專利名稱：：2-2型水泥基壓電復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種水泥基壓電復(fù)合材料，屬于土木工程領(lǐng)域中的智能材料。
背景技術(shù)：
：為保障重大土木工程結(jié)構(gòu)的安全性、適用性與耐久性，采用智能材料對其實施在線健康監(jiān)測已成為世界范圍內(nèi)土木工程領(lǐng)域的前沿研究方向。然而，由于各國對應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域中智能材料的研究起步較晚，目前土木工程領(lǐng)域中所用的智能材料，如光導(dǎo)纖維、壓電陶瓷、碳纖維等，都存在功能單一，且與土木工程領(lǐng)域中最主要的結(jié)構(gòu)材料一混凝土相容性差的問題(如聲阻抗匹配問題、變形協(xié)調(diào)性問題、剛度及界面粘結(jié)性問題等)，這樣就會使智能材料產(chǎn)生虛假信號，影響傳感精度，甚至?xí)?dǎo)致錯誤的判斷。因此，研究與混凝土相容的智能材料已經(jīng)成為重大土木工程結(jié)構(gòu)智能監(jiān)測和健康診斷領(lǐng)域的關(guān)鍵課題之一。采用水泥為基體，壓電陶瓷為功能體，通過調(diào)節(jié)復(fù)合材料各組分的比例和結(jié)構(gòu)，即可制備出壓電性能優(yōu)良，且與混凝土具有良好相容性的水泥基壓電復(fù)合材料。目前，該類復(fù)合材料的研究已引起人們的廣泛關(guān)注。與壓電陶瓷相比，這種復(fù)合材料具有更低的密度和聲阻抗，從而使其與混凝土有著更好的聲阻抗匹配特性，因而用其制作的傳感器更有利于混凝土結(jié)構(gòu)的超聲無損檢測；它可以像一個大骨料一樣埋在混凝土中，與混凝土具有等同的收縮及相近的熱脹系數(shù)；其耐久性好，強度高；響應(yīng)速度快，傳感精度高；它不但具有感知功能，而且還具有驅(qū)動功能，非常適合于監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)的損傷、變形和靜、動態(tài)應(yīng)力狀況等情況，從而可預(yù)防一些災(zāi)難的發(fā)生，保護(hù)人民的生命財產(chǎn)。因此，研究與開發(fā)水泥基壓電復(fù)合材料不僅具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益，而且對于推動各類土木工程結(jié)構(gòu)向智能化方向發(fā)展有著廣泛的工程應(yīng)用意義。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了一種2-2型水泥基壓電復(fù)合材料，該復(fù)合材料具有壓電性能優(yōu)良、與混凝土相容性好、集傳感和驅(qū)動于一體、耐久性好、制備工藝簡單、成本低等特點。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的本發(fā)明公開了一種2-2型水泥基壓電復(fù)合材料，其特征在于采用以下方法制成(1)將一長方體的壓電陶瓷塊進(jìn)行極化處理；(2)用切片機沿與壓電陶瓷極化軸相平行的方向，依次切割出一系列壓電陶瓷片，在切割過程中不將整個陶瓷塊切透，留下一個公共底座；將切割后的3陶瓷塊進(jìn)行反復(fù)清洗，去除其中殘留的陶瓷殘渣；(3)將清洗后的陶瓷塊置入模具中，澆注水泥；澆注結(jié)束后，將試樣連同模具共同置于真空干燥箱進(jìn)行真空處理；(4)將試樣置于養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)；(5)切除陶瓷底座，然后用磨片機將上下兩個平行表面分別進(jìn)行打磨，使兩面完全露出壓電陶瓷片，拋光處理后，在兩面均勻地涂上低溫導(dǎo)電銀膠或鍍上電極，即可制備出2-2型水泥基壓電復(fù)合材料。上述本發(fā)明的復(fù)合材料，所述陶瓷片的間距為0.5~2mm，壓電陶瓷占復(fù)合材料的體積百分?jǐn)?shù)為4070%。上述本發(fā)明的復(fù)合材料，所述陶瓷片的長度為15~25mm，寬度為0.5-2mm，高度為5~12mm。上述本發(fā)明的復(fù)合材料，所述的水灰比為0.300.50。上述本發(fā)明的復(fù)合材料，所述的養(yǎng)護(hù)條件為，養(yǎng)護(hù)溫度控制在20±1°C，相對濕度^0%，養(yǎng)護(hù)7d。