（材料加工工程专业论文）13型水泥基压电复合材料的性能及其应用研究.pdf

济南大学硕十学位论文 摘要 水泥基压电复合材料是以水泥为基体材料，压电陶瓷为功能体复合而成的一种 材料。它具有与混凝土相容性良好、强度高、耐久性好、感知灵敏度高及成本低等 特点，它的研制在改造传统水泥基材料、拓展其应用领域并推进各类土木工程结构 向智能化方向发展也具有广泛的工程应用意义，因而在土木工程领域中愈来愈受到 人们的重视。 本文采用切割一浇注法制备了1 3 型水泥基压电复合材料，系统的研究了基体、 形状参数及陶瓷柱非周期性对复合材料的压电、介电、机电耦合、机械品质因数及 声阻抗等性能的影响。具体工作及结论如下： 研究了不同基体对复合材料性能的影响。结果表明，聚合物为基体的压电复合 材料的压电应变常数西3 明显高于其它五种基体的；不同基体对压电电压常数9 3 3 影响较小，但是以普通硅酸盐水泥的为最小。在p l n 陶瓷含量相同的条件下，不 同基体压电复合材料的k 波动不大，表现出良好的稳定性；不同基体的压电复合材 料其介电常数和介电损耗较纯基体明显增大，以聚合物为基体的压电复合材料的介 电常数和介电损耗较高。在4 0 9 0 之间，介电常数随着温度的升高而升高；在 2 0 9 0 之间，介电损耗随着温度的升高急剧升高。 研究了陶瓷柱宽厚比w t 对复合材料性能的影响。结果表明：随着p m n 压电 陶瓷柱宽厚比w t 的增大，压电电压常数船3 变化不大，在一定范围内波动；压电应 变常数西3 和相对介电常数r 逐渐减小，当厚度为2 5 m m 时，复合材料的介电常数 可降为1 8 0 0 ；厚度机电耦合系数k 呈增大的趋势，宽厚比w t 为o 3 8 时，k 可达 到6 1 6 6 1 复合材料的机械品质因数鳊随p m n 陶瓷柱宽厚比w t 的增加而减小， 最小值为1 1 8 5 ，不到单相p m n 的q m 值( 为7 0 ) 的1 4 ；随着宽厚比w t 的增大，复 合材料的声阻抗增大。 研究了陶瓷柱长宽比l w 对复合材料性能的影响。结果表明，随着p m n 陶瓷 柱长宽比的增大，复合材料的压电应变常数盔3 和相对介电常数岛逐渐增大；压电 电压常数9 3 3 介电损耗，册6 逐渐减小；水泥基压电复合材料的平面机电耦合系数绵 基本保持不变，在4 1 0 3 之间波动；而厚度机电耦合系数k 则呈现出增大趋势， 当长宽比为2 3 3 时，水泥基压电复合材料的机电耦合系数最大为6 3 8 6 1 复合材 料的声阻抗呈明显的上升趋势。 v 1 3 犁水泥基压电复合材科的件能及页席用研，z 研究了陶瓷柱非周期排列的1 3 型水泥基压电复合材料的性能。结果表明，随 着试样厚度的增加，非周期性复合材料的压电应变常数, 3 3 增大，压电电压常数9 3 3 减j x ；随陶瓷相体积分数的增加，压电复合材料的压电应变常数西3 和相对介电常 数岛增大，压电电压常数9 3 3 减i x ；体积分数相近时，周期性和非周期性压电复合 材料的厚度机电耦合系数值五接近，说明厚度振动受压电相排列的周期性影响不 大：非周期性压电复合材料的声阻抗随复合材料厚度的增加而减小；随陶瓷相体积 分数的增大，声阻抗增大。 研究了1 3 2 型水泥基压电复合材料的性能。结果显示，在相同尺寸和组分下， 1 3 2 型水泥基压电复合材料的压电和介电性能参数与1 3 型的相差不大，但1 3 2 型制各工艺大为简化。压电复合材料的谐振峰明显少于压电陶瓷，主振动远大于其 它振动，带宽较陶瓷的增大；与1 3 型复合材料相比较，1 3 2 型复合材料的谐振频 率较低，机械品质因数q m 小，声阻抗z 较大。 对1 3 型水泥基压电复合材料的应用进行了初步研究。结果表明，1 3 型水泥 基压电传感器的第一个接收信号的峰值明显比纯压电陶瓷传感器的大；1 3 型水泥 基压电传感器在5 0 0 k h z 以内有很平的反应谱( 宽频) ；用水泥基压电传感器定位的 裂缝位置与实际的裂缝位置非常吻合。因此，水泥基压电传感器非常适于混凝土裂 缝的检测。 关键词：1 - 3 水泥基压电复合材料；压电性能；介电性能；机电耦合性能；声阻抗； 传感器 v i 济南大学硕十学位论文 a bs t r a c t c 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 ei sak i n do fm a t e r i a lu s i n gc e m e n ta sm a t r i x a n dp i e z o e l e c t r i cc e r a m i ca sf u n c t i o n a lc o m p o n e n t ，w h i c hh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fg o o d c o m p a t i b i l i t yw i t hc o n c r e t e ，h i 曲s t r e n g t h ，g o o dd u r a b i l i t