（材料学专业论文）03型水泥基压电复合材料的制备与研究.pdf

原创性声明 f i l f l lif l t i i f l l li l l i ip l l l l l l i y 17 9 0 4 9 5 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。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盔递 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 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：么啦导师签名：蟑日期汹矽 山东大学硕：i ：学位论文 目录 摘要i j 6 l l i i s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 弓l 言1 1 2 压电机理l 1 3 压电复合材料3 1 4 聚合物基压电复合材料4 1 5 水泥基压电复合材料5 1 60 - 3 型水泥基压电复合材料5 1 6 1 压电相的影响6 1 6 2 制备工艺条件对o 3 型水泥基压电复合材料性能的影响7 1 6 3 微观结构对复合材料的性能的影响8 1 71 3 型水泥基压电复合材料8 1 7 1 压电陶瓷含量对复合材料压电及介电性的影响8 1 7 2 陶瓷柱宽厚比对复合材料压电介电性的影响9 1 7 3 环境湿度对复合材料压电及介电性的影响9 1 82 2 型水泥基压电复合材料9 1 8 1 水泥基体的水灰比对复合材料性能的影响1 0 1 8 22 。2 型复合材料传感效应和驱动效应。1 0 1 9 碳纳米管的改性处理1o 1 9 1 碳纳米管的性质一1 0 1 9 2 碳纳米管的表面处理1l 1 1o 课题的提出12 1 1 1 研究内容13 1 1 2 技术路线1 4 第二章实验设备、材料制备与测试方法。15 2 1 主要仪器及设备1 5 2 2 实验原料l5 2 3 样品的制备过程1 6 山东大学硕十学位论文 2 4 性能测试及方法l8 2 2 1 压电常数18 2 2 2 介电常数18 2 2 3 介电损耗1 9 2 2 4 机电耦合系数1 9 2 2 5 机械品质因数1 9 2 2 6 声阻抗2 0 第三章p z t 水泥基压电复合材料的各组分对性能的影响2 1 3 1 压电陶瓷相对p z t 水泥基压电复合材料性能的影响2 1 3 1 1 压电陶瓷相的粒度分析2 1 3 1 2 压电陶瓷相对压电复合材料压电性能的影响2 2 3 1 3 压电陶瓷相对压电复合材料介电性能的影响2 3 3 1 4 压电陶瓷相对压电复合材料机电耦合性能的影响2 5 3 2 压电陶瓷相粒度对p z t 水泥基压电复合材料性能的影响2 7 3 2 1p z t 陶瓷粒度对压电复合材料压电性能的影响2 8 3 2 2p z t 陶瓷粒度对压电复合材料介电性能的影响3 2 3 3 水泥基体的选择对p z t 水泥基压电复合材料性能的影响3 3 3 3 1 水泥基体对压电复合材料压电性能的影响3 4 3 3 2 水泥基体对压电复合材料介电性能的影响3 6 3 3 3 水泥基体对压电复合材料机电耦合性能的影响3 7 3 4 本章小结3 9 第四章o 一3 型纳米p z t 陶瓷水泥基压电复合材料4 0 4 1 纳米p z t 粉体的表征4 0 4 2 纳米p z t 水泥复合材料的压电性能4 4 4 3 本章小结4 7 第五章碳黑对m 3 型水泥基压电复合材料性能的影响4 9 5 1p 2 r t 陶瓷与水泥的粒度表征4 9 5 2 碳黑p z t 水泥压电复合材料的显微形貌5 0 5 3 老化时间对碳黑p z t 水泥压电复合材料极化行为的影响5 l 5 4 碳黑对碳黑p z t 水泥复合材料的极化条件的影响5 2 山东人学硕士学位论文 5 5 碳黑对碳黑p z t 水泥复合材料极化效率的影响5 4 5 6 碳黑对碳黑p z t 水泥复合材料压电性能的影响5 6 5 7 碳黑对碳黑p z t 水泥复合材料介电性能的影响5 7 5 8 碳黑对碳黑p z t 水泥复合材料机电耦合性能的影响6 0 5 9 本章小结。6 2 第六章碳纳米管对o 3 型水泥基压电复合材料性能的影响6 3 6 1 碳纳米管不同处理方法及分散性研究6 3 6 1 1 碳纳米管的显微形貌观察6 3 6 1 2 处理前后纳米碳管的x r d 分析6 4 6 1 - 3 处理前后纳米碳管的红外分析6 6 6 2 碳纳米管处理方式对压电复合材料性能的影响6 7 6 2 1 碳纳米管不同处理方法对压电复合材料压电性能的影响6 7 6 2 2 碳纳米管不同处理方法对压电复合材料介电性能的影响6 9 6 - 3 本章小结7 1 第七章结论7 2 参考文献7 5 致谢8 3 附录：发表的论文目录8 4 山东大学硕士学位论文 山东大学硕士学位论文 摘要 0 3 型水泥基压电复合材料不但具有与土木结构中混凝土母体的良好相容 性，而且其与混凝土结构材料有优良的阻抗匹配关系，两者间界面粘结效果显 著。0 3 型水泥基压电复合材料具有易于制备、成本低、性能可靠的优点。其压 电性能优越，可制造混凝土结构中的水泥基传感器。 本文以p z t 压电陶瓷与水泥复合制备得到压电性能较好的水泥基压电复合 材料。