CN105552212A - 一种3-3型压电陶瓷/水泥压电复合材料及其制备方法 - Google Patents
一种3-3型压电陶瓷/水泥压电复合材料及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105552212A CN105552212A CN201510938192.5A CN201510938192A CN105552212A CN 105552212 A CN105552212 A CN 105552212A CN 201510938192 A CN201510938192 A CN 201510938192A CN 105552212 A CN105552212 A CN 105552212A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cement
- ceramic
- piezoelectric ceramic
- composite material
- piezoelectric
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims abstract description 122
- 239000004568 cement Substances 0.000 title claims abstract description 73
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 51
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 239000000178 monomer Substances 0.000 claims abstract description 23
- 238000005266 casting Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims description 25
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 claims description 18
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 15
- 238000007710 freezing Methods 0.000 claims description 13
- 230000008014 freezing Effects 0.000 claims description 13
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 12
- 239000003431 cross linking reagent Substances 0.000 claims description 11
- 239000006260 foam Substances 0.000 claims description 11
- ROOXNKNUYICQNP-UHFFFAOYSA-N ammonium persulfate Chemical group [NH4+].[NH4+].[O-]S(=O)(=O)OOS([O-])(=O)=O ROOXNKNUYICQNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 10
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000004604 Blowing Agent Substances 0.000 claims description 9
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 9
- XBDQKXXYIPTUBI-UHFFFAOYSA-N dimethylselenoniopropionate Natural products CCC(O)=O XBDQKXXYIPTUBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 8
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 7
- UOVYDOCVEQSJNR-UHFFFAOYSA-N [Pb].[Li].[Nb] Chemical compound [Pb].[Li].[Nb] UOVYDOCVEQSJNR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- FOLMBQLGENFKLO-UHFFFAOYSA-N [Pb].[Mg].[Nb] Chemical compound [Pb].[Mg].[Nb] FOLMBQLGENFKLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 claims description 6
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 claims description 6
