（材料学专业论文）微量组分改性03型水泥基压电复合材料性能研究.pdf

济南大学硕i ：学位论文 皇曼曼曼曼曼曼曼璺曼鼍曼皇曼鼍曼曼曼! 曼曼! 曼! 曼曼! ! ! ! 曼! 曼! 皇曼兰曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼1 i l l i i ；i i 曼曼舅曼鼍曼曼曼量 摘要 0 3 型水泥基压电复合材料是由雎电陶瓷颗粒和三维的水泥基体而构成，它因具 有与混凝土兼容性好、强度高、耐久性好及成本低等优点而在土木工程领域中受到人 们越来越多的重视。0 3 型水泥基压电复合的材料的研究已取得一些具有积极意义的 进展，但同时也存在着许多不足之处。由于压电陶瓷相主要以颗粒状弥散分布在水泥 基体中，其电场通路的连通性较差，使得复合材料极化过程中的极化效率不高，压电 应变系数d 较低。因此，在查阅大量国内外相关文献的基础上，本文提出了一种通过 在压电复合材料中掺加微量改性组分，从而改善其电学性能并提高压电复合材料压电 与介电性能的思路。 本文采用压制成型法制备了改性0 3 型水泥基压电复合材料，分别研究了改性组 分( 碳黑、锶铁氧体和钡铁氧体) 掺量对压电复合材料的压电、介电、机电耦合系数， 机械品质因数及声阻抗等性能的影响，以及改性o 3 型水泥基e 电复合材料的介电常 数、介电损耗和电阻率随温度的变化关系。研究结果表明：随着改性组分的掺入，压 电复合材料的压电应变常数函3 和压 乜电压常数9 3 3 呈先增大后减小的趋势，当碳黑、 锶铁氧体及钡铁氧体的掺量分别在o 3 ，o 4 ，0 4 时，压电复合材料的压电应变 常数如3 和压电电压常数9 3 3 达到极值。随着改性组分掺量的增加，o 3 型水泥基压电 复合材料的介电常数岛和介电损耗幻刀6 逐渐增大。改性组分的掺量对压电复合材料 的平面机电耦合系数绵、厚度机电耦合系数k 和机械品质因数鳊影响较小。随着 温度的升高，改性o 3 型水泥基压电复合材料的介电常数r 和介电损耗t a n 6 逐渐增 大，电阻率p 逐渐减小。随着碳黑的掺入，压电复合材料的声阻抗z 逐渐降低，但降 低幅值不大。锶铁氧体和钡铁氧体的掺入使压电复合材料的声阻抗增大，但声阻抗与 二者的掺量没有明显关系。 研究了极化条件对改性0 3 型水泥基压电复合材料性能的影晌。结果表明：极化 电场强度越大，极化时问越长，极化温度越高，压电复合材料的压电应变常数以3 、 压电电压常数9 3 3 、介电常数r 和介电损耗t a n d 越大。极化条件对压电复合材料的平 ；玫重组分改性o 一3 型水泥綦压电复台材科性能研咒 面机电耦合系数饰、厚度机电耦合系数墨、机械品质因数q m 及声阻抗z 无显著影响。 研究了普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥对改性o 3 型水泥基压电复合材料性能的 影响。结果表明：碳黑改性普通硅酸盐水泥基压电复合材料具有相对较高的压电应变 常数和介电常数，其值分别为3 1 5p c n 。和1 1 1 ；锶铁氧体改性普通硅酸盐水泥基压 电复合材料具有较高的压电电压常数9 3 3 ，其值为3 2 9m v m n 。水泥基体及改性组 分对压电复合材料的平面机电祸合系数影响不大，但对复合材料的厚度机电耦合 系数k 和机械品质因数鳊有。一定的影响，钡铁氧体改性普通硅酸盐水泥基压电复合 材料具有较高的厚度机电耦合系数墨和较低的机械品质因数绋。改性普通硅酸热水 泥基压电复合材料的声阻抗要高于掺入同种改性组分的硫铝酸盐水泥基压电复合材 料的声阻抗。 关键词：0 3 型水泥基压电复合材料；压电性能；一介电性能；机电耦合性能；声 阻抗 济南大学硕：t 学位论文 a b s t r a c t 0 - 3c e m e n t - b a s e d p i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e sc o m p r i s ec e r a m i cp o w d e ra n d t h r e e - d i m e n s i o n a lc e m e n t ，w h i c hh a v et h ec h a r a c t e r i s t i co fg o o dc o m p a t i b i l i t yw i t hc o n c r e t e ? h i g hs t r e n g t h g o o dd u r a b i l i t ya n dl o wc o s t a n da l s oh a v ea t t r a c t e dg r e a ta t t e n t i o nf r o m r e s e a r c h e r s 0 - 3c e m e n t - b a s e dp i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e sh a v eb e e nd e s i g n e da n df a b r i c a t e d ， a n dm e a n w h i l es o m em e a n i n g f u lp r o g r e s