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水泥基压电复合材料的制备及其性能研究

黄世峰  
【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。 本文采用压制成型法和切割-填充法分别制备了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4kV/mm;极化时间为30min;极化温度应在80~C~100℃之间。 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PLN含量的增加,压电应 变常数d_33和压电电压常数g_33、介电常数ε_r和介电损耗tgδ、机电耦合系数K_p 和K_t、剩余极化强度P_r和矫顽电场强度E_c均增大,而机械品质因数Q_m则在 19~50之间波动。只有当PLN含量超过70%时,水泥基压电复合材料才显示 出较好的压电性能;随着PLN粒度的增大,压电常数d_33和g_33、机电耦合系 数K_p和K_t与剩余极化强度P_r和矫顽电场强度E_c均随之增大。当PLN粒度大 于1001μm时,d_33和g_33值几乎不受PLN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PLN陶瓷含量相同的条件下,前者的K_p和K_t值随PLN 含量的增加均呈增大趋势,而后者的K_p和K_t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40~100kHz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-40~C~150℃之间,水


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