CN103508714A - 一种压电复合材料与水泥复合的智能阻尼材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电复合材料与水泥复合的智能阻尼材料及其制备方法，属于压电阻尼复合材料技术领域。该材料由压电陶瓷柱，聚合物和水泥的混合物基体、碳纤维导电材料构成，压电陶瓷占智能阻尼材料的体积分数为30%-70%，水泥占水泥、环氧树脂和固化剂三者混合物的质量分数为20%-60%，短切碳纤维占水泥、环氧树脂和固化剂三者混合物的质量分数为1%-10%。该智能阻尼材料的制备方法包括压电陶瓷的切割加工、填充基体的混合搅拌、复合材料成型、坯体的打磨处理等步骤。本发明智能阻尼材料与水泥混凝土相容性能良好兼具良好阻尼性能，同时具有制备工艺简单，产品性能稳定性良好的特点，适合应用于土木工程结构的被动振动控制。

Description

一种压电复合材料与水泥复合的智能阻尼材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及压电阻尼复合材料技术领域，具体涉及一种压电复合材料和水泥复合的压电智能阻尼材料及其制备方法。

背景技术

在解决混凝土工程振动问题的众多方法与技术中，阻尼技术在实现结构减振、降噪，提高结构安全性等方面发挥了巨大的作用，其中作为阻尼技术的核心，阻尼材料扮演了极其重要的角色。因此，针对混凝土工程结构的特点，研制与混凝土材料在界面及力学性能方面匹配良好、阻尼性能突出的新型阻尼材料具有重要的科学意义。

近年来，压电阻尼复合材料由于具有不受环境温度和振动频率的限制、阻尼因子可控等显著特点，逐渐引起了人们的广泛重视。所谓压电阻尼复合材料即是通过在基体材料中混入压电和导电功能组分，利用基体的粘弹阻尼特性、压电体的压电效应和导电体的焦耳效应，将材料受到振动干扰时的振动能通过压电体转化为电能，并通过导电体转换成热能耗散，利用机械能-电能-热能间的能量转换，从而实现减振、降噪的一种智能型阻尼复合材料。

作为一种新型的智能阻尼材料，压电阻尼复合材料在结构的减振、降噪领域日益展现出诱人的前景。经对现有文献技术的检索发现，中国专利号200910227724.9报道了一种橡胶基压电阻尼复合材料及其制备方法，主要采用了压电陶瓷粉粒作为压电体，天然橡胶作为弹性基体并与导电炭黑混制而成，在较宽的频率范围内可以提高天然橡胶的阻尼性能，但制备工艺繁琐复杂，在混凝土结构应用时受到诸多限制；中国专利号200810048480.3报道了一种环氧树脂基压电阻尼复合材料及其制备方法，所述复合材料由压电陶瓷粉、导电炭黑和环氧树脂组成，在成型过程中引入了梯度夹层结构，提高了阻尼性能，但是材料力学性能也必然受到影响，从而限制了其工程应用。

目前报道的压电阻尼材料主要关注的仍主要是以高分子聚合物作为基体材料，压电陶瓷粒子和碳黑材料作为功能组分而展开的，专门针对土木工程领域的压电智能阻尼材料的研究鲜有报道，尤其是采用压电复合材料作为压电功能体、水泥作为基体的压电阻尼材料研究更是未见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种与水泥混凝土相容性能良好兼具良好阻尼性能的压电复合材料和水泥复合的压电智能阻尼材料，同时还提供该材料简单可行的制备方法。

为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供的压电复合材料和水泥复合的压电智能阻尼材料，其由1-3型压电陶瓷复合材料、短切碳纤维构成，所引入的短切碳纤维分布于1-3型压电陶瓷复合材料的基体中。

所述的1-3型压电陶瓷复合材料由压电陶瓷柱、水泥和环氧树脂的混合物构成，压电陶瓷占复合材料的体积分数为30%-70%。

所述的1-3型压电陶瓷复合材料所用压电陶瓷为经过极化处理后的钛酸铅、锆钛酸铅、铌镁锆钛酸铅、三元系压电陶瓷或无铅压电陶瓷中的一种。

所述的1-3型压电陶瓷复合材料所用水泥为硅酸盐类水泥、硫铝酸盐系列水泥或磷铝酸盐系列水泥中的一种，水泥用量占水泥、环氧树脂和固化剂三者混合物的20%-60%（质量分数）。

