專利名稱：1-3型聚合物/水泥基壓電復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改性的壓電復(fù)合材料及其制備方法，具體涉及一種采用聚合物和水泥的混合物對壓電陶瓷進行改性的1-3型聚合物/水泥基壓電復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
目前，在土木工程領(lǐng)域中，利用智能材料對一些重大土木工程建筑(如大跨橋梁、 高聳建筑和大壩等)實施在線健康檢/監(jiān)測和預(yù)報已引起人們的廣泛關(guān)注。然而，由于土木工程領(lǐng)域中的智能材料研究起步較晚，目前所用的智能材料大多沿用其它領(lǐng)域已比較成熟的材料，如記憶合金、光導(dǎo)纖維、電阻應(yīng)變絲和碳纖維等。這些智能材料與土木工程領(lǐng)域
中最主要的結(jié)構(gòu)材料-混凝土存在非常明顯的相容性問題，如聲阻抗匹配問題、溫致
濕致變形協(xié)調(diào)性問題、界面粘結(jié)性問題等，從而制約了土木工程結(jié)構(gòu)的智能化發(fā)展。但將壓電陶瓷與水泥復(fù)合，得到的水泥基壓電復(fù)合材料不僅與混凝土材料具有等同的膨脹系數(shù)， 相容性好，響應(yīng)速度快，傳感精度高，耐久性好，性能穩(wěn)定，不易受周圍大氣、溫度、濕度的影響，而且還具有集傳感和驅(qū)動一體化的優(yōu)異特性，使其在土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中有著巨大的應(yīng)用潛力。其中，1-3型水泥基壓電復(fù)合材料因集中了各相材料的優(yōu)點，互補了單相的缺點，受到研究者普遍關(guān)注。1-3型水泥基壓電復(fù)合材料是由一維連通的壓電陶瓷相平行排列于三維連通的聚合物、水泥等基體中而形成的兩相壓電復(fù)合材料，該復(fù)合材料因具有低聲阻抗率、高機電耦合系數(shù)和低機械品質(zhì)因素等優(yōu)點，使其在混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測的應(yīng)用領(lǐng)域更具明顯的優(yōu)勢。申請人對1-3型水泥基壓電復(fù)合材料做了很多研究，研究結(jié)果在相關(guān)期刊和學報上進行了發(fā)表(1、黃世峰，葉正茂，王守德.1-3型水泥基壓電復(fù)合材料的制備及性能[J].復(fù)合材料學報，2007，M O): 122-126 ;2、黃世峰，常鈞，秦磊.1_3型水泥基壓電復(fù)合材料傳感器的性能[J].復(fù)合材料學報，2008，25 (1):112-118.)。經(jīng)過進一步的研究發(fā)現(xiàn)，在水泥中摻加聚合物可以增強水泥基體與壓電陶瓷的結(jié)合強度，提高1-3型水泥基壓電復(fù)合材料的柔韌性和整體性能，因此，添加聚合物的1-3型聚合物/水泥基壓電復(fù)合材料必然會比1-3型水泥基壓電復(fù)合材料更具有實用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明申請人經(jīng)深入研究及創(chuàng)造性實驗，最終得出了本發(fā)明的1-3型聚合物/水泥基壓電復(fù)合材料，該復(fù)合材料柔韌性和整體性能更佳，具有與混凝土負載相匹配、壓電性能好、耐久性好、強度高、柔韌性好等特點，在土木工程領(lǐng)域具有更高的實際應(yīng)用價值。本發(fā)明還提供了該復(fù)合材料的制備方法。原先已有報道的1-3型水泥基壓電復(fù)合材料雖然對壓電材料已經(jīng)有了一定的改性，但其與混凝土的相容性問題仍然存在不足，因此，申請人將聚合物摻加入水泥基體中， 以進一步改善復(fù)合材料的性能。由于聚合物具有更小的密度及更好的柔韌性，因而通過調(diào)節(jié)水泥與聚合物的配合比例，一方面，可以在較大的壓電陶瓷體積分數(shù)條件下，找出與混凝土聲阻抗相匹配的狀態(tài)；另一方面，由于聚合物的加入，使得復(fù)合材料的柔韌性得到加強，