si so b t a i n e dd u r i n gt h ep a s tr e s e a r c h h o w e v e r , t h e r ea l s oe x i s t ss o m ed i s a d v a n t a g ei n0 - 3c e m e n tb a s e dp i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e s i n c e m e n tm a t r i x ，t h ec e r a m i cp a r t i c l e sd on o tf o r mac o n t i n u o u s l yc o n n e c t e ds t r u c t u r ea c r o s s t h ei n t e r - e l e c t r o d ed i m e n s i o n ，w h i c hr e s u l t e di nr e l a t i v e l yl o w e rp i e z o e l e c t r i ca c t i v i t i e so f t h ec o m p o s i t e s ，a n dt h ep i e z o e l e c t r i cs t r a i nf a c t o ri sl o w e rt h a nt h a to fp u r ec e r a m i c s t h e r e f o r e ，i nt h ep a p e r , i no r d e rt oi m p r o v et h ep i e z o e l e c t r i ca n dd i e l e c t r i cp r o p e r t i e so f c o m p o s i t e s ，as m a l la m o u n to f m o d i f i e dc o m p o n e n t sh a v e b e e ni n t r o d u c e d 0 3c e m e n t - b a s e dp i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e sa r ef a b r i c a t e db yc o m p r e s s i n gt e c h n i q u e p r o c e s s t h ep i e z o e l e c t r i cp r o p e r t i e s ，d i e l e c t r i cp r o p e r t i e s ，e l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n g p r o p e r t y , m e c h a n i c a lq u a l i t yf a c t o ra n da c o u s t i ci m p e d a n c ei n f l u e n c e db yt h ec o n t e n to f m o d i f i e dc o m p o n e n t sw e r es t u d i e di nt h ep a p e r , r e s p e c t i v e l y t h ed i e l e c t r i cc o n s t a n t ， d i e l e c t r i cl o s sa n dr e s i s t i v i t yi n f l u e n c e db yt e m p e r a t u r ew e r ea l s os t u d i e d t h er e s u l t s h o w st h a tw i t ht h em o d i f i e dc o m p o n e n t si n t r o d u c i n g , b o t ho ft h ep i e z o e l e c t r i cs t r a i n c o n s t a n t 西3a n dp i e z o e l e c t r i cv o l t a g ec o n s t a n t9 3 3f i r s ti n c r e a s eo b v i o u s l ya n dt h e n d e c r e a s e w h e nt h ec a r b o nb l a c kc o n t e n ti s0 3 w t ，t h es t r o n t i u mf e r r i t ea n db a r i u mf e r r i t e c o n t e n ti s 0 4 w t o o ，r e s p e c t i v e l y , t h ep i e z o e l e c t r i cs t r a i nc o n s t a n t 西3a n dp i e z o e l e c t r i c v o l t a g ec o n s t a n t9 3 3o f t h ec