CN101538144A - 2-2型水泥基压电复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水泥基压电复合材料，属于土木工程领域中的智能材料。该复合材料采用以下方法制成：将一长方体的压电陶瓷块进行极化处理；用切片机沿与压电陶瓷极化轴相平行的方向，依次切割出一系列压电陶瓷片，按照一定的水灰比浇注水泥；浇注结束后，将试样连同模具共同置于真空干燥箱进行真空处理；将试样置于养护箱中进行养护；两个平行表面分别进行打磨抛光处理后，在两面均匀地涂上低温导电银胶或镀上电极，即可制备出2－2型水泥基压电复合材料。本发明的2－2型水泥基压电复合材料，具有压电性能优良、与混凝土相容性好、集传感和驱动于一体、耐久性好、制备工艺简单、成本低等优点。

Description

2-2型水泥基压电复合材料
技术领域
本发明涉及一种水泥基压电复合材料，属于土木工程领域中的智能材料。
背景技术
为保障重大土木工程结构的安全性、适用性与耐久性，采用智能材料对其实施在线健康监测已成为世界范围内土木工程领域的前沿研究方向。
然而，由于各国对应用于土木工程领域中智能材料的研究起步较晚，目前土木工程领域中所用的智能材料，如光导纤维、压电陶瓷、碳纤维等，都存在功能单一，且与土木工程领域中最主要的结构材料——混凝土相容性差的问题(如声阻抗匹配问题、变形协调性问题、刚度及界面粘结性问题等)，这样就会使智能材料产生虚假信号，影响传感精度，甚至会导致错误的判断。因此，研究与混凝土相容的智能材料已经成为重大土木工程结构智能监测和健康诊断领域的关键课题之一。
采用水泥为基体，压电陶瓷为功能体，通过调节复合材料各组分的比例和结构，即可制备出压电性能优良，且与混凝土具有良好相容性的水泥基压电复合材料。目前，该类复合材料的研究已引起人们的广泛关注。与压电陶瓷相比，这种复合材料具有更低的密度和声阻抗，从而使其与混凝土有着更好的声阻抗匹配特性，因而用其制作的传感器更有利于混凝土结构的超声无损检测；它可以像一个大骨料一样埋在混凝土中，与混凝土具有等同的收缩及相近的热胀系数；其耐久性好，强度高；响应速度快，传感精度高；它不但具有感知功能，而且还具有驱动功能，非常适合于监测混凝土结构的损伤、变形和静、动态应力状况等情况，从而可预防一些灾难的发生，保护人民的生命财产。因此，研究与开发水泥基压电复合材料不仅具有显著的经济效益和社会效益，而且对于推动各类土木工程结构向智能化方向发展有着广泛的工程应用意义。
发明内容：
本发明提供了一种2-2型水泥基压电复合材料，该复合材料具有压电性能优良、与混凝土相容性好、集传感和驱动于一体、耐久性好、制备工艺简单、成本低等特点。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
本发明公开了一种2-2型水泥基压电复合材料，其特征在于采用以下方法制成：
(1)将一长方体的压电陶瓷块进行极化处理；
(2)用切片机沿与压电陶瓷极化轴相平行的方向，依次切割出一系列压电陶瓷片，在切割过程中不将整个陶瓷块切透，留下一个公共底座；将切割后的陶瓷块进行反复清洗，去除其中残留的陶瓷残渣；
(3)将清洗后的陶瓷块置入模具中，浇注水泥；浇注结束后，将试样连同模具共同置于真空干燥箱进行真空处理；
(4)将试样置于养护箱中进行养护；
(5)切除陶瓷底座，然后用磨片机将上下两个平行表面分别进行打磨，使两面完全露出压电陶瓷片，抛光处理后，在两面均匀地涂上低温导电银胶或镀上电极，即可制备出2-2型水泥基压电复合材料。
上述本发明的复合材料，所述陶瓷片的间距为0.5～2mm，压电陶瓷占复合材料的体积百分数为40～70％。
上述本发明的复合材料，所述陶瓷片的长度为15～25mm，宽度为0.5-2mm，高度为5～12mm。
上述本发明的复合材料，所述的水灰比为0.30～0.50。
上述本发明的复合材料，所述的养护条件为，养护温度控制在20±1℃，相对湿度≥90％，养护7d。
上述本发明的复合材料，所述的压电陶瓷为铌镁锆钛酸铅或铌锂锆钛酸铅压电陶瓷。