- 238000005187 foaming Methods 0.000 claims description 6
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 claims description 6
- 229910001870 ammonium persulfate Inorganic materials 0.000 claims description 5
- ZIUHHBKFKCYYJD-UHFFFAOYSA-N n,n'-methylenebisacrylamide Chemical group C=CC(=O)NCNC(=O)C=C ZIUHHBKFKCYYJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims description 5
- 229920002818 (Hydroxyethyl)methacrylate Polymers 0.000 claims description 4
- GNSFRPWPOGYVLO-UHFFFAOYSA-N 3-hydroxypropyl 2-methylprop-2-enoate Chemical compound CC(=C)C(=O)OCCCO GNSFRPWPOGYVLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- HRPVXLWXLXDGHG-UHFFFAOYSA-N Acrylamide Chemical compound NC(=O)C=C HRPVXLWXLXDGHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- WOBHKFSMXKNTIM-UHFFFAOYSA-N Hydroxyethyl methacrylate Chemical compound CC(=C)C(=O)OCCO WOBHKFSMXKNTIM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- BDAGIHXWWSANSR-UHFFFAOYSA-N methanoic acid Natural products OC=O BDAGIHXWWSANSR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 235000019260 propionic acid Nutrition 0.000 claims description 4
- IUVKMZGDUIUOCP-BTNSXGMBSA-N quinbolone Chemical compound O([C@H]1CC[C@H]2[C@H]3[C@@H]([C@]4(C=CC(=O)C=C4CC3)C)CC[C@@]21C)C1=CCCC1 IUVKMZGDUIUOCP-BTNSXGMBSA-N 0.000 claims description 4
- 239000011398 Portland cement Substances 0.000 claims description 3
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 3
- OSWFIVFLDKOXQC-UHFFFAOYSA-N 4-(3-methoxyphenyl)aniline Chemical compound COC1=CC=CC(C=2C=CC(N)=CC=2)=C1 OSWFIVFLDKOXQC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229920000084 Gum arabic Polymers 0.000 claims description 2
- 241000978776 Senegalia senegal Species 0.000 claims description 2
- 235000010489 acacia gum Nutrition 0.000 claims description 2
- 239000000205 acacia gum Substances 0.000 claims description 2
- 235000011054 acetic acid Nutrition 0.000 claims description 2
- DIZPMCHEQGEION-UHFFFAOYSA-H aluminium sulfate (anhydrous) Chemical class [Al+3].[Al+3].[O-]S([O-])(=O)=O.[O-]S([O-])(=O)=O.[O-]S([O-])(=O)=O DIZPMCHEQGEION-UHFFFAOYSA-H 0.000 claims description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 2
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 2
