專利名稱：一種壓電膠凝復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于建筑材料領(lǐng)域，具體涉及一種通過煅燒制備的既具有膠凝性，又具有 壓電性的壓電膠凝復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
至今，我國鐵路總長將達幾十萬公里，公路總長幾百萬公里，城市軌道交通幾千 公里，大型水庫達十萬多座。這些基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)系國計民生，且規(guī)模龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦 失效，將造成災(zāi)難性后果。因此，采用智能材料與結(jié)構(gòu)，對振動、形變和損傷進行其它方式 表達，對重大土木工程建筑實施在線監(jiān)測具有十分重要的現(xiàn)實意義。由于壓電材料自身的 特點，既可作為傳感材料，也可作為驅(qū)動材料，在智能材料與結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。壓電材料的種類包括壓電陶瓷、壓電聚合物和壓電復(fù)合材料。其中壓電陶瓷以鋯 鈦酸鉛(PZT)和鈦酸鋇(BT)為代表，其機電耦合效應(yīng)強，壓電應(yīng)變常數(shù) /33高，但介電常數(shù) 較高，所以壓電電壓常數(shù)&3—般較低。而且韌性差，易脆性開裂，導(dǎo)致其制作的器件可靠性 不高，耐久性差。壓電聚合物以聚偏二氟乙烯(PVDF)為代表，具有壓電電壓常數(shù)&3高，柔 性好，易成型和密度低等優(yōu)點，但也表現(xiàn)出^3低、極化電壓高、不易極化等缺點。為了克服 它們的缺點，人們自然想到將二者復(fù)合，以環(huán)氧樹脂，橡膠或PVDF等聚合物為基體，以壓 電陶瓷為功能體，通過調(diào)節(jié)復(fù)合材料的細(xì)微觀結(jié)構(gòu)和選擇各相材料的性能，制成了壓電性 能多樣的壓電復(fù)合材料，適合各種需要，但聚合物壓電復(fù)合材料仍存在一些缺點，如0-3 型復(fù)合材料極化困難，壓電性能不高等。且這種復(fù)合物由環(huán)氧樹脂，聚合物等作為基體材 料，成本相對較高。更重要的是，在土木工程領(lǐng)域，占主要地位的結(jié)構(gòu)材料是水泥基材料， 由于水泥的水化通常會引起混凝土的收縮。因此傳統(tǒng)的壓電材料(壓電陶瓷、壓電聚合物和 聚合物基壓電復(fù)合材料)均與混凝土母體間存在相容性問題，如體積穩(wěn)定性和聲阻抗匹配 等問題。為解決這些問題，以普通硅酸鹽和硫鋁酸鹽水泥為基體，壓電陶瓷為功能體的壓 電復(fù)合材料得到了長足的發(fā)展，但因普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥需要一定的齡期，水 化才能趨于穩(wěn)定，所以這種以水泥為基體的壓電復(fù)合材料存在前期壓電性能低和性能不 穩(wěn)定，制備時間相對較長的缺點。且這種復(fù)合材料需要基體和功能體的分別煅燒和粉磨， 及基體和功能體的最后混合，能量消耗大。本發(fā)明利用硫鋁酸鹽水泥主要組成礦物無水硫 鋁酸鈣水化速度快的特點，以無水硫鋁酸鈣為基體，以壓電陶瓷為功能體，采用一起煅燒的 方式，制備一種無水硫鋁酸鈣基壓電膠凝復(fù)合材料，解決水泥基壓電復(fù)合材料存在的這些 問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服水泥基壓電復(fù)合材料前期壓電性能低，性能不穩(wěn)定，制備時間長，制 備能量消耗大等缺點，提供一種壓電膠凝復(fù)合材料的制備方法，所得壓電復(fù)合材料在土木 工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。本發(fā)明提出的壓電膠凝復(fù)合材料的制備方法，具體步驟為
