CN1450234A

CN1450234A - 层状水泥基压电智能复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN1450234A
Application number: CN 03116465
Authority: CN
Inventors: 张东; 吴科如
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2003-04-17
Filing date: 2003-04-17
Publication date: 2003-10-22
Anticipated expiration: 2023-04-17
Also published as: CN100465395C

Abstract

本发明是一种适用于土木工程的智能复合材料，由片层水泥基材料和片状压电陶瓷材料相间组成，信号线将压电陶瓷片以并联方式联结，相邻的两压电陶瓷片层的极化方向相反。本发明的复合材料制备方便，成本低廉。其结构相容性好，响应速度快，抗干扰能力强，并具有感知功能和驱动功能复用的特点。

Description

层状水泥基压电智能复合材料及其制备方法

技术领域

本发明是一种层状水泥基压电智能复合材料及其制备方法，其应用领域为智能化土木工程结构。

背景技术

在土木工程领域，存在许多大型或特殊的结构物，它们规模庞大而复杂，结构失效的后果是灾难性的。对它们的安全性和耐久性的要求远高于一般的土木工程结构。因此，采用智能材料和技术，对重大土木工程结构实施在线健康监测和主动控制，使其智能化，具有重要价值。结构智能化的基础和关键是智能材料，智能材料赋予结构感知、控制和驱动等功能，使之可以自动采集分析结构内外信息，调整结构特性以适应变化的环境和任务。

智能材料的研究和应用源于精密机械和航空航天等领域，近年来，正逐渐进入土木工程领域。目前，主要是沿用在其它领域使用成功的智能材料和技术，如采用光导纤维、压电陶瓷和压电聚合物等智能材料作为传感部件，采用记忆合金、压电陶瓷、电流变体和磁流变体等作为驱动部件。但是，与精密机械和航空航天等领域中的结构相比，土木工程结构有其特殊性，包括结构质量非常庞大、特征频率很低、结构环境复杂、结构精密度不高等，对智能材料的要求有很大区别。因此，在其它领域使用成功的智能材料基本上不适用于土木工程结构智能化的要求。土木工程领域智能材料的主要问题有：

(1)功能单一：如光导纤维只具有感知功能而不具备驱动的功能，记忆合金、压电陶瓷、电流变体和磁流变体等只具有驱动功能而不具备感知功能；

(2)抗干扰能力差：如光导纤维对环境温度和湿度很敏感，严重影响其对结构中应力和损伤的监测精度；

(3)对母体结构性能有不利影响：在结构中埋设光导纤维、电流变体和磁流变体等往往会损害结构的刚度和强度；

(4)响应速度慢：如记忆合金反应时间在秒级；

(5)结构相容性问题：如压电陶瓷和混凝土结构材料之间存在的声阻抗匹配差严重影响压电陶瓷的感知和驱动功能的发挥。

此外还有界面粘结、变形协调性和成本过高等问题。这些问题阻碍了智能化土木工程结构的实施和发展。

发明内容

本发明的目的在于提出一种抗干扰能力强、结构相容性好、响应速度快的适用于土木工程领域的智能材料。

本发明提出的适用于土木工程领域的智能材料，是一种层状水泥基压电智能复合材料，它由片层状水泥基材料和片层状压电陶瓷材料相间组成，其中分布有信号线，将压电陶瓷片层以并联方式联结在一起；相邻的两压电陶瓷片层的极化方向相反，见图1所示。

本发明中，水泥基材料可以由普通硅酸盐水泥、纯硅酸盐水泥或白水泥，加上石英砂、超塑化剂和硅灰等辅助材料制备而成。压电陶瓷可以选用锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡(BT)或三元系压电陶瓷如PMgN等。