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 claims description 2
- 235000019253 formic acid Nutrition 0.000 claims description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 2
- YWYZEGXAUVWDED-UHFFFAOYSA-N triammonium citrate Chemical compound [NH4+].[NH4+].[NH4+].[O-]C(=O)CC(O)(CC([O-])=O)C([O-])=O YWYZEGXAUVWDED-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 abstract description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 3
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 239000002904 solvent Substances 0.000 abstract description 2
- 239000004088 foaming agent Substances 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- NKZSPGSOXYXWQA-UHFFFAOYSA-N dioxido(oxo)titanium;lead(2+) Chemical compound [Pb+2].[O-][Ti]([O-])=O NKZSPGSOXYXWQA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000003999 initiator Substances 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L Sulfate Chemical compound [O-]S([O-])(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000036541 health Effects 0.000 description 2
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 229910021653 sulphate ion Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- OGQYPPBGSLZBEG-UHFFFAOYSA-N dimethyl(dioctadecyl)azanium Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCCCC[N+](C)(C)CCCCCCCCCCCCCCCCCC OGQYPPBGSLZBEG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- IXSZQYVWNJNRAL-UHFFFAOYSA-N etoxazole Chemical compound CCOC1=CC(C(C)(C)C)=CC=C1C1N=C(C=2C(=CC=CC=2F)F)OC1 IXSZQYVWNJNRAL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 238000010526 radical polymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
- H10N30/852—Composite materials, e.g. having 1-3 or 2-2 type connectivity
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
- H10N30/09—Forming piezoelectric or electrostrictive materials
- H10N30/092—Forming composite materials
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
- H10N30/853—Ceramic compositions
- H10N30/8548—Lead-based oxides
- H10N30/8554—Lead-zirconium titanate [PZT] based
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
