CN110436834A - 一种压电复合材料及由其制备的压电片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压电复合材料及由其制备的压电片。本发明的压电复合材料由以下质量份的组分组成：钢渣矿粉：10～15份；偏高岭土：10～15份；碱激发剂：1.5～7.5份；铌锂锆钛酸铅陶瓷粉：55～65份；外加剂：0.1～1份。本发明的压电复合材料的压电性能和力学性能优异，可调控程度高，与混凝土的相容性好，由其制备的压电片性能优异、成本低廉，可以广泛用于混凝土结构健康监测。

Description

一种压电复合材料及由其制备的压电片
技术领域
本发明涉及一种压电复合材料及由其制备的压电片，属于压电材料技术领域。
背景技术
桥梁、高速公路和大坝等设施的建设需要使用大量的混凝土材料，需要建造大体积的混凝土结构。大体积的混凝土结构容易受到环境温度变化的影响而产生裂缝，且在外部荷载的作用下还会产生积累损伤，导致混凝土结构的抵抗力衰减，严重的甚至会发生结构坍塌。因此，混凝土结构健康监测具有重要意义。
目前，主要是通过由传统机敏材料制备的电阻应变片、光纤光栅和压电陶瓷等进行混凝土结构健康监测。然而，由于混凝土材料与传统机敏材料的性能差异很大，导致二者之间存在非常明显的相容性问题，如声阻抗匹配问题、温致湿致变形协调性问题、粘结性差等。
采用水泥基材料作为机敏材料的基体，可以使机敏材料和混凝土材料具有最大程度的相似性，进而可以有效解决相容性问题。然而，现有的水泥基压电材料存在凝结时间差、强度发展慢、耐久性不稳定、与压电相结合较差等问题，无法很好地满足实际应用要求。
因此，有必要开发一种综合性能更加优异的压电复合材料和压电器件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压电复合材料及由其制备的压电片。
本发明所采取的技术方案是：
一种压电复合材料，由以下质量份的组分组成：
钢渣矿粉：10～15份；
偏高岭土：10～15份；
碱激发剂：1.5～7.5份；
铌锂锆钛酸铅陶瓷粉：55～65份；
外加剂：0.1～1份。
优选的，所述钢渣矿粉为碱度大于2、钙氧化物含量大于40wt％、铁及其氧化物含量大于2wt％的转炉钢渣。
优选的，所述钢渣矿粉为陈化处理过的钢渣矿粉。
优选的，所述偏高岭土中硅和铝氧化物的总含量大于90wt％。
优选的，所述碱激发剂由氢氧化钠和碳酸钠按照质量比(0.5～4.0)：(1.0～3.5)组成。
优选的，所述铌锂锆钛酸铅(PLN)陶瓷粉在10～50℃下的溶解度大于10g/100g水。
优选的，所述外加剂为硫酸盐、聚羧酸减水剂、有机硅氧烷中的至少一种。
一种压电片，由上述压电复合材料制备而成。
上述压电片的制备方法包括以下步骤：
1)将钢渣矿粉、偏高岭土和铌锂锆钛酸铅陶瓷粉混合进行球磨，再干燥、筛分，得到干粉混合料；
2)将碱激发剂加水混合均匀并冷却，再加入干粉混合料和外加剂，充分混匀，得到湿料；
3)将湿料压制成型，得到坯体；
4)对坯体进行养护、切割、打磨抛光和清洗，再涂覆导电银浆，再进行干燥、极化和退火，得到压电片。
优选的，步骤4)所述养护为15～25℃、95％RH～100％RH的条件下养护25～30天或者55～65℃、95％RH～100％RH的条件下养护1～3天。
优选的，步骤4)所述极化在120～130℃的硅油中进行，极化电场为45～50kV/cm，极化时间为40～50min。
优选的，步骤4)所述退火在55～65℃下进行。
注：步骤2)中的外加剂也可以调整至步骤1)的球磨过程添加。
本发明的有益效果是：本发明的压电复合材料的压电性能和力学性能优异，可调控程度高，与混凝土的相容性好，由其制备的压电片性能优异、成本低廉，可以广泛用于混凝土结构健康监测。
1)本发明的压电复合材料中添加有钢渣，钢渣中的氧化钙、氧化硅、氧化镁等活性组分在碱激发剂的作用下可以与偏高岭土和铌锂锆钛酸铅陶瓷粉反应硬化形成力学性能优异的压电材料基体，且钢渣中的铁及铁氧化物还可以增强压电复合材料的导电性能；
2)本发明对固体废弃物钢渣矿粉进行了再利用，不仅可以减少钢渣矿粉所引起的土地占用和污染环境问题，而且还可以降低压电复合材料的生产成本。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。
实施例1：
一种压电复合材料，其组成如下表所示：
表1一种压电复合材料的组成表
注：表中各组分的指标如下：
钢渣矿粉：碱度大于2、钙氧化物含量大于40wt％、铁及其氧化物含量大于2wt％的转炉钢渣，且进行了半年的陈化；
偏高岭土：硅和铝氧化物的总含量大于90wt％；
铌锂锆钛酸铅陶瓷粉：在10～50℃下的溶解度大于10g/100g水。
一种压电片，由上表所示的压电复合材料制备而成，其制备方法包括以下步骤：
1)将钢渣矿粉、偏高岭土和铌锂锆钛酸铅陶瓷粉加入球磨机，球磨30min(球磨介质为无水乙醇)，再干燥、过筛，得到干粉混合料；
2)将碱激发剂加水混合均匀并冷却，再加入干粉混合料和聚羧酸减水剂，搅拌均匀，得到湿料；
3)将湿料加入不锈钢模具中，控制成型压力为40MPa，进行压制成型，得到坯体；
4)将坯体置于标准养护箱内，在20℃、95％RH的条件下养护28天，再进行切割、砂纸打磨抛光和丙酮擦洗，再涂覆导电银浆，100℃干燥6h，再将产品置于130℃的硅油中，控制极化电场为45kV/cm，极化45min，再60℃下退火，得到压电片(样品1)。
参照表1中的原料组成和配比，将钢渣矿粉替换成高炉矿渣，再参照样品1的制备方法，制备得到对比样1。
对样品1和对比样1进行性能测试，其测试结果如下表所示：
表2样品1和对比样1的性能测试结果