所述的1-3型压电陶瓷复合材料所用环氧树脂为双酚A型、双酚F型或双酚S型中的一种或几种的混合物，固化剂可以采用胺类固化剂，环氧树脂和固化剂的混合物用量占水泥、环氧树脂和固化剂三者混合物的20%-60%（质量分数）。

所述的压电智能阻尼材料中，短切碳纤维含量占水泥、环氧树脂和固化剂三者混合物的1%-10%（质量分数）。

本发明提供的上述压电复合材料和水泥复合的压电智能阻尼材料，其制备方法包括以下步骤：

（1）以压电陶瓷为功能组分，以水泥聚合物（水泥与环氧树脂-固化剂的混合物）作为基体材料，采用切割浇注法制备1-3型压电陶瓷复合材料；

（2）将压电陶瓷块固定在平面基座上，采用切割划片机在垂直于压电陶瓷块极化轴的面上，沿长度或宽度方向依次准确切割出系列压电陶瓷片，切割过程中不将整个陶瓷块切透，留下一个底座，从而防止陶瓷柱的散落破损，底座厚度0.5-3mm；

（3）将切割陶瓷坯体置于超声波清洗机中，并加入适量自来水，加水量以充分没过样品为准，超声清洗15-30分钟，去除坯体中的陶瓷残渣，然后取出坯体晾干并固定于浇注模具中；

（4）分别称取一定比例的水泥、碳纤维、环氧树脂与固化剂、先将水泥与环氧树脂混合并搅拌均匀，然后加入碳纤维并继续搅拌，最后加入固化剂并进行抽真空处理，抽真空时间10-20分钟；

（5）将真空处理后的混合物注入装有压电陶瓷坯体的模具中，然后常温固化48h；

（6）从模具中取出固化后的坯体并固定在平面基座上，采用切割划片机在垂直于第一次切割方向上进行二次切割，切割尺寸和第一次切割时相同或者不同，切割底座厚度和第一次切割时底座厚度一致；

（7）重复步骤（3）-（5）；

（8）采用SiC或Al₂O₃磨料对固化后的压电陶瓷坯体上下两个表面打磨，待两面全部露出压电陶瓷柱后，即制得压电复合材料和水泥复合的压电智能阻尼材料。

本发明提供的压电复合材料和水泥复合的压电智能阻尼材料及其制备方法，与现有技术相比，其机理和主要优点是：

一、既利用了环氧树脂的粘弹阻尼性能，又利用了水泥材料的颗粒增强作用，提高了基体的力学强度及智能阻尼材料与混凝土材料间的相容特性；

二、利用1-3型压电复合材料压电电压常数大和机电耦合性能优良的特点，提高了智能阻尼材料压电效应的发挥和机械能与电能的转化能力；

三、将碳纤维与水泥、环氧树脂和固化剂混合，既起到了基体增强的作用，又发挥了碳纤维的优良导电能力，更好的实现了电能与热能的转变，从而提高材料的阻尼效果；

四、采用极化后的压电陶瓷作为压电元件，通过切割-浇注工艺制备压电智能阻尼材料，避免了后续的极化过程，简化了智能阻尼材料的制备工艺并具有产品性能稳定性良好的特点。

本发明通过对试样进行动态力学分析发现，压电复合材料和水泥复合的压电智能阻尼材料的最大损耗因子可达0.549。

附图说明

图1为本发明压电复合材料和水泥复合的压电智能阻尼材料的截面示意图，白色方框代表压电陶瓷柱，灰色区间代表水泥、环氧树脂和固化剂的混合物，黑色曲线代表碳纤维。

图2为实施例1-3所制的压电复合材料和水泥复合的压电智能阻尼材料的损耗因子-温度曲线图，a为实施例1产品，b为实施例2产品，c为实施例3产品。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行进一步的阐述，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。