o m p o s i t e se x i s tt h em a x i m u mv a l u e t h ed i e l e c t r i cc o n s t a n t r a n dd i e l e c t r i cl o s st a n , 多e x h i b i tt h et r e n do fi n c r e a s ew i t hi n c r e a s i n gt h ec o n t e n to ft h e m o d i f i e dc o m p o n e n t s t h ep l a n a re l e c t r o m e c h a n i c a l c o u p l i n gf a c t o r t h i c k n e s s e l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gf a c t o r 五，a n dm e c h a n i c a lq u a l i t yf a c t o rq mo ft h ec o m p o s i t e s k e e pt ob ec o n s t a n tw i t hi n c r e a s i n gt h ec o n t e n to ft h em o d i f i e dc o m p o n e n t s w i t h i n c r e a s i n gt h et e m p e r a t u r e ，t h ed i e l e c t r i cc o n s t a n ta n dd i e l e c t r i cl o s so ft h em o d i f i e d0 - 3 c e m e n t b a s e dp i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e si n c r e a s ea n dt h er e s i s t i v i t yd e c r e a s e s w i t hc a r b o n b l a c ki n t r o d u c e d ，t h ea c o u s t i ci m p e d a n c ezo ft h ec o m p o s i t e sd e c r e a s e d w i t hs t r o n t i u m 微量组分改性0 - 3 型水泥罐压l 乜复合材料性能研究 f e r r i t ea n db a r i u mf e r r i t ei n t r o d u c e d ，t h ea c o u s t i ci m p e d a n c ez i n c r e a s e ，b u tt h e r ei sn o o b v i o u sr e l a t i o nb e t w e e nt h es t r o n t i u mf e r r i t ea n db a r i u mf e r r i t ec o n t e n ta n dt h ea c o u s t i c i m p e d a n c e t h ei n f l u e n c eo fp o l i n gc o n d i t i o n so nt h ep r o p e r t i e so ft h em o d i f i e dc o m p o s i t e sw a s r e s e a r c h e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h eh i g h e l t h ep o l i n ge l e c t r i cf i e l d ，t h el o n g e rt h ep o l i n g t i m ea n dt h eh i g h e l t h ep o l i n gt e m p e r a t u r e ，t h ec o m p o s i t e sh a v et h eh i g h e l p i e z o e l e c t r i c s t r a i nf a c t o rd 3 3 ，p i e z o e l e c t r i cv o l t a g ef a c t o r9 3 3 ，d i e l e c t r i cc o n s t a n ts ra n dd i e l e c t r i cl o s s t a n $ t h ep l a n a re l e c t r o m e c h a n i c a l c o u p l i n gf a c t o r ，t h i c k n e s se l e c t r o m e c h a n i c a l c o u p l i n gf a c t o rk ，m e c h a n i c a lq u a l i t yf a c t o rq ma n da c o u s t i ci m p e d a n c ezo