CPP7-CPS3在地震隔震支座中的工程适用性。首先建立了高阻尼橡胶（HDR）支座的剪切位移与侧壁拉伸应变之间的几何关系，以确定传感器的可测量应变范围。接下来描述了传感器的安装、信号采集程序和加载条件。最后进行了双向压缩-剪切测试，以评估信号与变形的同步性
结论
本研究通过将聚乙烯吡咯烷酮（PVP）功能化的多壁碳纳米管（MWCNTs）整合到受限的、相互渗透的聚烯烃/硅橡胶（PO/SR）基体中，并优化了7:3的比例，制备出一种功能化的导电弹性体复合材料（CPP7-CPS3）。通过将自组装的导电填料分散策略与工程化的相互渗透界面相结合，该材料被设计为能够提供可靠的大应变电信号检测，用于结构健康监测
作者声明
Bangwei Wan：概念构思、方法论、软件开发、实验研究、初稿撰写。Yang Yang、Rongxin Guo：软件开发、数据可视化。Yang Yang、Rongxin Guo：验证工作。Bangwei Wan、Yang Yang：撰写、审稿与编辑、方法论指导。Yong Yan、Xiaotao Yu：项目监督。Yang Yang：项目管理工作。
数据获取
支持本研究结果的数据可向通讯作者提出合理请求后获取。
CRediT作者贡献声明
Bangwei Wan：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、实验研究、数据分析、概念构思。Yong Yuan：数据可视化、软件开发、资金筹集、数据分析。Yang Yang：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、实验研究、资金筹集、数据分析、数据管理。Rongxin Guo：验证工作、资金筹集、数据分析。Xiaotao Yu：项目监督、方法论指导、实验研究。Yong Yan：项目监督、实验研究。