实施例1

以铌镁锆钛酸铅压电陶瓷为压电功能体，采用金刚石外圆切割机在垂直其电极面方向上横向切割等间距的压电陶瓷片，保留陶瓷底座厚度0.5mm；采用超声波清洗机对切割陶瓷坯体进行清洗，清洗时间20分钟，然后取出坯体晾干并固定于浇注模具中；称取一定比例的水泥、环氧树脂与固化剂、质量比为1:1:0.25，水泥为普通硅酸盐水泥，环氧树脂类型为双酚A型，固化剂为聚酰胺；将水泥加入环氧树脂中，常温下机械搅拌，搅拌时间3分钟，称取水泥、环氧树脂与固化剂混合物总质量1%的碳纤维，将其加入到水泥和环氧树脂的混合体中并继续搅拌3分钟；加入固化剂并进行抽真空处理，真空度0.7个大气压，抽真空时间10-20分钟；将真空处理后的混合物注入装有压电陶瓷坯体的模具中，常温固化48h；从模具中取出固化后的坯体并固定，采用金刚石外圆切割机在垂直于第一次切割方向上进行二次切割，切割尺寸和第一次切割时相同，切割底座厚度仍为0.5mm；重复上述的清洗、浇注、固化养护过程；采用细度为W10的Al₂O₃磨料对固化养护后的压电陶瓷坯体上下两个表面进行打磨，待两面全部露出压电陶瓷柱后，即制得压电复合材料和水泥复合的压电智能阻尼材料，复合材料样品尺寸为长度60mm、宽度13mm、厚度3mm。对材料进行DMA阻尼性能测试得到材料的损耗因子为0.549，阻尼温域（tan>0.3）ΔT为16.7 ℃，结果如图2a所示。

实施例2

以铌镁锆钛酸铅压电陶瓷为压电功能体，采用金刚石外圆切割机在垂直其电极面的方向上横向切割等间距的压电陶瓷片，保留陶瓷底座厚度0.5mm；采用超声波清洗机对切割陶瓷坯体进行清洗，清洗时间20分钟，然后取出坯体晾干并固定于浇注模具中；称取一定比例的水泥、环氧树脂与固化剂、质量比为1:1:0.25，水泥为普通硅酸盐水泥，环氧树脂类型为双酚A型，固化剂为聚酰胺；将水泥加入环氧树脂中，常温下机械搅拌，搅拌时间3分钟，称取水泥、环氧树脂与固化剂混合物总质量3%的碳纤维，将其加入到水泥和环氧树脂的混合体中并继续搅拌3分钟；加入固化剂并进行抽真空处理，真空度0.7个大气压，抽真空时间10-20分钟；将真空处理后的混合物注入装有压电陶瓷坯体的模具中，常温固化48h；从模具中取出固化后的坯体并固定，采用金刚石外圆切割机在垂直于第一次切割方向上进行二次切割，切割尺寸和第一次切割时相同，切割底座厚度仍为0.5mm；重复上述的清洗、浇注、固化养护过程；采用细度为W10的Al₂O₃磨料对固化养护后的压电陶瓷坯体上下两个表面进行打磨，待两面全部露出压电陶瓷柱后，即制得压电复合材料和水泥复合的压电智能阻尼材料，复合材料样品尺寸为长度60mm、宽度13mm、厚度3mm。对材料进行DMA阻尼性能测试得到材料的损耗因子为0.527，阻尼温域（tan>0.3）ΔT为16.9 ℃，结果如图2b所示。

实施例3

以铌镁锆钛酸铅压电陶瓷为压电功能体，采用金刚石外圆切割机在垂直其电极面的方向上横向切割等间距的压电陶瓷片，保留陶瓷底座厚度0.5mm；采用超声波清洗机对切割陶瓷坯体进行清洗，清洗时间20分钟，然后取出坯体晾干并固定于浇注模具中；称取一定比例的水泥、环氧树脂与固化剂、质量比为1:1:0.25，水泥为普通硅酸盐水泥，环氧树脂类型为双酚A型，固化剂为聚酰胺；将水泥加入环氧树脂中，常温下机械搅拌，搅拌时间3分钟，称取水泥、环氧树脂与固化剂混合物总质量5%的碳纤维，将其加入到水泥和环氧树脂的混合体中并继续搅拌3分钟；加入固化剂并进行抽真空处理，真空度0.7个大气压，抽真空时间10-20分钟；将真空处理后的混合物注入装有压电陶瓷坯体的模具中，常温固化48h；从模具中取出固化后的坯体并固定，采用金刚石外圆切割机在垂直于第一次切割方向上进行二次切割，切割尺寸和第一次切割时相同，切割底座厚度仍为0.5mm；重复上述的清洗、浇注、固化养护过程；采用细度为W10的Al₂O₃磨料对固化养护后的压电陶瓷坯体上下两个表面进行打磨，待两面全部露出压电陶瓷柱后，即制得压电复合材料和水泥复合的压电智能阻尼材料，复合材料样品尺寸为长度60mm、宽度13mm、厚度3mm。对材料进行DMA阻尼性能测试得到材料的损耗因子为0.516，阻尼温域（tan>0.3）ΔT为16.5 ℃，结果如图2c所示。