ft h e c o m p o s i t e sc h a n g el i t t l ew i t hd i f f e r e n tp o l i n gc o n d i t i o n t h ei n f l u e n c eo fp o r t l a n dc e m e n tm a t r i xa n d s y l p h o a l u m i n a t ec e m e n tm a t r i x i n f l u e n c eo nt h ep r o p e r t i e so ft h em o d i f i e dc o m p o s i t e sw a sr e s e a r c h e d t h er e s u l ts h o w s t h a tt h ep o r t l a n dc e m e n t b a s e dp i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e sd o p e d b yc a r b o nb l a c kh a v eh i g h p i e z o e l e c t r i cs t r a i nc o n s t a n td 3 3a n dd i e l e c t r i cc o n s t a n te r , w h i c ha r e31 5p c n a n d111 ， r e s p e c t i v e l y t h ep o r t l a n dc e m e n t - b a s e dp i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e sd o p e db ys t r o n t i u m f e r r i t eh a v eh i g hp i e z o e l e c t r i cv o l t a g ef a c t o r9 3 3 ，a n dt h ev a l u ei s3 2 9m v m n 一t h e p l a n a re l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gf a c t o r 饰o ft h ec o m p o s i t e sw e r eh a r d l yi n f l u e n c e db y t h em o d i f i e dc o m p o n e n t sa n dc e m e n tm a t r i x ，b u tt h et h i c k n e s se l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n g f a c t o rka n dm e c h a n i c a lq u a l i t yf a c t o r 绋w e r ei n f l u e n c e db yt h em o d i f i e dc o m p o n e n t s a n dc e m e n tm a t r i x t h ep o r t l a n dc e m e n t b a s e dp i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e sd o p e d b yb a r i u m f e r r i t eh a v el a r g e rt h i c k n e s se l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gf a c t o rk a n dl e s sm e c h a n i c a l q u a l i t yf a c t o r 鳊t h ea c o u s t i ci m p e d a n c eo ft h ep o r t l a n dc e m e n t b a s e dp i e z o e l e c t r i c c o m p o s i t e sa r eh i g h e rt h a nt h ea c o u s t i ci m p e d a n c eo ft h es y l p h o a l u m i n a t ec e m e n t b a s e d p i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e sw h i c hd o p e db yt h es a m em o d i f i e dc o m p o n e n t s k e y w o r d s ：0 - 3c e m e n tb a s e dp i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e ；p i e z o e l e c t r i cp r o p e r t i e s ；d i e l e c t r i c p r o p e r t i e s ；e