y , h i 曲s e n s i t i v i t ya n dl o w c o s t t h ed e v e l o p m e n to ft h i sc o m p o s i t ea l s oh a sw i d e l ya p p l i c a t i o ns i g n i f i c a n c et op r o m p t t h ed e v e l o p m e n to ft h ec i v i l e n g i n e e r i n gs t r u c t u r e t o t h ei n t e l l i g e n tf i e l d ，b e s i d e s c h a n g i n gt h et r a d i t i o n a lc e m e n t - b a s e dc o m p o s i t ea n de x t e n d i n gi t sa p p l i c a t i o nf i e l d 1 - 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 sw e r ep r e p a r e db yc u t f i l l i n gt e c h n i q u ei n t h i sp a p e nt h ed i e l e c t r i cp r o p e r t y , p i e z o e l e c t r i cp r o p e r t y , 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 ew e r es t u d i e d ，r e s p e c t i v e l y t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tm a t r i xo nt h ep r o p e r t i e so fc o m p o s i t ew a sr e s e a r c h e d t h er e s u l t ss h o wt h a td i f f e r e n tm a t r i x e sh a v eg r e a ti n f l u e n c eo np i e z o e l e c t r i cs t a i nf a c t o r d 3 3 ，w h i l ep o l y m e r - b a s e dp i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t ed 3 3i ss i g n i f i c a n t l yh i g h e s tt h a no t h e r c o m p o s i t e s ；d i f f e r e n tm a t r i x e sh a v el i t t l ee f f e c to nt h ep 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 t h ee l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gc o e f f i c i e n tk to f1 - 3p i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e sh a sl i t t l e f l u c t u a t i o nu n d e rt h ec o n d i t i o no ft h es a m ec o n t e n to fp l n t h ed i e l e c t r i cc o n s t a n ta n d d i e l e c t r i cl o s so f1 - 3p i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e sa r eh i g h e rt h a nt h a to fm a t r i x ，w h i l et h e d i e l e c t r i cf a c t o ra n dd i e l e c t r i cl o s so ft h ep o l y m e r - b a s e dp i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t ea r e h i g h e s t i nt h et e m p e r a t u r er a n g eo f 一4 0 。