Claims (9)

1.一种压电复合材料与水泥复合的智能阻尼材料，其特征在于该材料由1-3型压电复合材料、碳纤维导电材料构成，采用二次切割-浇注成型工艺，所引入的压电陶瓷以柱状形式排列于水泥、环氧树脂和固化剂构成的基体材料中，碳纤维分散于基体材料当中。

2.根据权利要求1所述的压电复合材料与水泥复合的智能阻尼材料，其特征在于压电复合材料为1-3型压电陶瓷复合材料，所述压电陶瓷功能体为经过极化处理后的钛酸铅、锆钛酸铅、铌镁锆钛酸铅、三元系压电陶瓷或无铅压电陶瓷中的一种，压电陶瓷占智能阻尼材料的体积分数为30%-70%。

3.根据权利要求1所述的压电复合材料与水泥复合的智能阻尼材料，其特征在于压电复合材料为1-3型压电陶瓷复合材料，所述水泥为硅酸盐类水泥、硫铝酸盐系列水泥或磷铝酸盐系列水泥中的一种，水泥占水泥、环氧树脂和固化剂三者混合物的质量分数为20%-60%。

4.根据权利要求1所述的压电复合材料与水泥复合的智能阻尼材料，其特征在于压电复合材料为1-3型压电陶瓷复合材料，所述环氧树脂为双酚A型、双酚F型或双酚S型中的一种或几种的混合物，固化剂为胺类固化剂，环氧树脂和固化剂的混合物占水泥、环氧树脂和固化剂三者混合物的质量分数为40%-80%。

5.根据权利要求1所述的压电复合材料与水泥复合的智能阻尼材料，短切碳纤维占水泥、环氧树脂和固化剂三者混合物的质量分数为1%-10%。

6.一种压电复合材料与水泥复合的智能阻尼材料的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

（1）将压电陶瓷块固定在平面基座上，采用切割划片机在垂直于压电陶瓷块极化轴的面上，沿长度或宽度方向依次准确切割出系列压电陶瓷片，切割过程中不将整个陶瓷块切透，留下一定厚度底座，从而防止陶瓷柱的散落破损；

（2）将切割陶瓷坯体置于超声波清洗机中，超声清洗去除坯体中的陶瓷残渣，然后取出坯体晾干并固定于浇注模具中；

（3）分别称取一定比例的水泥、碳纤维、环氧树脂与固化剂、先将水泥与环氧树脂混合并搅拌均匀，然后加入碳纤维并继续搅拌，最后加入固化剂并进行抽真空处理；

（4）将真空处理后的混合物注入装有压电陶瓷坯体的模具中，然后常温固化48h；

（5）将固化后的坯体固定在平面基座上，采用切割划片机在垂直于第一次切割方向上进行二次切割，切割尺寸和第一次切割时相同或者不同，切割底座厚度和第一次切割时底座厚度一致；

（6）重复步骤（2）-（4）；

（7）采用SiC或Al₂O₃磨料对固化后的压电陶瓷坯体上下两个表面打磨，待两面全部露出压电陶瓷柱后，即制得压电复合材料和水泥复合的压电智能阻尼材料。

7.如权利要求6所述的压电复合材料与水泥复合的智能阻尼材料的制备方法，其特征在于切割底座厚度0.5-3mm。

8.如权利要求6所述的压电复合材料与水泥复合的智能阻尼材料的制备方法，其特征在于超声清洗时间为15-30分钟。

9.如权利要求6所述的压电复合材料与水泥复合的智能阻尼材料的制备方法，其特征在于抽真空处理时间10-20分钟。

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