（材料学专业论文）水泥基压电复合材料的制备及其性能研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要 水泥基压电复合材料可有效解决传统智能材料与混凝土母体结构材料之 间的相容性问题，它不但具有感知功能，而且具有驱动功能，其制备工艺简单， 造价低，非常适合于土木工程领域中智能材料的发展需要，因此，研究与开发 该类压电复合材料对于推动各类土木工程结构向智能化方向发展有着广泛的 工程应用意义和学术价值。 本文采用压巷0 成型法和切割。填充法分别制各了0 - 3 型和1 - 3 型水泥基压电 复合材料，重点研究了其压电性能和介电性能，并初步进行了水泥基压电复合 材料的应用研究。 研究了极化条件对0 - 3 型水泥基压电复合材料压电性能的影响，结果表 明，对硫铝酸盐水泥基压电复合材料来说，最佳极化工艺参数为：极化电场强 度为4 k v m m ；极化时间为3 0 m i r a 极化温度应在8 0 1 0 0 之问。 系统研究了压电陶瓷含量、粒度和水泥基体对0 3 型水泥基压电复合材料 压电性能和介电性能的影响规律，结果表明，随着p l n 含量的增加，压电应 变常数d 3 3 和压电电压常数9 3 3 、介电常数t ：t 和介电损耗t 驴、机电耦合系数岛 和墨、剩余极化强度p r 和矫顽电场强度丘均增大，而机械品质因数q m 则在 1 9 - - 5 0 之间波动。只有当p l n 含量超过7 0 时，水泥基压电复合材料才显示 出较好的压电性能；随着p l n 粒度的增大，压电常数函3 和毋3 、机电耦合系 数岛和甄与剩余极化强度p r 和矫顽电场强度或均随之增大。当p l n 粒度大 于1 0 0 1 t m 时，函3 和肋值几乎不受p l n 粒度的影响；以硫铝酸盐水泥为基体 的压电复合材料的压电性能明显高于以普通硅酸盐水泥为基体的压电复合材 料的压电性能，而介电性能则恰恰相反，这主要是由于硫铝酸盐水泥无论是早 期的力学性能还是后期的力学性能均优于普通硅酸盐水泥的，与陶瓷颗粒的结 合更为致密的缘故。在p l n 陶瓷含量相同的条件下，前者的娲和墨值随p l n 含量的增加均呈增大趋势，而后者的硒和墨值则呈减少趋势，且波动较大； 随着频率的增大，两种不同基体的压电复合材料的极化机制基本相同，即在低 频段，均以界面极化为主，高频时呈现良好的介电频率稳定性。 介频谱和介温谱分析结果表明，在4 0 1 0 0 k h z 频率范围内，0 - 3 型水泥基 压电复合材料的介电常数均随频率的增大而迅速降低，这主要受水泥基体内的 各种极化和复合材料中的界面极化所影响。高频时，介电常数变化较小，损耗 较低，表明水泥基压电复合材料的高频稳定性较好；在一4 0 ( 2 1 5 0 1 2 之间，水 武汉理工大学博士学位论文 泥基压电复合材料的介温曲线较平坦，表现出良好的介电温度稳定性。 研究了水泥水化龄期和环境湿度对复合材料压电性能和介电性能的影响 规律，结果表明，不像压电陶瓷和聚合物基压电复合材料，其压电性能随时问 的延长而减小，而水泥基压电复合材料的压电性能则随着水泥水化龄期的延长 而增大，当到达一定龄期后，压电性能趋于稳定。随着环境湿度的增大，压电 应变常数杰3 也随之增大。当相对湿度低于6 0 对，湿度对如的影响不大， 但当相对湿度大于6 0 ，两3 则急剧增加；湿度对介电常数的影响主要来源于 吸附水分的变化，水分的增加提高了界面区离子的迁移率和极化率，致使复合 材料的介电常数显著增大。水分对极化的贡献主要在低频段，此时，介电损耗 主要以电导损耗为主。 随着p i v i n 体积分数的增加，l - 3 型水泥基压电复合材料的d 3 3 、机电耦合 系数郧和五、介电常数矗和剩余极化强度p r 和矫顽电场强度e c 均增大，而 g 。则减小。与单相p m n 的g 。相比，复合材料的g 柏明显要大得多，这可大 大提高复合材料的传感性能；在低频段和高频段，复合材料的介电常数岛和介 电损耗t 西随频率的变化较平稳，表现出良好的介电频率稳定性。在 3 0 。c 1 5 0 o 范围内，卜3 型水泥基压电复合材料的介电常数白和介电损耗t 驴 随温度的变化较小，表现出良好的介电温度稳定性。 研究了压电陶瓷柱的宽厚比w t 对1 3 型水泥基压电复合材料性能的影响 规律，结果表明，复合材料的压电应变常数西3 值、机电耦合系数曷与k 、 机械品质因数( m 、介电常数研和介电损耗t 妒、声阻抗z 均随着w t 的增加而 减小，即随着厚度的减小而减小，而压电电压常数9 3 3 值几乎不受w t 的影响； 在p 1 v l n 体积分数仅为2 2 7 2 的条件下，通过调节p i v l n 柱的宽厚比w t 为 1 3 0 2 ，便可使复合材料的声阻抗与混凝土的声阻抗十分接近，从而有效解 决了智能材料在土木工程中的相容性问题。 针对水泥基压电复合材料阻抗大的特点，设计了适合于该类复合材料的数 据采集系统，并开展了水泥基压电复合材料的应用研究，结果表明，0 3 型和 1 - 3 型两种水泥基压电复合材料均具有良好的力电效应，即随着压力和加载速 率的增大和减小，复合材料所受应力与所产生的电压之阅呈现明显的一一对应 关系。这表明水泥基压电复合材料完全可用于土木工程领域中，对些重大土 木工程建筑实施在线健康监测和预报。 