專利名稱：：碳納米管/鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種土木工程傳感器用的碳納米管/鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料的制備方法，屬于功能復(fù)合材料
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：近年來，鋯鈦酸鉛陶瓷/水泥壓電復(fù)合材料的研究逐漸引起人們的關(guān)注。該種復(fù)合材料將鋯鈦酸鉛壓電陶瓷粉體與水泥進(jìn)行復(fù)合，通過調(diào)整兩者的相對組分，可以得到與建筑混凝土結(jié)構(gòu)聲阻抗相匹配的壓電復(fù)合材料，可作為傳感元件埋置在土木結(jié)構(gòu)中，對其內(nèi)部缺陷做即時檢測。在該復(fù)合材料中，具有壓電性能的鋯鈦酸鉛相在水泥中呈彌散分布，由于水泥為絕緣體，使分散在其中的壓電相難以極化，同時也阻礙了壓電相所產(chǎn)生電荷的傳遞，降低了鋯鈦酸鉛壓電相顆粒之間的連通性，使復(fù)合材料的壓電響應(yīng)較低。CN101054278A(200710014518.0)公開了一種碳增效鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料及其制備方法，通過用碳黑改善水泥基體的電導(dǎo)性方法，改善了水泥基復(fù)合材料的壓電性能。但與目前的實(shí)際需求相比該種水泥基壓電復(fù)合材料的壓電響應(yīng)依然較低，在實(shí)際應(yīng)用中存在著信號響應(yīng)小、信躁比高的缺點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種壓電響應(yīng)性高的碳納米管/鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料的制備方法。一種碳納米管/鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料，由碳納米管、鋯鈦酸鉛及水泥組成，是按以下方法制得的，原料用量均為重量份(1)將55~80份鋯鈦酸鉛與20~45份水泥干法混合均勻，再加入0.10.6份的碳納米管，以丙酮作助磨劑，球磨混合30-50分鐘后，干燥使丙酮揮發(fā)，得混合粉體。(2)向步驟(1)所得的混合粉體中加水，加水量為混合粉體重量的5-7%，均勻混合，壓制成圓片狀，放入濕度100%的環(huán)境中水化20-24小時后，干燥即得。本發(fā)明的碳納米管/鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料可用于制備用于土木工程中的混凝土建筑結(jié)構(gòu)的傳感器。應(yīng)用產(chǎn)品可按以下方法制備將步驟(2)所得的干燥的片體兩面涂銀電極，室溫下在硅油中用高壓直流電源極化，老化后即得到一種用碳納米管/鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料制備的應(yīng)用產(chǎn)品，該產(chǎn)品可用于土木工程中的混凝土建筑結(jié)構(gòu)的傳感元件的制備。本發(fā)明方法中所用的原料優(yōu)選如下鋯鈦酸鉛為球磨法獲得的粉體，平均粒度為115微米。將市售的鋯鈦酸鉛陶瓷片在球磨機(jī)中球磨后獲得。所述的碳納米管的平均直徑為60100納米，長徑比大于IOO，可市場購得。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)是1、本發(fā)明將碳納米管與鋯鈦酸鉛陶瓷及水泥復(fù)合，意外第發(fā)現(xiàn)所制備的復(fù)合材料的壓電響應(yīng)有顯著提高，壓電常數(shù)(pC/N)比現(xiàn)有產(chǎn)品提高1-3倍；經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)由于碳納米管不僅具有優(yōu)良導(dǎo)電性，而且具有一定的長徑比，因此碳納米管易于在水泥基體中相互連接形成導(dǎo)電通道，從而使水泥基體的導(dǎo)電性顯著改善，使水泥基壓電復(fù)合材料在室溫下進(jìn)行極化，提高了內(nèi)部鋯鈦酸鉛陶瓷顆粒的極化效率，從而使復(fù)合材料的壓電響應(yīng)有顯著提高。本發(fā)明碳納米管/鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料及其制備方法迄今未見報道。2、本發(fā)明以丙酮作助磨劑，與使用乙醇相比丙酮具有更快的揮發(fā)速度，可提高混合原料粉體的干燥速度，從而提高復(fù)合材料的制備效率。該壓電復(fù)合材料與被檢測的建筑工程的混凝土主體材料有很好的界面及阻抗匹配性，是一種性能優(yōu)良的傳感器材料。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，如無特別說明，均為重量份或重量百分比。實(shí)施例中所用的鋯鈦酸鉛粉體的平均粒度為115微米，是將市售鋯鈦酸鉛陶瓷片在球磨機(jī)中球磨5小時后得到的。所用的碳納米管的平均直徑為60100納米，長徑比大于IOO，深圳納米港公司產(chǎn)品。實(shí)施例1:一種碳納米管/鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料，組分如下，均為重量份鋯鈦酸鉛70份，水泥30份，碳納米管0.3份。碳納米管/鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料的制備方法，步驟如下(1)將70份鋯鈦酸鉛與30份水泥干法混合均勻，加入0.3份碳納米管，以丙酮作助磨劑，球磨混合30分鐘后，干燥使丙酮揮發(fā)，得混合粉體。