CN109273591B - 一种碱激发粉煤灰矿渣压电传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碱激发粉煤灰矿渣压电传感器及其制备方法。其制备方法包括：将粉煤灰和矿渣按质量比为7:3的比例混合后搅拌，获得灰体混合物，依次在灰体混合物中加入碱激发剂和PZT粉末并搅拌均匀，获得第一压电混合物；依次对第一压电混合物进行模具成型、脱模和养护处理后，获得片状结构的第二压电混合物；对第二压电混合物进行表面处理后，将导电银浆均匀涂覆在第二混合物片状结构的顶面和底面，继而放置在二甲基硅油中极化，获得第一压电片；将第一压电片和柔性电路板连接，获得第二压电片；将第二压电片嵌入预设的壳体中，获得碱激发粉煤灰矿渣压电传感器，通过实施本发明的实施例能够降低压电传感器的生产成本和降低能耗。

Description

一种碱激发粉煤灰矿渣压电传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及地聚物技术、压电技术领域，具体涉及一种碱激发粉煤灰矿渣压电传感器及其制备方法。
背景技术
目前传感器种类繁多，各个领域需要应用到传感器。在众多的传感器中，压电传感器以其具有灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、体积小、重量轻等特点，被广泛应用于工程力学、电声学、生物医学等领域的动态测量。
传统的压电传感器一般采用压电陶瓷进行压力与微电流的转换。压电陶瓷的制备是将氧化锆、氧化铅、氧化钛等氧化物，经过高温烧结、固相反应后形成多晶体，并通过直流高压极化处理后获得的。但制备这种压电陶瓷的制备方法采用的原料成本较高；此外，制备过程中还需通过高温烧结，导致了传统压电传感器制备成本高，能耗大易造成环境污染。
发明内容
本发明实施例提供一种碱激发粉煤灰矿渣压电传感器及其制备方法，能够降低压电传感器的生产成本和降低能耗。
本发明实施例提供一种碱激发粉煤灰矿渣压电传感器的制备方法，包括：
将粉煤灰和矿渣按质量比为7:3的比例混合后搅拌，获得灰体混合物，依次在所述灰体混合物中加入碱激发剂和PZT粉末并搅拌均匀，获得第一压电混合物；
依次对所述第一压电混合物进行模具成型、脱模和养护处理后，获得片状结构的第二压电混合物；
对所述第二压电混合物进行表面处理后，将导电银浆均匀涂覆在所述第二混合物片状结构的顶面和底面，继而放置在二甲基硅油中极化，获得第一压电片；
将一片所述第一压电片的正极面与双面柔性电路板的一面连接，继而将所述双面柔性电路板的另一面与另一片所述第一压电片的负极面连接，获得第二压电片；
将所述第二压电片嵌入预设的壳体中，获得所述碱激发粉煤灰矿渣压电传感器。
进一步的，所述在所述灰体混合物中加入碱激发剂和PZT粉末并搅拌均匀，获得第一压电混合物，具体为：
在所述灰体混合物中加入碱激发剂混合搅拌4min，再加入PZT粉末混合搅拌3min得到第一压电混合物。
进一步的，依次对所述第一混合物进行模具成型、脱模和养护处理，获得片状结构的第二压电混合物，具体为：
将所述第一压电混合物注入到模具中，并施加30-50MPa的压力直至成型，制得成型的压电混合物，将所述成型的压电混合物脱模后，在温度为20℃的环境下养护72-96小时，制得所述第二压电混合物。
进一步的，对所述第二压电混合物进行表面处理，具体为：
将所述第二压电混合物进行打磨抛光，制得直径为20mm，厚度为2mm的压电圆片。
进一步的，所述将一片所述第一压电片的正极面与双面柔性电路板的一面连接，继而将所述双面柔性电路板的另一面与另一片所述第一压电片的负极面连接，获得第二压电片，具体为：