3從而避免了復(fù)合材料的脆性開裂，增強了水泥基體與壓電陶瓷的結(jié)合強度，提高了壓電復(fù)合材料的柔韌性。本發(fā)明在將聚合物摻加入水泥基體的發(fā)明構(gòu)思下，對適合摻雜的聚合物，聚合物摻雜的量及摻雜后的水泥基體與壓電陶瓷的配比都進行了選擇、配合和優(yōu)化，最終得出了效果良好的改性壓電復(fù)合材料，下面詳細闡述實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案及本方案的優(yōu)點
一種1-3型聚合物/水泥基壓電復(fù)合材料，其特征是以聚合物和水泥的混合物為基體，以壓電陶瓷為功能體，所述功能體被切割成多排豎直柱，功能體的四周及內(nèi)部填充有基體；其中，聚合物與水泥的質(zhì)量比為0. 15^0. 7:1，壓電陶瓷與基體的體積比為廣4:5。上述復(fù)合材料中，優(yōu)選的，所述聚合物與水泥的質(zhì)量比為0.3、. 6:1，壓電陶瓷與基體體積比為3 4:5。上述復(fù)合材料中，更優(yōu)選的，所述聚合物與水泥的質(zhì)量比為0. 5:1。上述復(fù)合材料中，所述基體的水灰比為0. 3-0. 4。上述復(fù)合材料中，所述聚合物為環(huán)氧樹脂或硅橡膠，所述壓電陶瓷為鈮鋰鋯鈦酸鉛壓電陶瓷、鈮鎂鋯鈦酸鉛壓電陶瓷或鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，所述水泥為硫鋁酸鹽水泥、硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥或氟鋁酸鹽水泥。上述復(fù)合材料中，在填充入基體的功能體的上下表面附有電極，電極涂覆在沿功能體豎直柱方向的上、下表面上，具體見

圖1。上述復(fù)合材料中，所述電極為低溫導(dǎo)電銀漿電極。本發(fā)明還提供了該1-3型聚合物/水泥基壓電復(fù)合材料的制備方法，其特征是采用切割-澆注法制備，包括以下步驟
(1)取壓電陶瓷塊，先在其上橫向切割一系列溝槽，再縱向切割一系列溝槽，使壓電陶瓷塊上形成一系列的豎直柱；
(2)切割完畢后，對切割后的陶瓷塊進行反復(fù)清洗，以去除其中殘留的陶瓷殘渣；
(3)將清洗后的壓電陶瓷固定在模具內(nèi)，在其四周及內(nèi)部澆注基體；
(4)將澆注好的壓電陶瓷及模具置于真空箱中抽真空，標準養(yǎng)護7天；
(5)將壓電陶瓷打磨、拋光、洗凈，然后在上下兩平行面涂上電極，得本發(fā)明1-3型聚合物/水泥基壓電復(fù)合材料。切割的豎直柱如圖2所示，豎直柱的形狀及排列無特別規(guī)定，只要使填充入的基體與壓電陶瓷滿足體積比要求即可，但是在實際制作時，為了美觀及便于切割，將陶瓷塊切割成橫截面為正方形的豎直柱，豎直柱各排平行排列，每個豎直柱與其最近的相鄰豎直柱間隔相同，在試驗時將陶瓷塊切割成ImmX Imm長寬的豎直柱，各柱之間間隔按照基體摻加比例的不同而變化。上述制備方法中，為了使基體與陶瓷柱的結(jié)合緊密，減少基體與陶瓷柱的界面及基體內(nèi)部氣孔的存在，澆注的過程中不斷振動模具。上述制備方法中，切割后，采用丙酮或無水乙醇對壓電陶瓷進行清洗。申請人:在2009年12月曾在復(fù)合材料學報上發(fā)表過文章《1_3型聚合物改性水泥基壓電復(fù)合材料的制備及其性能》(黃世峰，郭麗麗，劉亞姝.1-3型聚合物改性水泥基壓電復(fù)合材料的制備及其性能[J].復(fù)合材料學報，2009二6 (6): 133-137)。在此文章中具體研究了摻加入聚合物后，壓電陶瓷含量的變化對整體復(fù)合材料的影響，但是并沒有詳細公開聚合物的加入對復(fù)合材料的影響，也沒有詳細研究聚合物的合適加入量。經(jīng)過進一步的研究發(fā)現(xiàn)，前述兩者對所得復(fù)合材料性能的影響非常重大，因此申請人又進行了一系列的實驗從而得出了本發(fā)明的技術(shù)方案，從而從各方面都保證了本發(fā)明壓電復(fù)合材料的優(yōu)良性
能。其具體實驗如下
以硫鋁酸鹽水泥、AB-灌漿樹脂和P(LN)ZT壓電陶瓷為實驗原料進行實驗， 它們的主要性能參數(shù)如下表所示，P(LN)ZT壓電陶瓷結(jié)構(gòu)式0. OSPb (Li 0, · 0. 47PbTi0, · 0. 45PbZr0.
