專利名稱：水泥基壓電復合材料的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于功能復合材料技術領域，特別涉及一種水泥基壓電復合材料。
背景技術：
隨著科學技術的迅速發展，功能單一的傳統水泥材料，已不能適應日新月異的多功能工程和新技術革命的需要，現代建筑對水泥基復合材料提出了新的挑戰，不僅要求水泥基復合材料要有高強度，而且還應具有聲、光、電、磁、熱等功能，以適應多功能和智能建筑的需要。因此，水泥基功能復合材料的研究和開發已逐漸成為熱點。
近年來，智能材料與結構已逐漸滲入到土木工程領域中。土木工程領域中的眾多大型建筑結構(如大跨橋梁、高聳建筑和核建筑等)規模龐大、結構復雜，一旦失效，后果將是災難性的，對它們的安全性和耐久性的要求遠高于一般性建筑結構。因此，采用智能材料與結構對重大土木工程建筑實施在線健康監測和預報，不僅可大大減少結構的維修費用，而且還可避免對人類造成的危害。眾所周知，智能材料與結構主要由傳感、驅動和控制三部分組成，壓電材料由于其自身特性，既可以作為傳感材料，也能作為驅動材料，是智能材料與結構中應用最廣泛、最重要的機敏材料之一，它的研究進展決定著智能材料與結構的實用化進程。
壓電材料一般包括壓電陶瓷、壓電聚合物和聚合物基壓電復合材料。在土木工程領域中，以上三類壓電材料均與混凝土母體存在相容性差的問題。相容性不好，機敏材料的傳感精度會大幅度降低，驅動力度會受到顯著的削弱。在土木工程領域，占主要地位的結構材料是混凝土，混凝土與其它領域中的重要結構材料如金屬、塑料等相比，在變形特性、剛度和聲阻抗等方面有本質差別。在混凝土的固化過程中，因為水化的作用，或者因為外界溫度的變化，例如結冰和解凍、潮濕和干燥或者加熱和冷卻等會引起溫度梯度，這些溫差會引起混凝土的非均勻體積變動。當體積相對穩定的壓電陶瓷材料被埋入混凝土結構中時，如果發生溫度或濕度的變化，將導致混凝土與壓電材抖變形的不協調，從而使機敏材料發生虛假信號，影響傳感精度，甚至會發生錯誤的檢測情形。另外，水泥是強堿性的，而壓電聚合物和聚合物基壓電復合材料在高度堿性水泥環境中，化學耐久性較差，易老化，時間一長便起不到健康監控作用。因此，在發展土木工程領域的智能結構時，需要研制開發與土木工程領域主體結構材料——混凝土相容的壓電機敏材料。
發明內容為了克服以上技術的不足，本實用新型提供了一種水泥基壓電復合材料，該復合材料不但具有低聲阻抗、低介電常數、高機電耦合系數、低機械品質因數以及柔韌性和壓電陶瓷相的可控性等優點，而且更為重要的是它與混凝土母體具有良好的相容性。
本實用新型是通過以下技術方案來實現的本實用新型公開了一種水泥基壓電復合材料，其特別之處在于平板狀的水泥基體中嵌有貫穿水泥基體的若干壓電陶瓷柱，壓電陶瓷柱垂直于水泥基體的表面，水泥基體的上下表面分別涂有導電涂層。
本實用新型的水泥基壓電復合材料，所述的水泥基體由快硬早強的硫鋁酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥為基體。
本實用新型的水泥基壓電復合材料，為了提高壓電性能，所述的壓電陶瓷柱由鈮鎂鋯鈦酸鉛(PMN)或溶膠一凝膠法合成的高純超細PZT和壓電活性更高的摻雜改性的PZT制成。
本實用新型的水泥基壓電復合材料，所述的壓電陶瓷柱占復合材料的體積百分比為20-50％。
本實用新型的水泥基壓電復合材料，為了提高水泥基體與壓電陶瓷相的界面結合強度，所述的壓電陶瓷柱采用鈦酸四丁酯進行表面處理。
本實用新型的水泥基壓電復合材料，所述的水泥基體的水灰比為0.3-0.4。