以不同种类的锆钛酸铅( p z t ) 压电陶瓷为功能相，分别用普通硅酸盐水泥 和白水泥为基体，并添加少量碳黑和碳纳米管，采用压制成型法制备了o 3 型水 泥基压电复合材料，具体研究内容及结果如下： 研究了不同压电陶瓷相( p 4 1 ，p 4 3 ，p 5 1 和p 5 2 ) ，以及不同水泥基体等对水泥 基压电复合材料性能的影响因素，并分析了其微观结构。水泥基压电复合材料 的压电与介电性能主要受压电陶瓷相的影响，故由p 5 2 与p 5 1 制成的复合材料的 压电应变常数及介电常数高于由p 4 1 与p 4 3 f 1 1 成的复合材料。而由p 5 2 与p 5 1 制成 的复合材料的介电损耗与阻抗高于由p 4 1 与p 4 3 f l ；1 成的复合材料。复合材料的压 电常数均随着压电陶瓷相的增多而增大。三种不同水泥基体制备的水泥基压电复 合材料中，压电常数均随着p z t 压电陶瓷含量的提高而增大。其中波特兰水泥对 压电性能的贡献稍微较大，介电性能三者相差不大。 探讨了压电陶瓷粒度对o 3 型水泥基压电复合材料压电及介电性能的影响。 p z t 粉体平均粒度为3 9 m 到4 8 2 9 m 。结果表明西j ，和局值均随着p z t 粒度 的增大而增加。但是含有较大p z t 颗粒的复合材料的介电损耗细6 同样较大。 根据x r d 等测试结果，较小p z t 粒度伴随而来的西j ，昂和局值的减小可能是 p z t 颗粒和水泥基体之间的表面多孔造成的。而p z t 粒度较小时复合材料的结 构较为紧实和致密。 用金属醇盐通过溶胶凝胶法制备出纳米p z t 粉体。x r d 等分析结果证实了 7 0 0 烧结的p z t 粉体中仅有烧绿石相存在。7 0 0 烧结的p z t 粉体的平均粒度 大约为2 0 0 n m ，而计算出品粒尺寸为2 6 4 n m 。纳米p z t 粉体和水泥采用压制成 型法制得。测试了水泥纳米p z t 压电复合材料的压电性能。和掺加较大粒度的 p z t 颗粒相比，水泥纳米p z t 压电复合材料呈现出比较优越的压电性能。 山东大学硕上学位论文 用白水泥为基体，p z t 粉体为功能相，并添加少量的碳黑，来制备0 3 型水 泥基压电复合材料。研究了碳黑p z t 水泥复合材料中老化的实质以及其极化行 为。结果表明加入碳黑相之后极化过程得以在常温下进行。也研究了碳黑对复合 材料压电性能及介电性能的影响。结果表明复合材料的压电性能因为碳黑加入而 呈现较大提高，主要原因是碳黑的导电性比较好。在极化电压4 k v m m 和极化时 间2 0 m i n 的条件下，含7 0 v 0 1 p z t 的压电复合材料西3 ，e r ，t a n j 和局值分别 为：2 8 5p c n ，2 0 2 6 ，o 1 9 和1 2 2 。 研究了纳米碳管的分散对p z t c e m e n t 压电复合材料的压电性能的影响的研 究。o 3 型碳管p z t c e m e n t 压电复合材料是由硅酸盐水泥和一定粒度比例的 p z t 粉术和纳米碳管通过混合制备而成的。本文对含有不同处理方法的碳管、 不同分散方法和不同含量碳管的压电复合材料的压电以及介电性能进行了研 究。实验结果表明：用f e n t o n u v 方法处理的纳米碳管的分散性最好，碳纳米 管对水泥基压电复合材料的压电性能和介电性能都有显著的改善作用。 f e n t o n u v 法处理c n t s ，去除其中的非晶杂质比较彻底。h n 0 3 氧化法和 f e n t o n u v 处理后的c n t s 表面存在c = o 、c o o h 、o h 等官能团。复合材料 的压电应变常数随着c n t s 含量的增加而增加，当c n t s 的加入量为0 1 0 w t 时，其, 3 3 值最大，为5 4p c n 。但过量的c n t s 会使复合材料的压电性能降低， 这是由于过量的c n t s 可破坏水泥基体的绝缘性，使复合材料无法极化。 关键词：0 3 型水泥基压电复合材料；p z t ；碳黑：碳纳米管；压电性；介电 性；机电耦合性能 山东人学硕： ：学位论文 a b s t r a c t 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 se x h i b i t r e a s o n a b l e p i e z o e l e c t r i c a c t i v i t i e sa sw e l la ss i m i l a ra c o u s t i ci m p e d a n c et oc o n c r e t es t u c t u r e b e s i d e s ，t h e c e m e n t - b a s e dc o m p o s i t e sh a v et h ea d v a n t a g eo fo u t s t a n d i n gi n t e r f a c i a lc o m b i n a t i o n a n de x c e l l e n ti n t e r f a c ec o m p a t i b i l i t yw i t hc i v i le n g i n e e r i n gs t r u c t u r e sb e c a u s eo ft h e u t i l i z a t i o no fc e m e n ta sm a t r i x t h e s ea r ee a s i l yp r e p a r e dw i t hl o wc o