本发明公开了一种3-3型压电陶瓷/水泥压电复合材料及其制备方法，属于陶瓷基压电智能复合材料及其制备技术领域。该复合材料由多孔压电陶瓷、水泥和上下电极构成，所述多孔压电陶瓷既是基体，又是功能体，其内部和四周由水泥填充；其中，压电陶瓷的质量百分比为50%~85%。3-3型压电陶瓷/水泥压电复合材料的制备方法利用短链两亲分子溶剂为发泡剂，将冷冻成型与有机单体聚合成型工艺相结合，制备出高孔隙率的多孔压电陶瓷。再以此多孔压电陶瓷为基体浇注水泥浆料，得到3-3型压电陶瓷/水泥压电复合材料。利用本发明制备的3-3型压电陶瓷/水泥压电复合材料，具有压电性能优良、与混凝土相容性好、耐久性好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种3-3型压电陶瓷/水泥压电复合材料及其制备方法，属于陶瓷基压电智能复合材料及其制备技术领域。
背景技术
土木工程领域中的众多大型建筑结构（如超高电视塔、大跨桥梁、大型水坝和核电站等）具有造价高昂、形体庞大、结构复杂的特点，在国民生产中占据着重要地位，一旦失效，将给国家和人民造成巨大的财产损失和社会影响。因此，采用智能材料对重大土木工程建筑的一些关键结构部位实施健康监测，检查结构内部应力和应变的分布情况，评估结构的运营状态，可以为此类工程建筑的维护和管理抉择提供可信的依据。
相比于传统的智能材料，如光导纤维、压电陶瓷、聚合物基压电复合材料和碳纤维等，将压电陶瓷与水泥复合制得的水泥基压电智能复合材料既具有良好的压电性能，高的强度和耐久性，又与主体混凝土结构有较好的相容性和优良的声阻抗相匹配关系，在土木工程结构健康监测中有着巨大的应用潜力。
目前，常见的水泥基压电智能复合材料及其制备方法有三种：（1）0-3型压电复合材料：以水泥材料为基体，压电陶瓷相为功能体，将水泥与压电陶瓷粉体球磨混合后压制成型。该方法易于操作，且成本低廉。但是，当压电陶瓷以颗粒状弥散分布于三维连续的水泥基体时，压电陶瓷颗粒间载流子的传导易被水泥基体所阻隔，对电学信号传递的准确性造成较大影响，削弱了压电智能材料的传感精度。（2）1-3型压电复合材料：将压电陶瓷块沿极化方向切割成一系列的竖直柱体，再沿着陶瓷柱体的间隙浇注水泥浆料，形成水泥基体。之后，将水泥基体上下两个平行表面分别进行打磨，直至两端面完全露出压电陶瓷相。采用此方法制备的压电智能复合材料具有较高的压电响应，但是压电陶瓷材料的硬度大，脆性高，陶瓷柱体切割非常困难，制作成本高昂。（3）2-2型压电复合材料：首先将压电陶瓷块沿极化方向切割成一系列陶瓷片，之后的制备工艺路线与3-3型压电复合材料的方法完全相同。显然，将压电陶瓷块体切割成陶瓷片具有更大的难度。
发明内容
本发明旨在提供一种3-3型压电陶瓷/水泥压电智能复合材料，该复合材料以压电陶瓷为基体，水泥为复合相，具有压电性能优良、传感精度高、与混凝土结构相容性好、耐久性强的优点。本发明还提供了上述压电复合材料的制备方法，该方法易于实施，为3-3型压电陶瓷/水泥压电复合材料的实现提供了技术支持。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种3-3型压电陶瓷/水泥压电复合材料，由多孔压电陶瓷、水泥和上下电极构成，所述多孔压电陶瓷既是基体，又是功能体，其内部和四周由水泥填充；其中，压电陶瓷的质量百分比为50%~85%。
本发明提供了上述3-3型压电陶瓷/水泥压电复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将去离子水、有机单体、交联剂混合溶解，搅拌形成单体预混液；
所述有机单体包括丙烯酰胺、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟丙酯中的一种；预混液中有机单体与交联剂的浓度为10~30wt%，其中交联剂与有机单体的质量比为1:10-80；
（2）将压电陶瓷粉体、分散剂与单体预混液混合球磨，得到分散均匀、悬浮性好的陶瓷浆料；
压电陶瓷粉体占浆料的体积分数为5~25vol%；
分散剂用量为压电陶瓷粉体的0.3~2.0wt%；
（3）向陶瓷浆料中加入发泡剂与引发剂，搅拌发泡，得到稳定存在的陶瓷泡沫浆料；
发泡剂加入量为浆料体积的0.1~1.5vol%；引发剂加入量为浆料体积的0.1~1vol%；
（4）将陶瓷泡沫浆料倒入模具中，并置于低温恒温冷冻槽中冷冻，冷冻温度：-10~-20℃；冷冻时间10-24小时；得到冷冻成型的陶瓷坯体；
（5）将陶瓷坯体置于电热干燥箱中，有机单体在温度为120~200℃条件下快速固化成型，得到陶瓷湿坯；
（6）陶瓷湿坯在40~200℃下干燥12~48小时；然后进行高温烧结，坯体烧结温度为1100~1250℃，烧结时间为10~15小时；得到具有高开孔孔隙率的多孔压电陶瓷；
（7）将水泥浆体浇注到多孔压电陶瓷，再放入标准养护箱中进行养护7~28天；
（8）用磨片机将样品的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相，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3-3型压电陶瓷/水泥压电复合材料。
上述步骤（1）所述交联剂是亚甲基双丙烯酰胺；
上述步骤（2）所述陶瓷浆料中压电陶瓷粉体为锆钛酸铅、铌镁锆钛酸铅、铌锂锆钛酸铅中的一种，分散剂包括柠檬酸铵、阿拉伯树胶的一种。
上述步骤（3）所述发泡剂是指可以促使陶瓷浆料充分发泡的短链两亲分子溶剂，如甲酸、乙酸或丙酸的一种，引发剂为过硫酸铵溶液，其浓度为35wt%；