權(quán)利要求
1.一種1-3型聚合物/水泥基壓電復(fù)合材料，其特征是以聚合物和水泥的混合物為基體，以壓電陶瓷為功能體，所述功能體被切割成多排豎直柱，功能體的四周及內(nèi)部填充有基體；其中，聚合物與水泥的質(zhì)量比為0. 15^0. 7:1，壓電陶瓷與基體的體積比為廣4:5。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電復(fù)合材料，其特征是所述聚合物與水泥的質(zhì)量比為 0. 3^0. 6:1，壓電陶瓷與基體體積比為;Γ4 5。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電復(fù)合材料，其特征是所述聚合物與水泥的質(zhì)量比為 0. 5:1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征是所述基體的水灰比為0.3-0. 4。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電復(fù)合材料，其特征是所述聚合物為環(huán)氧樹脂或硅橡膠，所述壓電陶瓷為鈮鋰鋯鈦酸鉛壓電陶瓷、鈮鎂鋯鈦酸鉛壓電陶瓷或鋯鈦酸鉛壓電陶瓷， 所述水泥為硫鋁酸鹽水泥、硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥或氟鋁酸鹽水泥。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的壓電復(fù)合材料，其特征是在填充入基體的功能體上、下表面附有電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓電復(fù)合材料，其特征是所述電極為低溫導(dǎo)電銀漿電極。
8.—種權(quán)利要求6所述的1-3型聚合物/水泥基壓電復(fù)合材料的制備方法，其特征是采用切割-澆注法制備，包括以下步驟(1)取壓電陶瓷塊，先在其上橫向切割一系列溝槽，再縱向切割一系列溝槽，使壓電陶瓷塊上形成一系列的豎直柱；(2)切割完畢后，對切割后的陶瓷塊進行反復(fù)清洗，以去除其中殘留的陶瓷殘渣；(3)將清洗后的壓電陶瓷固定在模具內(nèi)，在其四周及內(nèi)部澆注基體；(4)將澆注好的壓電陶瓷及模具置于真空箱中抽真空，標準養(yǎng)護7天；(5)將壓電陶瓷打磨、拋光、洗凈，然后在上下兩平行面涂上電極，得本發(fā)明1-3型聚合物/水泥基壓電復(fù)合材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征是澆注的過程中不斷振動模具。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征是切割后，采用丙酮或無水乙醇對壓電陶瓷進行清洗。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種1-3型聚合物/水泥基壓電復(fù)合材料及其制備方法，該材料以聚合物和水泥的混合物為基體，以壓電陶瓷為功能體，所述功能體被切割成多排豎直柱，功能體的四周及內(nèi)部填充有基體；其中，聚合物與水泥的質(zhì)量比為0.15~0.7∶1，壓電陶瓷與基體的體積比為1~4∶5。本聚合物/水泥基壓電復(fù)合材料的柔韌性、強度以及基體與功能相的結(jié)合強度明顯提高，改善了復(fù)合材料的整體性能。同時，聚合物/水泥基壓電復(fù)合材料頻帶寬度明顯增大，拓寬了其應(yīng)用范圍，尤其是聚合物/水泥基壓電復(fù)合材料與混凝土具有更好的相容性，使其在土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號C04B28/00GK102260061SQ20111013423
公開日2011年11月30日 申請日期2011年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月24日
發(fā)明者葉正茂, 常鈞, 徐東宇, 程新, 郭麗麗, 黃世峰 申請人:濟南大學