s t ，a l o n gw i t h s t a b l ep r o p e r t i e s e s p e c i a l l yt h e i rp i e z o e l e c t r i cp r o p e r t yi sp r e t t ys a t i s f y i n gf o rt h e a p p l i c a t i o n ，i no r d e rt ob em a d ei n t o c e m e n t b a s e dt r a n s d u c e ri nt h ec o n c r e t e s t r u c t u r e i nt h i sp a p e r ，p z tp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c sw e r em i x e dw i t hc e m e n tt of a b r i c a t e c e m e n t b a s e dc o m p o s i t e sw i t he x c e l l e n tp i e z o e l e c t r i cp r o p e r t i e s 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 sw e r ep r e p a r e db yc o m p r e s s i n gp r o c e s s ，w h i c ha d o p t e d d i f f e r e n tk i n d so fp z tp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c sa saf u n c t i o n a lp h a s e ，p o r t l a n dc e m e n t a n dw h i t ec e m e n ta sm a t r i x ，a n dw e r er e i n f o r c e da n dm o d i f i e db yas m a l lq u a n t i t yo f c a r b o nb l a c ka n dc n t s t h em a i nc o n t e n ta n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w 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 sw e r ep r e p a r e di n t h i sr e s e a r c h ， e m p l o y i n gp 41 ，p 4 3 ，p 5 1a n dp 5 2 ，f o u rt y p e so f p i e z o e l e c t r i cc e r a m i cc o m p o s i t e m a t e r i a l sa sf u n c t i o n a lp h a s e sa n dp o r t l a n dc e m e n ta sm a t r i x ，a n dt h ep i e z o e l e c t r i c a n dd i e l e c t r i cp r o p e r t i e so fp i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e sw e r ea l s os t u d i e d t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h ec o m p o s i t e sa d d i n gp 51a n dp 5 2h e l db e t t e rp i e z o e l e c t r i cp r o p e r t i e s a n dh i g h e rd i e l e c t r i cc o n s t a n tb u tm o r ed i e l e c t r i cl o s sa n di m p e d a n c ea c c o r d i n g l y p i e z o e l e c t r i cp r o p e r t i e so fp 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 dw i t ht h eg r o w t ho ft h e c o n t e n to fp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c f u r t h e r m o r et h i sp a p e ra n a l y z e dd i f f e r e n tk i n d so f c e m e n ti n f l u e n c i n gt h ep r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e s ，w h i c hs h o w e dt h a tp o r t l a n d c e m e n tm a d es l i g h t l yh u g ec o n t r i