c - 9 0 c ，t h ed i e l e c t r i cc o n s t a n ti n c r e a s e sa st h e t e m p e r a t u r ei n c r e a s e ，a n dt h ed i e l e c t r i cl o s s a l s oi n c r e a s e sr a p i d l yw i t hi n c r e a s i n g t e m p e r a t u r e t h ei n f l u e n c eo fp i e z o e l e c t r i cc e r a m i cw tr a t i oo nt h ep r o p e r t i e so fc o m p o s i t ew a s r e s e a r c h e d t h er e s u l t ss h o wt h a tw i t hi n c r e a s i n gw t ，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 f l u c t u a t e si nac e r t a i nr a n g e ；p i e z o e l e c t r i cs t r a i nf a c t o rd 3 3 ，t h er e l a t i v ed i e l e c t r i c c o n s t a n tc ra n dd i e l e c t r i cl o s st a n 8o ft h ec o m p o s i t ea l ld e c r e a s e ，w h e nti s2 5 m m ，t h e r e l a t i v ed i e l e c t r i cf a c t o r ? ri s18 0 0 w i t hi n c r e a s i n gt h ew tr a t i o ，t h ep l a n a rr e s o n a n t f r e q u e n c yf l u c t u a t e sb e t w e e n 110k h z - 13 0k h z t 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 l c o u p l i n gc o e f f i c i e n tk to f1 - 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 si n c r e a s e s ，w h e nw t i s0 38 ，ki su pt o61 6 6 w i t ht h ew tr a t i oi n c r e a s e sg r a d u a l l y ，t h em e c h a n i c a lq u a l i t y i 卜3 型水泥基压电复合材料的性能及其应用研究 f a c t o rq mo fc o m p o s i t ed e c r e a s e s ，t h em i n i m u mi s11 8 5 ，w h i c hi sf a rl e s st h a nt h a to f p m nc e r a m i c ；w i t hi n c r e a s i n gt h ew tr a t i o ，t h ea c o u s t i ci m p e d a n c ezo fc o m p o s i t e i n c r e a s e s t h ei n f l u e n c eo fp i e z o e l e c t r i cc e r a m i cl wr a t i oo nt h ep r o p e r t i e so f c o m p o s i t ew a s r e s e a r c h e d t h er e s u l t ss h o wt h a tw i t i li n c r e a s i n g1 wr a t i o ，p i e z o e l e c t r i cs t r a i nf a c t o rd 3 3 a n dt h er e l a t i v ed i e l e c t r i cf a c t o r ro ft h e c o m p o s i t ei n c r e a s eg r a d u a l l y ；w h i l e p i e z o e l e c t r i cv o l t a g e f a c t o r 9 3 3 a n dd i e l e c t r i cl o s st a n 6d e c r e a s e t h e p l a n a r 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 o ft h ec o m p o s i t ei sh a r d l yi n f l u e n c e db yt h e1 w v a r i a t i o n w h i c hf l