本實用新型的水泥基壓電復合材料，其制備方法包括以下步驟(1)在極化好的壓電陶瓷塊上，按一定周期、體積和尺寸，切割成一系列陶瓷柱，用丙酮徹底清洗干凈后，用鈦酸四丁酯將其浸泡后，然后固定在模具內；(2)將模具固定在振動臺上，按一定的水灰比將水泥充分攪拌后，在不斷振動的情況下，將水泥澆注到模具內，進行養護；(3)脫模后，將養護好的水泥基體的上下兩個平行表面分別進行打磨，待兩面完全露出壓電陶瓷柱后，再拋光，然后用丙酮擦洗試樣表面，在兩面薄薄地均勻地涂上低溫導電銀漿或真空鍍金，在真空干燥箱內烘干1h-2h，干燥溫度為100-120℃，即可得到水泥基壓電復合材料。
上述制備方法中，為使水泥基體致密度提高，避免氣孔和裂紋產生，水泥基體中加入適量的消泡劑；同時，澆注水泥后，進行抽真空處理，然后再放在振動臺上振動。
本實用新型的水泥基壓電復合材料是由一維的壓電陶瓷柱平行地排列于三維連通的水泥基體中而構成的兩相壓電復合材料，一般稱為1-3型水泥基壓電復合材料。這種復合材料集中了各相材料的優點，互補了單相的缺點，具有低聲阻抗、低介電常數、高機電耦合系數、低機械品質因數以及柔韌性和壓電陶瓷相的可控性等優點。在1-3型水泥基壓電復合材料中，由于水泥的柔韌性要好于壓電陶瓷相，因此當其受到外力作用時，作用于水泥基體上的應力將有效傳遞給壓電陶瓷相，造成壓電陶瓷相的應力放大；同時水泥基體的介電常數極低，使整個壓電復合材料的介電常數大幅度下降。這兩個因素綜合作用的結果使壓電復合材料的壓電電壓常數g33得到較大幅度的提高。因此，作為傳感材料，1-3型水泥基壓電復合材料的綜合性能要優于純壓電陶瓷相，是一種很有潛力和發展前途的傳感材料。更重要的是1-3型水泥基壓電復合材料在土木工程領域中不但與混凝土母體具有良好的相容性，而且與混凝土結構材料的界面粘結效果也優于其它機敏材料，這大大提高了壓電材料的傳感精度及驅動力。因此，該類復合材料的研究與開發對于推進各類土木工程結構向智能化方向發展具有廣泛的工程應用意義。
本實用新型的水泥基壓電復合材料的有益效果是，由于它與混凝土母體具有良好的相容性，大大提高壓電材料的傳感精度及驅動力，并且具有低聲阻抗、低介電常數、高機電耦合系數、低機械品質因數以及柔韌性和壓電陶瓷相的可控性等優點。本實用新型的制備方法具有操作簡單，成本低，適合工業化生產，成品壓電性能好等優點。
圖1為本實用新型的1-3型水泥基壓電復合材料制備工藝流程圖圖2為本實用新型的復合材料的剖面結構示意圖圖中，1水泥基體，2壓電陶瓷柱，3導電涂層具體實施方式
下面通過實施例進一步描述本實用新型。
實施例1以硫鋁酸鹽水泥為基體，鈮鎂鋯鈦酸鉛(PMN)壓電陶瓷為功能體，其主要性能如表1和表2所示。
表1鈮鎂鋯鈦酸鉛的主要性能
表2快硬硫鋁酸鹽水泥的主要性能
分別在極化好的PMN壓電陶瓷塊上，切割長×寬×高為1×1×5mm的一系列陶瓷柱。壓電陶瓷柱占復合材料的體積分數分別為21.31％，27.26％，34.95％，47.2％。用丙酮徹底清洗干凈后，用鈦酸四丁酯將其浸泡，使其表面具有一定的粗糙度，便于提高水泥基體與壓電陶瓷相的界面結合強度。將其固定在模具內，放在振動臺上。按水灰比為0.4將水泥充分攪拌后，在不斷震動的情況下，將水泥澆注到模具內，為使水泥基體致密度提高，一方面可往水泥基體中加入適量的消泡劑，另一方面也可在澆注水泥后，進行抽真空處理，然后再放在振動臺上振動，以消除基體中的氣泡和裂紋。將制備好的試樣在標準養護箱內(20℃，100％RH)養護28d后，將養護好的水泥基體的上下兩個平行表面分別進行打磨，待兩面完全露出壓電陶瓷柱后，再拋光，用丙酮擦洗試樣表面，然后在兩面薄薄地均勻地涂上低溫導電銀漿或真空鍍金，在真空干燥箱內烘干1h-2h，干燥溫度為100-120℃，即可得到1-3型水泥基壓電復合材料，其性能如表3所示。
本實施例制成的復合材料的結構如圖2所示，水泥基體1呈平板狀，水泥基體1內部嵌有貫穿水泥基體的若干壓電陶瓷柱2，壓電陶瓷柱垂直于水泥基體的表面，水泥基體的上下表面分別涂有導電涂層3。
表3 1-3型硫鋁酸鹽水泥基壓電復合材料的性能