关键词：水泥基压电复合材料；硫铝酸盐水泥；压电性能：介电性能；水泥水 化龄期；力电效应 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t 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 sc a no v e r c o m et h ed e f i c i e n c yw h i c ht h e t r a d i t i o n a lp i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l sh a v eb a dc 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 g s m a i ns t r u c t u r a lm a t e r i a l - - c o n c r e t e i tn o to n l yh a ss e n s i n gf u n c t i o n ，b u ta l s o a c t u a t i n gp r o p e r t y , w h i c hi sv e r ys u i t a b l ef o ra p p l i c a t i o ni nc i v i le n g i n e e r i n gf i e l d s t h e r e f o r e ，r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ec 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 l a ya ne x t r e m e l yi m p o r t a n tr o l e i na d v a n c i n ga l lk i n d so fc i v i l e n g i n e e r i n g s t r u c t u r et ob ei n t e l l i g e n t o 一3c 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 n d1 - 3c 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 sw e 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 ea n dc u t f i l l i n gp r o c e s s ， 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 cp r o p e r t i e sa n dd i e l e c t r i cp r o p e r t i e so ft w ok i n d so f c o m p o s i t e sw e r es t u d i e di nd e t a i l ，a n di t sa p p l i c a t i o n sw e r ei n v e s t i g a t e d t h ed e p e n d e n c e so fp i e z o e l e c t r i cp r o p e r t i e so fc o m p o s i t e so np o l i n gc o n d i t i o n s w e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tf o rt h e0 - 3s u 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 s ，t h eo p t i m u mp o l i n gf i e l de ，p o l i n gt i m et a n dp o l i n g t e m p e r a t u r et a r e4 0 k v m m ，3 0 m i na n d8 0 c 1 0 0 。c ，r e s p e c t i v e l y 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 cc o n t e n t ，p a r t i c l es i z ea n dc e m e n tm a t r i x o nt h eo - 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 sr e s e a r c h e di nd e t a i l t h e r e s u l t ss h o wt h a tw i t hi n c r e a s i n gt h ep l nc o n t e n t ，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 ， 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 te ra n dd i e l e c t r i c l o s s t 9 6 ， 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 妫a n dk t ，r e m a n e n tp o l a r i z a t i o np ra n d c o e r c i v ef i e l d 反i n c r e a s e ，b u tm e c h a n i c a lq u a l i t yq mf l u c t u a t eb e t w e e n1 9a n d5 0 o n l yw h e np l nc o n t e n ti sl a r g e rt h a n7 0 ，c a nt h ec 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 ss h o wg o o dp i e z o e l e c t r i cp r o p e r t i e s w i t hi n c r e a s i n gt h ep l np a r t i c