由表2可知：本发明的压电复合材料的凝结时间更长，可以有效避免压电复合材料出现闪凝、难以操作的问题，由其制备得到的压电片的压电应变常数和压电电压常数均显著高于对比样1。
实施例2：
一种压电复合材料，其组成如下表所示：
表3一种压电复合材料的组成表
注：表中各组分的指标如下：
钢渣矿粉：碱度大于2、钙氧化物含量大于40wt％、铁及其氧化物含量大于2wt％的转炉钢渣，且进行了半年的陈化；
偏高岭土：硅和铝氧化物的总含量大于90wt％；
铌锂锆钛酸铅陶瓷粉：在10～50℃下的溶解度大于10g/100g水。
一种压电片，由上表所示的压电复合材料制备而成，其制备方法包括以下步骤：
1)将钢渣矿粉、偏高岭土、硫酸锌和铌锂锆钛酸铅陶瓷粉加入球磨机，球磨30min(球磨介质为无水乙醇)，再干燥、过筛，得到干粉混合料；
2)将碱激发剂加水混合均匀并冷却，再加入干粉混合料和有机硅氧烷，搅拌均匀，得到湿料；
3)将湿料加入不锈钢模具中，控制成型压力为40MPa，进行压制成型，得到坯体；
4)将坯体置于标准养护箱内，在60℃、95％RH的条件下养护2天，再进行切割、砂纸打磨抛光和丙酮擦洗，再涂覆导电银浆，100℃干燥6h，再将产品置于120℃的硅油中，控制极化电场为45kV/cm，极化45min，再60℃下退火，得到压电片(样品2)。
参照表3中的原料组成和配比，将钢渣矿粉替换成高炉矿渣，再参照样品2的制备方法，制备得到对比样2。
对样品2和对比样2进行性能测试，其测试结果如下表所示：
表4样品2和对比样2的性能测试结果
由表4可知：本发明的压电复合材料的凝结时间更长，可以有效避免压电复合材料出现闪凝、难以操作的问题，由其制备得到的压电片的压电应变常数和压电电压常数均显著高于对比样2。
实施例3：
一种压电复合材料，其组成如下表所示：
表5一种压电复合材料的组成表
注：表中各组分的指标如下：
钢渣矿粉：碱度大于2、钙氧化物含量大于40wt％、铁及其氧化物含量大于2wt％的转炉钢渣，且进行了半年的陈化；
偏高岭土：硅和铝氧化物的总含量大于90wt％；
铌锂锆钛酸铅陶瓷粉：在10～50℃下的溶解度大于10g/100g水。
一种压电片，由上表所示的压电复合材料制备而成，其制备方法包括以下步骤：
1)将钢渣矿粉、偏高岭土、硫酸锌和铌锂锆钛酸铅陶瓷粉加入球磨机，球磨30min(球磨介质为无水乙醇)，再干燥、过筛，得到干粉混合料；
2)将碱激发剂加水混合均匀并冷却，再加入干粉混合料，搅拌均匀，得到湿料；
3)将湿料加入不锈钢模具中，控制成型压力为40MPa，进行压制成型，得到坯体；
4)将坯体置于标准养护箱内，在20℃、98％RH的条件下养护28天，再进行切割、砂纸打磨抛光和丙酮擦洗，再涂覆导电银浆，100℃干燥6h，再将产品置于130℃的硅油中，控制极化电场为45kV/cm，极化45min，再60℃下退火，得到压电片(样品3)。
参照表5中的原料组成和配比，将钢渣矿粉替换成高炉矿渣，再参照样品3的制备方法，制备得到对比样3。
对样品3和对比样3进行性能测试，其测试结果如下表所示：
表6样品3和对比样3的性能测试结果
由表6可知：本发明的压电复合材料的凝结时间更长，可以有效避免压电复合材料出现闪凝、难以操作的问题，由其制备得到的压电片的压电应变常数和压电电压常数均显著高于对比样3。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压电复合材料，其特征在于：由以下质量份的组分组成：
钢渣矿粉：10～15份；
偏高岭土：10～15份；
碱激发剂：1.5～7.5份；
铌锂锆钛酸铅陶瓷粉：55～65份；
外加剂：0.1～1份。
2.根据权利要求1所述的压电复合材料，其特征在于：所述钢渣矿粉为碱度大于2、钙氧化物含量大于40wt％、铁及其氧化物含量大于2wt％的转炉钢渣。
3.根据权利要求2所述的压电复合材料，其特征在于：所述钢渣矿粉为陈化处理过的钢渣矿粉。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的压电复合材料，其特征在于：所述偏高岭土中硅和铝氧化物的总含量大于90wt％。
5.根据权利要求1～3中任意一项所述的压电复合材料，其特征在于：所述碱激发剂由氢氧化钠和碳酸钠按照质量比(0.5～4.0)：(1.0～3.5)组成。
6.根据权利要求1～3中任意一项所述的压电复合材料，其特征在于：所述铌锂锆钛酸铅陶瓷粉在10～50℃下的溶解度大于10g/100g水。
7.根据权利要求1～3中任意一项所述的压电复合材料，其特征在于：所述外加剂为硫酸盐、聚羧酸减水剂、有机硅氧烷中的至少一种。
8.一种压电片，其特征在于：由权利要求1～7中任意一项所述的压电复合材料制备而成。
9.权利要求8所述的压电片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将钢渣矿粉、偏高岭土和铌锂锆钛酸铅陶瓷粉混合进行球磨，再干燥、筛分，得到干粉混合料；
2)将碱激发剂加水混合均匀并冷却，再加入干粉混合料和外加剂，充分混匀，得到湿料；
3)将湿料压制成型，得到坯体；
4)对坯体进行养护、切割、打磨抛光和清洗，再涂覆导电银浆，再进行干燥、极化和退火，得到压电片。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：步骤4)所述养护为15～25℃、95％RH～100％RH的条件下养护25～30天或者55～65℃、95％RH～100％RH的条件下养护1～3天；步骤4)所述极化在120～130℃的硅油中进行，极化电场为45～50kV/cm，极化时间为40～50min；步骤4)所述退火在55～65℃下进行。
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Assignor: Guangzhou University