b u t i o n ，a n dt h ec o m p o s i t e sp o s s e s s e da l m o s tt h e s a m ed i e l e c t r i cp r o p e r t i e sa m o n gt h et h r e ec e m e n tm a t r i x i nt h i ss t u d y ，t h ee f f e c to fp a r t i c l es i z eo nt h ep i e z o e l e c t r i ca n dd i e l e c t r i c p r o p e r t i e s o f0 - 3 c 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 s w a s i n v e s t i g a t e d t h e p 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 ym i x i n ga n dp r e s s i n gt h ew h i t ec e m e n ta n d 山东大学硕士学位论文 p z t p o w d e rw i t hd i f f e r e n ta v e r a g ep a r t i c l es i z er a n g e df r o m3 岬t o4 8 2 i t m i tw a s f o u n dt h a tt h e p i e z o e l e c t r i c s t r a i n f a c t o r ( d 3 3 ) ，d i e l e c t r i cc o n s t a n t ( e r ) ，a n d e 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 ( k t ) i n c r e a s e dw i t ht h eg r o w t ho ft h ep z t p a r t i c l es i z e h o w e v e r ，t h ec o m p o s i t e sw i t hl a r g e rp z tp a r t i c l e sh a dh i g h e rd i e l e c t r i c l o s s ( t a n 回t h a nt h o s ew i t hs m a l l e rp a r t i c l e s a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fx r d ，s e m a n dm i p ，t h ei n f e r i o rd 3 3 。ra n dk tv a l u e so ft h ec o m p o s i t e sw i t hs m a l lp z t p a r t i c l e s i z ew e r eb e l i e v e dt od u et ot h ei n c r e a s eo fp o r o u si n t e r f a c eb e t w e e np z tp a r t i c l e s a n dc e m e n tm a t r i x w h e r e a s ，t h el o wv a l u eo ft h ec o m p o s i t e sw i t hs m a l lp z t p a r t i c l e s i z ew a sa t t r i b u t e dt oi t sc o m p a c t e dm i c r o s t r u c t u r e l e a dz i r c o n a t et i t a n a t e ( p b ( z r 0 s 2 t i o 4 8 ) 0 3 ) n a n o p o w d e rw a sp r e p a r e du s i n ga s o l - g e lp r o c e s s t h er e s u l t so ft h ed t a t g a ，x r d ，l a s e rp a r t i c l es i z ea n a l y s i sa n d s e ms t u d i e si n d i c a t e dt h a tt h ep z tp o w d e rc a l c i n e da t7 0 0 。ch a dp e r o v s k i t e s t r u c t u r ew i t ha na v e r a g ec r y s t a l l i t ed i a m e t e ro f2 6 4n ma n da na v e r a g ea g g l o m e r a t e d i a m e t e ro fa b o u t2 0 0n m t h e0 - 3c e m e n t n a n op z t c o m p o s i t ew e r ef a b r i c a t e db y p r e s s i n gt h em i x t u r eo fw h i t ec e m e n ta n dn a n op z tp o w d e r s t h