l e s i z e ，t h ed 3 3 ，9 3 3 ，蚝，k t ，p ，a n d 也a l li n c r e a s e w h e np l np a r t i c l es i z ei sl a r g e rt h a n 1 0 0b m t h ev a l u eo f d 3 3 a n d 9 3 3 i s n e a r l yi n d e p e n d e n to f t h ep l n p a r t i c l es i z e t h e p i e z o e l e c t r i cp r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e sm a d ef r o ms u l p h o a l u m i n a t ec e m e n ta r e s u p e r i o rt h a nt h a to ft h ep i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e sm a d ef r o mp o r t l a n dc e m e n t ， w h i c hi sj u s tc o n t r a r yt ot h ed i e l e c t r i cp r o p e r t i e s t h i si sa t t r i b u t e dt ot h a tt h e s u l p h o a l u m i n a t ec e m e n th a sb e r e re a r l ya n dl a t em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n db e a e r c o m b i n a t i o nw i t hc e r a m i cp a r t i c l e st h a n p o r t l a n dc e m e n t u n d e rt h es a m e 武汉理工大学博士学位论文 c o n d i t i o n ，f o rt h ef o r m e r ，婚a n d 墨i n c r e a s ew i t hi n c r e a s i n gp l nc e r a m i cc o n t e n t ， b u tf o rt h el a t t e r ，k pa n d 厩d e c r e a s ea n df l u c t u a t es h a r p l y w i t hi n c r e a s eo ft h e f r e q u e n c y ，t h ep o l a r i z a t i o nm e c h a n i s mo ft w od i f f e r e n tm a t r i xc o m p o s i t e si sn e a r l y t h es a n l e ，t h a ti s ，a tt h el o wf r e q u e n c y ，t h ei n t e r f a c ep o l a r i z a t i o ni sd o m i n a n t a tt h e 1 1 i g hf r e q u e n c y ，i ts h o w sg o o dd i e l e c t r i c f r e q u e n c ys t a b i l i t y f r o mr e l a t i o nb e t w e e nd i e l e c t r i cc o n s t a n ta n df r e q u e n c y , t e m p e r a t u r e ，i ti s o b t a i n e dt h a tt h ed i e l e c t r i cc o n s t a n to f0 - 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 d e c r e a s e ss h a r p l yw i t l lt h ef r e q u e n c yi n c r e a s i n g w h i c hi sm a i n l yd u et ov a r i o u s p o l a r i z a t i o ni nt h ec e m e n tm a t r i xa n di n t e r f a c ep o l a r i z a t i o ni nt h ec o m p o s i t e a t h i g hf r e q u e n c y , 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 sc h a n g es t i g h t t y ，w h i c h m e a n st h a tt h ec 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 eg o o dh i g hf r e q u e n c y s t a b i l i t y i nt h et e m p e r a t u r er a n g eb e t w e e n - 4 0 。