u c t u a t eb e t w e e n41 4 3 1 1 1 et 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 gc o e f f i c i e n tk tc o m p o s i t ei n c r e a s e sw i t h1 wr a t i oi n c r e a s e s ，t h em a x i m u mi s 6 3 8 6 w i t hi n c r e a s i n gl wr a t i o ，t h ea c o u s t i ci m p e d a n c ezo fc o m p o s i t ei n c r e a s e sf r o m 19 2 2t 02 2 8 5m r a y l t h ei n f l u e n c eo fn o n p e r i o d i cc e r a m i ca r r a n g e m e n ts t r u c t u r eo f1 - 3c e m e n t - b a s e d c 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 t ss h o wt h a t 谢协i n c r e a s i n gt h i c k n e s s ，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 3o ft h en o n p e r i o d i cc o m p o s i t ei n c r e a s e s ，a n dt h ep i e z o e l e c t r i cv o l t a g e f a c t o r9 3 3d e c r e a s e s a st h ep m nv o l u m ef r a c t i o ni n c r e a s e ，p i e z o e l e c t r i cs t r a i nf a c t o rd 3 3 a n dt h er e l a t i v ed i e l e c t r i cf a c t o re ri n c r e a s e ；t h ee l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gc o e f f i c i e n t 墨o fn o n p e r i o d i cp i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t ei sc l o s et ot h a to fp e r i o d i cp i e z o e l e c t r i c c o m p o s i t e ，w h i c hs h o w st h a tn o n p e r i o d i cc e r a m i ca r r a n g e m e n ts t r u c t u r eh a sl i t t l ee f f e c t o nt h et h i c k n e s sm o d e t h ea c o u s t i ci m p e d a n c ezd e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gt h i c k n e s s ， b u ti n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gp m nv o l u m ef r a c t i o n t h ep r o p e r t i e so f1 - 3 - 2c 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 ew e r es t u d i e d t h e r e s u l t ss h o wt h a t 谢t l ls a m es i z ea n dc o m p o n e n t ，p a r a m e t e r so fp r o p e r t i e so f1 - 3 2a r e c l o s et ot h a to f1 - 3c o m p o s i t e ，b u tt h ef a b r i c a t i o np r o c e s so f1 - 3 - 2c o m p o s i t ei ss i m p l e r e s o n a n c ep e a ko fc o m p o s i t e sa r el e s st h a nt h a to fc e r a m i c c o m p a r e d 晰t l l1 - 3 c o m p o s i t e ，t h et h i c k n e s sr