ep i e z o e l e c t r i c p r o p e r t i e so ft h ec e m e n t n a n op z tp 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 nm e a s u r e d c o m p a r i n gt o t h ec e m e n t p z tc o m p o s i t em a d eb yi n c o r p o r a t i n gt h eg r o u n dp z t p a r t i c l e s ，t h ec e m e n t n a n op z tc o m p o s i t es h o w e dab e t t e rp i e z o e l e c t r i ca c t i v i t i e 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 s ，f a b r i c a t e df r o mw h i t ec e m e n t ，p z t p o w d e ra n ds m a l la m o u n t so fc a r b o nb l a c k ，w e r ee x p l o i t e df o rp o t e n t i a la p p l i c a t i o n s i nc i v i le n g i n e e r i n g t h en a t u r eo ft h ea g i n ga n dp o l i n gb e h a v i o ro ft h ec a r b o n b l a c k p z t c e m e n tc o m p o s i t e sw a si n v e s t i g a t e d i tw a ss h o w nt h a tt h eu s eo fa c o n d u c t i v ec a r b o nb l a c kp h a s ec a nf a c i l i t a t et h ep o l i n gp r o c e s sa tr o o mt e m p e r a t u r e t h ei n f l u e n c e so ft h ec a r b o nb l a c ko nt 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 sw e r e s t u d i e da s w e l l i tw a sd e m o n s t r a t e dt h a tt h e p i e z o e l e c t r i cs e n s i t i v i t i e so ft h e c o m p o s i t e sc a nb ed r a m a t i c a l l ye n h a n c e db yi n c o r p o r a t i o no fs m a l la m o u n t so f c a r b o nb l a c k ，d u et oi t sc o n d u c t i v i t y w i t ha p o l i n gf i e l do f4 k v m ma n dp o l i n gt i m e o f2 0 m i n ，t h ed 3 3 ，nt n 确a n dk tv a l u e so ft h ec o m p o s i t e sc o n t a i n i n g7 0 v 0 1 p z 忑 a n d1 o v 0 1 c a r b o nb l a c kw e r e2 8 5 删，2 0 2 6 ，o 19a n d12 2 ，r e s p e c t i v e l y i v 山东大学硕：l 学位论文 i nt h i sr e s e a r c h ，t h ei n f l u e n c eo ft h ed i s p e r s i o no fc a r b o nn a n o t u b e st o p z t c e m e n tp i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e sh a db e e ni n v e s t i g a t e d 0 - 3c n t s p z t c e m e n t p i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e sw e r ef a b r i c a t e dw i t ht h ep z tp o w d e r s ，c e m e n ta n das p o to f c n t su t i l i z i n gt h ec o m p a c t i n gm e t h o d t h eb e h a v i o r so fc 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 se m b r a c i n gd i f f e r e n tc o n t e n t so fm w c n t s ，a n ds e v e r a l m