c a n d1 5 0 t h e0 - 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 ss h o w se x c e l l e n td i e l e c t r i c - t e m p e r a t u r es t a b i l i t y i n f l u e n c e so fc e m e n th y d r a t i o na g e sa n dh u m i d i t yo nt h ep i e z o e l e c t r i cp r o p e r t i e s a n dd i e l e c t r i cp r o p e r t i e so ft h e0 - 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 e s t u d i e d ，t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep i e z o e l e c t r i cp r o p e r t i e so ft h ec e m e n tb 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 sa r ev e r yd i f f e r e n tf r o mt h a to ft h ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i c s m a dp o l y m e r c e r a m i cp i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e s f o rt h el a t t e r , t h ep i e z o e l e c t r i c p r o p e r t i e sd e c r e a s ew i t ht h ep r o l o n g i n go ft i m e ，w h i l et h a to ft h ec e m e n tb a s e d p i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t ea r ei m p r o v e dw i t hi n c r e a s i n gt h ec e m e n th y d r a t i o na g e w h e nt h ec e m e n th y d r a t i o na g ee x c e e d sac e r t a i nv a l u e ，d 3 3t e n d e dt ob eac o n s t a n t t h ev a l u eo fd 3 3i n c r e a s e ss l i g h t l yw i t hi n c r e a s eo ft h ee n v i r o n m e n t a lh u m i d i t y b e l o w6 0 w h i l es h a r p l yi n c r e a s e sw i t li n c r e a s eo fh u m i d i t ya b o v e6 0 t h e e f f e c to fe n v i r o n m e n t a lh u m i d i t yo nd i e l e c t r i cc o n s t a n to ft h ec o m p o s i t ei sm a i n l y a s c r i b e dt oc h a n g eo fw a t e ra b s o r b e d i n c r e a s i n go fw a t e ra b s o r b e di m p r o v ei o n i c m o b i l i t ya n dp o l a r i z a b i l i t yi n i n t e r f a c ez o n e ，w h i c hl e a d st ot h er e m a r k a b l e i n c r e a s eo fc o m p o s i t e sd i e l e c t r i cc o n s t a n t t h ec o n t r i b u t i o no fw a t e rt ot h e p o l a r i z a t i o ni sm a i n l ya tl o wf r e q u e n c y ，a n dc o n d u c t i v el o s si sd o m i n a n ti n d i e l e c t r i cl o s s w i t hi n c r e a s i n gv o l u m ef r a c t i o no fp m n ，t h e 幽，凰，k t ，p ra n d 鼠v a l u eo f l 一3c 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 si n c r e a s e ，b u t9 3 3v a l u er e d u c e s c o m p a r e dw i t h9 3 3v a l u eo fp m n ，t h e9 3 3v a l u eo ft h ec o m p o s i t ei sm u c hb i g g e r , w h i c hg r e a t l yi m p r o v es e n s i n gp r o p e r t yo ft h ec o m p o s i t e s a tl o w e ra n dh i g h e r 武汉理工大学博士学位论文 f f e q u e n n e s ，t h ed i e l e c t r i cc o n s t a n ta n dd i s s i p a t i o nf a c t o rc h a