e s o n a n c ef r e q u e n c y , m e c h a n i c a lq u a l i t yf a c t o ro mo ft h e1 - 3 2 c o m p o s i t ei ss m a l l ，a n dt h ea c o u s t i ci m p e d a n c ez i sl a r g e t h ea p p l i c a t i o no f1 - 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 sw a ss t u d i e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ef i r s tp e a l ( o fr e c e i v e ds i g n a lo fc e m e n t - b a s e dp i e z o e l e c t r i cs e n s o ri s l a r g e rt h a nt h a to fc e r a m i cs e n s o r ；1 - 3c e m e n t b a s e dp i e z o e l e c t r i cs e n s o rh a sav e r yf l a t v i i i 济南大学硕士学位论文 r e s p o n s es p e c t r u m ( b r o a d b a n d ) i n5 0 0 k h z ；l o c a t i o no ft h ec r a c k sp o s i t i o n e db y c e m e n t b a s e d p i e z o e l e c t r i c s e n s o ra n da c t u a ll o c a t i o na r ei nl i n e t h e r e f o r e ， c e m e n t b a s e dp i e z o e l e c t r i cs e n s o ri ss u i t a b l ef o rt h ed e t e c t i o no fc r a c k si nc o n c r e t e k e y w o r d s ：1 - 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 ，s e n s o r i x 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：盔= 】垂珠 日期： 型2 ：埠 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：盏j 玉珠导师签名：五墼 日期：型互：砰 济南大学硕上学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 智能材料与结构是一类集传感、控制和驱动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，实现材料驱动功能和智能化。目前，可 作为智能材料系统中的驱动材料主要有压电材料、形状记忆材料、电磁流变体和电 致、磁致伸缩材料等；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 性的传感器材料。其中，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，是智能材料与结构中应用最广泛、最重要的基础智能材料之一，它的 研究进展决定着智能材料与结构的实用化进程l l 3 1 。 材料的压电性是指在压力作用下材料两侧产生正负电荷、并在电场作用下材料 发生伸缩变形的性能。压电材料是一种机一电转换材料。利用其机一电转换机制， 该材料被广泛应用于各种声学测量、电子器件、光学仪器精确定位器、微型马达、 力学参数测量、医学仪器等等f 4 5 1 。压电材料种类包括压电陶瓷、压电聚合物和压电 复合材料。其中压电陶瓷以锆钛酸铅( p z t ) 和钛酸钡( b t ) 为代表，其机电耦合效应 强，压电应变常数西3 高，但是介电常数较高，所以压电电压常数9 3 3 一般较低。而 且它们韧性较差、易脆性开裂，导致由其制作的器件可靠性不高，耐久性差1 6 】。压 电聚合物以聚偏二氟乙烯( p v d f ) 为代表，它具有压电电压常数船3 高、柔软、易成 型和密度低等优点1 7 ，但也表现出盔3 低、极化电压高、不易极化等缺点。可见压电 陶瓷和压电聚合物的优缺点基本上是互补的。因此为了克服它们的缺点，人们自然 想到了将二者复合。 压电复合材料是2 0 世纪8 0 年代开始兴起研究新型压电材料【8 ，9 】，它是以环氧树 脂、橡胶或p v d f 等聚合物作为基体，以压电陶瓷作为电功能增强体而形成的复合 材料。它综合了压电陶瓷和聚合物的特点，具有介电常数小、密度低、韧性好等特 点。