e t h o d so f d i s p e r s i o n a n dp u r i f i c a t i o no ft h e m w e r ei n v e s t i g a t e do nt h ep i e z o e l e c t r i ca n d d i e l e c t r i cp r o p e r t i e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec n t si n f l u e n c e dt h ep i e z o e l e c t r i c p r o p e r t i e so fc 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 st oc e r t a i ne x t e n t t h ef e n t o n u v m e t h o dw a sab e t t e rm e t h o dt od i s p e r s et h ec n t s f e n t o n u vm e t h o dc o u l dr e m o v e t h ea m o r p h o u si m p u r i t i e si n s i d et h ec n t st h o r o u g h l y a n dh n 0 3o x i d a t i o na n d f e n t o nm e t h o db o t he n a b l et h ei n t r o d u c t i o no nc n t ss u r f a c eo ff u n c t i o n a lg r o u p s s u c ha s c = o ，- c o o h ，o ha n ds oo n t h e r ew a sac o n d u c t i v en e t w o r ki n p z t c e m e n t p i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e s w i t hc n t sd i s p e r s e dt o i m p r o v e t h e c o n d u c t i v i t ya m o n gt h e m i tc o u l di m p r o v et h ep o l a r i z a t i o ne f f i c i e n c y o fp z t p a r t i c l e sa n ds t r e n g t h e nt 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 fp z t c e m e n t p i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e s w h e nc n t sc o n t e n tr e a c h e do 10w t ，西，o ft h e c o m p o s i t e sc o u l db e c o m e4 6p c nf o rt h eh n 0 3o x i d a t i o nm e t h o d ，b u td 3 3o ft h e c o m p o s i t e sc o u l dc o m et o5 4p c nf o rt h ef e n t o n u vm e t h o da to 15w t c n t s k e y w o r d 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 ；p z t ；c a r b o nb l a c k ；c h i t s ； 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 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 gp r o p e r t i e s v 山东大学硕十学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着科技的发展，新材料技术渐渐成为科研人员们竞相研究的热点领域。 尤其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科技含量行 业的迅速崛起，对材料功能化、器件小型化、结构智能化的要求越来越高，使 智能材料的研究更加吸引学者们的关注【l 】。智能材料是模仿生命系统，可以感 知环境变化并能改变自身的一种或多种性能参数，自我调整为能与变化后的环境 相适应的材利2 1 。土木工程领域中，用智能材料对重大的土木工程的安全和健 康检测的相关研究越来越多。目前其所用的智能材料大多为压电陶瓷，碳纤维， 光导纤维，记忆合金等【3 。5 1 。而其中的压电材料具有如下优点：驱动输出大，响 应速度快且体积紧凑，成为颇具前景的基础智能材料之一睁7 1 。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，开展智能材料尤其是压电 材料的研究将具有十分重大的战略意义。 1 2 压电机理 自从1 8 8 0 年j 居罩和p 居罩发现了石英晶体的压电效应以后，便丌始了压 电学历史。