以不同的水泥为基体，不同的压电陶瓷为功能体，采用切割-浇注法制备2-2型水泥基压电复合材料。首先，用切片机在经过极化处理的压电陶瓷块上，沿与压电陶瓷极化轴相平行的方向，依次准确切割出所需尺寸的压电陶瓷片，切割过程中不将整个陶瓷块切透，留下一个公共底座，从而防止陶瓷片的整体散落破坏。切割完毕后，将切割后的陶瓷块进行反复清洗，去除其中残留的陶瓷残渣，减少残渣对性能的影响。然后，将其置入模具中，按照一定的水灰比，将水泥与水充分搅拌并浇注。在浇注的过程中，始终保持不断振动，以提高水泥基体的致密度。浇注结束后，将试样连同模具共同置于真空干燥箱进行真空处理，从而减少成型后试样中的气孔，然后再进行振动处理。
将制备好的试样放入标准养护室中养护，养护温度控制在20±1℃，相对湿度≥90％，养护7d后，用磨片机将试样上下两个平行表面分别进行打磨，使两面完全露出压电陶瓷片。抛光处理后，在两面均匀地涂上低温导电银胶或镀上电极，即可制备出2-2型水泥基压电复合材料。2-2型水泥基压电复合材料的示意图如图1所示。
表1，2分别为不同品种水泥及压电陶瓷的性能。
表1不同水泥基体的主要性能
Figure A20091002048400041
Figure A20091002048400051
表2不同压电陶瓷的主要性能
(Kp：平面机电耦合系数；Kt：厚度机电耦合系数；d33：压电应变常数；tanδ：介电损耗；εr：相对介电常数；Qm：机械品质因数；ρ：体积密度)
本发明的2-2型水泥基压电复合材料，具有压电性能优良、与混凝土相容性好、集传感和驱动于一体、耐久性好、制备工艺简单、成本低等优点。
附图说明：
附图1本发明的结构示意图
图中，1上电极，2下电极，3水泥层，4压电陶瓷片。
具体实施方式：
实施例1：压电陶瓷体积分数对压电复合材料性能的影响
如图1所示(下同)，本发明的2-2型水泥基压电复合材料，包括有交替排列的水泥层3和压电陶瓷片4，以及位于上表面的上电极1和位于下表面的下电极2。
采用以下方法制成：将一长方体的压电陶瓷块进行极化处理；用切片机沿与压电陶瓷极化轴相平行的方向，依次切割出压电陶瓷片，在切割过程中不将整个陶瓷块切透，留下一个底座；将切割后的陶瓷块进行反复清洗，去除其中残留的陶瓷残渣；清洗后的陶瓷块置入模具中，按照一定的水灰比浇注水泥；浇注结束后，将试样连同模具共同置于真空干燥箱进行真空处理，再振动；养护成型；切除陶瓷底座，然后用磨片机将上下两个平行表面分别进行打磨，使两面完全露出压电陶瓷片，抛光处理后，在两面均匀地涂上低温导电银胶或镀上电极，即可制备出2-2型水泥基压电复合材料。
采用切片机在经过极化处理的6个尺寸相同的压电陶瓷上沿与极化轴相平行的方向上，依次切割出长度(X轴方向)为19mm，宽度(Y轴方向)为1mm，厚度(Z轴方向)为10mm的系列压电陶瓷片(图1所示)。6个不同压电陶瓷块的陶瓷片间距分别为0.5mm，0.75mm，1mm，1.25mm，1.5mm，1.75mm。复合材料中压电陶瓷的体积分数依次为69.23％，60.87％，53.85％，48.98％，44.44％，41.67％。
将切割后的陶瓷块清洗晾干，置入模具中浇注水泥，水泥∶水∶减水剂(质量比)为1∶0.3∶0.01。将制备好的试样放入标准养护室(温度20±1℃，相对湿度≥90％)中养护7d后，将试样取出分别进行粗磨及细磨并抛光，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胶或镀上电极进行测试。不同压电陶瓷体积分数压电复合材料的性能如表3所示。
表3不同压电陶瓷体积分数压电复合材料的性能
Figure A20091002048400061
(g33：压电电压常数；Z：声阻抗率)
实施例2：水灰比对压电复合材料性能的影响
以硫铝酸盐水泥和极化过的铌镁锆钛酸铅陶瓷为原料，沿着铌镁锆钛酸铅压电陶瓷的极化方向，采用切片机依次切割出长度(X轴方向)为19mm，宽度(Y轴方向)为1mm，厚度(Z轴方向)为6.5mm的陶瓷片，陶瓷片的间距亦为1mm。清洗晾干后，将陶瓷块固定在模具中，放在振动台上，按照水灰比为0.30，0.35，0.40，0.45，0.50分别将水泥与水充分搅拌，然后在不断振动的情况下，将水泥浇注到模具内，真空处理并进行养护。水灰比对压电复合材料性能的影响如表4所示。
