CN109659428A - 一种0-3型PZT-γ-C2S压电复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种0‑3型PZT‑γ‑C2S压电复合材料及其制备方法，所述压电复合材料原料由以下体积百分比的组分组成：γ‑C2S粉22‑30％，PZT陶瓷颗粒55‑65％，水12‑17％，增强相0‑2％。本发明提供的0‑3型PZT‑γ‑C2S压电复合材料强度高，强度发展快，密实度高，耐久性和体积稳定性优异，同时，碳化基体与压电相的力学性能匹配度高，有利于提升该复合材料的压电性能，压电与力学性能优异。
Description
技术领域
本发明属于压电复合材料技术领域，涉及一种0-3型PZT-γ-C2S压电复合材料及其制备方法。
背景技术
随着我国经济持续发展，大量的工程项目不断被开发，如海洋工程、超高层建筑、高跨度桥梁等重大工程，对建筑材料结构的安全性提出了更高要求，智能传感器应运而生。智能传感器能够对建筑材料的服役性能进行实时监控，保障重大建筑的安全。
压电陶瓷传感器被广泛应用于混凝土结构检测中。但压电陶瓷传感器结构、功能单一，同时与混凝土结合不牢靠、容易脱落，给混凝土检测带来了许多干扰信息，影响了传感器的灵敏度。有学者希望通过将水泥与压电陶瓷复合制得水泥基压电复合材料，既解决传统压电陶瓷传感器与混凝土不相容的问题，同时也保障材料的压电功能，并且制得的材料能够具备容重可调控、声阻抗匹配性优良的特性，在混凝土检测中具有广阔应用前景。
但目前的水泥基压电复合材料均采用水泥水化硬化作为其机械强度发展机理，存在强度发展慢、基体与压电性力学性能匹配度低等问题，尤其是力学性能与压电性能不能兼顾，从而限制了水泥基压电复合材料的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种0-3型PZT-γ-C2S压电复合材料及其制备方法，该压电复合材料具有压电与力学性能优异、耐久性与体积稳定性高的优点，并且制备工艺简单、可控程度高、成本低。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
提供一种0-3型PZT-γ-C2S压电复合材料，其原料由以下体积百分比的组分组成：γ-C2S粉22-30％，PZT陶瓷颗粒55-65％，水12-17％，增强相0-2％。
按上述方案，所述γ-C2S粉粒径为0.5-80μm，表观密度为2900-3100kg/m3，比表面积为250-300m2/kg，纯度大于99％。
按上述方案，所述PZT陶瓷颗粒粒径为10-900μm，表观密度为7500-7700kg/m3，比表面积为3-7m2/kg，压电应变常数为450-600pC/N。
按上述方案，所述增强相为碳纳米管、炭黑或两者按任意比例的混合物，所述炭黑为超细炭黑粉，所述碳纳米管为羧基化多壁碳纳米管，纯度>95％，内径5-12nm，外径30-50nm，长度10-20μm，炭黑与碳纳米管表观密度均大于1800kg/m3。
本发明还包括上述0-3型PZT-γ-C2S压电复合材料的制备方法，具体步骤为：
1)按配比称取原料，备用；
2)将γ-C2S粉、PZT陶瓷颗粒混合并球磨均匀，根据需要加入增强相，分散均匀，再加水拌匀后得到湿料，将湿料置于不锈钢碳化模具中压制成型得到坯体，再将制得的坯体立即放入碳化箱中进行碳化处理得到0-3型PZT-γ-C2S压电复合材料。
按上述方案，步骤2)所述碳化处理的条件为：在纯度为99.8％的CO2气氛下碳化，碳化压强为0.3MPa，碳化时间为0.5-3小时。
γ-C2S是硅酸二钙的一种晶型，自身水化活性低，但具有很高的碳化活性，经碳化养护后形成以碳酸钙晶体与低钙硅凝胶为基体结构的硬化体，具有力学强度发展快、性能稳定性高等特性。
本发明的有益效果在于：1、本发明采用γ-C2S碳化形成压电复合材料基体，所得0-3型PZT-γ-C2S压电复合材料强度高，强度发展快，密实度高，耐久性和体积稳定性优异，同时，碳化基体与压电相的力学性能匹配度高，有利于提升该复合材料的压电性能，压电与力学性能优异；2、本发明以干料混合与压制成型为制备工艺，且成型工艺可控程度高、制备温度低、过程快捷，极大降低了能耗、缩短了生产周期，降低了生产成本。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明实施例所用γ-C2S粉粒径分布在0.5-80μm，表观密度在2900-3100kg/m3之间，比表面积在250-300m2/kg之间，纯度大于99％；PZT陶瓷颗粒为锆钛酸铅(PZT-5)陶瓷粉末，粒径分布在10-900μm之间，表观密度在7500-7700kg/m3之间，比表面积在3-7m2/kg之间，压电应变常数在450-600pC/N之间；所用炭黑为超细炭黑粉，表观密度在1800-2000kg/m3之间，所用碳纳米管为羧基化多壁碳纳米管(购自南京先丰纳米材料科技有限公司)，纯度>95％，内径5-12nm，外径30-50nm，长度10-20μm，表观密度在1800-2000kg/m3之间。
实施例1
一种0-3型PZT-γ-C2S复合压电材料，原料组份及体积份为：γ-C2S粉23份，PZT陶瓷颗粒64份，水13份。
制备方法：先将γ-C2S粉与PZT陶瓷颗粒在球磨机上球磨1小时充分混合，然后取出混料加入水拌匀得到湿料，将湿料置于不锈钢碳化模具中压制成型得到坯料，再将制得的坯体立即放入碳化箱中进行碳化，碳化箱内CO2纯度为99.8％，碳化压力为0.3MPa，碳化时间2h，碳化结束得到0-3型PZT-γ-C2S压电复合材料。