上述步骤（6）所述多孔压电陶瓷的开孔孔隙率为30~70%。
上述步骤（7）所述浇注过程中，首先将压电陶瓷固定在模具内，放置于振动台上，之后在不断振动压电陶瓷的同时浇注水泥，以减少压电陶瓷/水泥复合材料的孔隙率；所用水泥为硅酸盐水泥、硫铝酸盐系列水泥或磷铝酸盐系列水泥中的一种；水泥浆体的水灰比为0.3~0.5；养护条件为，养护温度控制在20±1℃，相对湿度≥90%。
本发明的有益效果：
（1）压电陶瓷浆料发泡后，其泡沫中大量的空气对有机单体自由基聚合起抑制作用，导致陶瓷坯体成型所需的时间大幅延长，陶瓷泡沫则在表面张力作用下膨胀直至破裂，使多孔压电陶瓷的孔隙率显著降低。单体自由基在高温环境中可以加快聚合反应的速度，最大程度地减小空气对单体自由基的抑制作用。本发明即利用陶瓷浆料在低温下快速冷冻成型，之后坯体在高温下逐步融化的同时发生有机单体聚合反应。本发明成功避免了陶瓷泡沫浆料直接置于高温环境时，在发生固化反应之前就因热传导而引起气泡膨胀和破裂的缺点。
（2）3-3型压电陶瓷/水泥压电复合材料是水泥颗粒分散于三维连续的压电陶瓷基体中形成的复合材料，通过正压电效应形成的电荷经由压电陶瓷相可以连续传导，从而在压电复合材料中产生应力放大作用，相较于水泥基压电复合材料，3-3型压电复合材料具有更加优异的压电性能和更高的传感精度。
（3）利用本发明制备的3-3型压电陶瓷/水泥压电复合材料，具有压电性能优良、与混凝土相容性好、耐久性好等优点。
附图说明
图1为本发明实施例1所制备多孔压电陶瓷的断面SEM图；
图2为本发明实施例1所制备3-3型压电陶瓷/水泥压电复合材料的断面SEM图。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
将12.5wt%的丙烯酰胺单体、0.5wt%的交联剂亚甲基双丙烯酰胺溶解在87wt%水中，制成预混液；在100m1的预混液中加入锆钛酸铅陶瓷粉体，球磨12小时制成固相体积分数为15%的锆钛酸铅陶瓷悬浮体，即锆钛酸铅的体积占加入锆钛酸铅陶瓷粉体之后浆料总体积的15%。将100μl的引发剂过硫酸铵溶液（35wt%）与0.5ml的发泡剂丙酸加入到悬浮体中，迅速搅拌发泡。将陶瓷泡沫倒入模具中，并置于温度为-15℃的低温恒温冷冻槽中冷冻20小时成型。将冷冻坯体取出后立刻置于温度为150℃的电热干燥箱中，丙烯酰胺单体在高温和引发剂的共同作用下发生固化反应，得到陶瓷湿坯。陶瓷湿坯在温度40℃的电热干燥箱中干燥24小时得到干坯；将干坯烧结，烧结温度为1175℃，得到了开孔气孔率为55%的多孔锆钛酸铅压电陶瓷。将多孔压电陶瓷固定在模具内，放置于振动台上。按水灰比0.4将硅酸盐水泥浆体充分搅拌，在不断振动的情况下，将水泥浆体浇注到模具内。将制备好的试样在标准养护箱内（20℃，100%RH）养护7天后，对其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相，抛光处理后，在两面均匀地涂上低温导电银胶，即可得到3-3型压电陶瓷/水泥压电复合材料，其性能如表1所示。
实施例2：
将19.5wt%的甲基丙烯酸羟乙酯单体、0.5wt%的交联剂亚甲基双丙烯酰胺溶解在80wt%水中，制成预混液；在100m1的预混液中加入铌镁锆钛酸铅陶瓷粉体，球磨12小时制成固相体积分数为10%的铌镁锆钛酸铅陶瓷悬浮体，即铌镁锆钛酸铅的体积占加入铌镁锆钛酸铅陶瓷粉体之后浆料总体积的10%。将150μl的引发剂过硫酸铵溶液（35wt%）与1.0ml的发泡剂乙酸加入到悬浮体中，迅速搅拌发泡。将陶瓷泡沫倒入模具中，并置于温度为-20℃的低温恒温冷冻槽中冷冻10小时成型。将冷冻坯体取出后立刻置于温度为180℃的电热干燥箱中，甲基丙烯酸羟乙酯单体在高温和引发剂的共同作用下发生固化反应，得到陶瓷湿坯。陶瓷湿坯在温度40℃的电热干燥箱中干燥32小时得到干坯；将干坯烧结，烧结温度为1150℃，得到了开孔气孔率为65%的多孔锆钛酸铅压电陶瓷。将多孔压电陶瓷固定在模具内，放置于振动台上。按水灰比0.35将硫铝酸盐水泥浆体充分搅拌，在不断振动的情况下，将水泥浆体浇注到模具内。将制备好的试样在标准养护箱内（20℃，100%RH）养护7天后，对其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相，抛光处理后，在两面均匀地涂上低温导电银胶，即可得到3-3型压电陶瓷/水泥压电复合材料，其性能如表1所示。
实施例3：
将15.5wt%的甲基丙烯酸羟丙酯单体、0.5wt%的交联剂亚甲基双丙烯酰胺溶解在84wt%水中，制成预混液；在100m1的预混液中加入铌锂锆钛酸铅陶瓷粉体，球磨12小时制成固相体积分数为20%的铌锂锆钛酸铅陶瓷悬浮体，即铌锂锆钛酸铅的体积占加入铌锂锆钛酸铅陶瓷粉体之后浆料总体积的20%。将200μl的引发剂过硫酸铵溶液（35wt%）与1.5ml的发泡剂丙酸加入到悬浮体中，迅速搅拌发泡。将陶瓷泡沫倒入模具中，并置于温度为-20℃的低温恒温冷冻槽中冷冻18小时成型。将冷冻坯体取出后立刻置于温度为150℃的电热干燥箱中，甲基丙烯酸羟丙酯单体在高温和引发剂的共同作用下发生固化反应，得到陶瓷湿坯。陶瓷湿坯在温度50℃的电热干燥箱中干燥16小时得到干坯；将干坯烧结，烧结温度为1150℃，得到了开孔气孔率为48%的多孔锆钛酸铅压电陶瓷。将多孔压电陶瓷固定在模具内，放置于振动台上。按水灰比0.3将硫铝酸盐水泥浆体充分搅拌，在不断振动的情况下，将水泥浆体浇注到模具内。将制备好的试样在标准养护箱内（20℃，100%RH）养护7天后，对其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相，抛光处理后，在两面均匀地涂上低温导电银胶，即可得到3-3型压电陶瓷/水泥压电复合材料，其性能如表1所示。