而且通过调节复合材料的微观结构和选择各相材料的性能，可以制作成性能多 样的压电复合材料，适合各种需要。但是聚合物基压电复合材料仍存在一些缺陷， 如o 3 型复合材料极化困难、压电性能不高等。 近年来，智能材料与结构渐渐渗入土木工程领域中【m 1 4 】，土木工程领域的众多 大型建筑结构，如大跨桥梁、高耸建筑和核建筑等，规模庞大、结构复杂，一旦失 1 3 型水泥基压电复俞材料的忡能及其应用研究 效，后果是灾难性的，对它们的安全性和耐久性的要求远高于一般性建筑结构。因 此，采用智能材料与结构，对重大土木工程建筑实施在线健康监测，对其振动、损 伤和形状进行主动控制，使其具有自感知、自判断、自适应、自恢复等智能行为具 有重要意义。 众所周知，智能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 智能材料传感功能或驱动功能的发挥有决定性的作用t 1 5 】。相容性不好，智能材料的 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，在金属等结构材料中适用的 智能材料未必适用于混凝土材料。例如，混凝土材料在各种内外因的作用下更易于 变形，在环境温度和湿度发生变化时，混凝土会出现收缩和膨胀现象6 1 。因此当体 积相对稳定的压电陶瓷机敏材料被埋入混凝土结构中时，如果发生温度或湿度的变 化，将导致混凝土与智能材料变形的不协调，从而使智能材料产生虚假信号，影响 传感精度，甚至会发生错误的监测情形。因此在发展土木工程领域的智能结构时， 研发与混凝土相容的智能材料具有重要意义。 1 2 水泥基压电复合材料的研究概况 以水泥基材料作为机敏材料的基体，掺入压电陶瓷材料作为功能体而形成的水 泥基压电机敏复合材料，在土木工程领域中不但可与混凝土母体具有良好的相容 性，而且它与混凝土结构材料的界面粘结效果也优于其它机敏材料。同时，采用水 泥基材料作为基体，还可有效地解决压电复合材料的极化问题，使压电复合材料具 有良好的压电性能【1 7 1 。近年来，水泥基压电复合材料引起了国内外学者的关注。 l iz o n g j i n 等人f 1 8 也o 】采用常规的成型技术和极化方法成功制备了0 3 型水泥基 压电复合材料，研究结果表明，o 3 型水泥基压电复合材料与混凝土之间可以具有 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 o 3 压电复合材料，而压电性能和机电耦合系数却高于后者。 l iz o n g j i n 等人【2 1 】制备了2 2 型连通方式的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。 2 济南大学硕士学位论文 香港理工大学的k h l a m 等人采用切割浇注法，以p z t 为压电功能组分，普 通硅酸盐水泥为基体，在制备2 2 型水泥基压电复合材料的基础上，通过二次切割 制备了1 3 型水泥基压电复合材料并获得了较高的机电耦合系数，进一步证实了该 类复合材料作为传感器在土木工程领域应用的可行性 2 2 1 。 本课题组以硫铝酸盐水泥为基体，采用压制成型法，成功制备了0 3 型水泥基 压电复合材料，并研究了成型压力、陶瓷功能体及温度等对复合材料的介电、压电 及机电性能的影响【2 3 - 2 6 。结果显示，采用压制成型法制备的o 一3 型水泥基压电复合 材料，结构更为致密，而且有利于提高材料的压电应变常数以3 和介电常数矸。 本课题组同样采用了切割浇注法，以硫铝酸盐水泥为基体，p m n 陶瓷为压电 功能组分成功制备了1 3 型水泥基压电复合材料，并初步研究了环境湿度对复合材 料性能的影响【2 7 1 。 作为一种新型的复合材料，水泥基压电机敏材料有着十分广阔的应用前景， 在改造传统水泥基材料、拓展其应用领域并促进材料结构一功能一体化的同时，对 于推动各类土木工程结构向智能化方向发展方面也有广泛的工程应用意义【2 8 】。 1 31 - 3 型压电复合材料的研究现状及发展趋势 1 3 1 卜3 型压电复合材料的特点及应用 1 3 型压电复合材料是一维的压电陶瓷柱平行地排列于三维连通的聚合物中而 构成的两相压电复合材料【2 9 】。 与单相压电陶瓷相比，1 3 型压电复合材料由于其特殊的结构而具有不可替代 的特点，从而决定了其广泛的应用前景【3 d 3 3 1 。其主要特点及应用概括如下： ( 1 ) 低的声阻抗。这是由于基体声阻抗低，使得1 3 型压电材料的声阻抗也低， 制作换能器容易找到相应的吸声材料作为背衬；同时可以通过改变压电陶瓷相的体 积百分比控制压电复合材料的声阻抗，从而与不同介质匹配。 ( 2 ) 较小的平面机电耦合系数。压电复合材料中，陶瓷柱与基体相互耦合在一 起，其平面机电耦合系数要小于普通陶瓷的平面机电耦合系数，使得能量更能集中 于厚度模，提高了换能器的分辨率、改善了脉冲的响应时间。 ( 3 ) 低q 值。1 3 型压电复合材料的机械品质因数q 比普通陶瓷低2 3 个数量 级，这是由于基体衰减较大所致。