3將摩爾比為1/3:0. 52:0. 48:0.01的Pb3O4, ZrO2, TiO2和Nb2O5的混合物與摩爾比為 3:3:1的CaCO3, Al2O3，CaSO4 · 2H20或CaSO4的混合物，兩種混合物按質(zhì)量比為(80 90) (10 20)混合均勻；在10 200 Mpa的壓力下成柱體或片體，在850 1000°C預(yù)燒2 4個小時；將預(yù)燒而成的柱體或片體經(jīng)粉磨成粉體，加入粉體質(zhì)量ι m的聚乙烯醇，在 10 200 Mpa的壓力下成柱體或片體，在1150 1250°C溫度下煅燒2 4小時，經(jīng)再次粉 磨成細(xì)度為100 μ m以下粉體即可制得。本發(fā)明中，所述Pb3O4, ZrO2, TiO2, Nb2O5，CaCO3, Al2O3, CaSO4 · 2H20 或 CaSO4 化合物 采用化工原料，礦物原料或化學(xué)試劑制得，有效含量大于95%，細(xì)度小于100 μ m。普通硅酸鹽水泥主要由硅酸三鈣(C3S)、硅酸二鈣(C2S)、鋁酸三鈣(C3A)和鐵相組 成；硫鋁酸鹽水泥主要由無水硫鋁酸鈣、鐵相和硅酸二鈣組成。這兩種水泥除早期水化速率 較快的C3S、C3A, C4AF和無水硫鋁酸鈣外，還有水化速率較慢的C2S。一般需要幾天到20多 天的齡期才能完成絕大多數(shù)水泥的水化。與普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥相比，無水硫 鋁酸鈣水化速率比較快，可在20多個小時內(nèi)完全水化。因此，以本發(fā)明提供的無水硫鋁酸 鈣壓電膠凝復(fù)合材料具有以下主要優(yōu)點
由于無水硫鋁酸鈣水化速度快，可在20多個小時內(nèi)完全水化，因此，以相組成為無水 硫鋁酸鈣作為基體，以相組成為鋯鈮鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷為功能體的壓電膠凝復(fù)合材料 在水化初期，水化基體中的氣孔??；基體與功能體之間的界面結(jié)合良好；縫隙減少；可消弱 由于縫隙的存在，對應(yīng)力的緩沖作用，改善壓電復(fù)合材料早期壓電性能較低，性能不穩(wěn)定的 問題；縮短壓電復(fù)合材料制備壓電器件的時間。且這種壓電復(fù)合材料與水泥基壓電材料制 備方式不同，采用基體和功能體一起煅燒和粉磨的方式，減少了水泥基壓電復(fù)合材料基體 和功能體分別煅燒和再次混合而消耗的能量。
具體實施例方式下面通過實施例進一步說明本發(fā)明。本發(fā)明是一種利用多種化合物煅燒的壓電膠凝復(fù)合材料，其原料包括Pb3O4， ZrO2, TiO2, Nb2O5，CaCO3, Al2O3，CaSO4 · 2H20或CaSO40并由以下方法制成首先將摩爾比為 1/3:0. 52:0. 48:0. 01 ^Pb3O4,ZrO2,TiO2和Nb2O5 的混合物與摩爾比為 3:3:1 的 CaCO3,Al2O3， CaSO4 · 2H20或CaSO4的混合物，按質(zhì)量比(80 90) (10 20)稱取各組分(見表1 )，經(jīng)混 合均勻；在10 200 Mpa的壓力下成柱體或片體，在850 1000°C預(yù)燒2 4個小時；然 后將預(yù)燒而成的柱體或片體經(jīng)粉磨成粉體，加入1 21的聚乙烯醇，在10 200 Mpa的壓 力下成柱體或片體，在1150 1250°C溫度下煅燒2 4小時，經(jīng)再次粉磨成細(xì)度為100 μ m 以下粉體即可制得。