Contract record no.: X2022980025021

Denomination of invention: Piezoelectric composite material and piezoelectric sheet prepared therefrom

Granted publication date: 20210914

License type: Common License

Record date: 20221206

Application publication date: 20191112

Assignee: Shenzhen Youneng Electric Co.,Ltd.

Assignor: Guangzhou University

Contract record no.: X2022980024918

Denomination of invention: Piezoelectric composite material and piezoelectric sheet prepared therefrom

Granted publication date: 20210914

License type: Common License

Record date: 20221206

Application publication date: 20191112

Assignee: Shenzhen xinchenjia Electronic Technology Co.,Ltd.

Assignor: Guangzhou University

Contract record no.: X2022980024963

Denomination of invention: Piezoelectric composite material and piezoelectric sheet prepared therefrom

Granted publication date: 20210914

License type: Common License

Record date: 20221206

Application publication date: 20191112

Assignee: Shenzhen Barium Rhenium Technology Co.,Ltd.

Assignor: Guangzhou University

Contract record no.: X2022980025101

Denomination of invention: Piezoelectric composite material and piezoelectric sheet prepared therefrom

Granted publication date: 20210914

License type: Common License

Record date: 20221207

Application publication date: 20191112

Assignee: Shenzhen Youneng New Energy Technology Co.,Ltd.

Assignor: Guangzhou University

Contract record no.: X2022980024958

Denomination of invention: Piezoelectric composite material and piezoelectric sheet prepared therefrom

Granted publication date: 20210914

License type: Common License

Record date: 20221206

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20191112

Assignee: SHENZHEN JINGLAI NEW MATERIAL TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: Guangzhou University

Contract record no.: X2022980026288

Denomination of invention: Piezoelectric composite material and piezoelectric sheet prepared therefrom

Granted publication date: 20210914

License type: Common License

Record date: 20221213

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract