CN102509766A - 1-3型正交异性水泥基压电复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种1-3型正交异性水泥基压电复合材料，包括填充有水泥的压电陶瓷块和导电胶，其中相邻两压电陶瓷块极化方向相反，导电胶填充于压电陶瓷块中间及其外围。本发明还公开了压电复合材料的制备和应用，制备时采用切割浇注与排列浇注相结合的方法，工艺简单，成本低，所得产品具有明显的正交异性特性，具有测定特定方向应力和应力波的能力，能够分辨不同方向的损伤信号，可以用于对混凝土结构中裂纹的进行定位和识别，解决了现有智能材料不能分辨不同方向的损伤信号的问题，将其用于混凝土检测领域不仅可为重大工程结构的健康监测提供理论和技术基础，而且对于预防事故的发生，保障人民的生命财产更具有重要的现实意义。

Description

1-3型正交异性水泥基压电复合材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种具有正交异性特性的水泥基压电复合材料及其制备方法和应用，特别涉及一种用于混凝土结构健康监测的正交异性水泥基压电复合材料及其制备方法及应用。

背景技术

为解决目前土木工程领域中所用的智能材料与混凝土结构材料相容性差的问题，开发性能优良的水泥基功能复合材料，国内外学者已做了许多研究工作，并取得了一些有价值的研究成果。以水泥为基体，碳黑、碳纤维、碳纳米管和压电陶瓷作为功能组分制备的水泥基功能复合材料虽然与混凝土有良好的相容性，非常适合于监测一些重大土木工程结构的损伤、变形和内部应力变化等情况，并且在一定程度上推进了土木工程结构的智能化进程，但是，在其应用于混凝土结构检测或健康监测时仍存在着一些问题。一方面，作为传感元件，具有压电效应的横观各向同性特性，将会同时感受到所有方向的应力，不具备测定特定方向应力和应力波的能力，无法对混凝土结构的损伤源进行定位。另一方面，作为驱动元件时，在平面内两个非极化方向上同时向外扩张或收缩，诱导出各向同性的平面驱动应变，这一变形特征不符合一般工程弹性材料所表现出纵向伸长横向同时收缩的变形规律，不能够在特定的方向产生较强的驱动力。因此，如何研制一种既与混凝土材料相容好，性能稳定，同时又具有正交异性特性的水泥基压电复合材料对于土木工程结构在役期间安全状况的实时监测具有非常重要的意义。

压电复合材料不但可以克服其组成材料各自的缺陷，而且还可兼有它们的优点，甚至可以根据使用要求设计出单相压电材料所没有的性能，因此越来越引起人们的重视。按照各相材料的不同连通方式，压电复合材料可分为十种基本类型，即0-0、0-1、0-2、0-3、1-1、1-2、1-3、2-2、2-3、3-3型。其中，1-3 型压电复合材料因具有优良的压电性能、高的机电耦合系数、低的机械品质因数、且易与母体材料声阻抗相匹配等特点，而成为目前研究最多、最深入、应用最广泛的一种压电复合材料。所谓1-3型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。这种复合材料集中了各相材料的优点，互补了单相的缺点，它不但具有传感功能，而且还有驱动功能，更重要的是该复合材料具有设计自由度大的优点，其复合度可调节、复合形式可选择以及空间的对称性可改变，可以根据使用要求设计出单相压电材料所没有的性能。由于水泥基压电复合材料的研究才刚刚起步，有关1-3型正交异性水泥基压电复合材料方面的研究目前尚未见报告。因此，通过改进结构单元的复合组装形式和空间分布的对称性，对压电复合材料中压电相的构造方位进行优化设计，制备出具有良好正交异性特性的1-3型的水泥基压电复合材料，不仅可为重大工程结构的健康监测提供理论和技术基础，而且对于预防事故的发生，保障人民的生命财产更具有重要的现实意义。

发明内容

本发明针对目前土木工程领域中所使用的智能材料普遍不具备测定特定方向应力和应力波的能力、不能分辨不同方向的损伤信号的问题，提供了一种1-3型正交异性水泥基压电复合材料，该复合材料具有正交异性，能够对损伤源进行精确定位及识别。

本发明还提供了此压电复合材料的制备方法，该方法采用切割-浇注法和排列-浇注法相结合的技术制备压电复合材料。

本发明还提供了本压电复合材料的应用。

本发明利用复合材料设计自由度大的特点，对压电复合材料中压电相的构造方位进行设计，改进结构单元的复合组装形式和空间分布，具体的，使复合材料内部的压电陶瓷柱的极化方向平行于x方向，并使x方向上相邻的压电陶瓷柱的极化方向相反，利用导电胶在复合材料的内部形成叉指型电极结构，改变传统的水泥基压电复合材料的内部的电场分布和振动模式，使其具有正交异性特性。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种1-3型正交异性水泥基压电复合材料，其特征是：包括填充有水泥的压电陶瓷块和导电胶，其中相邻两压电陶瓷块极化方向相反，导电胶填充于压电陶瓷块中间及其外围（外围指压电陶瓷块的四周），水泥与导电胶将压电陶瓷分割为一个个的压电陶瓷柱。

在压电复合材料中，导电胶作为电极，填充在陶瓷块的中间及四周，呈叉指型电极结构。因为导电胶填充在压电陶瓷中，因此又可视为基体。导电胶的宽度（两导电陶瓷块的距离）为0.35mm～3mm，导电胶的宽度对整个压电复合材料的正交异性有一定的影响，宽度过小，不利于操作，难于浇注，宽度过大，正交异性会有降低。

上述压电复合材料中，压电陶瓷块包括压电陶瓷和水泥，其中压电陶瓷的体积分数为30～70%，水泥余量，两者之和为100%。在填充水泥时，水灰比为0.3～0.45。

上述压电复合材料中，水泥沿与压电陶瓷极化方向相同的方向进行填充，导电胶在压电陶瓷块间沿与压电陶瓷极化方向垂直的方向进行填充。根据压电陶瓷的体积分数不同，设定水泥的填充宽度。导电胶和水泥的填充将压电陶瓷分割成一个个的压电陶瓷柱。相邻两压电陶瓷块的极化方向相反，因此，复合材料中压电陶瓷的极化方向发生了变化。在制备时，压电陶瓷柱的长宽比选取本领域中常用的长宽比即可，例如长宽比可以为1.5×3、2×1、4×1、1.5×1、1.5×1.5、2×4、1×1等，本领域技术人员在选取时是显而易见的。

若选用传统的切割-浇注的制备方法，无法使相邻的压电陶瓷阵列的极化方向相反，必须要进行重新排列，因此本发明选用切割-浇注和排列-浇注相结合的办法制备压电复合材料。这样既能继承切割-浇注法的优点，又能够灵活的控制压电陶瓷阵列的排列方式。

本发明1-3型正交异性水泥基压电复合材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：

（1） 确定水泥基体的水灰比、压电陶瓷的体积分数、压电陶瓷柱的长宽比和间距；

（2） 在压电陶瓷上沿极化方向切割一系列平行沟槽，切割后对压电陶瓷进行清洗；

（3） 将水泥与水搅拌后注入切割后的沟槽中，浇注后的压电陶瓷放入标准养护室中进行养护；

（4） 将养护好的压电陶瓷沿与其极化方向垂直的方向进行二次切割，切割出所需尺寸的压电陶瓷块（阵列块）；

（5） 将切割好的压电陶瓷块按照复合材料的构造方式进行排列组合，使相邻的两压电陶瓷块极化方向相反，并将排列好的压电陶瓷块固定于模具内；

（6） 浇注导电胶和水泥，使导电胶形成叉指型电极结构，浇注好的试样放入标准养护箱内进行养护；

（7） 将养护好的试样进行打磨抛光，使试样上下表面均露出压电陶瓷柱，即得1-3型正交异性水泥基压电复合材料。

上述步骤（3）和步骤（6）的养护条件为：温度19-21℃，相对湿度≥90%，养护7天。

上述步骤（3）中，在浇注过程中，不断振动压电陶瓷，以减少水泥的孔隙率，浇注完成后先将压电陶瓷放入真空箱中抽真空再进行养护。

1-3型正交异性水泥基压电复合材料的具有明显的正交异性特性，具有测定特定方向应力和应力波的能力，能够分辨不同方向的损伤信号，可以用于对混凝土结构中裂纹的进行定位和识别，解决了现有智能材料不能分辨不同方向的损伤信号的问题，将其用于混凝土检测领域不仅可为重大工程结构的健康监测提供理论和技术基础，而且对于预防事故的发生，保障人民的生命财产更具有重要的现实意义。

本发明所涉及到的压电复合材料的制备方法为切割浇注与排列浇注相结合的方法，制备工艺简单，成本低。

附图说明

图1为本发明1-3型正交异性水泥基压电复合材料制备工艺流程。

图2复合材料的压电常数随PZT-51体积分数的变化曲线。

图3为纯压电陶瓷传感元件在断铅角度30°所得到的信号图，图a为纵向测量信号图，图b为横向测量信号图。

图4为1-3型水泥基压电复合材料传感元件在断铅角度30°所得到的信号图，图a为纵向测量信号图，图b为横向测量信号图。

图5为1-3型正交异性水泥基压电复合材料传感元件在断铅角度30°所得到的信号图，图a为纵向测量信号图，图b为横向测量信号图。

图6为不同断铅角度下纯压电陶瓷传感元件的信号峰值。

图7为不同断铅角度下1-3型水泥基压电复合材料传感元件的信号峰值。

图8为不同断铅角度下1-3型正交异性水泥基压电复合材料传感元件的信号峰值。

图9为1-3型正交异性水泥基压电传感元件测试角度为0°(360°) 时接受的信号图。

图10为1-3型正交异性水泥基压电传感元件测试角度为90°时接受的信号图。

图11为1-3型正交异性水泥基压电传感元件测试角度为180°时接受的信号图。

图12为1-3型正交异性水泥基压电传感元件测试角度为270°时接受的信号图。

图13为三种传感元件的信号幅值随测试角度的变化曲线。

图14为三种传感元件的信号幅值随测试角度的变化曲线。

图15为本发明压电复合材料中的压电陶瓷块的示意图。

图16为本发明1-3型正交异性水泥基压电复合材料沿水泥填充方向的截面示意图。

图中，1、压电陶瓷，2、水泥，3，导电胶。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行详细阐述，应该明白的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

在下述实施例中，压电复合材料的制备方法均按照下列步骤：

1、确定水泥基体的水灰比、压电陶瓷的体积分数、压电陶瓷柱的长宽比和陶瓷柱之间的间距；

2、采用外圆切割机在已极化好的压电陶瓷上沿着极化方向进行切割，并保留底座；

3、将切割后的陶瓷用超声波清洗仪进行反复清洗，去除其中残留的陶瓷残渣及石蜡，减少残渣对材料性能的影响；

4、将清洗后的压电陶瓷固定在模具内，放在振动台上，按照一定的水灰比，将水泥与水充分搅拌后浇注到模具中，在浇注的过程中，始终保持不断振动，为减少基体的孔隙率，再将试样放入真空箱中进行抽真空处理；

5、将浇注好的试样放入标准养护室中养护7d，养护温度控制在19-21℃，相对湿度≥90%；

6、用外圆切割机将养护好的试样沿与压电陶瓷极化方向垂直的方向进行二次切割，切割出所需尺寸的阵列块（压电陶瓷块）；

7、将切割好的阵列块按照复合材料的构造方式进行排列组合，使相邻的两片压电陶瓷块极化方向相反，并将其固定于模具内；

8、浇注导电胶和水泥，使之形成叉指型电极结构；具体操作时的步骤是，先按照叉指电极的结构形式在相应部位加入绝缘小棒，然后向模具中浇注导电胶，导电胶凝固后将绝缘小棒取出，浇入水泥，使之形成叉指型电极结构，再将制备好的试样放入标准养护箱内（20±1℃，相对湿度≥90%）养护7d；

9、固化好后进行打磨抛光，切除底座后，即得1-3型正交异性水泥基压电复合材料。

实施例1

压电陶瓷体积分数对复合材料压电性能的影响

压电陶瓷相的体积比是影响正交异性水泥基压电复合材料压电常数的主要因素之一。在经过极化处理的6个尺寸相同的压电陶瓷（PZT-51）上沿与压电陶瓷块极化轴相平行的方向上进行切割，切割宽度为1.5mm，保留底座。压电陶瓷块之间的距离分别为0.35mm，0.65mm，1mm，1.5mm，2mm，3mm，相对应的压电陶瓷的体积分数分别为：65.79%、58.62%、51.49%、43.86%、38.20%、30.36%。

将切割后的陶瓷块清洗后置入模具中，按0.45的水灰比配置水泥浆体，进行浇注，并反复振动和抽真空，将制备好的试样放入标准养护室中养护7d后（温度20±1oC，相对湿度≥90%），沿与压电陶瓷块极化轴垂直的方向再次进行切割，切割宽度为3mm，然后用丙酮将试样表面擦拭干净后进行排列，排列时注意相邻两组压电陶瓷阵列的极化方向相反，最后将导电胶和水泥在排列好的阵列中构造成叉指型电极结构，叉指电极的分支电极宽度为1mm，将制备好的试样再次放入标准养护室中养护7d后（温度20±1oC，相对湿度≥90%），切割掉底座，粗磨及细磨并抛光，即可1-3型正交异性水泥基压电复合材料的制备。

图2为压电陶瓷体积分数对复合材料压电性能的影响，由图2可以看出复合材料的压电性能随压电陶瓷体积分数的增加而增大。

实施例2

以实施例1中压电陶瓷体积分数为58.62%，水泥体积分数为41.38%，压电陶瓷块之间的距离0.65mm的1-3型正交异性压电复合材料为例，以纯压电陶瓷PZT-51传感元件与1-3型压电复合材料传感元件(PZT-51体积分数为65.31%)为对比，研究类型压电传感元件在模拟声源下的响应情况。操作步骤为：将三种传感元件用凡士林粘结在30cm×30cm的瓷砖上，用直径0.5 mm、伸长量2.5 mm的铅笔芯15°、30°、45°和60°折断信号模拟声发射源，在距离传感元件几何中心12cm处对每种传感元件分别进行测试，测试角度为0°和90°。

三种传感元件在断铅角度30°所得到的信号图如图3、4、5所示，不同断铅角度下传感元件的信号峰值如图6、7、8所示。

通过对比三种传感元件的信号强度可以发现：

（1）1-3型正交异性压电传感元件的在纵向所接收到的信号峰值要远高于纯陶瓷和1-3型水泥基压电复合材料传感器，这是由于1-3型正交异性水泥基压电复合材料的压电常数远大于另外两种材料，传感性能较好的原因。随着断铅角度的变化，正交异性水泥基压电复合材料传感元件的信号强度逐渐增大，其它两种传感元件没有明显的规律，说明正交异性水泥基压电复合材料具有较高的灵敏度。

（2）纯压电陶瓷传元件和1-3型水泥基压电复合材料传元件纵向与横向的信号强度差别不明显，纯陶瓷的大约为500mV，1-3型水泥基压电复合材料约为300mV。这表明纯压电陶瓷和1-3型水泥基压电复合材料对声发射信号的接收具有横观各向同性的特点。而1-3型正交异性水泥基压电复合材料传感元件纵向的峰值强度明显高于横向峰值强度，纵向的峰值强度约是横向的2.64倍，这表明复合材料对平面正交方向的激励信号具有不同的灵敏度，能区分不同方向的应力波，具有明显的正交异性特性。

实施例3

制备1-3型正交异性水泥基压电复合材料传感元件，压电陶瓷为PZT-51，体积分数为58.62%，压电陶瓷柱的长×宽×高为1.5mm×3mm×6mm，分支电极宽度为1mm（即导电胶的填充宽度，也即压电陶瓷块的距离），水灰比为0.45。以此1-3型正交异性水泥基压电复合材料传感元件为例，并以纯压电陶瓷（PZT-51）传感元件与1-3型水泥基压电复合材料传感元件（PZT-51体积分数58.62%）为对比，研究1-3型正交异性水泥基压电复合材料传感元件在混凝土结构上的声发射响应情况及其正交异性特性。操作为：将传感元件粘贴于30cm×70cm的混凝土梁上进行测试，并与另外两种传感元件进行对比。用直径0.5mm、伸长量2.5mm的铅笔芯30°折断信号模拟声发射源，在以传感元件几何中心为圆心，12cm为半径的圆上，每隔22.5°测量一次，研究三种传感元件对整个平面内声发射信号的响应情况，结果见图9-14。

由图13和14可以看出，压电陶瓷与1-3型水泥基复合材料传感元件在0°~360°方向上接受到的信号强度幅值基本没有太大变化，显示出各向同性的特点。而1-3型正交异性水泥基压电传感元件随着测试角度的变化，由横向到纵向的接收信号的灵敏度逐渐增大。在0°~360°方向上接受到的信号强度幅值差异明显，尤其是在0°、180°和360°方向上接受到的信号强度幅值明显大于90°与270°方向上的信号强度幅值，这表明1-3型正交异性水泥基压电复合材料具有良好的正交异性特性，具有测定特定方向应力和应力波的能力，能够分辨不同方向的损伤信号，可以对混凝土结构中裂纹的进行定位。

实施例4

确定水泥基体的水灰比为0.3、压电陶瓷为PZT-51、PZT-51的体积分数为70%、压电陶瓷的长压电陶瓷柱的长×宽为1.5mm×3mm、陶瓷柱之间的间距为5mm，按照本发明方法制备压电复合材料，所得材料的正交异性能与实施例3相近。

Claims (10)

1.一种1-3型正交异性水泥基压电复合材料，其特征是：包括填充有水泥的压电陶瓷块和导电胶，其中相邻两压电陶瓷块极化方向相反，导电胶填充于压电陶瓷块中间及其外围，水泥与导电胶将压电陶瓷分割为压电陶瓷柱。

2.根据权利要求1所述的压电复合材料，其特征是：水泥沿与压电陶瓷极化方向相同的方向进行填充，导电胶在压电陶瓷块间沿与压电陶瓷极化方向垂直的方向进行填充。

3.根据权利要求1所述的压电复合材料，其特征是：导电胶在压电复合材料中呈叉指型电极结构。

4.根据权利要求1所述的压电复合材料，其特征是：在压电陶瓷块中，压电陶瓷的体积分数为30-70%，水泥余量。

5.根据权利要求1所述的压电复合材料，其特征是：两压电陶瓷块之间的距离为0.35mm～3mm。

6.根据权利要求1所述的压电复合材料，其特征是：水灰比为0.3～0.45。

7.一种权利要求1所述的1-3型正交异性水泥基压电复合材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：

（1）确定水泥基体的水灰比、压电陶瓷的体积分数、压电陶瓷柱的长宽比和间距；

（2）在压电陶瓷上沿极化方向切割一系列平行沟槽，切割后对压电陶瓷进行清洗；

（3）将水泥与水搅拌后注入切割后的沟槽中，浇注后的压电陶瓷放入标准养护室中进行养护；

（4）将养护好的压电陶瓷沿与其极化方向垂直的方向进行二次切割，切割出所需尺寸的压电陶瓷块；

（5）将切割好的压电陶瓷块按照复合材料的构造方式进行排列组合，使相邻的两压电陶瓷块极化方向相反，并将排列好的压电陶瓷块固定于模具内；

（6）浇注导电胶和水泥，使导电胶形成叉指型电极结构，浇注好的试样放入标准养护箱内进行养护；

（7）将养护好的试样进行打磨抛光，使试样上下表面均露出压电陶瓷柱，即得1-3型正交异性水泥基压电复合材料。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征是：步骤（3）和步骤（6）的养护条件为：温度19-21℃，相对湿度≥90%，养护7天。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征是：步骤（3）中，在浇注过程中，不断振动压电陶瓷，以减少水泥的孔隙率，浇注完成后先将压电陶瓷放入真空箱中抽真空再进行养护。

10.一种权利要求1所述的1-3型正交异性水泥基压电复合材料的应用。

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