上述Pb304，ZrO2, TiO2, Nb2O5和Al2O3可采用有效含量95以上的化工原料或化學(xué)試 齊U，細(xì)度小于100 μ m。CaCO3和CaSO4 · 2H20或CaSO4可采用市場上銷售的有效含量大于95 以上的礦物原料或化學(xué)試劑，細(xì)度小于100 μ m。下面通過實施例及試驗數(shù)據(jù)進行詳細(xì)說明。表一中編號A和B的配料方案為兩個獨立的實例。按A 實施方案，分別稱取 Pb3O4, ZrO2, TiO2, Nb2O5，CaCO3, Al2O3, CaSO4 · 2H20 百分含 量為43. 8，22，13. 2，1. 0，7. 7，7. 9和4. 4的各化合物，在10 200 Mpa的壓力下成柱體或
4片體，在850 100(TC預(yù)燒2 4個小時；然后將預(yù)燒而成的柱體或片體經(jīng)粉磨成粉體，加 入1 m的聚乙烯醇，在10 200 Mpa的壓力下成柱體或片體，在1150 1250°C溫度下 煅燒2 4小時，粉磨成100 μ m以下的粉體，即可制得壓電膠凝復(fù)合材料，測試各齡期的壓 電性能如表2所示。
權(quán)利要求
1.一種壓電膠凝復(fù)合材料的制備方法，其特征在于具體步驟為將摩爾比為1/3:0. 52:0. 48:0.01的Pb3O4, ZrO2, TiO2和Nb2O5的混合物與摩爾比為 3:3:1的CaCO3, Al2O3，CaSO4 · 2H20或CaSO4的混合物，兩種混合物按質(zhì)量比為(80 90) (10 20)混合均勻；在10 200 Mpa的壓力下成柱體或片體，在850 1000°C預(yù)燒2 4個小時；將預(yù)燒而成的柱體或片體經(jīng)粉磨成粉體，加入粉體質(zhì)量ι m的聚乙烯醇，在 10 200 Mpa的壓力下成柱體或片體，在1150 1250°C溫度下煅燒2 4小時，經(jīng)再次粉 磨成細(xì)度為100 μ m以下粉體即可制得。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電膠凝復(fù)合材料的制備方法，其特征是=Pb3O4，ZrO2,TiO2, Nb2O5，CaCO3, Al2O3，CaSO4 · 2H20或CaSO4化合物采用化工原料，礦物原料或化學(xué)試劑制得， 有效含量大于95%，細(xì)度小于100 μ m。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種壓電膠凝復(fù)合材料的制備方法。具體步驟為將摩爾比為1/3:0.52:0.48:0.01的Pb3O4，ZrO2，TiO2和Nb2O5的混合物與摩爾比為3:3:1的CaCO3，Al2O3，CaSO4·2H2O或CaSO4的混合物，按質(zhì)量比(80～90):(10～20)稱取各組分，經(jīng)混合均勻。在10～200MPa的壓力下成柱體或片體，在850～1000℃預(yù)燒2～4個小時。將預(yù)燒而成的柱體或片體經(jīng)粉磨成粉體，加入粉體質(zhì)量百分含量1～2的聚乙烯醇，在10～200MPa的壓力下成柱體或片體，在1150～1250℃溫度下煅燒2～4小時，經(jīng)再次粉磨成細(xì)度為100μm以下粉體即可制得無水硫鋁酸鈣壓電膠凝復(fù)合材料。本發(fā)明因組成中含有80～90%的鋯鈮鈦酸鉛而具有壓電性，因含有10～20%的無水硫鋁酸鈣而具有膠凝性，且無水硫鋁酸鈣水化速度快。可解決水泥基壓電復(fù)合材料前期壓電性能低，不穩(wěn)定及制備時間長等缺點。
文檔編號C04B28/14GK102070318SQ201010573978
公開日2011年5月25日 申請日期2010年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月6日
發(fā)明者朱洪波, 李好新, 楊玉穎 申請人:同濟大學(xué)