n g es t e a d i l y ，w h i c h e x h i b i tg o o dd i e l e c t r i c - f r e q u e n c ys t a b i l i t y t h et e m p e r a t u r eh a sl i t t l ee f f e c to nt h e d i e l e c t r i cc o n s t a n ti nt h et e m p e r a t u r er a n g eb e t w e e n 一3 0 ca n d1 5 0 w h i c h s h o w st h a t1 - 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 h a s g o o d d i e l e c t r i c - t e m p e r a t u r es t a b i l i t y t h el a w st h a tt h ep r o p e r t i e so ft h e1 - 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 v a r yw i t hr a t i oo fw i d t ht ot h i c k n e s s ( w oo fp m nc e r a m i cr o dw e r ei n v e s t i g a t e d 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a tt h e 函3 ，酶，k t ，q m ，s r ，t 驴a n da c o u s t i ci m p e d a n c ezv a l u eo f i 一3c 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 sd e c r e a s ew i t hi n c r e a s i n gw to fp m n c e r a m i cr o d ，b u tt h e9 3 3v a l u ei sn e a r l yi n d e p e n d e n to fw to fp m nc e r a m i cr o d w h e nt h ev o l u m ef r a c t i o no fp m ni s2 2 7 2 ，t h ea c o u s t i ci m p e d a n c ezv a l u e s i m i l a rt ot h a to f t h ec o n c r e t ec a l lb eo b t a i n e db ya d j u s t i n gw to f p m nc e r a m i cm d ， w h i c hc a ne f f e c t i v e l ys o l v et h em i s m a t c hp r o b l e mo fi n t e l l i g e n tm a t e r i a l sa n d c o n c r e t es t r u c t u r e a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r eo 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 s ，ad a t e a c q u i s i t i o ns y s t e ms m t a b l ef o rt h ec o m p o s i t e sw a sd e s i g n e d ，a n dt h er e s e a r c ho fi t s a p p l i c a t i o nw a sc a r r i e do u t t h er e s u l t ss h o wt h a t0 - 3a n d1 - 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 sh a v eg o o dm e c h a n o e l e c t r i ce f f e c t ，t h a ti s ，t h ev o l t a g ei s p r o d u c e di nt w ok i n d sc o m p o s a e su n d e rc o m p r e s s i v es t r e s s ，w h i c hi n c r e a s e so r d e c r e a s e sa st h el o a di n c r e a s e so rd e c r e a s e t h i si n d i c a t e st h a tc 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 sa r es u i t a b l ef o rh e a l t hm o n i t o r i n go fs t r u c t u r e si nt h ec i v i l e n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：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 ；s u l p h o a l u m i n a t ec e m e n t ； 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 ；h y d r a t i o na g e ； m e c h a n o e l e c t r i ce f f e c t 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复 制手段保存论文。 