CN2760028Y - 水泥基压电复合材料 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于功能复合材料技术领域，特别涉及一种水泥基压电复合材料。本实用新型的复合材料，其特别之处在于：平板状的水泥基体中嵌有贯穿水泥基体的若干压电陶瓷柱，压电陶瓷柱垂直于水泥基体的表面，水泥基体的上下表面分别涂有导电涂层。本实用新型的水泥基压电复合材料的有益效果是，与混凝土母体具有良好的相容性，大大提高压电材料的传感精度及驱动力，并且具有低声阻抗、低介电常数、高机电耦合系数、低机械品质因数以及柔韧性和压电陶瓷相的可控性等优点。本实用新型的制备方法具有操作简单，成本低，适合工业化生产，成品压电性能好等优点。
Description
(一)所属技术领域
本实用新型属于功能复合材料技术领域，特别涉及一种水泥基压电复合材料。
(二)背景技术
随着科学技术的迅速发展，功能单一的传统水泥材料，已不能适应日新月异的多功能工程和新技术革命的需要，现代建筑对水泥基复合材料提出了新的挑战，不仅要求水泥基复合材料要有高强度，而且还应具有声、光、电、磁、热等功能，以适应多功能和智能建筑的需要。因此，水泥基功能复合材料的研究和开发已逐渐成为热点。
近年来，智能材料与结构已逐渐渗入到土木工程领域中。土木工程领域中的众多大型建筑结构(如大跨桥梁、高耸建筑和核建筑等)规模庞大、结构复杂，一旦失效，后果将是灾难性的，对它们的安全性和耐久性的要求远高于一般性建筑结构。因此，采用智能材料与结构对重大土木工程建筑实施在线健康监测和预报，不仅可大大减少结构的维修费用，而且还可避免对人类造成的危害。众所周知，智能材料与结构主要由传感、驱动和控制三部分组成，压电材料由于其自身特性，既可以作为传感材料，也能作为驱动材料，是智能材料与结构中应用最广泛、最重要的机敏材料之一，它的研究进展决定着智能材料与结构的实用化进程。
压电材料一般包括压电陶瓷、压电聚合物和聚合物基压电复合材料。在土木工程领域中，以上三类压电材料均与混凝土母体存在相容性差的问题。相容性不好，机敏材料的传感精度会大幅度降低，驱动力度会受到显著的削弱。在土木工程领域，占主要地位的结构材料是混凝土，混凝土与其它领域中的重要结构材料如金属、塑料等相比，在变形特性、刚度和声阻抗等方面有本质差别。在混凝土的固化过程中，因为水化的作用，或者因为外界温度的变化，例如结冰和解冻、潮湿和干燥或者加热和冷却等会引起温度梯度，这些温差会引起混凝土的非均匀体积变动。当体积相对稳定的压电陶瓷材料被埋入混凝土结构中时，如果发生温度或湿度的变化，将导致混凝土与压电材抖变形的不协调，从而使机敏材料发生虚假信号，影响传感精度，甚至会发生错误的检测情形。另外，水泥是强碱性的，而压电聚合物和聚合物基压电复合材料在高度碱性水泥环境中，化学耐久性较差，易老化，时间一长便起不到健康监控作用。因此，在发展土木工程领域的智能结构时，需要研制开发与土木工程领域主体结构材料——混凝土相容的压电机敏材料。
(三)发明内容
为了克服以上技术的不足，本实用新型提供了一种水泥基压电复合材料，该复合材料不但具有低声阻抗、低介电常数、高机电耦合系数、低机械品质因数以及柔韧性和压电陶瓷相的可控性等优点，而且更为重要的是它与混凝土母体具有良好的相容性。
本实用新型是通过以下技术方案来实现的：
本实用新型公开了一种水泥基压电复合材料，其特别之处在于：平板状的水泥基体中嵌有贯穿水泥基体的若干压电陶瓷柱，压电陶瓷柱垂直于水泥基体的表面，水泥基体的上下表面分别涂有导电涂层。