经测试，本实施例制得的0-3型PZT-γ-C2S复合压电材料技术指标为：2小时抗压强度37.73MPa，压电应变常数d33为76.85pC/N，压电电压常数g33为66.41(mv)m/N，相对介电常数εr为130.75，介质损耗tanδ为0.33。
实施例2
一种0-3型PZT-γ-C2S压电复合材料，原料组份及体积份为：γ-C2S粉23份，PZT陶瓷颗粒63份，水13份，增强相(碳纳米管)1份。
制备方法：先将γ-C2S粉与PZT陶瓷颗粒在球磨机上球磨1小时充分混合，再将γ-C2S粉与PZT的混料与碳纳米管混合均匀(碳纳米管预先超声分散于丙酮中)并烘干，制得掺有碳纳米管的PZT-γ-C2S混料，然后将掺有碳纳米管的PZT-γ-C2S混料加水拌匀后得到湿料，将湿料置于不锈钢碳化模具中压制成型得到坯体，再将制得的坯体立即放入碳化箱中进行碳化，碳化箱内CO2纯度为99.8％，碳化压力为0.3MPa，碳化时间2h，碳化结束得到0-3型PZT-γ-C2S压电复合材料。
经测试，本实施例制得的0-3型PZT-γ-C2S压电复合材料技术指标为：2小时抗压强度35.13MPa，压电应变常数d33为106.46pC/N，压电电压常数g33为38.79(mv)m/N，相对介电常数εr为310.08，介质损耗tanδ为0.57。
实施例3
一种0-3型PZT-γ-C2S压电复合材料，原料组份及体积份为：γ-C2S粉23份，PZT陶瓷颗粒63份，水13份，增强相(碳纳米管与炭黑按体积比1：1混合得到)1份。
制备方法：先将γ-C2S粉与PZT陶瓷颗粒、炭黑在球磨机上球磨1小时充分混合，再将所得混料与碳纳米管混合均匀(碳纳米管预先超声分散于丙酮中)并烘干，制得掺有碳纳米管、炭黑的PZT-γ-C2S混料，然后将掺有碳纳米管、炭黑的PZT-γ-C2S混料加水拌匀后得到湿料，将湿料置于不锈钢碳化模具中压制成型得到坯体，再将制得的坯体立即放入碳化箱中进行碳化，碳化箱内CO2纯度为99.8％，碳化压力为0.3MPa，碳化时间2h，碳化结束得到0-3型PZT-γ-C2S压电复合材料。
经测试，本实施例制得的0-3型PZT-γ-C2S复合压电材料技术指标为：2小时抗压强度51.38MPa，压电应变常数d33为119.17pC/N，压电电压常数g33为25.06(mv)m/N，相对介电常数εr为537.39，介质损耗tanδ为0.44。
实施例4
一种0-3型PZT-γ-C2S复合压电材料，原料组份及体积份为：γ-C2S粉27份，PZT陶瓷颗粒59份，水13份，增强相(炭黑)1份。
制备方法：先将γ-C2S粉、PZT陶瓷颗粒与炭黑在球磨机上球磨1小时充分混合，然后取出混料加入水混合均匀得到湿料，将湿料置于不锈钢碳化模具中压制成型得到坯体，再将制得的坯体立即放入碳化箱中进行碳化，碳化箱内CO2纯度为99.8％，碳化压力为0.3MPa，碳化时间2h，碳化结束得到0-3型PZT-γ-C2S压电复合材料。
经测试，本实施例制得的0-3型PZT-γ-C2S复合压电材料技术指标为：2小时抗压强度50.57MPa，压电应变常数d33为128.75pC/N，压电电压常数g33为23.71(mv)m/N，相对介电常数εr为613.46，介质损耗tanδ为0.50。
Claims (6)
1.一种0-3型PZT-γ-C2S压电复合材料，其特征在于，其原料由以下体积百分比的组分组成：γ-C2S粉22-30％，PZT陶瓷颗粒55-65％，水12-17％，增强相0-2％。
2.根据权利要求1所述的0-3型PZT-γ-C2S压电复合材料，其特征在于，所述γ-C2S粉粒径为0.5-80μm，表观密度为2900-3100kg/m3，比表面积为250-300m2/kg，纯度大于99％。
3.根据权利要求1所述的0-3型PZT-γ-C2S压电复合材料，其特征在于，所述PZT陶瓷颗粒粒径为10-900μm，表观密度为7500-7700kg/m3，比表面积为3-7m2/kg，压电应变常数为450-600pC/N。
4.根据权利要求1所述的0-3型PZT-γ-C2S压电复合材料，其特征在于，所述增强相为碳纳米管、炭黑或两者按任意比例的混合物，所述炭黑为超细炭黑粉，所述碳纳米管为羧基化多壁碳纳米管，纯度>95％，内径5-12nm，外径30-50nm，长度10-20μm，炭黑与碳纳米管表观密度均大于1800kg/m3。
5.一种权利要求1-4任一所述的0-3型PZT-γ-C2S压电复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
1)按配比称取原料，备用；
2)将γ-C2S粉、PZT陶瓷颗粒混合并球磨均匀，根据需要加入增强相，分散均匀，再加水拌匀后得到湿料，将湿料置于不锈钢碳化模具中压制成型得到坯体，再将制得的坯体立即放入碳化箱中进行碳化处理得到0-3型PZT-γ-C2S压电复合材料。
6.根据权利要求5所述的0-3型PZT-γ-C2S压电复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)所述碳化处理的条件为：在纯度为99.8％的CO2气氛下碳化，碳化压强为0.3MPa，碳化时间为0.5-3小时。
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