l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gp r o p e r t i e s ；a c o u s t i ci m p e d a n c e i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的 研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：堂 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盟导师签名： 济南人学硕： ：学位论文 第一章引言 随着高新技术的不断发展，作为促进现代社会进步三大支柱之一的新材料技术行 业已成为世界各国学者们争相探索和研究的热点领域。特别是进入二十世纪七十年代 以来，由于电子技术、通讯和控制技术等高技术含量行业的迅速崛起，要求材料的功 能化、器件的小型化、结构的智能化程度越来越高，使智能材料的研究更加受到人们 的青睐【i 】。智能材料是一类具有传感、驱动和控制功能于一体的材料系统，它具有类 生物的功能，通过自身的感知和驱动属性，实现材料的驱动功能与智能化；通过感知 和响应内外界环境的变化，达到自适应的目的。目前，可作为智能材料系统中的执行 材料主要有压电材料、形状记忆合金、电致伸缩材料、磁致伸缩材料和电流变体等； 可作为传感材料的主要有压电材料、光纤系统及其它各类特性的传感器件材料，其中 压电材料能够自适应环境的变化实现机械能和电能之问的相互转化，具有集传感、执 行和控制于一体的特有属性，是智能材料系统中的主导材料。有人预言，二十一世纪 的新材料技术将是以智能材料为代表的时代，而作为智能材料系统中的主导材料一压 电材料将会更加引起各国科学家们的重视【2 8 1 。 1 1 压电效应机理 压电材料是实现机械能( 包括声能) 与电能之间转换的重要功能材料，其应用已遍 及人类日常生活的各个方面，特别是在信息的检测、转换、处理和储存等科技领域占 有重要的地位。 压电现象是1 8 8 0 年由居里兄弟( j a c q u e sc u r i e & p i e r r ec u r i e ) 在研究热电现象和 晶体对称性时首先发现并描述。它是指在一些无对称中心晶体的电轴方向施加机械应 力，会在正交于电轴方向的电极面上出现大小相等、符号相反的电荷，其电荷密度与 施加的应力成比例【9 j 。这种没有电场作用，只是由于应力或应变的改变，在晶体内部 产生极化的现象称为j 下压电效应或压电效应。1 8 8 1 年，l i p p m a n n g 根据热力学原理、 能量守衡和电量守衡定律，预见到了逆压电效应的存在，即在压电晶体上施加电场时， 晶体不仅会产生极化，还会产生应变和应力。几个月后，居罩兄弟证实了这种效应， 并给出了石英晶体正、逆压电效应的压电常数，而且发现这两种压电常数在数值上是 相等的。 微量组分改性0 - 3 型水泥摹艇电复合材料性能研究 晶体的正压电效应机理如图1 1 所示。当晶体不受力时，正电荷重心重合，整个 晶体总电矩为0 ，因而晶体表面不带电荷；当沿某一方向对晶体施加机械力时晶体发 生了形变而破坏了原来的电荷平衡，使得正负电荷重心不再重合，从而引起表面荷电 现象。由此可见，f 压电效应是由于晶体在机械力作用下发生形变而引起带电粒子的 相对位移( 偏离平衡位置) ，从而使电介质晶体的总电矩发生改变而造成的。 ( 6 ) ( a ) 不受力时；( b ) 工轴方向受力；( c ) j ，轴方向受力 图1 1 压电效应的机理示意图 f i gi 1p i e z o e l e c t r i cm e c h a n i s m 机械外力和外加电场是压电材料产生压电效应的外因，而内因主要包括以下三个 方面： ( 1 ) 晶体的结构具有不对称性，即存在极轴； ( 2 ) 压电材料必须是绝缘体或半导体； ( 3 ) 晶体结构必须分别带有j 下电荷和负电荷的指点离子或离子团。 压电陶瓷多晶体所以能显示压电性，是因为构成晶体的晶粒方向不是完全规则 的，而是多少会沿着适当的方向取向所致1 1 0 1 。 1 2 压电复合材料的研究现状 1 2 1 压电复合材料 压电复合材料是将压电陶瓷和其它基体材料按一定的连通方式复合而成的一类 新型压电功能材料，目前研究最多、应用最广泛的一类压电复合材料是压电陶瓷聚 合物复合材料。相对压电陶瓷材料而言，压电陶瓷聚合物复合材料具有柔韧性好、 2 济南大学硕：_ i = 学位论文 密度低、易于实现大面积成型、性能可设计性好、压电系数高、与水和空气的声阻抗 匹配性好等许多优点，可以在国民经济和现代军事的诸多领域代替压电陶瓷材料应用 【i l 】 o 压电复合材料是多相材料，其性能与复合材料的组成密切相关。压电复合材料的 电学性能通常由压电陶瓷的压电和介电性能决定，用于压电复合材料的压电陶瓷主要 有钛酸铅( p t ) ，锆钛酸铅( p z t ) 及其改性材料、钛酸钡( b a t i 0 3 ) 及其改性材料等。压电 复合材料的特性如电场通路、应力分布形式以及各种性能，如压电性能、机械性能等 主要由各相材料的连通方式来决定。复合材料中所含有相可以用0 、1 、2 和3 维方式 表示。