本实用新型的水泥基压电复合材料，所述的水泥基体由快硬早强的硫铝酸盐水泥或普通硅酸盐水泥为基体。
本实用新型的水泥基压电复合材料，为了提高压电性能，所述的压电陶瓷柱由铌镁锆钛酸铅(PMN)或溶胶一凝胶法合成的高纯超细PZT和压电活性更高的掺杂改性的PZT制成。
本实用新型的水泥基压电复合材料，所述的压电陶瓷柱占复合材料的体积百分比为20-50％。
本实用新型的水泥基压电复合材料，为了提高水泥基体与压电陶瓷相的界面结合强度，所述的压电陶瓷柱采用钛酸四丁酯进行表面处理。
本实用新型的水泥基压电复合材料，所述的水泥基体的水灰比为0.3-0.4。
本实用新型的水泥基压电复合材料，其制备方法包括以下步骤：
(1)在极化好的压电陶瓷块上，按一定周期、体积和尺寸，切割成一系列陶瓷柱，用丙酮彻底清洗干净后，用钛酸四丁酯将其浸泡后，然后固定在模具内；
(2)将模具固定在振动台上，按一定的水灰比将水泥充分搅拌后，在不断振动的情况下，将水泥浇注到模具内，进行养护；
(3)脱模后，将养护好的水泥基体的上下两个平行表面分别进行打磨，待两面完全露出压电陶瓷柱后，再抛光，然后用丙酮擦洗试样表面，在两面薄薄地均匀地涂上低温导电银浆或真空镀金，在真空干燥箱内烘干1h-2h，干燥温度为100-120℃，即可得到水泥基压电复合材料。
上述制备方法中，为使水泥基体致密度提高，避免气孔和裂纹产生，水泥基体中加入适量的消泡剂；同时，浇注水泥后，进行抽真空处理，然后再放在振动台上振动。
本实用新型的水泥基压电复合材料是由一维的压电陶瓷柱平行地排列于三维连通的水泥基体中而构成的两相压电复合材料，一般称为1-3型水泥基压电复合材料。这种复合材料集中了各相材料的优点，互补了单相的缺点，具有低声阻抗、低介电常数、高机电耦合系数、低机械品质因数以及柔韧性和压电陶瓷相的可控性等优点。在1-3型水泥基压电复合材料中，由于水泥的柔韧性要好于压电陶瓷相，因此当其受到外力作用时，作用于水泥基体上的应力将有效传递给压电陶瓷相，造成压电陶瓷相的应力放大；同时水泥基体的介电常数极低，使整个压电复合材料的介电常数大幅度下降。这两个因素综合作用的结果使压电复合材料的压电电压常数g33得到较大幅度的提高。因此，作为传感材料，1-3型水泥基压电复合材料的综合性能要优于纯压电陶瓷相，是一种很有潜力和发展前途的传感材料。更重要的是1-3型水泥基压电复合材料在土木工程领域中不但与混凝土母体具有良好的相容性，而且与混凝土结构材料的界面粘结效果也优于其它机敏材料，这大大提高了压电材料的传感精度及驱动力。因此，该类复合材料的研究与开发对于推进各类土木工程结构向智能化方向发展具有广泛的工程应用意义。
本实用新型的水泥基压电复合材料的有益效果是，由于它与混凝土母体具有良好的相容性，大大提高压电材料的传感精度及驱动力，并且具有低声阻抗、低介电常数、高机电耦合系数、低机械品质因数以及柔韧性和压电陶瓷相的可控性等优点。本实用新型的制备方法具有操作简单，成本低，适合工业化生产，成品压电性能好等优点。
(四)附图说明
图1为本实用新型的1-3型水泥基压电复合材料制备工艺流程图
图2为本实用新型的复合材料的剖面结构示意图
图中，1水泥基体，2压电陶瓷柱，3导电涂层
(五)具体实施方式
下面通过实施例进一步描述本实用新型。
实施例1
以硫铝酸盐水泥为基体，铌镁锆钛酸铅(PMN)压电陶瓷为功能体，其主要性能如表1和表2所示。
表1铌镁锆钛酸铅的主要性能
