水泥基压电复合材料的制备及其性能研究

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1、武汉理工大学博士学位论文摘要水泥基压电复合材料可有效解决传统智能材料与混凝土母体结构材料之间的相容性问题，它不但具有感知功能，而且具有驱动功能，其制备工艺简单，造价低，非常适合于土木工程领域中智能材料的发展需要，因此，研究与开发该类压电复合材料对于推动各类土木工程结构向智能化方向发展有着广泛的工程应用意义和学术价值。本文采用压巷0成型法和切割。填充法分别制各了0-3型和1-3型水泥基压电复合材料，重点研究了其压电性能和介电性能，并初步进行了水泥基压电复合材料的应用研究。研究了极化条件对0-3型水泥基压电复合材料压电性能的影响，结果表明，对硫铝酸盐水泥基压电复合材料来说，最佳极化工艺参

2、数为：极化电场强度为4kV／mm；极化时间为30mira极化温度应在80℃～100℃之问。系统研究了压电陶瓷含量、粒度和水泥基体对0．3型水泥基压电复合材料压电性能和介电性能的影响规律，结果表明，随着PLN含量的增加，压电应变常数d33和压电电压常数933、介电常数t：T和介电损耗t驴、机电耦合系数岛和墨、剩余极化强度Pr和矫顽电场强度丘均增大，而机械品质因数Qm则在19"--50之间波动。只有当PLN含量超过70％时，水泥基压电复合材料才显示出较好的压电性能；随着PLN粒度的增大，压电常数函3和毋3、机电耦合系数岛和甄与剩余极化强度Pr和矫顽电场强度或均随之增大。当PLN粒度大于1

3、001．tm时，函3和肋值几乎不受PLN粒度的影响；以硫铝酸盐水泥为基体的压电复合材料的压电性能明显高于以普通硅酸盐水泥为基体的压电复合材料的压电性能，而介电性能则恰恰相反，这主要是由于硫铝酸盐水泥无论是早期的力学性能还是后期的力学性能均优于普通硅酸盐水泥的，与陶瓷颗粒的结合更为致密的缘故。在PLN陶瓷含量相同的条件下，前者的娲和墨值随PLN含量的增加均呈增大趋势，而后者的硒和墨值则呈减少趋势，且波动较大；随着频率的增大，两种不同基体的压电复合材料的极化机制基本相同，即在低频段，均以界面极化为主，高频时呈现良好的介电频率稳定性。介频谱和介温谱分析结果表明，在40～100kHz频率范围

4、内，0-3型水泥基压电复合材料的介电常数均随频率的增大而迅速降低，这主要受水泥基体内的各种极化和复合材料中的界面极化所影响。高频时，介电常数变化较小，损耗较低，表明水泥基压电复合材料的高频稳定性较好；在一40"(2～15012之间，水武汉理工大学博士学位论文泥基压电复合材料的介温曲线较平坦，表现出良好的介电温度稳定性。研究了水泥水化龄期和环境湿度对复合材料压电性能和介电性能的影响规律，结果表明，不像压电陶瓷和聚合物基压电复合材料，其压电性能随时问的延长而减小，而水泥基压电复合材料的压电性能则随着水泥水化龄期的延长而增大，当到达一定龄期后，压电性能趋于稳定。随着环境湿度的增大，压电应变

5、常数杰3也随之增大。当相对湿度低于60％对，湿度对如的影响不大，但当相对湿度大于60％，两3则急剧增加；湿度对介电常数的影响主要来源于吸附水分的变化，水分的增加提高了界面区离子的迁移率和极化率，致使复合材料的介电常数显著增大。水分对极化的贡献主要在低频段，此时，介电损耗主要以电导损耗为主。随着PIVIN体积分数的增加，l-3型水泥基压电复合材料的d33、机电耦合系数郧和五、介电常数矗和剩余极化强度Pr和矫顽电场强度Ec均增大，而g。则减小。与单相PMN的g。相比，复合材料的g柏明显要大得多，这可大大提高复合材料的传感性能；在低频段和高频段，复合材料的介电常数岛和介电损耗t西随频率的变

6、化较平稳，表现出良好的介电频率稳定性。在．30。C～150"O范围内，卜3型水泥基压电复合材料的介电常数白和介电损耗t驴随温度的变化较小，表现出良好的介电温度稳定性。研究了压电陶瓷柱的宽厚比w／t对1．3型水泥基压电复合材料性能的影响规律，结果表明，复合材料的压电应变常数西3值、机电耦合系数曷与K、机械品质因数(}m、介电常数研和介电损耗t妒、声阻抗z均随着w／t的增加而减小，即随着厚度的减小而减小，而压电电压常数933值几乎不受w／t的影响；在P1VlN体积分数仅为22．72％的条件下，通过调节PIvlN柱的宽厚比w／t为13．02％，便可使复合材料的声阻抗与混凝土的声阻抗十分接近

7、，从而有效解决了智能材料在土木工程中的相容性问题。针对水泥基压电复合材料阻抗大的特点，设计了适合于该类复合材料的数据采集系统，并开展了水泥基压电复合材料的应用研究，结果表明，0—3型和1-3型两种水泥基压电复合材料均具有良好的力电效应，即随着压力和加载速率的增大和减小，复合材料所受应力与所产生的电压之阅呈现明显的一一对应关系。这表明水泥基压电复合材料完全可用于土木工程领域中，对～些重大土木工程建筑实施在线健康监测和预报。关键词：水泥基压电复合材料；硫铝酸盐