專利名稱：一種高效水泥基壓電材料及其合成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于壓電材料領(lǐng)域，具體涉及一種高效水泥基壓電材料及其合成方法。
背景技術(shù)：
0-3型水泥基壓電復(fù)合材料是指具有壓電效應(yīng)的功能體粉末均勻分散于三維連續(xù)的水泥基體中形成的復(fù)合材料。它與混凝土有良好的相容性，且制備簡單、結(jié)構(gòu)均勻、組成可控、成本低，其主要用于大型結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施(如橋梁、超高層建筑、大跨空間結(jié)構(gòu)、大型水壩、核電站、海洋采油平臺(tái)及港口設(shè)施等)的長期安全檢測與監(jiān)控，同時(shí)也可在線檢測公路橋梁上通過車輛的車速和載重等，保證公路橋梁的使用壽命、運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性和交通安全。目前，傳統(tǒng)的0-3型水泥基壓電材料壓電性能不高，靈敏度低，傳感精度差，如公開號(hào)為CN1569423的水泥基壓電智能復(fù)合材料及其制備方法的專利中，其d33值最高僅為 31pC/N，所以需要使用電荷放大器來加強(qiáng)電信號(hào)的輸出。另外，目前傳統(tǒng)0-3型水泥基壓電材料均需在4-5KV/mm的高極化電場強(qiáng)度下極化制得，投入成本較高。并且其老化問題嚴(yán)重，容易產(chǎn)生虛假信號(hào)，導(dǎo)致安全隱患。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種高效水泥基壓電材料及其合成方法，該高效水泥基壓電材料壓電性能高，制備所需極化電壓小，制備成本低，便于應(yīng)用推廣。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種高效水泥基壓電材料，其特征在于它是將鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷顆粒、水泥和增強(qiáng)相球磨混合均勻，其中按體積百分?jǐn)?shù)計(jì)，鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷顆粒為45%-70%， 其余為水泥和增強(qiáng)相；水泥和增強(qiáng)相中按重量百分比計(jì)，水泥占65% -95%，增強(qiáng)相占 5%-35%,加入水和高效減水劑，攪拌均勻后壓制成型，養(yǎng)護(hù)，極化而得，該高效水泥基壓電材料放置30d后壓電應(yīng)變常數(shù)d33達(dá)到70-100pC/N。按上述方案，按體積百分比計(jì)，鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷顆粒為50% -70%，其余為水泥和增強(qiáng)相；水泥和增強(qiáng)相中按重量百分比計(jì)，水泥占70% -90%，增強(qiáng)相占10% -30%。按上述方案，所述的水泥為硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級為42. 5或 52. 5 ο按上述方案，所述的鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷顆粒粒徑為75-200 μ m，壓電應(yīng)變常數(shù)d33 > !350pC/N，介電常數(shù) ε r 為 1500-2000。按上述方案，所述的增強(qiáng)相為硅灰、石英粉和石英砂中的一種或一種以上的混合， 增強(qiáng)相中SiO2含量達(dá)90%以上，粒徑為0. 1-150 μ m。按上述方案，所述水的重量水泥和增強(qiáng)相的總重量(水膠比)為0.16-0. 28，所述的高效減水劑為減水率> 20%的聚羧酸系高效減水劑，高效減水劑摻量按重量計(jì)為水泥的 1. 5-2. 5wt%。按上述方案，所述的養(yǎng)護(hù)為先經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，再熱養(yǎng)護(hù)。
按上述方案，所述的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)為20°C，95% RH養(yǎng)護(hù)2d ；所述的熱養(yǎng)護(hù)為蒸汽養(yǎng)護(hù)或熱水養(yǎng)護(hù)，所述的養(yǎng)護(hù)溫度為80-100°C，100% RH，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3d。按上述方案，所述的極化溫度為100-130°C，極化時(shí)間為20-30min，極化電場強(qiáng)度為 1-IV/mm。上述高效水泥基壓電材料的合成方法，其特征在于將鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷顆粒、水泥和增強(qiáng)相以無水乙醇為球磨介質(zhì)球磨混合，其中按體積百分?jǐn)?shù)計(jì)，鋯鈦酸鉛(PZT) 陶瓷顆粒為45% _70%，其余為水泥和增強(qiáng)相；水泥和增強(qiáng)相中按重量百分比計(jì)，水泥占 65% -95%,增強(qiáng)相占5% -35%，干燥，過篩備用，然后加入水和高效減水劑，攪拌均勻后壓制成片，養(yǎng)護(hù)，然后于壓片兩面均勻涂抹導(dǎo)電免燒銀漿，烘干，極化而得。