上述本發(fā)明的復(fù)合材料，所述的壓電陶瓷為鈮鎂鋯鈦酸鉛或鈮鋰鋯鈦酸鉛壓電陶瓷。以不同的水泥為基體，不同的壓電陶瓷為功能體，采用切割-澆注法制備2-2型水泥基壓電復(fù)合材料。首先，用切片機在經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷塊上，沿與壓電陶瓷極化軸相平行的方向，依次準(zhǔn)確切割出所需尺寸的壓電陶瓷片，切割過程中不將整個陶瓷塊切透，留下一個公共底座，從而防止陶瓷片的整體散落破壞。切割完畢后，將切割后的陶瓷塊進(jìn)行反復(fù)清洗，去除其中殘留的陶瓷殘渣，減少殘渣對性能的影響。然后，將其置入模具中，按照一定的水灰比，將水泥與水充分?jǐn)嚢璨沧?。在澆注的過程中，始終保持不斷振動，以提高水泥基體的致密度。澆注結(jié)束后，將試樣連同模具共同置于真空干燥箱進(jìn)行真空處理，從而減少成型后試樣中的氣孔，然后再進(jìn)行振動處理。將制備好的試樣放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度控制在2o士rc，相對濕度》90%，養(yǎng)護(hù)7d后，用磨片機將試樣上下兩個平行表面分別進(jìn)行打磨，使兩面完全露出壓電陶瓷片。拋光處理后，在兩面均勻地涂上低溫導(dǎo)電銀膠或鍍上電極，即可制備出2-2型水泥基壓電復(fù)合材料。2-2型水泥基壓電復(fù)合材料的示意圖如圖1所示。表l，2分別為不同品種水泥及壓電陶瓷的性能。—_表1不同水泥基體的主要性能__相對介屯常數(shù)(漿體)介電損耗(漿體)體積密度平均粒徑水泥srto"5/gem—<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>表2不同壓電陶瓷的主要性能陶瓷《p/%&/%d33/pCN—1to"5&gmp/103kgm-3鈮鎂鋯鈦酸鉛65466700.024000707.45鈮鋰鋯鈦酸鉛65484200.022000857.4平面機電耦合系數(shù)；厚度機電耦合系數(shù)；"33:壓電應(yīng)變常數(shù)；介電損耗；￡r:相對介電常數(shù)；機械品質(zhì)因數(shù)；體積密度)本發(fā)明的2-2型水泥基壓電復(fù)合材料，具有壓電性能優(yōu)良、與混凝土相容性好、集傳感和驅(qū)動于一體、耐久性好、制備工藝簡單、成本低等優(yōu)點。附圖l本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖圖中，l上電極，2下電極，3水泥層，4壓電陶瓷片。具體實施例方式實施例1:壓電陶瓷體積分?jǐn)?shù)對壓電復(fù)合材料性能的影響如圖l所示(下同)，本發(fā)明的2-2型水泥基壓電復(fù)合材料，包括有交替排列的水泥層3和壓電陶瓷片4,以及位于上表面的上電極1和位于下表面的下電極2。采用以下方法制成將一長方體的壓電陶瓷塊進(jìn)行極化處理；用切片機沿與壓電陶瓷極化軸相平行的方向，依次切割出壓電陶瓷片，在切割過程中不將整個陶瓷塊切透，留下一個底座；將切割后的陶瓷塊進(jìn)行反復(fù)清洗，去除其中殘留的陶瓷殘渣；清洗后的陶瓷塊置入模具中，按照一定的水灰比澆注水泥；澆注結(jié)束后，將試樣連同模具共同置于真空干燥箱進(jìn)行真空處理，再振動；養(yǎng)護(hù)成型；切除陶瓷底座，然后用磨片機將上下兩個平行表面分別進(jìn)行打磨，使兩面完全露出壓電陶瓷片，拋光處理后，在兩面均勻地涂上低溫導(dǎo)電銀膠或鍍上電極，即可制備出2-2型水泥基壓電復(fù)合材料。采用切片機在經(jīng)過極化處理的6個尺寸相同的壓電陶瓷上沿與極化軸相平行的方向上，依次切割出長度(X軸方向)為19mm，寬度(Y軸方向)為1mm，厚度(Z軸方向)為10mm的系列壓電陶瓷片(圖l所示)。6個不同壓電陶瓷塊的陶瓷片間距分別為0.5mm，0.75mm，1mm，1.25mm，1.5mm，1.75mm。復(fù)合材料中壓電陶瓷的體積分?jǐn)?shù)依次為69.23%，60.87%，53.85%,48.98%，44.44%，41.67%。將切割后的陶瓷塊清洗晾干，置入模具中澆注水泥，水泥水減水劑(質(zhì)量比)為1:0.3:0.01。將制備好的試樣放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度20士rC，相對濕度>90%)中養(yǎng)護(hù)7d后，將試樣取出分別進(jìn)行粗磨及細(xì)磨并拋光，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(dǎo)電銀膠或鍍上電極進(jìn)行測試。