低q 值使压电复合材料很适合制作宽带窄脉冲换 能器。 3 1 3 型水泥基压电复合材料的性能及其应用研究 ( 4 ) 1 - 3 型压电复合材料的介电常数远小于压电陶瓷，从而有较小的静电容，换 能器工作时输入阻抗较高，因而具有较高的接收电压灵敏度。另外，低的静电容使 得充放电时间缩短，利用压电复合材料可以制备首次波幅较大的换能器。 ( 5 ) 压电陶瓷柱大小可调节且陶瓷相分布的可控性好。通过控制陶瓷相的含量 从而使压电常数等与此有关的参数改变，这比传统的制作非均匀压电晶片的方法简 单，而且能充分利用压电复合材料本身的优点，比较容易达到控制辐射声场的目的。 1 3 2 卜3 型压电复合材料的研究现状 1 3 型压电复合材料的研究始于上世纪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，并研制了1 3 型压电复合材料。 r e n e w n h a m 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【3 4 ，3 5 1 。8 0 年代以后，美国加州斯坦福大学的b a a u l d 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【3 6 1 。 美国纽约菲利浦实验室的w a s m i t h 等人也研究了1 3 复合材料的影响因素，设计 并制备了性能优越于传统传感器的超声换能器【3 7 1 。2 0 世纪9 0 年代至2 l 世纪初，美 国麻省理工大学的r g e n t i l m a n 等人用注射成型的方法制备了空间分辨率为5 7 应 用于水听器的1 3 型压电复合材料【3 8 】。美国宾州大学的r j m e y e rj r 等人制备了适 合于微型高分辨率医用传感器的1 3 型压电复合材料【3 9 1 。德国的t h a u k e 等人采用 有限元方法模拟了1 3 型压电复合材料的性能并和实验数据进行了比较分析m 。日 本的h i r o s h it a k e u c h i 等及英国的g h a y w a r d l 4 1 1 和r h 锄i t o n 【4 2 1 等人也利用压电复合 材料制作了相应的换能器。 压电复合材料的出现也引起了国内一些研究机构的关注。在各种压电复合材料 中，研究得最深入、应用得最广泛的是1 3 型压电复合材料。上世纪8 0 - 9 0 年代， 我国学者对1 3 型压电复合材料理论和工艺方面的研究也开展得比较广泛，主要有 香港理工大学的陈王丽华等根据相关参数建立模型，从而预测1 3 型复合材料的一 些性能参数，研究并制作了1 3 型压电换能器 4 3 j 。南京大学的水永安等参与了1 3 型压电复合材料的理论研究工作，中科院声学所的耿学仓等研制出了1 3 型复合材 料，并制作了用于无损检测水浸探伤和岩性测量的纵波、横波换能器等【4 4 1 。中科院 声学所的刘殿锋1 4 5 1 等人通过调整1 3 型压电复合材料换能器中压电相的分布，可以 控制换能器辐射面上振动幅度和相位的分布，从而获得具有特殊性能的声场；研究 4 济南大学硕十学位论文 并制备了1 3 型压电复合材料非均匀振动换能器，包括边缘型换能器和f r e s n e l 聚焦 换能器。2 1 世纪初，北京信息工程学院的李邓化和李光采用切割一填充法制备了q m 值为l o ，频带宽为8 6 k h z 的1 3 型压电复合材料1 4 6 1 。中科院武汉物理所的杨凤霞等 人【4 7 1 、江苏工业学院的李坤等人【4 8 1 、青岛海洋大学的于新胜等人 4 9 1 在1 3 型压电复 合材料的模型与方法等方面开展了很多相关的工作。 1 41 - 3 型水泥基压电复合材料的存在的问题及展望 综合分析国内外在1 3 型水泥基压电复合材料各个研究领域包括材料、等效特 征参数、现有的制备工艺技术、已应用和可能应用的领域等方面的研究进展，可以 看出1 3 型水泥基压电复合材料出现至今，对它的研究和应用已经有了相当的进展， 但它的理论还有待完善，它的应用开发更需要进一步挖掘。 其压电效应机理和介电极化机理尚不清楚；其制备方法、所选用的压电功能体 和水泥基体都比较单一；许多因素对水泥基压电复合材料性能的影响规律及机理尚 未见报道，还有待于深入研究。 首先，应加强实验方面的研究工作。1 3 型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；其中非周期性排列陶瓷柱1 3 型压电 复合材料也将是研究重点。 其次，要深入理论研究。1 3 型水泥基压电复合材料的压电效应机理和介电极 化机理尚不清楚；许多因素对水泥基压电复合材料性能的影响规律及机理尚未见报 道，还有待于深入研究。 再次，1 3 型水泥基压电复合材料的理论模型尚未建立。应加强理论模型的研 究工作，从不同角度建立一些模型来解释这种材料的特性。 最后，由于所有材料的制备是为了适应现实的应用要求，因此，开发1 3 型水 泥基压电复合材料压电器件是必然趋势。 