将一片所述第一压电片的正极面刷上导电银胶，继而与所述双面柔性电路板的一面粘合，紧接着将所述双面柔性电路板的另一面刷上导电银胶后与另一片所述第一压电片的负极面粘合，得到复合压电片；
将所述复合压电片烘干后，从所述烘干后的复合压电片的双面柔性电路板的两面各接一根导线，获得所述第二压电片。
进一步的，所述碱激发剂由水、水玻璃、氢氧化钠按100:2:4混合后搅拌 10min，再静置24h后所制得。
进一步的，所述碱激发剂与所述灰体混合物的质量比为0.35:1。
进一步的，所述PZT粉末以下步骤制得：
按Pb 、Zr、Ti、O原子的摩尔质量为1:0.52:0.48:3的比例将PbO，ZrO2， TiO2加水混合，用湿法球研磨20min后放置在空气中12h，获得第一PZT粉末；
将所述第一PZT粉末放置在120℃的烘箱中干燥6h，紧接着与浓度为0.5％的三乙醇胺混合后，在球料质量比为20：1、公转转速为250r/min、公转与自转的速度比为4：1的行星式球磨机中粉磨60h，制得所述PZT粉末。
进一步的，所述PZT粉末中PZT的粒直径在1-5微米之间。
相应的，本发明还提供一种碱激发粉煤灰矿渣压电传感器，所述碱激发粉煤灰矿渣压电传感器由所述的碱激发粉煤灰矿渣压电传感器的制备方法制得。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明实施例将粉煤灰和矿渣按质量比为7:3混合后，加入碱激发剂和PZT 粉末并搅拌均匀，获得第一压电混合物；依次对所述第一压电混合物进行模具成型、脱模、养护处理后、表面处理后和极化处理后，获得第一压电片；再将两片第一压电片与双面柔性电路板连接后，获得第二压电片，再将所述第二压电片嵌入预设的壳体中，从而制得所述碱激发粉煤灰矿渣压电传感器，这种压电传感器中的压电片使用的主原料是矿渣、粉煤灰和PZT粉末，这些主原料价格低廉有效降低了压电传感器的生产成本，此外制备过程无需通过高温烧结，降低能耗。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的一种碱激发粉煤灰矿渣压电传感器的制备方法的流程示意图；
图2是本发明一实施例提供的一种碱激发粉煤灰矿渣压电传感器的结构示意图；
附图标记说明：101、壳体；102、第二压电片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供的一种碱激发粉煤灰矿渣压电传感器的制备方法包括步骤：
S101、将粉煤灰和矿渣按质量比为7:3的比例混合后搅拌，获得灰体混合物，依次在灰体混合物中加入碱激发剂和PZT粉末并搅拌均匀，获得第一压电混合物。
S102、依次对第一压电混合物进行模具成型、脱模和养护处理后，获得片状结构的第二压电混合物。
S103、对第二压电混合物进行表面处理后，将导电银浆均匀涂覆在第二混合物片状结构的顶面和底面，继而放置在二甲基硅油中极化，获得第一压电片。
S104、将一片第一压电片的正极面与双面柔性电路板的一面连接，继而将双面柔性电路板的另一面与另一片第一压电片的负极面连接，获得第二压电片。
S105、将第二压电片嵌入预设的壳体中，获得碱激发粉煤灰矿渣压电传感器。
对于步骤S101，灰体混合物的制作方法为：将粉煤灰和矿渣按照质量比为 7：3的比例混合后，在净浆搅拌机内干拌2分钟，充分混合后得到灰体混合物。
进一步的，在灰体混合物中加入碱激发剂和PZT粉末并搅拌均匀，获得第一压电混合物，具体为：在灰体混合物中加入碱激发剂混合搅拌4min，再加入PZT粉末混合搅拌3min得到第一压电混合物，其中碱激发剂与灰体混合物的质量比为0.35:1。