在二战后期，美、r 、苏三国几乎同时发现了钛酸钡陶瓷具有良好 的压电性能，并以此材料取代了笨重的磁致伸缩振子，制成了性能更优异的声 纳，提高了声纳的灵敏度。而在1 9 5 4 年，美国的b 贾菲公布了二元系锆钛酸铅 ( p z t ) 陶瓷材料，翻开了压电应用的新篇章。到了6 0 年代，以p z t 为基础进 行掺杂改性处理，发展了三元系和四元系压电陶瓷材料。如1 9 6 5 年，日本松下 电器公司首先开发了p c m 压电陶瓷系列：p b ( m g l 3 n b 2 3 ) 0 3 - p b z r 0 3 - p b t i 0 3 ，其 性能比p z t 更优越【引。 上世纪7 0 年代，学者们开始了压电陶瓷聚合物压电复合材料的相关研究。 北山中村先生在1 9 7 2 年试制成功了p v f d b a t i 0 3 复合材料。7 0 年代中期以 后，n e w n h a m 及s k i n n e r 等2 1 研究探讨了压电复合材料的理论模型。本世纪 初，适应土木工程的需要，人们丌始研究制备压电陶瓷水泥压电复合材料。 山东大学硕上学位论文 国内外对压电陶瓷及其复合智能材料的应用研究主要集中在两个方面：结构 的声和振动主动控制与结构形状的自适应控制【1 3 】。1 9 9 1 年，弗吉尼亚工学院研 制出了压电陶瓷结构声主动控制系统( a s a c ) 。美国某公司利用a s a c 装置， 采用声误差传感，把l1 0 d b 声源的声强降低了2 9 d b ，声强和声功率降低了7 8 5 d b 。目前，a s a c 装置中的压电驱动器在美国已经商品化。1 9 9 3 年，美国研制 出了含有主动控制的压电复合材料结构。 压电性的定义，就是材料按所施加的机械应力成一定比例地产生电荷的能 力。当对某些材料在一定的方向上施加机械应力时，在其两端表面上会出现数量 相等、符号相反的束缚电荷；作用力反向时，表面电荷性质亦反号，而且在一 定范围内电荷密度与作用力成正比。反之，该材料在一定方向的电场作用下， 则会产生外形尺寸的变化，在一定范围内，其形变与电场强度成j 下比。前者和 后者分别被称为正逆压电效剧h 。 压电效应的实质：应力与应变改变介质极化，导致符号相反的束缚电荷出线 在介质两端表面内，如图1 1 示意图所示。 图1 1 压电材料产生压电效应的机理示意图【1 4 】 f i g 1 1s c h e m a t i cd r a w i n go f p i e z o e l e c t r i ce f f e c tm e c h a n i s m i l 4 l 压电效应与晶体的对称性有关。对晶体施加应力时，改变了晶体内的电极 化，这种电极化只能在不具有对称中心的晶体内才可能发生。具有对称中心的 晶体都不具有压电效应，因为这类晶体受到应力作用后，内部发生均匀变形， 仍然保持质点间的对称排列规律，并无不对称的相对位移，因而正、负电荷重 心重合，不产生电极化，没有压电效应。只有晶体不具有对称中心，质点排列并 不对称，在应力作用下，产生不对称的相对位移，形成新的电矩，才能呈现出 压电效应1 1 4 】。 2 山东人学硕l ：学位论文 对锆钛酸铅( p z t ) 压电陶瓷而言，由于t i 4 + 的离子半径与z r 4 + 的离子半径 相近、化学性质相似，p b z r 0 3 和p b t i 0 3 能以任何比例形成连续固溶体 p b ( z r x t i i 。) 0 3 ( p z t ) ( 0 9 s 1 ) ，呈钙钛矿结构，如图1 - 2 。在x = 0 5 2 附近，四方 相和三方相共存，相变激活能低，只需在较弱电场的诱导下，就能发生晶相结 构的转变，极化处理时可以获得高压电活性和高介电常数【i5 1 。p z t 的出现开辟 了压电材料应用的新局面，对压电材料来说具有划时代的意义。为了适应不同 的应用要求，获得不同的压电、介电性能，采用改变锆、钛比的方法，z r t i 比 主要集中在9 5 5 和5 3 4 7 组成范围。单纯依靠不同的z r t i 比来改善材料的压电 性能，远远满足不了不同领域的要求，可以选择等价及不等价离子取代或者掺 杂杂质等方法来改善其性甜怕】。 图1 2a b 0 3 型钙钛矿的四方品胞结构【1 6 1 f i g 1 2t h et e t r a g o n a lc r y s t a ls t r u c t u r eo fa b 0 3p e r o v s k i t e 1 6 l 1 3 压电复合材料 压电陶瓷具有较高的居里温度、高机电耦合系数，但是其介电常数较高， 所以压电电压常数g j j 一般较低，而且它们韧性较差、易脆性开裂、制备温度较 高，不宜制得很薄的薄膜材料，导致由其制作的器件可靠性不高，耐久性差 0 7 1 。将压电陶瓷与其他材料进行复合所得的压电复合材料，可将不同材料的优势 性能组合在一起，满足不同的应用要求。 压电复合材料一般而言指的是压电相和非压电相的若干种材料按一定的连 通方式而得的能产生压电效应的复合材料。该种复合材料的性能与组成其的各 种组分材料关系密切，其电学性能由压电陶瓷的压电性和介电性所决定。压电复 合材料的下列特性：电场通路，应力分向状况，及压电性能等均由各相材料具体 3 o 一专 ， 山东大学硕十学位论文 的连通方式所决定。1 9 7 8 年，美国宾夕法尼亚大学材料实验室的r e n e w n h a m 教授率先提出复合材料内各组分“连通性”这一概念【9 1 。复合