表4不同水灰比压电复合材料的性能
Figure A20091002048400062
实施例3：复合材料厚度对压电复合材料性能的影响
以硫铝酸盐水泥为基体，铌镁锆钛酸铅压电陶瓷为功能体，制备出压电陶瓷体积分数均为53.85％的水泥基压电复合材料。陶瓷片的尺寸如下，长度(X轴方向)×宽度(Y轴方向)均为19mm×1mm，厚度(Z轴方向)分别为10.5mm，9.7mm，7.6mm，6.6mm，5.0mm。陶瓷片的间距为1mm。将切割后的陶瓷块清洗干燥后，固定在模具中，置于振动台上，按照水灰比为0.35的比例，将水泥与水充分搅拌，在不断振动的情况下，将水泥浇注到模具内。
在标准养护室中(20±1℃，相对湿度≥90％)养护7d后，进行打磨、抛光。用丙酮擦洗试样表面后晾干，再在两面薄薄地均匀地涂上低温导电银胶或镀上电极进行测试。厚度对压电复合材料性能的影响如表5所示。
表5不同厚度压电复合材料的性能
Figure A20091002048400072
实施例4：陶瓷功能体及水泥基体对压电复合材料性能的影响
以硫铝酸盐水泥为基体，分别在经过极化处理的铌镁锆钛酸铅和铌锂锆钛酸铅压电陶瓷上沿与极化轴相平行的方向上，采用切片机依次切割出压电陶瓷片的长(X轴方向)×宽(Y轴方向)×高(Z轴方向)为15mm×1mm×9mm，陶瓷片间距为1mm的深槽。然后将切割后的陶瓷块清洗后晾干，置入模具中，放于振动台上不断振动并浇注水泥。水泥∶水∶减水剂(质量比)为1∶0.35∶0.01。
以铌镁锆钛酸铅压电陶瓷为功能体，分别以普通硅酸盐水泥，磷铝酸盐水泥，硫铝酸盐水泥为基体制备复合材料。采用切片机切割出铌镁锆钛酸铅压电陶瓷片的长(X轴方向)×宽(Y轴方向)×高(Z轴方向)均为19mm×1mm×10mm，陶瓷片间距为1mm的深槽。然后将切割后的陶瓷块清洗后晾干，置入模具中，不断振动并浇注水泥。水泥∶水∶减水剂(质量比)为1∶0.35∶0.01。
在标准养护室中(20±1℃，相对湿度≥90％)养护7d后，进行打磨、抛光。用丙酮擦洗试样表面后晾干，再在两面薄薄地均匀地涂上低温导电银胶或镀上电极进行测试。
不同压电陶瓷功能体和不同水泥基体压电复合材料的性能分别如表6，表7所示。
表6不同压电陶瓷功能体复合材料的性能
Figure A20091002048400081
表7不同水泥基体压电复合材料的性能
Figure A20091002048400082

Claims (6)

1.一种2-2型水泥基压电复合材料，其特征在于采用以下方法制成：
(1)将一长方体的压电陶瓷块进行极化处理；
(2)用切片机沿与压电陶瓷极化轴相平行的方向，依次切割出一系列压电陶瓷片，在切割过程中不将整个陶瓷块切透，留下一个公共底座；将切割后的陶瓷块进行反复清洗，去除其中残留的陶瓷残渣；
(3)将清洗后的陶瓷块置入模具中，浇注水泥；浇注结束后，将试样连同模具共同置于真空干燥箱进行真空处理；
(4)将试样置于养护箱中进行养护；
(5)切除陶瓷底座，然后用磨片机将上下两个平行表面分别进行打磨，使两面完全露出压电陶瓷片，抛光处理后，在两面均匀地涂上低温导电银胶或镀上电极，即可制备出2-2型水泥基压电复合材料。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述陶瓷片的间距为0.5～2mm，压电陶瓷占复合材料的体积百分数为40～70％。
3.根据权利要求2所述的复合材料，其特征在于：所述陶瓷片的长度为15～25mm，宽度为0.5～2mm，高度为5～12mm。
4.根据权利要求1或2所述的复合材料，其特征在于：所述的水灰比为0.30～0.50。
5.根据权利要求1或2所述的复合材料，其特征在于：所述的养护条件为，养护温度控制在20±1℃，相对湿度≥90％，养护7d。
6.根据权利要求1或2所述的复合材料，其特征在于：所述的压电陶瓷为铌镁锆钛酸铅或铌锂锆钛酸铅压电陶瓷。
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