优选的，PZT粉末由以下步骤制得：按Pb 、Zr、Ti、O原子的摩尔质量为 1:0.52:0.48:3的比例将PbO，ZrO2，TiO2加水混合，用湿法球研磨20min后放置在空气中12h，获得第一PZT粉末；
将第一PZT粉末放置在120℃的烘箱中干燥6h，紧接着与浓度为0.5％的三乙醇胺混合后，在球料质量比为20：1、公转转速为250r/min、公转与自转的速度比为4：1的行星式球磨机中粉磨60h，制得PZT粉末，其中，PZT粉末中 PZT的粒直径在1-5微米之间。
优选的，碱激发剂由水、水玻璃、氢氧化钠按100:2:4混合后搅拌10min，再静置24h后所制得。
对于步骤S102、具体为：将第一压电混合物注入到模具中，并施加30-50MPa 的压力直至成型，制得成型的压电混合物，将成型的压电混合物脱模后，在温度为20℃的环境下养护72-96小时，制得第二压电混合物。
优选的，将第一压电混合物注入到模具中，并施加30-50MPa的压力直至成型，具体为：利用压力机给模具里的材料持续施加30～50MPa的压力，时间为 30～40min直至成型。
优选的，将成型的压电混合物脱模后，在温度为20℃的环境下养护72-96 小时，制得第二压电混合物，具体为：将已成型的混合物脱模后，装入密封袋中，在温度为20度的恒温箱中养护72～96h，制得第二压电混合物，其中第二压电混合物为直径为20mm，厚度为2.2-2.5mm的圆片。
对于步骤S103、具体为，将第二压电混合物进行打磨抛光，制得直径为20mm，厚度为2mm的压电圆片，将压电圆片上下两面均匀涂覆低温导电银浆，烘干后在二甲基硅油中极化，在室温下放置24h，制得第一压电片，待电畴稳定后进行压电性能方面的测试。
优选的，将第二压电混合物进行打磨抛光，制得直径为20mm，厚度为2mm 的压电圆片，具体为：用打磨机打磨第二压电混合物的表面，直至厚度为2mm，最后抛光得到直径为20mm厚度2mm的压电圆片。
对于步骤S104、具体为：将一片第一压电片的正极面刷上导电银胶，继而与双面柔性电路板的一面粘合，紧接着将双面柔性电路板的另一面刷上导电银胶后与另一片第一压电片的负极面粘合，得到复合压电片；
将复合压电片烘干后，从烘干后的复合压电片的双面柔性电路板的两面各接一根导线，获得第二压电片。
优选的，在得到复合压电片后，需要将复合压电片放置在电热恒温鼓风干燥箱中，在100℃的环境下，干燥4h。
优选的，从烘干后的复合压电片的双面柔性电路板的两面各接一根导线，获得第二压电片，具体为：从双面柔性电路板的两面的接头圈中，各接取接头一个，将导线穿入接头中，再将接头两侧卡口弯曲固定导线。
如图2所示，相应的本发明实施例还公开了一种碱激发粉煤灰矿渣压电传感器，压电传感器由的碱激发粉煤灰矿渣压电传感器的制备方法制得，其中，压电传感器包括壳体和第二压电片。
本发明实施例将粉煤灰、矿渣作为主要原材料，通过碱性激发剂的催化作用，所形成的地聚物，碱激发地聚物具有制备工艺简单，固化时间短，密实度高，强度高等优点，且碱激发胶凝材料的电阻率远远小于水泥基材料，其最小电阻率不到10Ω·m，同时具备早强、致密、耐腐蚀、抗渗的特点，以碱激发胶凝材料作为基底材料，掺加入压电材料PZT，可以采用相对简单的工艺制作出性能优越、价格低廉、绿色环保的压电片，将该压电片接入导线后，嵌入预设的壳体中，从而制得碱激发粉煤灰矿渣压电传感器，通过这种方法制得的压电传感器，无需通过高温烧结，且主原料价格低廉，有效降低了压电传感器的生产成本和降低能耗，具有十分广阔的市场前景。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种碱激发粉煤灰矿渣压电传感器的制备方法，其特征在于，包括：