如果复合材料由二个分量相组成，可以有1 0 种连通方式，即0 0 、0 1 、0 2 、 0 3 、1 1 、1 2 、1 3 、2 2 、2 3 、3 3 。符号的第一个数字代表压电陶瓷相的连通维数， 第二个数字代表复合材料基体的连通维数。根据压电材料的应用和成型性能要求，压 电复合材料常见的连通方式有0 - 3 ，1 3 ，2 2 和3 3 型1 2 1 。 1 2 2 国外研究现状及发展水平 1 9 7 2 年，日本的北山中村试制了p v d f b a t i 0 3 的柔性复合材料，丌创了压电复 合材料的历史。7 0 年代中后期，美国宾州大学材料实验室开始研究压电复合材料在 水声中的应用，r e n e w n h a m 、d e s k i n n e r 、k a k l i c k e r 、t r g u r u r a j a 和h p s a v a k u s 等人进行了大量的理论和实验研究工作，测试了不同体积含量的压电复合材料的特性 | 1 3 - 1 4 】。8 0 年代初以后，美国加州斯坦福大学的b a a u l d 、y w a n g 等人建立了p z t 柱周期排列的1 3 型压电复合材料的理论模型，并分析了其中的横向结构模。美国纽 约菲利浦实验室的w a s m i t h 等人也做了与上类似的工作。与此同时，s a f a i ri i 引、d i a s 1 1 6 1 、t a n d o ni ；7 1 、p h i l i p e 。8 】等人对0 - 3 型压电复合材料中陶瓷比例，与不同有机物的 种类及它们的制备方法进行了大量的研究。 1 2 3 国内研究现状及发展水平 压电复合材料的出现引起了一些国内研究机构的关注，万建国等人【1 9 1 、南策文等 人1 2 0 1 、王青明等人【2 i j 、赖和棱【2 2 】、李邓化【2 3 之4 1 、徐玲芳等人【2 5 之纠参与制作了1 3 型 压电复合材料的理论研究工作。昆明理工大学的甘国友等1 2 7 - 3 人对2 2 型压电复合材 料也进行了研究，主要探讨了影响其性能的因素。对于o 3 型压电复合材料的研究是 3 微量组分改性0 - 3 型水泥基胝电复台材料性能研究 比较多的，主要有北京航空航天大学的李小兵【3 2 1 、武汉理工大学的张联盟【3 3 】、齐齐 哈尔大学的孙洪山等人【3 4 。3 5 】。 1 2 4o 3 型压电复合材料研究现状 0 3 型压电复合材料是指在三维连通的复合材料基体中填充压电陶瓷颗粒而形成 的压电复合材料1 3 6 1 。o 3 型压电复合材料由于具有柔软性好、易于加工成型和制备工 艺简单等优点而得到了广泛的研究1 3 7 】。在0 3 型压电复合材料中，由于压电陶瓷相主 要以颗粒状呈弥散分布，因此它的电场通路的连通性较差，而且使得压电复合材料中 不易形成压电陶瓷相的应力放大作用。这样，同纯压电陶瓷相比，0 3 型压电复合材 料的压电应变常数d 就要偏低：但是，由于0 3 型压电复合材料的介电常数极低，因 此它的压电电压系数g 仍然较高( p z t 体积百分含量为6 0 的0 3 型p z t 环氧压电 复合材料的压电电压系数g 要比压电陶瓷的高数倍) ，而且它的柔顺性也远比压电陶 瓷的好，因此其综合性能要优于纯压电陶瓷。 影响0 3 型压电复合材料性能的参数较多，其中，压电陶瓷的体积百分含量v 是 一个重要的参数1 3 8 】。研究表明：当v 9 0 ) ， 压电复合材料则难以成型，因此，理想的，值为6 0 9 0 。v 对压电复合材料的介电 常数也有较大的影响，随着v 的增大，几乎线性地增大。压电陶瓷的粒径是影响 o 3 型压电复合材料性能的另一个重要参数，随着压电陶瓷粒径的增大，压电复合材 料的压电常数也逐渐增大，但当压电陶瓷的粒径超过1 0 0 1 a n 时，压电复合材料的压 电常数则与粒径大小无关【3 9 4 。 1 2 5 水泥基压电复合材料的研究概况 水泥基压电复合材料是以水泥为基体，掺入压电陶瓷材料作为功能体而制备的一 种新型功能复合材料。最早是由香港科技大学“等人【4 2 。4 5 】以白水泥为基体，采用常 规的成型技术和极化方法成功制备了m 3 型水泥基压电复合材料。研究结果表明，0 - 3 型水泥基压电复合材料与混凝土之间具有良好的阻抗匹配关系。在p z t 含量相同的 情况下，其极化电压远远小于聚合物基压电复合材料，而压电性能和机电耦合系数却 高于后者。随着陶瓷粉木粒径的增大，压电复合材料的压电应变常数以3 逐渐增大， 而压电电堆常数9 3 3 逐渐减小。同时，水泥基压电复合材料的9 3 3 高于相应的聚合物 t 济南大学硕士学位论文 基压电复合材料。 l i 等人【4 6 4 8 】还制备了2 2 型水泥基压电机敏复合材料，在o 1 - - 5 0 h z 低频率范围 内，研究了该复合材料的机电性能和机械性能，目的是将该材料用作混凝土结构中的 自感知驱动器。研究结果显示，2 2 型水泥基压电复合材料具有非常高的感知灵敏度 和驱动输出。 黄世峰等人对2 2 型水泥基压电复合材料进行了比较深入和系统的研究【4 ”o 】，主 要包括水泥基体中水扶比以及锂镁锆钛酸铅( p l m ) 陶瓷体积分数对压电复合材料性 能的影响。