本发明中，片层法线方向上压电陶瓷相和水泥基相的比例在0.1～1之间。

本发明中，水泥基材料的选用标准为，水泥标号为52.5，石英砂最大粒径小于100μm，超塑化剂减水率在20％以上，没有缓凝作用，硅灰的SiO₂的含量在95％以上。水泥基材料中的水泥、石英砂、超塑化剂、硅灰和水的重量配比与通常的水泥基材料相似。压电陶瓷的选用标准为，压电常数d₃₃在300×10^-12C/N以上，机电耦合系数大于60％，机械品质因数Q_m小于200，居里温度高于250度，相对介电常数在1000-4000之间。表征智能复合材料性能的参数主要有两个，一是表征其传感功能的传感灵敏度，二是表征其驱动功能的驱动应变。层状水泥基压电智能复合材料的传感灵敏度最高可达3.36V/MPa，而且可以探测到0.1Hz的超低频振动；驱动应变最高可达130μm(驱动电压为100伏特)。

层状水泥基压电智能复合材料的制备方法具体如下：先对压电陶瓷片进行极化处理，并在两面涂上均匀的电极，选择压电常数符合要求、数值平均的压电陶瓷片；将压电陶瓷片插入钢制模具内相对的两个面上均匀分布的沟槽中，如附图2所示，并将压电陶瓷片电极联线；然后向钢模中浇筑流态水泥基材料浆体，浇筑过程在振动台上完成，以使钢模中空气容易逸出，获得比较密实的结构；带模养护24小时以上，待水泥基材料硬化后，拆去钢模；最后进行养护即可。养护可以在高温高湿环境下进行，也可以在标准养护条件下进行。高温高湿环境指温度为50-80℃和相对湿度大于95％的环境，标准养护条件指温度为20±1℃和相对湿度大于95％。在对复合材料表面进行必要修饰之后即可检测和使用。

与现有的智能材料相比，层状水泥基压电智能复合材料是以硬化水泥材料为基相，以压电陶瓷为功能相的层状复合材料。它在保持压电陶瓷压电性能强而稳定、频带宽、反应速度快、线性度和灵敏度高、温度敏感度低等优点的同时，克服了其脆性易裂、比重和声阻抗很高等缺点，进一步提高了其灵敏度和长期稳定性，尤其是显著改善了与土木工程领域大量应用的混凝土结构的相容性，不会对结构产生不良影响。层状水泥基压电智能复合材料具有明显的正、逆压电效应，具有感知功能和驱动功能复用的特点，克服了传统智能材料功能单一的缺点。由于该材料与土木工程结构的宿体材料的基相是相同的，因此，该材料还与结构之间具有良好的界面粘结性和变形协调性等。此外，成本低也是该材料的一个优点，有利于其在土木工程领域的推广应用。

附图说明

图1为层状水泥基压电智能复合材料结构图示。其中，图1(a)为整体结构图示，图1(b)为1(a)中方框内的结构放大图示。

图2为本发明智能复合材料的制备过程示意图。

图中标号：1为水泥基材料，2为压电陶瓷片，3为驱动或传感信号线路，4为钢模。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明。

实施例1

采用PZT压电陶瓷片，压电常数d₃₃为650×10^-12C/N以上，机电耦合系数K₃₃为70％，机械品质因数Q_m为80，居里温度为260度，相对介电常数为2300，尺寸为20mm×30mm×0.2mm，电极尺寸为17mm×27mm。采用的钢模内尺寸为18mm×35mm×50mm，钢模中沟槽间距为0.8mm，沟槽宽度为0.22mm，沟槽深度为1.1mm，沟槽数为40。在复合材料内部的联结压电陶瓷片电极联线采用普通漆包线。水泥基材料原材料为52.5硅酸盐水泥、减水率为20％的商用超塑化剂、最大粒径为100μm的石英砂、SiO₂含量为97％的硅灰。水泥基材料的配合比为：水泥∶水∶石英砂∶硅灰∶超塑化剂＝90∶28∶100∶10∶1.5。按照前述的制备过程获得的层状水泥基压电智能复合材料的性能为：片层法线方向上的压电陶瓷片与水泥基材料比例为0.25，声阻抗为7.5×10⁶Kg/m²s，传感灵敏度约为3.36V/MPa，驱动应变为52微应变(驱动电压为100伏特)，最低探测频率为0.1Hz。