表13-3型压电陶瓷/水泥压电复合材料的性能
如表1所示，当以压电陶瓷为基体制备3-3型压电复合材料时，相互联通的压电陶瓷相确保了材料具有高的压电应变常数和压电电压常数，显著提高了材料的压电性能。与此同时，材料展示出良好的机电耦合效应和较低的机械品质因数，适用于土木结构检测中对高灵敏度传感器的需求。
Claims (10)
1.一种3-3型压电陶瓷/水泥压电复合材料，其特征在于：由多孔压电陶瓷、水泥和上下电极构成，所述多孔压电陶瓷既是基体，又是功能体，其内部和四周由水泥填充；其中，压电陶瓷的质量百分比为50%~85%。
2.一种权利要求1所述的3-3型压电陶瓷/水泥压电复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将去离子水、有机单体、交联剂混合溶解，搅拌形成单体预混液；
所述有机单体包括丙烯酰胺、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟丙酯中的一种；预混液中有机单体与交联剂的浓度为10~30wt%，其中交联剂与有机单体的质量比为1:10-80；
（2）将压电陶瓷粉体、分散剂与单体预混液混合球磨，得到分散均匀、悬浮性好的陶瓷浆料；
陶瓷粉体占浆料的体积分数为5~25vol%；
分散剂用量为压电陶瓷粉体的0.3~2.0wt%；
（3）向陶瓷浆料中加入发泡剂与引发剂，搅拌发泡，得到稳定存在的陶瓷泡沫浆料；
发泡剂加入量为浆料体积的0.1~1.5vol%；引发剂加入量为浆料体积的0.1~1vol%；
（4）将陶瓷泡沫浆料倒入模具中，并置于低温恒温冷冻槽中冷冻，冷冻温度：-10~-20℃；冷冻时间10-24小时；得到冷冻成型的陶瓷坯体；
（5）将陶瓷坯体置于电热干燥箱中，有机单体在温度为120~200℃条件下快速固化成型，得到陶瓷湿坯；
（6）陶瓷湿坯在40~200℃下干燥12~48小时；然后进行高温烧结，坯体烧结温度为1100~1250℃，烧结时间为10~15小时；得到具有高开孔孔隙率的多孔压电陶瓷；
（7）将水泥浆体浇注到多孔压电陶瓷，再放入标准养护箱中进行养护7~28天；
（8）用磨片机将样品的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相，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3-3型压电陶瓷/水泥压电复合材料。
3.根据权利要求2所述的3-3型压电陶瓷/水泥压电复合材料的制备方法，其特征在于所述交联剂是亚甲基双丙烯酰胺。
4.根据权利要求2所述的3-3型压电陶瓷/水泥压电复合材料的制备方法，其特征在于所述陶瓷浆料中压电陶瓷粉体为锆钛酸铅、铌镁锆钛酸铅、铌锂锆钛酸铅中的一种。
5.根据权利要求2所述的3-3型压电陶瓷/水泥压电复合材料的制备方法，其特征在于所述分散剂包括柠檬酸铵、阿拉伯树胶的一种。
6.根据权利要求2所述的3-3型压电陶瓷/水泥压电复合材料的制备方法，其特征在于所述发泡剂是甲酸、乙酸或丙酸的一种，引发剂为过硫酸铵溶液，其浓度为35wt%。
7.根据权利要求2所述的3-3型压电陶瓷/水泥压电复合材料的制备方法，其特征在于所述多孔压电陶瓷的开孔孔隙率为30~70%。
8.根据权利要求2所述的3-3型压电陶瓷/水泥压电复合材料的制备方法，其特征在于所述浇注过程中，首先将压电陶瓷固定在模具内，放置于振动台上，之后在不断振动压电陶瓷的同时浇注水泥，以减少压电陶瓷/水泥复合材料的孔隙率。
9.根据权利要求2所述的3-3型压电陶瓷/水泥压电复合材料的制备方法，其特征在于所用水泥为硅酸盐水泥、硫铝酸盐系列水泥或磷铝酸盐系列水泥中的一种；水泥浆体的水灰比为0.3~0.5。
10.根据权利要求2所述的3-3型压电陶瓷/水泥压电复合材料的制备方法，其特征在于所述养护条件为，养护温度控制在20±1℃，相对湿度≥90%。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510938192.5A CN105552212B (zh) | 2015-12-16 | 2015-12-16 | 一种3‑3型压电陶瓷/水泥压电复合材料及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510938192.5A CN105552212B (zh) | 2015-12-16 | 2015-12-16 | 一种3‑3型压电陶瓷/水泥压电复合材料及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105552212A true CN105552212A (zh) | 2016-05-04 |