對于本發(fā)明的水泥基壓電材料而言，在壓電功能體確定的前提下，其壓電性能主要取決于極化程度，而極化程度與壓電材料的介電常數(shù)密切相關(guān)。為此，本發(fā)明通過增添一種介電常數(shù)較高、顆粒較細(xì)的粉體作為增強(qiáng)相，從而適當(dāng)提高壓電材料的介電常數(shù)而進(jìn)一步提高其壓電性能，同時(shí)降低極化所需的電場強(qiáng)度，提高極化效率。另外，壓電材料的顯微結(jié)構(gòu)對材料性能也有很大的影響，為消除結(jié)構(gòu)缺陷對該水泥基壓電性能的影響，本發(fā)明采用壓制成型法并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的基礎(chǔ)上結(jié)合熱養(yǎng)護(hù)工藝而提高水泥基壓電復(fù)合材料的致密度，從而進(jìn)一步提高該水泥基壓電材料的壓電性能。如此，大大提高該水泥基壓電材料的傳感精度及驅(qū)動(dòng)力，使其在應(yīng)用中無需電荷放大器，降低應(yīng)用成本，這對于推進(jìn)0-3型水泥基壓電復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。本發(fā)明的有益效果與傳統(tǒng)0-3型水泥基壓電材料相比，本發(fā)明的高效水泥基壓電材料通過添加介電常數(shù)較高、顆粒較細(xì)的增強(qiáng)粉體作為增強(qiáng)相，采用壓制成型法并采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)與熱養(yǎng)護(hù)相結(jié)合工藝而顯著提高其介電常數(shù)和致密度，進(jìn)一步提高其壓電性能，同時(shí)大幅度降低極化所需外部電場強(qiáng)度，提高極化效率和壓電性能。該水泥基壓電材料放置30d后，壓電應(yīng)變常數(shù)d33可達(dá)到70-100pC/N，具有良好的電信號(hào)輸出；該水泥基壓電材料制備工藝簡便，所需極化電壓小，成本低，便于應(yīng)用推廣。


圖1為本發(fā)明的高效水泥基壓電材料組成示意圖；圖2為本發(fā)明的實(shí)施例4制備的高效水泥基壓電材料的掃描電鏡照片；圖3為本發(fā)明的實(shí)施例4制備的高效水泥基壓電材料的背散射照片；圖4為不同時(shí)間下的實(shí)施例4制備的高效水泥基壓電材料試樣的d33值，圖中-■-為對照例2，- -為實(shí)施例4。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合以下實(shí)施例對本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)一步說明。實(shí)施例1-8將鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷顆粒、普通硅酸鹽水泥(52. 5等級)和增強(qiáng)相硅灰按表1配比取料后，以無水乙醇為介質(zhì)，球磨混合15min，干燥，過0.2mm篩備用。然后按水膠比(水的重量水泥和增強(qiáng)相的總重量)為0. 2，加入水和減水率為20%的聚羧酸系高效減水劑，高效減水劑的加入量為水泥的2%，攪拌均勻后壓制成20mmX2mm的圓片，先20°C，95% RH 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)2d，再90°C，100 % RH,熱養(yǎng)護(hù)3d，最后用丙酮擦洗表面，然后在圓片兩面均勻涂上免燒銀漿，在80°C干燥箱內(nèi)烘池至干燥，后于100°C硅油中極化30min，極化電場強(qiáng)度為 1.5KV/mm0將以下各實(shí)施例1-8制備的水泥基壓電材料采用ZJ-3AN型準(zhǔn)靜態(tài)d33測量儀(中科院聲學(xué)研究所研制)測試其d33值，列于表1 ；將表1中對照例2，實(shí)施例3和5-8制備得到的樣品測定所得的介電常數(shù)值列于表 2 ；表1各實(shí)施例中高效水泥基壓電材料的d33值
^^水泥和增強(qiáng)相總和(vol.%)^
編號(hào) --PZT (vol.%)J33(pC/N)
__泥(wt.%) 增強(qiáng)相(wt.%)___
實(shí)施例 180%20%45%58.7
實(shí)施例 2__80%__20%__50%__73.4
實(shí)施例 3__80%__20%__60%__85.1
實(shí)施例 480%20%70%89.7
對照例 1__80%__20%__75%__—
對照例 2__100%__0__60%__50.4
實(shí)施例 5__95%__5%__60%__60.2
實(shí)施例 6__90%__10%__60%__74.6
實(shí)施例 7__70%__30%__60%__93.8
實(shí)施例 865%35%60%63.6表2不同增強(qiáng)相含量的介電常數(shù)
"1 1水泥(wt. % ) 增強(qiáng)相(wt. % ) 介電常數(shù)ε r~
對照例2100%0L58
實(shí)施例 595%5%2 89
實(shí)施例 690%10%T&9
實(shí)施例 380%20%6 98
實(shí)施例 70%30%9 67
實(shí)施例 865%35%10.88
權(quán)利要求