| 平面机电耦合系数/Kp | 横向机电耦合系数K31 | 压电常数/d33/pC·N-1 | 介电损耗/tanδ | 相对介电常数/εr | 机械品质因数/Qm | 居里温度Tc/℃ |
| 0.66 | 0.41 | 550 | 0.015 | 3800 | 55 | 200 |
表2快硬硫铝酸盐水泥的主要性能
| 相对介电常数/εr | 介电损耗/tanδ | 体积密度/g/cm3 | 平均粒径/μm |
| 8.55 | 0.067 | 2.078 | 17.70 |
分别在极化好的PMN压电陶瓷块上，切割长×宽×高为1×1×5mm的一系列陶瓷柱。压电陶瓷柱占复合材料的体积分数分别为：21.31％，27.26％，34.95％，47.2％。用丙酮彻底清洗干净后，用钛酸四丁酯将其浸泡，使其表面具有一定的粗糙度，便于提高水泥基体与压电陶瓷相的界面结合强度。将其固定在模具内，放在振动台上。按水灰比为0.4将水泥充分搅拌后，在不断震动的情况下，将水泥浇注到模具内，为使水泥基体致密度提高，一方面可往水泥基体中加入适量的消泡剂，另一方面也可在浇注水泥后，进行抽真空处理，然后再放在振动台上振动，以消除基体中的气泡和裂纹。将制备好的试样在标准养护箱内(20℃，100％RH)养护28d后，将养护好的水泥基体的上下两个平行表面分别进行打磨，待两面完全露出压电陶瓷柱后，再抛光，用丙酮擦洗试样表面，然后在两面薄薄地均匀地涂上低温导电银浆或真空镀金，在真空干燥箱内烘干1h-2h，干燥温度为100-120℃，即可得到1-3型水泥基压电复合材料，其性能如表3所示。
本实施例制成的复合材料的结构如图2所示，水泥基体1呈平板状，水泥基体1内部嵌有贯穿水泥基体的若干压电陶瓷柱2，压电陶瓷柱垂直于水泥基体的表面，水泥基体的上下表面分别涂有导电涂层3。
表3 1-3型硫铝酸盐水泥基压电复合材料的性能
| PMN体积分数/Vol％ | d33/pC·N-1 | g33/mVm·N-1 | εr | KP/％ | Kt/％ | Qm |
| 21.3127.2634.9547.20 | 213.5263.8297.2354.3 | 86.8466.2076.3766.90 | 277.8450.6439.4597.9 | 33.4534.2635.9238.98 | 32.7333.4635.0938.06 | 12.0516.3024.928.93 |
实施例2
以硫铝酸盐水泥为基体，铌镁锆钛酸铅(PMN)压电陶瓷为功能体，其主要性能如表1和表2所示。
分别在极化好的PMN压电陶瓷块上，切割长×宽×高为1×1×9mm的一系列陶瓷柱，其体积分数均为：22.72％。用丙酮彻底清洗干净后，用钛酸四丁酯将其浸泡，使其表面具有一定的粗糙度，便于提高水泥基体与压电陶瓷相的界面结合强度。将其固定在模具内，放在振动台上。按水灰比为0.4将水泥充分搅拌后，在不断振动的情况下，将水泥浇注到模具内，为使水泥基体致密度提高，一方面可往水泥基体中加入适量的消泡剂，另一方面也可在浇注水泥后，进行抽真空处理，然后再放在振动台上振动，以消除基体中的气泡和裂纹。将制备好的试样在标准养护箱内(20℃，100％RH)养护28d后，将养护好的水泥基体的上下两个平行表面分别进行打磨，待两面完全露出压电陶瓷柱后，再抛光。分别制备成厚度分别为2.6mm、3.3mm、5.0mm、6.0mm、7.7mm的1-3型硫铝酸盐水泥基压电复合材料，用丙酮擦洗试样表面，然后在两面薄薄地均匀地涂上低温导电银浆或真空镀金，在真空干燥箱内烘干1h-2h，干燥温度为100-120℃，即可得到1-3型水泥基压电复合材料。五种厚度不同的水泥基压电复合材料的性能如表4所示