(2)向步驟(1)所得的混合粉體中加水，加水量為混合粉體重量的5%，均勻混合，將混合料在lOOMPa壓力下壓制成圓片狀，放入濕度100%的環(huán)境中水化24小時后，干燥。干燥后，圓片兩面涂銀電極，在7kV的直流電壓下在硅油中極化30分鐘。將極化后的圓片包覆錫箔，在60°C中放置12小時老化。所得到的碳納米管/鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料的介電常數(shù)為113,壓電常數(shù)為74.5pC/N，機(jī)電耦合系數(shù)為12%，介電損耗為0.38。實(shí)施例2:一種碳納米管/鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料，組分如下，均為重量份鋯鈦酸鉛70份，水泥30份，碳納米管0.5份。碳納米管/鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料的制備方法，步驟如下(1)將80份鋯鈦酸鉛與20份水泥干法混合均勻，加入0.5份碳納米管，以丙酮作助磨劑，球磨混合30分鐘后，干燥使丙酮揮發(fā)，得混合粉體。(2)向步驟(1)所得的混合粉體中加水，加水量為混合粉體重量的6%，均勻混合，將混合料在lOOMPa壓力下壓制成圓片狀，放入濕度100%的環(huán)境中水化24小時后，干燥。干燥后，圓片兩面涂銀電極，在6.5kV的直流電壓下在硅油中極化30分鐘，極化溫度為室溫。將極化后的圓片包覆錫箔，在60°C中放置12小時老化。所得到的碳納米管/鋯鈦酸鉛/水泥復(fù)合材料的介電常數(shù)為118,壓電常數(shù)為65.2pC/N，機(jī)電耦合系數(shù)為11%，介電損耗為0.40。實(shí)施例3:一種碳增效鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料，組分如下，均為重量份鋯鈦酸鉛60份，水泥40份，碳納米管0.3份。碳納米管/鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料的制備方法，步驟如下(1)將60份鋯鈦酸鉛與40份水泥干法混合均勻，加入0.3份碳納米管，以丙酮作助磨劑，球磨混合40分鐘后，干燥使丙酮揮發(fā)，得混合粉體。(2)向步驟(1)所得的混合粉體中加水，加水量為混合粉體重量的7%，均勻混合，將混合料在lOOMPa壓力下壓制成圓片狀，放入濕度100%的環(huán)境中水化22小時后，干燥。干燥后，圓片兩面涂銀電極，在7.5kV的直流電壓下在硅油中極化30分鐘。將極化后的圓片包覆錫箔，在60°C中放置12小時老化。所得到的碳納米管/鋯鈦酸鉛/水泥復(fù)合材料的介電常數(shù)為107,壓電常數(shù)為56.5pC/N，機(jī)電耦合系數(shù)為10%，介電損耗為0.32。對比實(shí)驗(yàn)對比例1:如實(shí)施例1所述，所不同的是本對比例中將碳納米管換成相同質(zhì)量份的碳粉，所用碳粉平均粒度為70納米、美國Cabot(卡博特)公司產(chǎn)品。對比例2-3:原料分別與實(shí)施例2、3相同，所不同的是碳納米管換成相同質(zhì)量份的碳粉(平均粒度為70納米、美國Cabot(卡博特)公司產(chǎn)品)。制備方法、條件也分別與對應(yīng)的實(shí)施例相同。對比例1-3與實(shí)施例1-3對比性能表如下:<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>由表可知，在原料組成及制備工藝相同的情況下，實(shí)施例1-3具有較高的機(jī)電耦合系數(shù)，這表明實(shí)施例1-3有較高的能量轉(zhuǎn)化率。實(shí)施例1-3的壓電常數(shù)比對比例1-3的壓電常數(shù)有顯著提高，表明實(shí)施例l-3具有良好的壓電響應(yīng)。權(quán)利要求1、一種碳納米管/鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料，由碳納米管、鋯鈦酸鉛及水泥組成，是按以下步驟制備的(1)將55～80份鋯鈦酸鉛與20～45份水泥干法混合均勻，再加入0.1～0.6份的碳納米管，以丙酮作助磨劑，球磨混合30-50分鐘后，干燥使丙酮揮發(fā)，得混合粉體。(2)向步驟(1)所得的混合粉體中加水，加水量為混合粉體重量的5-7％，均勻混合，壓制成圓片狀，放入濕度100％的環(huán)境中水化20-24小時后，干燥即得；以上原料均為重量份。2、權(quán)利要求l所述的碳納米管/鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料的應(yīng)用，用于制備用于土木工程中的混凝土建筑結(jié)構(gòu)的傳感器。3、如權(quán)利要求2所述的碳納米管/鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料的應(yīng)用，其特征在于將干燥的所述的碳納米管/鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料片體兩面涂銀電極，室溫下在硅油中用高壓直流電源極化并老化。全文摘要本發(fā)明涉及一種土木工程傳感器用的碳納米管/鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料及其制備方法。該壓電復(fù)合材料由碳納米管、鋯鈦酸鉛及水泥組成。制備方法為均勻混合碳納米管、鋯鈦酸鉛粉體及水泥粉體，加水后成型，然后水化、干燥。所得材料經(jīng)極化、老化后即可用于制備土木工程傳感器。本發(fā)明的壓電復(fù)合材料具有良好的壓電響應(yīng)。文檔編號G01D5/12GK101531490SQ200910020659公開日2009年9月16日申請日期2009年4月16日優(yōu)先權(quán)日2009年4月16日發(fā)明者靜全,張玉軍,李宗津,李愛菊,龔紅宇申請人:山東大學(xué)