1.一種高效水泥基壓電材料，其特征在于它是將鋯鈦酸鉛陶瓷顆粒、水泥和增強(qiáng)相球磨混合均勻，其中按體積百分?jǐn)?shù)計(jì)，鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷顆粒為45%-70%，其余為水泥和增強(qiáng)相；水泥和增強(qiáng)相中按重量百分比計(jì)，水泥占65%-95%，增強(qiáng)相占5%-35%，然后加入水和高效減水劑，攪拌均勻后壓制成型，養(yǎng)護(hù)，極化而得，該高效水泥基壓電材料放置30d后壓電應(yīng)變常數(shù)^3達(dá)到70-100pC/N。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效水泥基壓電材料，其特征在于按體積百分比計(jì)，鋯鈦酸鉛陶瓷顆粒為50%-70%，其余為水泥和增強(qiáng)相；水泥和增強(qiáng)相中按重量百分比計(jì)，水泥占 70%-90%，增強(qiáng)相占 10%-30%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效水泥基壓電材料，其特征在于所述的水泥為硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級為42. 5或52. 5。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效水泥基壓電材料，其特征在于所述的鋯鈦酸鉛陶瓷顆粒粒徑為75-200Mm，壓電應(yīng)變常數(shù)d33>350pC/N，介電常數(shù)ε r為1500 2000。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效水泥基壓電材料，其特征在于所述的增強(qiáng)相為硅灰、石英粉和石英砂中的一種或一種以上的混合，增強(qiáng)相中SiO2含量達(dá)90%以上，粒徑為 0. l-150Mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效水泥基壓電材料，其特征在于所述水的重量水泥和增強(qiáng)相的總重量為0. 16-0.觀，所述的高效減水劑為減水率> 20%的聚羧酸系高效減水劑，高效減水劑的摻量按重量計(jì)為水泥的1. 5-2. 5wt%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效水泥基壓電材料，其特征在于所述的養(yǎng)護(hù)為先經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，再熱養(yǎng)護(hù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高效水泥基壓電材料，其特征在于所述的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)為 20°C，95%RH養(yǎng)護(hù)2d ；所述的熱養(yǎng)護(hù)為蒸汽養(yǎng)護(hù)或熱水養(yǎng)護(hù)，所述的養(yǎng)護(hù)溫度為80_10(TC， 100%RH，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3d。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效水泥基壓電材料，其特征在于所述的極化溫度為 100-130°C，極化時(shí)間為20-30min，極化電場強(qiáng)度為l_2KV/mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效水泥基壓電材料的合成方法，其特征在于將鋯鈦酸鉛陶瓷顆粒、水泥和增強(qiáng)相以無水乙醇為球磨介質(zhì)球磨混合，其中按體積百分?jǐn)?shù)計(jì)，鋯鈦酸鉛陶瓷顆粒為45%-70%，其余為水泥和增強(qiáng)相；水泥和增強(qiáng)相中按重量百分比計(jì)，水泥占 65%-95%，增強(qiáng)相占5%-35%，干燥，過篩備用，然后加入水和高效減水劑，攪拌均勻后壓制成片，養(yǎng)護(hù)，然后于壓片兩面均勻涂抹導(dǎo)電免燒銀漿，烘干，極化而得。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高效水泥基壓電材料及其合成方法。一種高效水泥基壓電材料，其特征在于它是將鋯鈦酸鉛陶瓷顆粒、水泥和增強(qiáng)相球磨混合均勻，其中按體積百分?jǐn)?shù)計(jì)，鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷顆粒為45%-70%，其余為水泥和增強(qiáng)相；水泥和增強(qiáng)相中按重量百分比計(jì)，水泥占65%-95%，增強(qiáng)相占5%-35%，加入水和高效減水劑，攪拌均勻后壓制成型，養(yǎng)護(hù)，極化而得，該高效水泥基壓電材料放置30d后壓電應(yīng)變常數(shù)d33達(dá)到70-100pC/N。該高效水泥基壓電材料壓電性能高，制備工藝簡便，所需極化電壓小，成本低，便于應(yīng)用推廣。
文檔編號(hào)C04B28/00GK102503282SQ201110352840
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月9日
發(fā)明者孫華君, 宋巖, 王發(fā)洲, 王浩 申請人:武漢理工大學(xué)