13型水泥基压电复合材料的性能及其应用研究

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1、济南大学硕十学位论文摘要水泥基压电复合材料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，因而在土木工程领域中愈来愈受到人们的重视。本文采用切割一浇注法制备了1．3型水泥基压电复合材料，系统的研究了基体、形状参数及陶瓷柱非周期性对复合材料的压电、介电、机电耦合、机械品质因数及声阻抗等性能的影响。具体工作及结论如下：研究了不同基体对复合材料性能的影响。结果表明，聚合物为基体的压电复

2、合材料的压电应变常数西3明显高于其它五种基体的；不同基体对压电电压常数933影响较小，但是以普通硅酸盐水泥的为最小。在PLN陶瓷含量相同的条件下，不同基体压电复合材料的K波动不大，表现出良好的稳定性；不同基体的压电复合材料其介电常数和介电损耗较纯基体明显增大，以聚合物为基体的压电复合材料的介电常数和介电损耗较高。在．40℃～90℃之间，介电常数随着温度的升高而升高；在20℃～90℃之间，介电损耗随着温度的升高急剧升高。研究了陶瓷柱宽厚比w／t对复合材料性能的影响。结果表明：随着PMN压电陶瓷柱宽厚比w／t的增大，压电电压常数船3变化不大，在一定范围内波动；压电应变

3、常数西3和相对介电常数￡r逐渐减小，当厚度为2．5mm时，复合材料的介电常数可降为1800；厚度机电耦合系数K呈增大的趋势，宽厚比w／t为O．38时，K可达到61．66％1复合材料的机械品质因数鳊随PMN陶瓷柱宽厚比w／t的增加而减小，最小值为11．85，不到单相PMN的Qm值(为70)的1／4；随着宽厚比w／t的增大，复合材料的声阻抗增大。研究了陶瓷柱长宽比l／w对复合材料性能的影响。结果表明，随着PMN陶瓷柱长宽比的增大，复合材料的压电应变常数盔3和相对介电常数岛逐渐增大；压电电压常数933介电损耗，册6逐渐减小；水泥基压电复合材料的平面机电耦合系数绵基本保持

4、不变，在41％03％之间波动；而厚度机电耦合系数K则呈现出增大趋势，当长宽比为2．33时，水泥基压电复合材料的机电耦合系数最大为63．86％1复合材料的声阻抗呈明显的上升趋势。V1～3犁水泥基压电复合材科的件能及页席用研，Z研究了陶瓷柱非周期排列的1．3型水泥基压电复合材料的性能。结果表明，随着试样厚度的增加，非周期性复合材料的压电应变常数,／33增大，压电电压常数933减／Jx；随陶瓷相体积分数的增加，压电复合材料的压电应变常数西3和相对介电常数岛增大，压电电压常数933减／ix；体积分数相近时，周期性和非周期性压电复合材料的厚度机电耦合系数值五接近，说明厚度振

5、动受压电相排列的周期性影响不大：非周期性压电复合材料的声阻抗随复合材料厚度的增加而减小；随陶瓷相体积分数的增大，声阻抗增大。研究了1．3．2型水泥基压电复合材料的性能。结果显示，在相同尺寸和组分下，1．3．2型水泥基压电复合材料的压电和介电性能参数与1．3型的相差不大，但1．3．2型制各工艺大为简化。压电复合材料的谐振峰明显少于压电陶瓷，主振动远大于其它振动，带宽较陶瓷的增大；与1．3型复合材料相比较，1．3—2型复合材料的谐振频率较低，机械品质因数Qm小，声阻抗Z较大。对1．3型水泥基压电复合材料的应用进行了初步研究。结果表明，1．3型水泥基压电传感器的第一个接

6、收信号的峰值明显比纯压电陶瓷传感器的大；1—3型水泥基压电传感器在500kHz以内有很平的反应谱(宽频)；用水泥基压电传感器定位的裂缝位置与实际的裂缝位置非常吻合。因此，水泥基压电传感器非常适于混凝土裂缝的检测。关键词：1-3水泥基压电复合材料；压电性能；介电性能；机电耦合性能；声阻抗；传感器VI济南大学硕十学位论文ABSTRACTCementbasedpiezoelectriccompositeisakindofmaterialusingcementasmatrixandpiezoelectricceramicasfunctionalcomponent，whic

7、hhasthecharacteristicofgoodcompatibilitywithconcrete，hi曲strength，gooddurability,hi曲sensitivityandlowcost．Thedevelopmentofthiscompositealsohaswidelyapplicationsignificancetopromptthedevelopmentofthecivilengineeringstructuretotheintelligentfield，besideschangingthetraditionalcement-based

8、compo