不同壓電陶瓷體積分?jǐn)?shù)壓電復(fù)合材料的性能如表3所示。表3不同壓電陶瓷體積分?jǐn)?shù)壓電復(fù)合材料的性能<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>(g33:壓電電壓常數(shù)；2:聲阻抗率)實施例2:水灰比對壓電復(fù)合材料性能的影響以硫鋁酸鹽水泥和極化過的鈮鎂鋯鈦酸鉛陶瓷為原料，沿著鈮鎂鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的極化方向，采用切片機依次切割出長度(X軸方向)為19mm，寬度(Y軸方向)為lmm，厚度(Z軸方向)為6.5mm的陶瓷片，陶瓷片的間距亦為1mm。清洗晾干后，將陶瓷塊固定在模具中，放在振動臺上，按照水灰比為0.30，0.35，0.40,0.45，0.50分別將水泥與水充分?jǐn)嚢?，然后在不斷振動的情況下，將水泥澆注到模具內(nèi)，真空處理并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。水灰比對壓電復(fù)合材料性能的影響如表4所示。表4不同水灰比壓電復(fù)合材料的性能<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>0.4031719.419700.24541.756.54.716.130.4532220.722700.45043.157.84.916.330.5035521.919200.13241.758.54.115.63實施例3:復(fù)合材料厚度對壓電復(fù)合材料性能的影響以硫鋁酸鹽水泥為基體，鈮鎂鋯鈦酸鉛壓電陶瓷為功能體，制備出壓電陶瓷體積分?jǐn)?shù)均為53.85%的水泥基壓電復(fù)合材料。陶瓷片的尺寸如下，長度(X軸方向)X寬度(Y軸方向)均為19mmXlmm，厚度(Z軸方向)分別為10.5mm，9.7mm，7.6mm，6.6mm，5.0mm。陶瓷片的間距為1mm。將切割后的陶瓷塊清洗干燥后，固定在模具中，置于振動臺上，按照水灰比為0.35的比例，將水泥與水充分?jǐn)嚢?，在不斷振動的情況下，將水泥澆注到模具內(nèi)。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中(20土1。C，相對濕度》90%)養(yǎng)護(hù)7d后，進(jìn)行打磨、拋光。用丙酮擦洗試樣表面后晾干，再在兩面薄薄地均勻地涂上低溫導(dǎo)電銀膠或鍍上電極進(jìn)行測試。厚度對壓電復(fù)合材料性能的影響如表5所示。_表5不同厚度壓電復(fù)合材料的性能__壓電復(fù)合材料的厚度/mm'注酡2.63.96,69.010.0d33/pCN-1320331339343351g33/(mv)mN-1232218.317.815&1570mo206021702580tawS0.1300.2190.4630.5160.637Kp/%35.1835.1835.1835.1835.1852.2648.1246.7246.5943.2414.114.112.0811.409.72層rayl14.7314.8016.7315.6916.69實施例4:陶瓷功能體及水泥基體對壓電復(fù)合材料性能的影響以硫鋁酸鹽水泥為基體，分別在經(jīng)過極化處理的鈮鎂鋯鈦酸鉛和鈮鋰鋯鈦酸鉛壓電陶瓷上沿與極化軸相平行的方向上，采用切片機依次切割出壓電陶瓷片的長(x軸方向)X寬(Y軸方向)X高(Z軸方向)為15mmxlmmx9mm，陶瓷片間距為lmm的深槽。然后將切割后的陶瓷塊清洗后晾干，置入模具中，放于振動臺上不斷振動并澆注水泥。水泥水減水劑(質(zhì)量比)為1:0.35:0.01。以鈮鎂鋯鈦酸鉛壓電陶瓷為功能體，分別以普通硅酸鹽水泥，磷鋁酸鹽水泥，硫鋁酸鹽水泥為基體制備復(fù)合材料。采用切片機切割出鈮鎂鋯鈦酸鉛壓電陶瓷片的長(X軸方向)X寬(Y軸方向)X高(Z軸方向)均為19mmxlmmxl0mm,陶瓷片間距為1mm的深槽。然后將切割后的陶瓷塊清洗后晾干，置入模具中，不斷振動并澆注水泥。水泥水減水劑(質(zhì)量比)為1:0.35:0.01。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中(20±1°C，相對濕度^90%)養(yǎng)護(hù)7d后，進(jìn)行打磨、拋光。