1 5 本论文的主要内容 本论文采用切割浇注法制备了1 3 型水泥基压电复合材料，并对其性能进行了 研究，具体内容如下： ( 1 ) 以铌锂锆钛酸铅( p l n ) 为功能体，分别以普通硅酸盐水泥( p c ) 、硫铝酸盐水 泥( s a c ) 、磷铝酸盐水泥( p a l c ) 、硫铝酸钡钙水泥单矿物( c b a s ) 及环氧树脂作为基 s 卜3 型水泥基压电复合材料的性能及其应用研究 体材料制备1 3 型压电复合材料，研究不同基体对1 3 型压电复合材料性能的影响； ( 2 ) 以铌镁锆钛酸铅陶瓷( p m n ) 为功能体，硫铝酸盐水泥为基体，制备1 3 型水泥基压电复合材料，分别研究压电陶瓷功能体宽厚比及长宽比对压电复合材料 的压电、介电、机电及声阻抗等性能的影响； ( 3 ) 以铌镁锆钛酸铅陶瓷( p m n ) 为功能体，硫铝酸盐水泥为基体，制备1 3 型水泥基压电复合材料，研究了非周期性排列陶瓷柱对复合材料性能的影响； ( 4 ) 以铌镁锆钛酸铅陶瓷( p m n ) 为功能体，硫铝酸盐水泥为基体，制备了1 3 2 型和1 3 型水泥基压电复合材料，初步研究两种不同类型复合材料的性能差异； ( 5 ) 对1 3 型水泥基压电复合材料的应用进行初步研究。 6 济南大学硕七学位论文 第二章1 - 3 水泥基压电复合材料的制备与表征 任何一种新型材料，其性能的优劣，制备工艺是一个非常关键的影响因素。1 3 型压电复合材料的制备方法有多种。最早采用的工艺方法是插排浇注法【5 0 】，这种 方法是将压电陶瓷细棒事先在模具上插排好，然后向其中浇注聚合物，固化之后再 经切割成片、镀电极、极化即形成l 一3 型压电复合材料。该方法制备的压电陶瓷纤 维的分布灵活，可以规则和不规则排列；但制备工序较复杂，压电陶瓷相的脆性引 起的损失率高，且压电陶瓷相的直径一般不超过2 0 0 微米。为了制备压电陶瓷相直 径更小的压电复合材料，人们又发展了两种制备方法。一种是切割一填充法【5 ，即 在陶瓷块上沿与压电陶瓷块极化轴相垂直的两个水平方向上通过准确的锯切，刻出 许多深槽，然后再槽内浇注聚合物，固化之后将剩余的陶瓷基底切除掉，在经镀电 极、极化即形成1 3 型压电复合材料。另一种方法是层叠一切割法【5 2 】，这种工艺方 法是将压电陶瓷和聚合物薄片交替层叠胶合，然后沿着层叠板的长度方向进行切 割，将切割下来的薄片再与聚合物交替层叠胶合，然后进行一次切割即形成1 3 型 压电复合材料试样。用这两种方法制备的复合材料的压电陶瓷棒的直径最小可达5 0 微米，甚至1 0 微米。 本研究选择了制备工艺简单，被广泛应用于实验室及商业化生产的切割一填充 法来制备1 3 型压电复合材料。对于利用厚度剪切压电效应的复合材料，采用已经 经过极化处理的压电陶瓷作原料，因此制成的复合材料无需再进行极化处理。 2 1 原材料 环氧树脂：实验室合成； 硫铝酸盐水泥( s a c ) ：淄博金湖高水材料有限公司生产的硫铝酸盐4 2 5 水泥； 普通硅酸盐水泥( p c ) ：山东水泥厂生产的普通硅酸盐水泥5 2 5 水泥； 磷铝酸盐水泥( p a l c ) ：山东淄博云鹤水泥厂生产的磷铝酸盐水泥6 2 5 水泥； 硫铝酸钡钙水泥单矿物( c b a s ) ：实验室合成； 铌锂锆钛酸铅( p l n ) ：河北保定市宏声声学器材厂生产； 铌镁锆钛酸铅( p m n ) ：河北保定市宏声声学器材厂生产。 表2 1 和表2 2 给出了不同水泥及压电陶瓷的各项性能参数。 7 1 - 3 型水泥摹压电复合材料的件能及其应用研究 表2 1 不同水泥的主要性能 t a b l e2 it h em a i np r o p e r t i e so fd i f f e r e n tc e m e n t 表2 2 不同压电陶瓷的性能参数 t a b l e2 2t h ep r o p e r t i e so fd i f f e r e n tp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c p m n 一0 3 7 5 p b ( m g l a n b 2 3 ) 0 3 0 3 7 5 p b t i 0 3 0 2 5 p b z r 0 3 p l n 一0 0 8 p b ( l i u 4 n b 3 4 ) o 0 4 7 p b t i 0 3 0 4 5 p b z r 0 3 2 2 仪器设备 金刚石外圆切割机：w s q 5 0 型，沈阳麦科材料加工设备有限公司； 以3 测量仪：z j 3 a ，中科院声学研究所； 阻抗测试仪：h p 4 2 9 4 a 阻抗测试仪，美国安捷伦公司； 标准养护箱：y h 一4 2 b 恒温恒湿养护箱，泊头市科析仪器设备厂； 真空干燥箱：d z f 6 0 5 0 型，上海恒一科技有限公司； 扫描电子显微镜：日立s 2 5 0 0 型，日本日立公司； 数字电桥：t h 2 8 1 6 宽频l c r 数字电桥，常州市同惠电子有限公司； 高低温实验箱：m c 一7 1 0 p 型，广州爱斯佩克