研究结果表明，随着水灰比的增大，压电复合材料的压电应变常数c i 3 3 、 压电电压常数9 3 3 逐渐增大，介电常数矗和介电损耗t 锄6 逐渐减小；随着铌镁锆钛酸 铅( p m n ) 体积分数的增大，压电复合材料的压电应变常数函3 基本呈线性增大，而 压电电压常数9 3 3 呈先增大后减小的趋势，压电复合材料的介电常数r 线性增大，介 电损耗t 锄占基本呈线性减小。 黄世峰等人对1 3 型水泥基压电复合材料中压电陶瓷柱的宽厚比w t 以及环境湿 度对其性能的影响进行了研列5 m 2 1 ，研究结果表明：随着w t 的增加，其压电应变常 数以3 、机电耦合系数砗与k 、机械品质因数q m 、介电常数矗和介电损耗t 莉逐渐 减小，而压电电压常数勘3 值几乎不受w t 的影响。随着相对湿度的增大，压电应变 常数d 3 3 呈下降的趋势，但变化不大；压电电压常数9 3 3 和压电复合材料的岛受湿度 影响较为显著，当相对湿度低于8 5 时，压电复合材料的9 3 3 和矗变化不大，当湿 度高于8 5 时，9 3 3 则急剧降低，而岛均急剧增大。 程新【5 3 】等人对0 3 型水泥基压电复合材料的制备及性能作了初步的研究，讨论了 不同成型压力对水泥基压电复合材料性能的影响。在铌锂锆钛酸铅( p l n ) 陶瓷含量相 同的条件下，随着成型压力的增大，压电复合材料的压电应变常数西3 呈非线性增大， 介电常数岛和介电损耗t 锄占也随之增大；成型压力不同，压电复合材料的串联谐振 频率和并联谐振频率也不同，随着成型压力的增大，压电复合材料串联谐振频率和并 联谐振频率均增大，因而平面机电耦合系数和厚度机电耦合系数五均呈下降趋势， 但下降幅值不大。这表明成型压力对压电复合材料的机电耦合性能有一定影响，但影 响较小。 不同的水泥基体对压电复合材料的各项性能也有很大的影响，程新等人分别以普 通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、磷铝酸盐水泥、硫铝酸钙水泥单矿物、硫铁铝酸钡钙 水泥单矿物作为基体制备的0 3 型水泥基压电复合材料中，普通硅酸盐水泥为基体的 5 微量组分改件o 3 型水泥耩胝l 包复合材辩性能研究 曼鼍曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼鼍! 曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼舅舅舅曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼曼笪曼曼曼曼1 1 。l 复合材料的西3 明显高于其它四种水泥基体；水泥基体对压电电压常数毋3 的影响较 小，其中以硫铁铝酸钡钙水泥单矿物为基体的最小。在p l n 陶瓷含量相同的条件下， 五种水泥基压电复合材料的机电耦合系数秭、k 波动不大，表现出良好的稳定性， 而机械品质阂数q m 则在2 4 - 2 8 2 8 6 7 之间波动。普通硅酸盐水泥基压电复合材料的介 电常数矗略大于其它水泥基压电复合材料的介电常数岛。这主要是由于普通硅酸盐水 泥本身的介电常数比其它水泥的介电常数大的缘故。 1 - 3 压电复合材料的改性研究 目前，我国在压电复合材料方丽已取得了一定的成果，为了获得性能更好的压电 复合材料，研究人员通过在压电复合材料中掺加改性物质，从微观上改变复合材料的 结构，从而提高压电复合材料的整体性能。gs a g o n g 等【蚓用碳或锗改性p b t i o a j 不 氧树脂复合材料，发现导体材料的引入能够提高复合材料的极化性能。w k s a k a m o t o 等 s s l 用石墨改性0 3 型p z 聊u 复合材料，发现一定用量的石墨能够提高复合材料的 压电系数以3 。 在o 一3 型0 5 p z t 0 ，5 p v d f 压电复合材料中加入适量石墨t 5 6 】，材料的极化性能和 压电性能都会得到明显改善。适量石墨的加入，使得压电复合材料中陶瓷颗粒充分极 化，提高了整个体系的机电转换效率，从而提高复合材料的压电系数以3 、机电耦合 系数知；当石墨含量达到0 8 ，两者均达到最大值，而此时的鳊值达到最小。同未 经石墨改性的压电复合材料相比，0 5 p z t 0 0 0 8 c 0 4 9 2 p z t 压电系数西3 提高了5 0 。 由于压电复合材料介电损耗的上升主要是材料的漏电损耗升高所致，所以石墨的加入 提高了复合材料电导率，使得材料的漏电损耗增大。 聚苯胺( p a n i ) 是一种电性能优异的材料，常用来提高其它聚合物的介电常数和电 导率【5 7 螂1 以达到改善聚合物电学性能的目的，从而可以改善复合材料的极化和压电性 能。因此，用适量p a n i 改性0 3 型p z t p u ( p z t 体积分数为5 0 ) 压电复合材料，极 化性能和压电性能得到明显改善【5 叭。研究表明：适量p a n i 的掺入可以大幅度提高复 合材料的压电系数以3 、机电耦合系数，当p a n i 含量达到4 时，两者均达到最大 值，分别为3 4 p c n 和o 2 5 。相对于未改性样品，含4 p a n i 改性样品的压电系数提 高了近3 0 0 0 0 。随着p a n i 含量的增大，复合材料的介电常数增大，介电损耗也有所 e 升。 