实施例2

采用PMgN压电陶瓷片，压电常数d₃₃为500×10^-12C/N以上，机电耦合系数为71％，机械品质因数Q_m为70，居里温度为280度，相对介电常数为3800，尺寸为20mm×30mm×0.2mm，电极尺寸为17mm×27mm。采用的钢模内尺寸为18mm×35mm×50mm，钢模中沟槽间距为0.8mm，沟槽宽度为0.22mm，沟槽深度为1.1mm，沟槽数为40。在复合材料内部的联结压电陶瓷片电极联线采用普通漆包线。水泥基材料原材料为52.5硅酸盐水泥、减水率为20％的商用超塑化剂、最大粒径为100μm的石英砂、SiO₂含量为97％的硅灰。水泥基材料的配合比为：水泥∶水∶石英砂：硅灰∶超塑化剂＝90∶28∶100∶10∶1.5。按照前述的制备过程获得的层状水泥基压电智能复合材料的性能为：片层法线法线上的压电陶瓷片与水泥基材料比例为0.25，声阻抗为7.6×10⁶Kg/m²s，传感灵敏度约为2.66V/MPa，驱动应变为40微应变(驱动电压为100伏特)，最低探测频率为0.1Hz。

实施例3

采用PZT压电陶瓷片，压电常数d₃₃为650×10^-12C/N以上，机电耦合系数K₃₃为70％，机械品质因数Q_m为80，居里温度为260度，相对介电常数为2300，尺寸为20mm×30mm×0.2mm，电极尺寸为17mm×27mm。采用的钢模内尺寸为18mm×35mm×50mm，钢模中沟槽间距为0.2mm，沟槽宽度为0.22mm，沟槽深度为1.1mm，沟槽数为100。在复合材料内部的联结压电陶瓷片电极联线采用普通漆包线。水泥基材料原材料为52.5硅酸盐水泥、减水率为20％的商用超塑化剂、最大粒径为100μm的石英砂、SiO₂含量为97％的硅灰。水泥基材料的配合比为：水泥∶水∶石英砂∶硅灰∶超塑化剂＝90∶28∶100∶10∶1.5。按照前述的制备过程获得的层状水泥基压电智能复合材料的性能为：片层法线方向上的压电陶瓷片与水泥基材料比例为1，声阻抗为10.0×10⁶Kg/m²s，传感灵敏度约为3.36V/MPa。驱动应变为130微应变(驱动电压为100伏特)，最低探测频率为0.1Hz。

Claims

1、一种适用于土木工程领域的智能复合材料，其特征在于由片层状水泥基材料和片层状压电陶瓷材料相间组成，其中分布有信号线，压电陶瓷片层由信号线以并联方式联接在一起；相邻的压电陶瓷片的极化方向相反。

2、根据权利要求1所述的智能复合材料，其特征在于水泥基材料由普通硅酸盐水泥、纯硅酸盐水或白水泥和辅助材料石英砂、超塑化剂和硅灰制备而成。

3、根据权利要求1所述的智能复合材料，其特征在于压电陶瓷材料采用锆钛酸铅或钛酸钡或三元系压电陶瓷。

4、根据权利要求1所述的智能复合材料，其特征在于片层法线方向上压电陶瓷相与水泥相的比例为0.1-1。

5、根据权利要求2所述的智能复合材料，其特征在于水泥基材料中，采用的水泥标号为52.5，石英砂最大粒径小于100μm，超塑化剂减水率在20％以上，没有缓凝作用，硅灰中SiO₂含量在95％以上。

6、根据权利要求3所述的智能复合材料，其特征在于压电陶瓷的压电常数d₃₃在300×10^-12C/N以上，机电耦合系数大于60％，机械品质因数Q_m小于200，居里温度高于250度，相对介电常数在1000-4000之间。

7、一种如权利要求1-6所述的智能复合材料的制备方法，其特征在于先对压电陶瓷进行极化处理，并在两面涂上均匀的电极，选择压电常数符合要求、数值平均的压电陶瓷片；将压电陶瓷片插入钢制模具内相对的两个面上均匀分布的沟槽中，并将压电陶瓷片电极联线；然后向钢模中浇筑流态水泥基材料浆体，浇筑过程振动台上完成；带模养护24小时以上，待水泥基材料硬化后，拆去钢模；最后进行养护即可。