| CN105552212B CN105552212B (zh) | 2017-11-14 |
Family
ID=55831286
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510938192.5A Active CN105552212B (zh) | 2015-12-16 | 2015-12-16 | 一种3‑3型压电陶瓷/水泥压电复合材料及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105552212B (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107742671A (zh) * | 2017-11-27 | 2018-02-27 | 中北大学 | 3‑1‑2型聚合物/水泥压电复合材料及其制备方法 |
| CN109027879A (zh) * | 2018-08-30 | 2018-12-18 | 广州大学 | 一种基于压电地砖的梯间自供电照明系统 |
| CN109279835A (zh) * | 2018-09-21 | 2019-01-29 | 中国科学院金属研究所 | 一种具有定向多孔结构的仿生水泥及其制备方法 |
| CN111187073A (zh) * | 2020-01-22 | 2020-05-22 | 中北大学 | 一种3-3型压电陶瓷/水泥复合材料及其制备方法 |
| CN112125696A (zh) * | 2020-09-26 | 2020-12-25 | 中北大学 | 一种3-3型pvdf/水泥压电复合材料及其制备方法 |
| CN114874029A (zh) * | 2022-07-12 | 2022-08-09 | 苏州隐冠半导体技术有限公司 | 用于制备多孔层的陶瓷浆料及其制备方法和应用 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0424971A (ja) * | 1990-05-16 | 1992-01-28 | Oki Electric Ind Co Ltd | 多孔質圧電セラミックスの製造方法 |
| CN102260061A (zh) * | 2011-05-24 | 2011-11-30 | 济南大学 | 1-3型聚合物/水泥基压电复合材料及其制备方法 |
| CN103474569A (zh) * | 2013-09-01 | 2013-12-25 | 济南大学 | 压电陶瓷非均匀周期排列的2-2型压电复合材料及制备方法 |
| CN103508714A (zh) * | 2013-09-22 | 2014-01-15 | 济南大学 | 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 |
| CN103739285A (zh) * | 2013-11-21 | 2014-04-23 | 中北大学 | 氧化物增韧多孔锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法 |
-
2015
- 2015-12-16 CN CN201510938192.5A patent/CN105552212B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0424971A (ja) * | 1990-05-16 | 1992-01-28 | Oki Electric Ind Co Ltd | 多孔質圧電セラミックスの製造方法 |
| CN102260061A (zh) * | 2011-05-24 | 2011-11-30 | 济南大学 | 1-3型聚合物/水泥基压电复合材料及其制备方法 |
| CN103474569A (zh) * | 2013-09-01 | 2013-12-25 | 济南大学 | 压电陶瓷非均匀周期排列的2-2型压电复合材料及制备方法 |
| CN103508714A (zh) * | 2013-09-22 | 2014-01-15 | 济南大学 | 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 |
| CN103739285A (zh) * | 2013-11-21 | 2014-04-23 | 中北大学 | 氧化物增韧多孔锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法 |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107742671A (zh) * | 2017-11-27 | 2018-02-27 | 中北大学 | 3‑1‑2型聚合物/水泥压电复合材料及其制备方法 |
| CN107742671B (zh) * | 2017-11-27 | 2020-03-10 | 中北大学 | 3-1-2型聚合物/水泥压电复合材料及其制备方法 |
| CN109027879A (zh) * | 2018-08-30 | 2018-12-18 | 广州大学 | 一种基于压电地砖的梯间自供电照明系统 |
