22型水泥基压电复合材料的制备、性能及其应用研究

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1、摘要水泥基压电复合材科是以水泥为基体材料，压电陶瓷为功能体复合而成的一种材料。它具有与混凝土相容性良好、强度高、耐久性好、感知灵敏度高及成本低等特点，它的研制在改造传统水泥基材料、拓展其应用领域并推进各类土木工程结构向智能化方向发展也具有广泛的工程应用意义，因而在土本工程领域中愈来愈受到人们的重视。本文采用切割．浇注法制备了2．2型水泥基压电复合材料，并对复合材料的压电、介电、机电祸合，机械品质因数及声阻抗等性能进行了研究。以2．2型水泥基压电复合材料为元件制备了传感器，并对其频率响应、线性性能进行了分析；同时进行了复杂荷载条件的测试，从而为

2、今后的实际应用奠定基础。研究了铌镁酸铅(PMN)压电陶瓷体积分数对复合材料性能的影响，结果表明，随着PMN体积分数的增加，复合材料的压电应变常数砖3和相对介电常数矗均呈线性增大趋势：压电电压常数勘3先线性增大后趋于平缓；而介电损耗tan6则呈近似线型下降的趋势；复合材料的平面机电耦合系数‰随着PMN体积分数的增加基本保持不变，在34％一37％之间波动；而厚度机电耦合系数五则随PMN体积分数的增大呈明显的增大趋势，当PMN体积分数为69．23％时，墨为49．83％；复合材料的机械品质因数Qk随PMN体积分数的增大里逐渐增大趋势，当PMN体积分数

3、为41．67％时，Qk为2．97。复合材料的声阻抗随着PM'N体积分数的增大而逐渐增大。研究了不同水灰比对复合材料性能的影响，结果表明，随着水灰比的增大，复合材料的相对介电常数岛、介电损耗tan8及机械品质因数Qlm均星下降趋势；当水灰比小于0．40时，复合材料的压电应变常数西3和压电电压常数933变化较小，当水灰比大于O．40时，西3和毋3略有增大。随着水灰比的增大，复合材料的平面机电藕合系数凰变化幅度很小，而厚度机电耦合系数≈均逐渐增大。研究了不同陶瓷厚度对复合材料性能的影响，结果表明，随着厚度的增大，复合材料的压电应变常数西3基本没有变

4、化，相对介电常数岛及介电损耗tan6均逐渐增大，而压电电压常数毋，却逐渐减小；厚度变化对复合材料的平面机电耦合系数岛基本没有影响。随着厚度的逐渐增大，复合材料的串联谐振频率石、并联谐振频2-2鬯水泥单限电复合材料的制斋、忭能及一用研究率石、频带宽度Af,厚度机电耦合系数K及机械品质因数QIm均呈逐渐减小的趋势。复合材料的介电谐振峰、反谐振吸收峰及介电损耗峰均随着厚度的逐渐增大向频率降低的方向移动，复合材料的声阻抗随厚度的增大则变化不大，基本在13．15Mrayl之矧波动。研究了不同陶瓷功能体及水泥基体对复合材料性能的影响，结果表明，以PMN压

5、电陶瓷为功能体制备的复合材料具有更高的压电应变常数西3、介电常数即厚度机电耦合系数墨及更小的介电损耗tan6、机械品质因数gIm和声阻抗：而以PLN压电陶瓷为功能体制备的复合材料具有更高的压电电压常数933。以硫铝酸盐水泥为基体的复合材料具有最高的压电应变常数d33、相对介电常数岛及最小的介电损耗tan6，而以磷铝酸盐水泥为基体的复合材料则具有最高的压电电压常数933和最小的相对介电常数矗及声阻抗。在不同频率的正弦荷载下，水泥基压电传感器均能产生标准的正弦电压波形。当加载频率小于5Hz时，所有荷载下传感器输出电压的幅值随频率增大均逐渐减小，当

6、加载频率大于5Hz时，所有荷载下的传感器输出电压的幅值几乎不变，即传感器输出电压的幅值不随输入荷载频率的变化而变化。水泥基压电传感器的输出电压幅值与输入荷载幅值之间存在着明显的线性关系，输出电压同正弦组合荷载则呈现明显的一一对应关系，输出的电压波形和随机荷载的波形基本一致，这表明该水泥基压电传感器可以正确的反映所受到的随机荷载。水泥基压电传感器输出同输入荷载之间的相位差非常接近于零，这表明该类传感器具有很高的灵敏度，能够准确地反映出混凝土所受应力变化。关键词：2-2水泥基压电复合材料；压电陶瓷：压电性能；介电性能；机电性能；声阻抗；传感器ⅡA

7、BSTRACTCementbasedpiezoelectriccompositeisakindofmaterialusingcementasmatrixandpiezoelectricccramicasfunctionalcomponent,whichhasthecharacteristicofgoodcompatibilitywithconcrete，highstrength,gooddurability,hi曲sensitivityandlowcost．Thedevelopmentofthiscompositealsohaswidelya

8、pplicationsignificancetopromptthedevelopmentofthecivilengineeringblEl'ueturetothei