用丙酮擦洗試樣表面后晾干，再在兩面薄薄地均勻地涂上低溫導(dǎo)電銀膠或鍍上電極進(jìn)行測試。不同壓電陶瓷功能體和不同水泥基體壓電復(fù)合材料的性能分別如表6，表7所示。表6不同壓電陶瓷功能體復(fù)合材料的性能性能鈮鎂鋯鈦酸鉛鈮鎂鋯鈦酸鉛/水泥鈮鋰鋯鈦酸鉛鈮鋰鋯鈦酸鉛/水泥陶瓷基壓電復(fù)合材料陶瓷基壓電復(fù)合材料c/33/pCN-1670324420208g33/(mv)mN—118.925.123.732.8&400013602000716taw50.020.07850.020.2506533.596533.594655.094851.97709.438512.80鹿rayl30.1815.2823.3214.82表7不同水泥基體壓電復(fù)合材料的性能壓電復(fù)合材料/pCN-1/(mV)mN-1,a"sa:p/%/MraylPC基壓電復(fù)合材料34121.118200.58333.2655.903.9914.76SAC基壓電復(fù)合材料38225.118700,37830.0158.957.5015.84PALC基壓電復(fù)合材料37228.517200.41630.0163.765.5213.68權(quán)利要求1.一種2-2型水泥基壓電復(fù)合材料，其特征在于采用以下方法制成(1)將一長方體的壓電陶瓷塊進(jìn)行極化處理；(2)用切片機沿與壓電陶瓷極化軸相平行的方向，依次切割出一系列壓電陶瓷片，在切割過程中不將整個陶瓷塊切透，留下一個公共底座；將切割后的陶瓷塊進(jìn)行反復(fù)清洗，去除其中殘留的陶瓷殘渣；(3)將清洗后的陶瓷塊置入模具中，澆注水泥；澆注結(jié)束后，將試樣連同模具共同置于真空干燥箱進(jìn)行真空處理；(4)將試樣置于養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)；(5)切除陶瓷底座，然后用磨片機將上下兩個平行表面分別進(jìn)行打磨，使兩面完全露出壓電陶瓷片，拋光處理后，在兩面均勻地涂上低溫導(dǎo)電銀膠或鍍上電極，即可制備出2-2型水泥基壓電復(fù)合材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于所述陶瓷片的間距為0.52mm，壓電陶瓷占復(fù)合材料的體積百分?jǐn)?shù)為4070%。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合材料，其特征在于所述陶瓷片的長度為1525mm，寬度為0.52mm，高度為5~12mm。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合材料，其特征在于所述的水灰比為0.300.50。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合材料，其特征在于所述的養(yǎng)護(hù)條件為，養(yǎng)護(hù)溫度控制在20il。C，相對濕度^90%，養(yǎng)護(hù)7d。6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合材料，其特征在于所述的壓電陶瓷為鈮鎂鋯鈦酸鉛或鈮鋰鋯鈦酸鉛壓電陶瓷。全文摘要本發(fā)明涉及一種水泥基壓電復(fù)合材料，屬于土木工程領(lǐng)域中的智能材料。該復(fù)合材料采用以下方法制成將一長方體的壓電陶瓷塊進(jìn)行極化處理；用切片機沿與壓電陶瓷極化軸相平行的方向，依次切割出一系列壓電陶瓷片，按照一定的水灰比澆注水泥；澆注結(jié)束后，將試樣連同模具共同置于真空干燥箱進(jìn)行真空處理；將試樣置于養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)；兩個平行表面分別進(jìn)行打磨拋光處理后，在兩面均勻地涂上低溫導(dǎo)電銀膠或鍍上電極，即可制備出2-2型水泥基壓電復(fù)合材料。本發(fā)明的2-2型水泥基壓電復(fù)合材料，具有壓電性能優(yōu)良、與混凝土相容性好、集傳感和驅(qū)動于一體、耐久性好、制備工藝簡單、成本低等優(yōu)點。文檔編號C04B41/69GK101538144SQ20091002048公開日2009年9月23日申請日期2009年4月14日優(yōu)先權(quán)日2009年4月14日發(fā)明者葉正茂,廖雙雙,徐東宇,新程,黃世峰申請人:濟南大學(xué)