| CN109027879B (zh) * | 2018-08-30 | 2023-10-31 | 广州大学 | 一种基于压电地砖的梯间自供电照明系统 |
| CN109279835A (zh) * | 2018-09-21 | 2019-01-29 | 中国科学院金属研究所 | 一种具有定向多孔结构的仿生水泥及其制备方法 |
| CN109279835B (zh) * | 2018-09-21 | 2021-03-26 | 中国科学院金属研究所 | 一种具有定向多孔结构的仿生水泥及其制备方法 |
| CN111187073A (zh) * | 2020-01-22 | 2020-05-22 | 中北大学 | 一种3-3型压电陶瓷/水泥复合材料及其制备方法 |
| CN112125696A (zh) * | 2020-09-26 | 2020-12-25 | 中北大学 | 一种3-3型pvdf/水泥压电复合材料及其制备方法 |
| CN114874029A (zh) * | 2022-07-12 | 2022-08-09 | 苏州隐冠半导体技术有限公司 | 用于制备多孔层的陶瓷浆料及其制备方法和应用 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105552212B (zh) | 2017-11-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105552212A (zh) | 一种3-3型压电陶瓷/水泥压电复合材料及其制备方法 | |
| CN103739306B (zh) | 一种定向多孔水泥的制备方法 | |
| CN106830989B (zh) | 一种泡沫注凝成形-低温烧结制备铁尾矿多孔陶瓷的方法 | |
| CN107805028B (zh) | 一种高强度防水胶凝材料的制备方法 | |
| CN104478324A (zh) | 一种耐高温的地聚物基加固修补砂浆及其制备方法与应用 | |
| CN106587847B (zh) | 一种石墨烯-水泥基高导热复合材料及其制备方法 | |
| CN103541289A (zh) | 彩色高钛重矿渣透水路面砖及其生产方法 | |
| CN104129979A (zh) | 一种结构可控、性能可调的钙长石多孔陶瓷及其制备方法 | |
| CN109553366A (zh) | 一种石墨烯改性水泥基复合材料及其制备方法 | |
| CN102503282A (zh) | 一种高效水泥基压电材料及其合成方法 | |
| CN105272223B (zh) | 一种大尺寸氧化锆基隔热材料的制备方法 | |
| CN107914333A (zh) | 利用凝胶注模成型工艺制作氧化锆陶瓷手机后盖的方法 | |
| CN101376503A (zh) | 一种水玻璃复合改性的方法以及改性水玻璃在型砂配置中应用的方法 | |
| CN103755883A (zh) | 一种聚羧酸型高效陶瓷减水剂及其制备方法与应用 | |
| CN107742671B (zh) | 3-1-2型聚合物/水泥压电复合材料及其制备方法 | |
| CN109279835B (zh) | 一种具有定向多孔结构的仿生水泥及其制备方法 | |
| CN103833941A (zh) | 一种梳形聚羧酸型高效陶瓷减水剂及其制备方法与应用 | |
| CN106186944A (zh) | 一种提高水泥基复合材料热电性能的方法 | |
| CN115043624B (zh) | 一种耐侵蚀大体积混凝土及其制备方法 | |
| CN108000684A (zh) | 一种粉末注射成型用粘结剂制备方法及其应用 | |
| CN114920510A (zh) | 一种水泥基-水凝胶复合电解质材料的制备方法及应用 | |
| CN106810181B (zh) | 传热水泥基灌浆料 | |
| CN101863630A (zh) | 用于制备免烧砖的胶凝材料及其制备和应用方法 | |
| CN104085041A (zh) | 一种大尺寸陶瓷素坯的制备方法 | |
| CN107892522B (zh) | 一种抗盐冻自修复水泥混凝土及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240123 Address after: Room 1707, 17th Floor, Building 3, No.1 Jinfang Road, Chaoyang District, Beijing, 100000 Patentee after: Beijing Yabei Xinkong Technology Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 030051, Xueyuan Road, Shanxi Province, Taiyuan Province, No. 3 Patentee before: NORTH University OF CHINA Country or region before: China |
|
| TR01 | Transfer of patent right |