CN110885219A - 一种韧性水泥基压电复合材料、制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种韧性水泥基压电复合材料、制备方法及应用，该复合材料是通过将一定比例的钙钛矿压电晶体和水泥分散到PVDF基压电材料中制得的。该复合材料不仅压电性能优异，且韧性高，与混凝土材料的相容性好，解决了现有水泥基压电材料脆性大，与混凝土结构整体结合性差的问题。且该复合材料应用于土木工程中混凝土建筑结构的传感器的制备，所制备的传感器的灵敏度、传感精度高，降低了安全隐患。

Description

一种韧性水泥基压电复合材料、制备方法及应用
技术领域
本发明属于功能复合材料技术领域，具体涉及一种土木工程传感器用的韧性水泥基压电复合材料及制备方法。
背景技术
水泥基压电复合材料是指具有压电效应的功能体粉末均匀分散于三维连续的水泥基体中形成的复合材料。它与混凝土有良好的相容性，且制备简单、结构均匀、组成可控、成本低，其主要用于大型结构和基础设施（如桥梁、超高层建筑、大跨空间结构、大型水坝、核电站、海洋采油平台及港口设施等）的长期安全检测与监控，同时也可在线检测公路桥梁上通过车辆的车速和载重等，保证公路桥梁的使用寿命、运营经济性和交通安全。目前，传统的水泥压电材料，尽管其界面及声阻抗与混凝土主体结构的匹配性较好，但是由于采用的材料均为无机非金属材料，压电材料的脆性大，导致过载后压电性能不高，灵敏度低，传感精度差，容易产生虚假信号，导致安全隐患。
发明内容
本发明的目的是提供一种韧性水泥基压电复合材料，该复合材料不仅压电性能优异，且韧性高，与混凝土材料的相容性好，解决了现有水泥基压电材料脆性大，与混凝土结构整体结合性差的问题。
本发明的另一目的还提供该韧性水泥基压电复合材料的制备方法，该制备方法操作简单，用料来源广泛，易于推广应用。
本发明还提供了该韧性水泥基压电复合材料的应用，该复合材料用于土木工程中混凝土建筑结构的传感器的制备，所制备的传感器的灵敏度、传感精度高，降低了安全隐患。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种韧性水泥基压电复合材料，包括以下质量百分比的组分：有机-无机金属卤化物钙钛矿10-70%，PVDF 5-60%，水泥10-50%。
进一步，所述水泥为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥中的一种或多种。因此，本发明的韧性水泥基压电复合材料可以由39.4wt%的有机-无机金属卤化物钙钛矿、15.15wt%的PVDF、45.45wt%的硅酸盐水泥组成；还可以由42.86wt%的有机-无机金属卤化物钙钛矿、28.57wt%的PVDF、28.57wt%的硫铝酸盐水泥组成；还可以由50wt%的有机-无机金属卤化物钙钛矿、30wt%的PVDF、20wt%的普通硅酸盐水泥组成。
进一步，所述有机-无机金属卤化物钙钛矿为ABX3一系列材料，其中，A为甲胺、乙胺或双氨基阳离子，X为Cl、Br或I。
上述韧性水泥基压电复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将PVDF溶于DMAc、DMSO、DMF中的一种或多种混合溶剂中，搅拌均匀，形成PVDF溶液，向PVDF溶液中加入有机-无机金属卤化物钙钛矿和水泥，搅拌均匀，浇筑成型；
（2）将浇筑成型的复合材料置于步骤（1）所用溶剂的水溶液中固化成型，成型后将溶剂水洗除净；
（3）将步骤（2）获得的复合材料浸入水中或相对湿度95%以上的环境中养护3-28天，自然干燥，即得本发明韧性水泥基压电复合材料。
进一步，步骤（1）中搅拌温度为20-70℃。
进一步，步骤（2）中用于固化成型的溶液中溶剂的质量浓度为：0＜溶剂的质量浓度≤30%，用于固化成型的溶液的温度为：0＜溶液的温度≤40℃。
进一步，步骤（2）固化成型时间为12-48h。
所述韧性水泥基压电复合材料用于土木工程中混凝土建筑结构的传感器的制备。具体是：将上述制备成型的韧性水泥基压电复合材料两面涂银电极，在硅油中用高压直流电源极化，老化后即得到一种韧性水泥基复合材料的产品，该产品可用于制备用于土木工程中的混凝土建筑结构的传感器。
本发明中所用有机-无机金属卤化物钙钛矿可以采用本领域技术人员所熟知的任何一种方法制备得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明巧妙地利用有机-无机金属卤化物钙钛矿和PVDF具有优异的压电效应，将钙钛矿晶体和PVDF与水泥粉体复合，制得韧性高的水泥基压电复合材料。