将粉煤灰和矿渣按质量比为7:3的比例混合后搅拌，获得灰体混合物，依次在所述灰体混合物中加入碱激发剂和PZT粉末并搅拌均匀，获得第一压电混合物；
依次对所述第一压电混合物进行模具成型、脱模和养护处理后，获得片状结构的第二压电混合物；
对所述第二压电混合物进行表面处理后，将导电银浆均匀涂覆在所述第二压电 混合物片状结构的顶面和底面，继而放置在二甲基硅油中极化，获得第一压电片；
将一片所述第一压电片的正极面与双面柔性电路板的一面连接，继而将所述双面柔性电路板的另一面与另一片所述第一压电片的负极面连接，获得第二压电片；
将所述第二压电片嵌入预设的壳体中，获得所述碱激发粉煤灰矿渣压电传感器。
2.如权利要求1所述的碱激发粉煤灰矿渣压电传感器的制备方法，其特征在于，所述在所述灰体混合物中加入碱激发剂和PZT粉末并搅拌均匀，获得第一压电混合物，具体为：
在所述灰体混合物中加入碱激发剂混合搅拌4min，再加入PZT粉末混合搅拌3min得到第一压电混合物。
3.如权利要求2所述的碱激发粉煤灰矿渣压电传感器的制备方法，其特征在于，依次对所述第一压电 混合物进行模具成型、脱模和养护处理，获得片状结构的第二压电混合物，具体为：
将所述第一压电混合物注入到模具中，并施加30-50MPa的压力直至成型，制得成型的压电混合物，将所述成型的压电混合物脱模后，在温度为20℃的环境下养护72-96小时，制得所述第二压电混合物。
4.如权利要求3所述的碱激发粉煤灰矿渣压电传感器的制备方法，其特征在于，对所述第二压电混合物进行表面处理，具体为：
将所述第二压电混合物进行打磨抛光，制得直径为20mm，厚度为2mm的压电圆片。
5.如权利要求1所述的碱激发粉煤灰矿渣压电传感器的制备方法，其特征在于，所述将一片所述第一压电片的正极面与双面柔性电路板的一面连接，继而将所述双面柔性电路板的另一面与另一片所述第一压电片的负极面连接，获得第二压电片，具体为：
将一片所述第一压电片的正极面刷上导电银胶，继而与所述双面柔性电路板的一面粘合，紧接着将所述双面柔性电路板的另一面刷上导电银胶后与另一片所述第一压电片的负极面粘合，得到复合压电片；
将所述复合压电片烘干后，从所述烘干后的复合压电片的双面柔性电路板的两面各接一根导线，获得所述第二压电片。
6.如权利要求1-5任一项所述的碱激发粉煤灰矿渣压电传感器的制备方法，其特征在于，所述碱激发剂由水、水玻璃、氢氧化钠按100:2:4混合后搅拌10min，再静置24h后所制得。
7.如权利要求1-5所述的碱激发粉煤灰矿渣压电传感器的制备方法，其特征在于，所述碱激发剂与所述灰体混合物的质量比为0.35:1。
8.如权利要求1-5所述的碱激发粉煤灰矿渣压电传感器的制备方法，其特征在于，所述PZT粉末以下步骤制得：
按Pb 、Zr、Ti、O原子的摩尔质量为1:0.52:0.48:3的比例将PbO，ZrO2，TiO2加水混合，用湿法球研磨20min后放置在空气中12h，获得第一PZT粉末；
将所述第一PZT粉末放置在120℃的烘箱中干燥6h，紧接着与浓度为0.5％的三乙醇胺混合后，在球料质量比为20：1、公转转速为250r/min、公转与自转的速度比为4：1的行星式球磨机中粉磨60h，制得所述PZT粉末。
9.如权利要求1-5所述的碱激发粉煤灰矿渣压电传感器的制备方法，其特征在于，所述PZT粉末中PZT的粒直径在1-5微米之间。
10.一种碱激发粉煤灰矿渣压电传感器，其特征在于，所述碱激发粉煤灰矿渣压电传感器由权利要求1-9任一项权利要求所述的碱激发粉煤灰矿渣压电传感器的制备方法制得。
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