正交異性壓電復(fù)合材料及其傳感器的制備與性能研究.pdf

1、水泥基壓電復(fù)合材料具有與混凝土相容性好、響應(yīng)速度快、傳感精度高，集傳感和驅(qū)動一體化的優(yōu)異特性，非常適合于監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)的損傷、變形和內(nèi)部應(yīng)力變化等情況。然而由單一的壓電陶瓷經(jīng)切割-澆注法制備而成的壓電復(fù)合材料具有平面橫觀各向同性，對于來自不同方向的結(jié)構(gòu)損傷信息無法有效鑒別。因此研制具有平面各向異性的水泥基壓電復(fù)合材料，實現(xiàn)對混凝土結(jié)構(gòu)損傷源的精確定位具有很重要的現(xiàn)實意義。本文以PZT-5壓電陶瓷作為功能相，以聚合物/水泥的混合物作為基體

2、相，結(jié)合切割-澆注與排列-澆注的方法，改進工藝方法制備了1-3型正交異性壓電復(fù)合材料(OPCM)，并對不同高度，不同寬度，不同并聯(lián)個數(shù)、不同基體配合比下的1-3型OPCM的壓電性能、介電性能、機電耦合性能做了探討。結(jié)果表明:1-3型OPCM的壓電應(yīng)變常數(shù)與壓電電壓常數(shù)隨高度增加不發(fā)生明顯變化，介電常數(shù)εr與介電損耗tanδ呈現(xiàn)不規(guī)律變化，諧振頻率隨著高度變化出現(xiàn)耦合作用;1-3型OPCM隨寬度增加壓電應(yīng)變常數(shù)增加，壓電電壓常數(shù)減小，介電

3、常數(shù)εr增加，介電損耗tanδ減低，諧振頻率向低頻移動;1-3型OPCM的壓電應(yīng)變常數(shù)隨基體中水泥質(zhì)量分數(shù)的增加略微降低，壓電電壓常數(shù)、介電常數(shù)εr與介電損耗tanδ呈現(xiàn)不規(guī)律變化，基體配合比對壓電復(fù)合材料的機電耦合性能影響較小;1-3型OPCM的壓電應(yīng)變常數(shù)與壓電電壓常數(shù)隨壓電相并聯(lián)級數(shù)的增加顯著增大，介電常數(shù)εr降低，介電損耗tanδ增大，不同寬度的壓電復(fù)合材料隨并聯(lián)級數(shù)的增加其阻抗值降低。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴對不同高

4、度，不同寬度，不同并聯(lián)個數(shù)、不同基體配合比下的1-3型OPCM正交異性特性做了研究。結(jié)果表明，高度的變化對1-3型OPCM的正交異性特性影響不大;寬度的增加對1-3型OPCM正交異性特性影響不大，但其在正交方向上的接收到的電壓信號幅值呈現(xiàn)略微增大趨勢;基體配合比的改變對壓電復(fù)合材料的正交異性特性影響不大，隨著基體水泥質(zhì)量分數(shù)的增加，壓電復(fù)合材料接收到的電壓信號幅值呈先上升后下降的趨勢;并聯(lián)級數(shù)大于三級時，壓電復(fù)合材料表現(xiàn)出明顯的正交異性

5、特性，壓電復(fù)合材料的電壓信號幅值逐漸增加。⑵利用壓電復(fù)合材料的本構(gòu)方程，對復(fù)合材料中壓電陶瓷相的關(guān)系矩陣進行坐標變換，以此而得1-3型OPCM的本構(gòu)方程，分析了1-3型OPCM在平面內(nèi)具有各向異性的原因。⑶將1-3型OPCM利用鎢粉、水泥/環(huán)氧樹脂聚合物、屏蔽材料等進行封裝，并成功制備正交異性壓電傳感器，對正交異性壓電傳感器的平面信號響應(yīng)及衰減性能進行了詳細研究，并對被測試件表面的聲發(fā)射信號損傷進行了初步定位探討。結(jié)果表明:經(jīng)過封裝后的

6、壓電傳感器正交異性特性十分顯著，正交異性壓電傳感器具有較高的靈敏度和帶寬。在改變測試角度與測試距離的情況下，正交異性壓電傳感器的信號幅值曲線與信號電壓曲線均具有“余弦”變化趨勢;隨著測試距離逐漸增大，正交異性壓電傳感器各個方向的信號幅值與電壓幅值均逐漸減小，其測試距離最遠為650mm;正交異性壓電傳感器在混凝土板上接收信號幅值低于玻璃表面，正交異性特性不變。正交異性壓電傳感器的可重復(fù)性良好;利用正交異性壓電傳感器進行定位實驗研究，結(jié)果表