签名： 导师签名： 日期： 武汉理工大学博士学位论文 1 1 压电效应 第1 章绪论 压电效应是1 8 8 0 年物理学家居里兄弟在石英晶体上首次发现的。1 8 8 1 年 里普曼根据热力学理论提出压电效应是可逆的，同年居里兄弟证实了石英晶体 中压电效应的可逆性。本世纪4 0 年代中期，美国、前苏联和日本各自独立地 发现了钛酸钡( b a t i 0 3 ) 陶瓷的压电效应，并研究了极化处理方法：通过在高 温下施加强电场而使随机取向的晶粒出现高度同向，形成压电陶瓷。压电陶瓷 与单晶材料( 石英等) 相比制备容易，可制成各种形状和极化方向的产品。5 0 年代中期，在研究氧八面体结构特征和离子置换改性技术的基础上，美国的 b j a f f e 发现了锆钛酸铅( p z t ) 固溶体，它的机电耦合系数、压电常数、机械 品质因数和稳定性等都有了很大的改善，并促进了新型压电材料和器件的发 展。1 9 6 5 年，日本的大内宏在p z t 陶瓷中掺入铌镁酸铅，制成三元系压电陶 瓷( p c m ) ，性能更加优越，并易于烧结。目前利用材料复合技术还研制出了 各种压电复合材料，成倍地提高了压电材料的某些性能，并具有一些常规压电 材料不具备的优良特性，显示出良好的应用前景【l - 2 。 晶体的压电效应的本质是因为机械作用( 应力与应变) 引起了晶体介质的 极化，从而导致介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。晶体的压电效应可 用图1 1 的示意图来加以解释【3 】。当晶体不受外力作用时，正、负电荷的重心 重合，整个晶体的总电矩等于零，因而晶体表面没有电荷。当沿某一方向对晶 体施加机械力时，晶体就会由于发生变形而导致正负重心不重合，也就是电矩 发生了变化，从而引起了晶体表面的荷电现象。图中( b ) 、( c ) 分别为晶体受 压缩及拉伸时荷电的情况。在这两种情况下，晶体表面带电的符号相反，所以 这种没有电场作用，由机械力的作用而使电介质晶体产生极化并形成晶体表面 电荷的现象，称为正压电效应。与上述情况相反，将具有压电效应的电介质晶 体置于电场中，电场作用会引起晶体内部正负电荷重心的位移，这一极化位移 又导致晶体发生形变，称之为逆压电效应。 晶体是否具有压电性，是由晶体结构的对称性这个内因所决定的，具有对 称中心的晶体永远不可能具有压电性，因为在这样的晶体中正负电荷重心的对 称式排列不会因形变而遭受破坏，所以，仅仅由机械力的作用并不能使它们的 正负电荷重心之间发生不对称的相对位移，也就不可能使之产生极化。在三十 武汉理工大学博士学位论文 二种点群中，只有二十种点群的晶体才可能具有压电性。这二十种点群都不具 有对称中心。压电性起源于晶体内部结构的不对称性，压电陶瓷应选择不具有 对称中心的材料，这是获得压电性的必要条件【4 】。 ( 埘 图1 - 1 压电效应机理示意图 f i g 1 1 s 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 c c h a u i s e 1 2 压电复合材料的研究进展 单相压电材料由于具有响应速度快、测量精度高、性能稳定等优点而成为 智能材料结构中广泛使用的传感材料和驱动材料。但是，由于存在明显的缺点， 这些压电材料在实际应用中受到了很大的限制。例如，压电陶瓷的脆性很大， 经不起机械冲击和非对称受力，而且其极限应变小、密度大，与结构粘合后对 结构的力学性能会产生较大的影响。压电聚合物虽然柔顺性好，但是它的使用 温度范围很小，一般不超过4 0 ，而且其压电应变常数较低，因此作为驱动 器使用时驱动效果较差。为了克服单相压电材料的上述缺点，近年来，人们发 展了压电复合材料。由于压电复合材料不但可以克服上述两种压电材料的缺 点，而且还兼有两者的优点，甚至可以根据使用需求设计出单向压电材料所没 有的性能，因此越来越引起人们的重视【5 - s l 。 压电复合材料是由压电相材料与非压电相材料按照一定的连通方式组合 在一起而构成的一种具有压电效应的复合材料。早期的压电复合材料是用烧结 过的压电陶瓷微粒( 西5 1 0 m ) 作为填料加入到聚氨脂中，制成聚氨脂压电 橡胶。实验证明，这种将压电陶瓷粉末与有机聚合物按一定比例机械混合的方 法，虽然可以制备出具有一定性能的珏电复合材料，但这种材料远未能发挥两 组分的长处。原因是在材料设计中未考虑两组分性能之间的“耦合效应”。因 2 羚绀 武汉理工大学博士学位论文 此，n e w n l m r n 提出复合材料中各组分之间的“连通性”概念 9 1 。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 要有各相材料的连通方式来决定。按照各相材料的不同的连通方式，压电复合 材料可以分为十种基本类型，即0 - 0 、0 - l 、o 。2 、0 3 、1 - 1 、1 - 2 、1 - 3 、2 - 2 、2 3 、 3 。3 型，一般约定第一个数字代表压电相，第二个数字代表非压电相，例如， 1 3 型压电复合材料是指由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【l 0 1 。 回舒彩 圄够缬 $ 围句 彩回_ 图1 - 2 压电复合材料连通性的1 0 种基本模式 f i g 1 - 2 t e nc o n n e c t i v i t yp a t t e r n so f c o m p o s i t e s 压电复合材料由于集中了各相材料的优点，互补了单相材料的缺点，因此 自面世以来，得到了广泛的研究和应用。