實施例2以硫鋁酸鹽水泥為基體，鈮鎂鋯鈦酸鉛(PMN)壓電陶瓷為功能體，其主要性能如表1和表2所示。
分別在極化好的PMN壓電陶瓷塊上，切割長×寬×高為1×1×9mm的一系列陶瓷柱，其體積分數均為22.72％。用丙酮徹底清洗干凈后，用鈦酸四丁酯將其浸泡，使其表面具有一定的粗糙度，便于提高水泥基體與壓電陶瓷相的界面結合強度。將其固定在模具內，放在振動臺上。按水灰比為0.4將水泥充分攪拌后，在不斷振動的情況下，將水泥澆注到模具內，為使水泥基體致密度提高，一方面可往水泥基體中加入適量的消泡劑，另一方面也可在澆注水泥后，進行抽真空處理，然后再放在振動臺上振動，以消除基體中的氣泡和裂紋。將制備好的試樣在標準養護箱內(20℃，100％RH)養護28d后，將養護好的水泥基體的上下兩個平行表面分別進行打磨，待兩面完全露出壓電陶瓷柱后，再拋光。分別制備成厚度分別為2.6mm、3.3mm、5.0mm、6.0mm、7.7mm的1-3型硫鋁酸鹽水泥基壓電復合材料，用丙酮擦洗試樣表面，然后在兩面薄薄地均勻地涂上低溫導電銀漿或真空鍍金，在真空干燥箱內烘干1h-2h，干燥溫度為100-120℃，即可得到1-3型水泥基壓電復合材料。五種厚度不同的水泥基壓電復合材料的性能如表4所示表4 1-3型硫鋁酸鹽水泥基壓電復合材料的性能
實施例3以普通硅酸鹽水泥為基體，鈮鎂鋯鈦酸鉛(PMN)壓電陶瓷為功能體，其主要性能如表2所示。
分別在極化好的PMN壓電陶瓷塊上，切割成以下系列的壓電陶瓷柱，長×寬×高分別為1.25×1×7mm、1.5×1×7mm和1.75×1×7mm，其體積分數均為20.5％。用丙酮徹底清洗干凈后，用鈦酸四丁酯將其浸泡，使其表面具有一定的粗糙度，便于提高水泥基體與壓電陶瓷相的界面結合強度。將其固定在模具內，放在振動臺上。按水灰比為0.35將水泥充分攪拌后，在不斷振動的情況下，將水泥澆注到模具內，為使水泥基體致密度提高，一方面可往水泥基體中加入適量的消泡劑，另一方面也可在澆注水泥后，進行抽真空處理，然后再放在振動臺上振動，以消除基體中的氣泡和裂紋。將制備好的試樣在標準養護箱內(20℃，100％RH)養護28d后，將養護好的水泥基體的上下兩個平行表面分別進行打磨，待兩面完全露出壓電陶瓷柱后，再拋光。然后在兩面薄薄地均勻地涂上低溫導電銀漿或真空鍍金，在真空干燥箱內烘干1h-2h，干燥溫度為100-120℃，即可得到1-3型水泥基壓電復合材料。三種壓電陶瓷柱長寬比不同的1-3型水泥基壓電復合材料的性能如表5所示。
表5 1-3型普通硅酸鹽水泥基壓電復合材料的性能
權利要求1.一種水泥基壓電復合材料，其特征在于平板狀的水泥基體中嵌有貫穿水泥基體的若干壓電陶瓷柱，壓電陶瓷柱垂直于水泥基體的表面，水泥基體的上下表面分別涂有導電涂層。
2.根據權利要求1所述的水泥基壓電復合材料，其特征在于所述的水泥基體由快硬早強的硫鋁酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥為基體。
專利摘要本實用新型屬于功能復合材料技術領域，特別涉及一種水泥基壓電復合材料。本實用新型的復合材料，其特別之處在于平板狀的水泥基體中嵌有貫穿水泥基體的若干壓電陶瓷柱，壓電陶瓷柱垂直于水泥基體的表面，水泥基體的上下表面分別涂有導電涂層。本實用新型的水泥基壓電復合材料的有益效果是，與混凝土母體具有良好的相容性，大大提高壓電材料的傳感精度及驅動力，并且具有低聲阻抗、低介電常數、高機電耦合系數、低機械品質因數以及柔韌性和壓電陶瓷相的可控性等優點。本實用新型的制備方法具有操作簡單，成本低，適合工業化生產，成品壓電性能好等優點。
文檔編號H01L41/16GK2760028SQ20042005260
公開日2006年2月22日 申請日期2004年7月26日 優先權日2004年7月26日
發明者黃世峰, 常鈞, 蘆令超, 劉福田, 葉正茂, 王守德, 程新 申請人:濟南大學