0-3型水泥基壓電復合材料的制備與研究.pdf

1、0-3型水泥基壓電復合材料不但具有與土木結(jié)構(gòu)中混凝土母體的良好相容性，而且其與混凝土結(jié)構(gòu)材料有優(yōu)良的阻抗匹配關(guān)系，兩者間界面粘結(jié)效果顯著。0-3型水泥基壓電復合材料具有易于制備、成本低、性能可靠的優(yōu)點。其壓電性能優(yōu)越，可制造混凝土結(jié)構(gòu)中的水泥基傳感器。
　　 本文以PZT壓電陶瓷與水泥復合制備得到壓電性能校好的水泥基壓電復合材料。以不同種類的鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷為功能相，分別用普通硅酸鹽水泥和白水泥為基體，并添加少量碳黑和

2、碳納米管，采用壓制成型法制備了0-3型水泥基壓電復合材料，具體研究內(nèi)容及結(jié)果如下：
　　 研究了不同壓電陶瓷相(P41，P43，P51和P52)，以及不同水泥基體等對水泥基壓電復合材料性能的影響因素，并分析了其微觀結(jié)構(gòu)。水泥基壓電復合材料的壓電與介電性能主要受壓電陶瓷相的影響，故由P52與P51制成的復合材料的壓電應(yīng)變常數(shù)及介電常數(shù)高于由P41與P43制成的復合材料。而由P52與P51制成的復合材料的介電損耗與阻抗高于由P41與

3、P43制成的復合材料。復合材料的壓電常數(shù)均隨著壓電陶瓷相的增多而增大。三種不同水泥基體制備的水泥基壓電復合材料中，壓電常數(shù)均隨著PZT壓電陶瓷含量的提高而增大。其中波特蘭水泥對壓電性能的貢獻稍微較大，介電性能三者相差不大。
　　 探討了壓電陶瓷粒度對0-3型水泥基壓電復合材料壓電及介電性能的影響。PZT粉體平均粒度為3μm到482μm。結(jié)果表明d33，εr和K1值均隨著PZT粒度的增大而增加。但是含有較大PZT顆粒的復合材料的介

4、電損耗tanδ同樣較大。根據(jù)XRD等測試結(jié)果，較小PZT粒度伴隨而來的西d33，εr和K1值的減小可能是PZT顆粒和水泥基體之間的表面多孔造成的。而PZT粒度較小時復合材料的結(jié)構(gòu)較為緊實和致密。
　　 用金屬醇鹽通過溶膠-凝膠法制備出納米PZT粉體。XRD等分析結(jié)果證實了700℃燒結(jié)的PZT粉體中僅有燒綠石相存在。700℃燒結(jié)的PZT粉體的平均粒度大約為200nm，而計算出品粒尺寸為26.4nm。納米PZT粉體和水泥采用壓制成型

5、法制得。測試了水泥/納米PZT壓電復合材料的壓電性能。和摻加較大粒度的PZT顆粒相比，水泥/納米PZT壓電復合材料呈現(xiàn)出比較優(yōu)越的壓電性能。
　　 用白水泥為基體，PZT粉體為功能相，并添加少量的碳黑，來制備0-3型水泥基壓電復合材料。研究了碳黑/PZT/水泥復合材料中老化的實質(zhì)以及其極化行為。結(jié)果表明加入碳黑相之后極化過程得以在常溫下進行。也研究了碳黑對復合材料壓電性能及介電性能的影響。結(jié)果表明復合材料的壓電性能因為碳黑加入而

6、呈現(xiàn)較大提高，主要原因是碳黑的導電性比較好。在極化電壓4kV/mm和極化時間20min的條件下，含70vo1.％PZT的壓電復合材料d33，εr，tan和Kt值分別為：28.5pC/N，202.6，0.19和12.2％。
　　 研究了納米碳管的分散對PZT/cement壓電復合材料的壓電性能的影響的研究。0-3型碳管/PZT/cement壓電復合材料是由硅酸鹽水泥和一定粒度比例的PZT粉術(shù)和納米碳管通過混合制備而成的。本文對含有

7、不同處理方法的碳管、不同分散方法和不同含量碳管的壓電復合材料的壓電以及介電性能進行了研究。實驗結(jié)果表明：用Fenton/UV方法處理的納米碳管的分散性最好，碳納米管對水泥基壓電復合材料的壓電性能和介電性能都有顯著的改善作用。Fenton/UV法處理CNTs，去除其中的非晶雜質(zhì)比較徹底。HN03氧化法和Fenton/UV處理后的CNTs表面存在-C=O、-COOH、-OH等官能團。復合材料的壓電應(yīng)變常數(shù)隨著CNTs含量的增加而增加，當CN