在诸多的压电复合材料中，综合性能 较好、最适合在智能材料结构中应用的压电复合材料主要有0 - 3 型、l o 型、 3 - 3 型压电复合材料。 1 2 10 - t 型压电复合材料 0 - 3 型压电复合材料是指在三维连通的聚合物基体中填充眶电陶瓷颗粒 而形成的压电复合材料。在0 - 3 型压电复合材料中，由于压电陶瓷相主要以颗 武汉理工大学博士学位论文 粒状呈弥散均匀分布，因此它的电场通路的连通性明显差于1 - 3 型压电复合材 料的，而且使得复合材料中形不成压电陶瓷相的应力放大作用。这样，同纯压 电陶瓷和1 3 型压电复合材料相比，0 - 3 型压电复合材料的压电应变常数函3 就要低很多；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 电压常数数用3 较高( p z t 体积百分含量为6 0 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的 1 1 - 1 3 】。 同1 - 3 型压电复合材料相比，o 3 型压电复合材料的压电应变常数函3 和压 电电压常数勘3 不高，但是其柔韧性更好，而且与p v d f 相比，其综合性能与 p v d f 不相上下，但其制各工艺却更简单，成本也更低，因此更适合批量生产。 因此，0 - 3 型压电复合材料是一种在性能上可以替代压电陶瓷和p v d f 而制造 成本更低的新型压电传感材料，将来必然会在智能材料结构中得到广泛的应 用。 1 2 21 3 型压电复合材料 1 3 型压电复合材料是一维的压电陶瓷柱平行地摊列于三维连通的聚合物 中而构成的两相压电复合材料。在1 3 型压电复合材料中，由于聚合物相的柔 顺性远比压电陶瓷相的好，因此当1 3 型压电复合材料受到外力作用时，作用 于聚合物相的应力将传递给压电陶瓷相。造成压电陶瓷相的应力放大；同时由 于聚合物相的介电常数极低，使整个压电复合材料的介电常数大幅下降。这两 个因素综合作用的结果使复合材料的压电电压系数毋3 得到了较大幅度的提 高，并且由于聚合物的加入使压电复合材料的柔顺性也得到了显著的改善，因 此，1 - 3 型压电复合材料的综合性能要优于纯m 叮压电陶瓷和p v d f 压电材料， 是一种在智能材料机构中很有发展前途的压电复合材料1 1 4 - 1 7 j 。 1 3 水泥基智能和机敏复合材料的研究概况 在各类建筑向智能化发展的背景下，人们愈加重视水泥基复合材料向智能 化方向发展，以使智能建筑更加简洁，可靠和高效。因此，水泥基智能复合材 料是智能材料科学的重要研究和应用领域。智能材料具有感知、辩识、优化和 控制驱动等多种功能，而机敏材料是智能材料的简化形式，一般只具有感知和 驱动等一两种功能。以目前的科技水平，制各完善的水泥基智能复合材料还相 当困难和难以实现，但在开发水泥基机敏复合材料方面已进行了些研究。 4 武汉理工大学博士学位论文 1 3 1 水泥基压电复合材料 水泥基压电智能复合材料是近年来才刚刚发展起来的一种新型的功能复 合材料。目前，国内外仅见香港科技大学报道过这方面的研究工作，l iz o n g j i n 等以白水泥为基体，采用常规的成型技术于2 0 0 2 年首次制备了0 3 型水泥基 压电复合材料 1 9 - 2 2 1 。研究结果表明，通过调节复合材料组分的比例，可以使 o 3 型水泥基压电复合材料与混凝土之间具有良好的相容性。当压电陶瓷体积 分数在4 0 - 5 0 之间时，即可将复合材料的声阻抗特性调节到与混凝士母体结 构材料相匹配的状态( 达到9 0 x 1 0 6 k g m 2 - s 左右) ；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0 - 3 压电复合材料的，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 等人还制备了2 - 2 型连通方式的水泥基压电机敏复 合材料，在0 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。研究结果表明，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田】。 虽然水泥基压电复合材料的研究已取得一些具有积极意义的研究成果，但 其压电效应机理和介电极化机理尚不清楚；其制各方法、所选用的压电功能体 和水泥基体都比较单一；许多因素( 如水泥水化特性、环境湿度、温度和频率 等) 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；尚有许多性能优良的、多种复合类型的水泥基压电复合材料需要研究、 开发。目前的研究结果表明，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，水泥基压电复合材料不但制备工艺简单，成本低， 而且它可有效解决机敏材料与混凝土母体结构材料之间的相容性问题，大大提 高压电机敏材料的传感精度及驱动力。因此该类复合材料的研究与开发对于 推进各类土木工程结构向智能化方向发展具有广泛的工程应用意义。 1 3 2 材料应力、应变和损伤自检测水泥基复合材料阱也6 】 钟端玲等人首先发现，将一定形状，尺寸和掺量的短切碳纤维掺入水泥基 材料中，可以使材料具有自感知内部应力，应变和损伤程度的功能。通过对材 料的宏观行为和微观结构变化进行观测，发现水泥基复合材料的电阻变化与内 部结构变化是相对应的。如电阻率的可逆变化对应于可逆的弹性变形，而电阻 率的不可逆变化对应于非弹性变形和断裂，其测量范围很大。而且这种水泥基 复合材料可以敏感有效地监测拉、弯、压等工况及静态和动态载荷作用下材料 的内部情况。当在水泥净浆中掺入o 5 ( 体积) 的碳纤维时，它作为应变传 感器的灵敏度远远高于一般的电阻应变片。同时，在疲劳实验中还发现，无论 武汉理工大学博士学位论文