本研究探讨了添加二氧化硅气凝胶对暴露于不同环境的水泥基传感器的电学和压阻式传感稳定性的影响。使用50%的水泥和50%粉煤灰作为粘结剂材料，以及0.5%碳纳米管（CNT）作为导电填料制造的水泥基传感器。加入3种不同含量的二氧化硅气凝胶（0、0.25和0.5%（按粘结剂质量计），将样品暴露于不同的水分状态和环境下，包括进水和循环加热条件，来观察其电稳定性。结果表明，添加具有超疏水性和低导热性能的二氧化硅气凝胶减轻了CNT颗粒在进水和循环加热条件下的干扰，提高了电稳定性。基于长期传感结果，可以观察到施加Max压缩载荷时的电稳定性。结果表明，适当添加二氧化硅气凝胶提高了长期传感稳定性，而过量添加二氧化硅气凝胶会诱发团聚，影响长期传感稳定性。从实验结果可以看出，具有超疏水性和低导热性能的二氧化硅气凝胶可以成为提高水泥基传感器在各种环境条件下的电学和压阻传感稳定性的解决方案。
拉曼在添加二氧化硅气凝胶对暴露于不同环境的CNT嵌入式水泥基传感器的电学和压阻式传感稳定性的影响中的应用
引言：水泥基材料通常用于建筑，但当暴露于不同的环境因素时，它们会产生裂缝。因此，人们采用了各种监测这些材料结构健康状况的方法，并统称为SHM 。近年来，研究人员通过在水泥基材料中添加导电材料，利用导电水泥复合材料的开发了水泥基传感器。这些传感器已被建议用于 SHM。这些水泥基传感器与土木结构的兼容性及其经济性使其在建筑领域具有广阔的应用前景。有人通过添加1.0 wt%的石墨烯来制造石墨烯/水泥基传感器，当给其施加5 MPa的压缩应力时，电阻（FCR）的分数变化约为8%。有人通过加入0.5%的碳纳米管（CNT）制造了水泥基传感器，当施加11.5 MPa的压应力时，传感器显示出约10%的FCR。此外，还有人开发了基于薄壁碳纳米管（TWCNT）嵌入的超高性能混凝土基（UPPC）传感器，无论加载水平、频率和周期如何，都表现出稳定的传感性能。
与此同时，zui近有报道称，水泥基传感器的电导率和压阻传感能力受到各种环境条件的影响，例如传感器内部的水分含量、暴露温度升高、冻融循环和进水等。有研究报道，进水会降低CNT/水泥复合材料的压阻传感能力。有报告称水泥基传感器在富氯和潮湿环境下的压阻能力，发现氯离子溶液和湿度会显著影响压阻能力。有报告系统地研究了采用CNT的水泥基传感器在高温下的压阻传感能力。此外，还有人研究发现碳化、氯渗透、硫酸盐侵蚀和冻融等各种劣化条件也会对导电水泥复合材料的电学特性产生显著影响，这可能导致压阻传感能力的变化。
虽然许多研究探讨了环境条件对导电水泥复合材料的导电性和压阻传感能力的影响，但对提高其电阻和压阻传感稳定性的关注有限。因此，本研究旨在确定在一种不同的环境条件下提高这些复合材料的稳定性的潜在解决方案。采用碳纳米管被用作导电填料来制备导电水泥复合材料，并引入二氧化硅气凝胶作为提高其电稳定性和传感稳定性的新方法。该研究系统地研究了不同量的二氧化硅气凝胶对复合材料电学特性的影响，以及在不同条件下对提高其电稳定性和传感稳定性的影响。
本文使用FT-IR和拉曼光谱分析研究了CNT和二氧化硅气凝胶（CNT@Aerogel）团簇的形成，这些团簇已被证明可以提高样品在各种环境条件下的电稳定性，如图1。在图1a中，观察到CNT、气凝胶和CNT@Aerogel团簇的FT-IR光谱。碳纳米管光谱在1089 cm-1、1382 cm-1、1635 cm-1和3432 cm-1处均有显著的峰值，可分别对应于C-O键拉伸振动、C-N键拉伸振动、O-H键变形振动、芳香族C=C拉伸振动和O-H拉伸振动。气凝胶光谱在1089 cm-1、1255 cm-1、1382 cm-1、1635 cm-1、1706 cm-1和3438 cm-1处均表现出主峰，分别对应C-O键拉伸振动、C-N键拉伸振动、O-H键变形振动、芳香族C=C拉伸振动、C=O拉伸振动和O-H拉伸振动。在图1a中，分别在CNT和气凝胶的FT-IR光谱中发现了一些含氧官能团，表明它们可以很容易形成氢键。CNT@Aerogel的FT-IR光谱验证了这一点，该光谱显示了它们各自特征的叠加。
图 1. 碳纳米管、气凝胶和CNT@气凝胶颗粒的（a）傅里叶变换红外光谱和 （b） 拉曼光谱。
图1b分别显示了CNT和CNT@Aerogel的拉曼光谱。光谱结果表明，CNT和CNT@Aerogel的D峰分别在1348和1350 cm-1处，G峰在1583和1593 cm-1处。D峰与G峰的比值（ID/IG）从1.12变为1.21（图1b），表示CNT和二氧化硅气凝胶的结晶度。基于这些分析可以得出，CNT颗粒与二氧化硅气凝胶有效杂化，形成了CNT@Aerogel团簇。而在进水和循环加热条件下，形成的CNT@Aerogel团簇可以有效地阻止水分子的渗透和CNT颗粒的膨胀，从而提高样品的电稳定性。
通过对CNT和CNT@Aerogel嵌入式水泥基传感器的交流电阻抗、进水条件、循环加热等条件下数据的分析，可以得出添加二氧化硅气凝胶对暴露于不同环境的CNT嵌入式水泥基传感器的电学和压阻传感稳定性具有显著影响。本研究的主要发现可归纳如下：
(1)傅里叶变换红外和拉曼光谱测试结果表明，二氧化硅气凝胶的加入导致了CNT@Aerogel团簇的形成。
(2)二氧化硅气凝胶具有超疏水性和低导热性，有助于Max限度地减少碳纳米管颗粒的干扰，从而增强电稳定性。
(3)适当添加二氧化硅气凝胶可提高长期传感稳定性。然而，过量的二氧化硅气凝胶会诱发团聚物，这可能会降低长期传感稳定性。
(4)总体而言，二氧化硅气凝胶的添加显示出提高水泥基传感器在不同环境条件下的传感稳定性的潜力，这是通过开发CNT@Aerogel簇和利用二氧化硅气凝胶的特性来维持基于CNT的导电网络来实现的。
文章信息：该成果以“Impact of silica aerogel addition on the electrical and piezo-resistive sensing stability of CNT-embedded cement-based sensors exposed to varied environments”为题发表在知名期刊Journal of Building Engineering 上，韩国科学技术院Daeik Jang等所作。
本研究采用的是Nanobase的XperRam s共聚焦显微拉曼光谱仪系统。
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