6 济南大学硕：仁学位论文 1 4 研究目的与意义 随着高层建筑、大跨度空间结构、特大桥梁等重要建筑的不断出现以及人们对土 木工程结构使用安全性、舒适性要求的不断提高，大型土木工程结构健康监测系统研 究已经成为土木工程领域的一个研究热点1 6 0 - 6 5 1 。结构健康监测系统根据传感器对结构 进行实时的损伤诊断，在判断结构出现损伤后及时发出预警，以避免结构损伤发展到 很大程度，以至于引起结构倒塌所带来的重大人员财产损失。同时，根据结构损伤识 别方法识别出的结构损伤的位置及程度，及早地采用适当的维修方法加以修补，能大 大节约结构由于大修所带来的维修费用。对于桥梁结构更重要的是可以避免由于频繁 大修而关闭交通所引起的重大损失。因此，土木工程结构健康监测系统对于避免人员 财产损失、减少结构维修费用以及延长结构寿命、保证结构耐久性和实用性有着重要 意义。 目前土木工程中常用的智能材料主要有光导纤维、压电材料、形状记忆合金、智 能高分子材料和碳纤维。在众多的智能材料中，压电材料由于其自身特性，既可以作 为传感材料，也能作为驱动材料，而被认为是最有效的机敏材料之一。利用压电材料 的正压电效应制成的压电传感器进行压力、振动、加速度等机械量的测量，在土木工 程测量中已被广泛应用。 在智能结构中，机敏材料与母体材料之间的相容性是一个关键问题，相容性好坏 对机敏材料传感功能或驱动功能的发挥有决定性的作用。相容性不好，机敏材料的传 感精度会大幅度降低，驱动力度会受到显著的削弱。在土木工程领域，占主要地位的 结构材料是混凝土，混凝土与其它领域中的重要结构材料如金属、塑料等相比，在变 形特性、刚度和声阻抗等方面有本质差别。因此在发展土木工程领域的智能结构时， 需要注意研发与土木工程领域主体结构材料一混凝土相容的机敏材料。 水泥基压电复合材料是近年来+ w j f l l j 发展起来的一种新型功能复合材料。与传统的 压电材料( 压电陶瓷、压电聚合物和聚合物基压电复合材料) 相比【6 7 l ，水泥基压电复合 材料的制备工艺更为简单、成本更低，而且利用水泥水化过程中电学性能的变化规律， 在其电阻率适当低或介电常数适当高时，对压电复合材料进行极化，可以大幅度降低 外部极化电压，提高极化效率。其极化电压远低于聚合物基压电复合材料的极化电压， 且压电性能优于同条件下聚合物基压电复合材料的压电性能【6 8 1 。更重要的是水泥基压 电复合材料在土木工程领域中应用时，与混凝土母体具有良好的相容性，且与混凝土 微量组分改性0 - 3 型水泥基压电复合材科性能研究 结构材料的界面粘结效果也优于其它机敏材料。因此，它的研究进展决定着智敏材料 与结构在土木工程领域的实用化进程【6 9 】。 1 5 本文研究主要内容 目前，水泥基压电复合的材料的研究已取得些具有积极意义的进展，但同时也 存在着许多不足之处。水泥基压电复合材料的制备方法、所选用的压电功能体和水泥 基体都比较单一，而对于o 3 型水泥基压电复合材料，由于压电陶瓷相：t 要以颗粒状 呈弥散状均匀分布，它的电场通路的连通性较差，使得复合材料极化过程中极化效果 不高，压电应变系数d 稍低。因此，为了获得性能更好的0 - 3 型水泥基压电复合材料， 通过在传统的水泥基压电复合材料中掺加微量组分，以改善材料的电学性能，提高陶 瓷功能体的极化效率，从而提高压电复合材料的整体性能。本文以铌锂锆钛酸铅 ( p l n ) 压电陶瓷为功能相，采用压制成型法制备了o 3 型水泥基压电复合材料，具 体研究内容如下： 1 微量组分掺量对0 3 型水泥基压电复合材料性能的影响 ( 1 ) 以硫铝酸盐水泥为基体，碳黑为改性组分，研究碳黑掺量对0 3 型水泥基压 电复合材料的压电、介电、机电耦合性能、机械品质因数、声阻抗的影响，以及频率 和温度对压电复合材料介电性能的影响。 ( 2 ) 以硫铝酸盐水泥为基体，分别以锶铁氧体和钡铁氧体为改性组分，研究锶铁 氧体和钡铁氧体掺量对0 3 型水泥基压电复合材料的压电、介电、机电耦合性能、机 械品质因数、声阻抗的影响，以及频率和温度对压电复合材料介电性能的影响。 2 极化条件对改性0 3 型水泥基压电复合材料性能的影响 ( 1 ) 以硫铝酸盐水泥为基体，研究极化电场强度对改性0 3 型水泥基压电复合材 料压电、介电、机电耦合性能、机械品质因数及声阻抗等性能的影响。 ( 2 ) 以硫铝酸盐水泥为基体，研究极化时间对改性o 一3 型水泥基压电复合材料压 电、介电、机电耦合性能、机械品质因数及声阻抗等性能的影响。 ( 3 ) 以硫铝酸盐水泥为基体，研究极化温度对改性0 - 3 型水泥基压电复合材料压 电、介电、机电耦合性能、机械品质因数及声阻抗等性能的影响。 3 分别以普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥为基体，并分别掺入0 3 碳黑、0 4 锶铁氧体和0 4 钡铁氧体。研究水泥基体对改性0 - 3 型水泥基压电复合材料压电、 介电、机电耦合性能、机械品质因数及声阻抗等性能的影响。 济南大学硕士学位论文 第二章o 一3 型水泥基压电复合材料的制备及性仃 - 。匕：m l l 试 2 1 仪器设备 压力成型机：d y - 3 0 型台式电动压片机，天津市科器高新技术公司。 标准养护箱：y h 4 2 b 恒温恒湿养护箱，泊头市科析仪器设备厂。 干燥箱：d g l