表4 1-3型硫铝酸盐水泥基压电复合材料的性能
| 性能 | 压电陶瓷柱的宽厚比 |
| 1/2.6 1/3.3 1/5.0 1/6.0 1/7.7 | |
| d33/pC·N-1g33/mVm·N-1εrQmfmin/kHzfmax/kHzΔf/kHzKp/％Kt/％ | 149.3 156.9 159.0 164.7 188.739.90 41.21 40.91 40.81 41.02422.80 430.19 439.14 455.9 519.7411.85 13.91 16.67 16.54 28.83172.54 172.54 165.04 165.04 165.04180.04 180.04 172.54 172.54 172.547.50 7.50 7.50 7.50 7.5031.90 31.90 32.79 32.79 32.7931.39 31.39 32.04 32.04 32.04 |
实施例3
以普通硅酸盐水泥为基体，铌镁锆钛酸铅(PMN)压电陶瓷为功能体，其主要性能如表2所示。
分别在极化好的PMN压电陶瓷块上，切割成以下系列的压电陶瓷柱，长×宽×高分别为1.25×1×7mm、1.5×1×7mm和1.75×1×7mm，其体积分数均为：20.5％。用丙酮彻底清洗干净后，用钛酸四丁酯将其浸泡，使其表面具有一定的粗糙度，便于提高水泥基体与压电陶瓷相的界面结合强度。将其固定在模具内，放在振动台上。按水灰比为0.35将水泥充分搅拌后，在不断振动的情况下，将水泥浇注到模具内，为使水泥基体致密度提高，一方面可往水泥基体中加入适量的消泡剂，另一方面也可在浇注水泥后，进行抽真空处理，然后再放在振动台上振动，以消除基体中的气泡和裂纹。将制备好的试样在标准养护箱内(20℃，100％RH)养护28d后，将养护好的水泥基体的上下两个平行表面分别进行打磨，待两面完全露出压电陶瓷柱后，再抛光。然后在两面薄薄地均匀地涂上低温导电银浆或真空镀金，在真空干燥箱内烘干1h-2h，干燥温度为100-120℃，即可得到1-3型水泥基压电复合材料。三种压电陶瓷柱长宽比不同的1-3型水泥基压电复合材料的性能如表5所示。
表5 1-3型普通硅酸盐水泥基压电复合材料的性能
| 长宽比 | 性能 | ||||||||
| d33/pC·N-1 | g33/mVm·N-1 | εr | Qm | fmin/kHz | fmax/kHz | Δf/kHz | Kp/％ | Kt/％ | |
| 1.25/11.50/12.00/1 | 195.5163.3196.3 | 50.3440.6650.88 | 438.85453.83435.92 | 4.556.705.26 | 105.0497.5497.54 | 112.54105.04105.04 | 7.57.57.5 | 40.2241.6941.69 | 39.2340.5140.51 |
Claims (2)
1.一种水泥基压电复合材料，其特征在于：平板状的水泥基体中嵌有贯穿水泥基体的若干压电陶瓷柱，压电陶瓷柱垂直于水泥基体的表面，水泥基体的上下表面分别涂有导电涂层。
2.根据权利要求1所述的水泥基压电复合材料，其特征在于：所述的水泥基体由快硬早强的硫铝酸盐水泥或普通硅酸盐水泥为基体。
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