2、与传统水泥基复合材料相比，本发明的水泥基压电复合材料由于选用的PVDF属于高分子材料，柔性好，即水泥基复合材料的脆性问题得以解决，可制得具有良好压电性能的复合材料。
3、本发明复合材料以水泥为基体，与被检测的建筑工程的混凝土主体材料有很好的界面结合性，可制备成优良的混凝土结构监测用的传感器。且所制备的传感器的灵敏度、传感精度高，降低了安全隐患。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
本实施例所用有机-无机金属卤化物钙钛矿为CH3NH3PbI3，其制备方法为：首先称取7.9g的碘化甲胺、23.15g的碘化铅粉末和40mL的DMF溶液；将碘化甲胺、碘化铅和DMF溶液置于100mL烧杯中，加热至60℃，搅拌时间和温度分别为12h和60℃，直至形成透明的黄色液体构建钙钛矿CH3NH3PbI3；打开烧杯瓶口继续加热搅拌至溶剂完全挥发成粉体，最后放入真空干燥箱60℃烘干24h，得到CH3NH3PbI3粉体。干燥后，粉磨钙钛矿CH3NH3PbI3晶体粒径为60-100nm。
本实施例的韧性水泥基压电复合材料的制备方法，具体为：
将5g PVDF溶于100g DMF中搅拌均匀后，引入13g上述制备的CH3NH3PbI3和15g硅酸盐水泥搅拌均匀后浇筑成型为圆片状，搅拌温度均为50℃，最后置入室温的质量分数为10%的DMF的水溶液中固化24h，固化完成后用水将溶剂清洗干净；再置入水中浸泡3天，取出自然晾干后得到韧性水泥基压电复合材料。
将制得的圆片韧性水泥基压电复合材料两面涂银电极，在7kV的直流电压下在硅油中极化30min，极化温度为50℃，将极化后的圆片包覆锡箔，在50℃中放置12小时老化，得到韧性水泥基压电复合材料制备的产品，其介电常数为158，压电常数为29pC/N。该产品可用于土木工程中的混凝土建筑材料的传感器的制备。
实施例2
将10g PVDF溶于100g DMAc中搅拌均匀后，引入15g实施例1制备的CH3NH3PbI3和10g硫铝酸盐水泥搅拌均匀后浇筑成型为圆片状，搅拌温度均为65℃，最后置入室温水中固化48h，固化完成后用水将清洗3遍；再置入喷水雾环境中养护7天，取出自然晾干后得到韧性水泥基压电复合材料。
本实施例按照实施例1的方法得到韧性水泥基压电复合材料制备的产品，其压电常数为16.23 pC/N。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种韧性水泥基压电复合材料，其特征在于，该韧性水泥基压电复合材料包括以下质量百分比的组分：有机-无机金属卤化物钙钛矿10-70%，PVDF 5-60%，水泥10-50%。
2.根据权利要求1所述的韧性水泥基压电复合材料，其特征在于，所述水泥为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的韧性水泥基压电复合材料，其特征在于，所述有机-无机金属卤化物钙钛矿为ABX3一系列材料，其中，A为甲胺、乙胺或双氨基阳离子，X为Cl、Br或I。
4.一种韧性水泥基压电复合材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
（1）将PVDF溶于DMAc、DMSO、DMF中的一种或多种混合溶剂中，搅拌均匀，形成PVDF溶液，向PVDF溶液中加入有机-无机金属卤化物钙钛矿和水泥，搅拌均匀，浇筑成型；
（2）将浇筑成型的复合材料置于步骤（1）所用溶剂的水溶液中固化成型，成型后将溶剂水洗除净；
（3）将步骤（2）获得的复合材料浸入水中或相对湿度95%以上的环境中养护3-28天，自然干燥，即得该韧性水泥基压电复合材料。
5.根据权利要求1所述的韧性水泥基压电复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中搅拌温度为20-70℃。
6.根据权利要求1所述的韧性水泥基压电复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中用于固化成型的溶液中溶剂的质量浓度为：0＜溶剂的质量浓度≤30%，用于固化成型的溶液的温度为：0＜溶液的温度≤40℃。
7.根据权利要求1所述的韧性水泥基压电复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）固化成型时间为12-48h。
8.权利要求1至7任一项所述的韧性水泥基压电复合材料在土木工程中混凝土建筑结构的传感器的制备的应用。
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