1-3型正交异性水泥基压电复合材料的制备与性能研究

【摘要】：水泥基压电复合材料能够有效地解决土木工程结构中传统的智能材料与混凝土结构相容性不好的缺点,在土木工程领域中引起了广泛的关注,是一种很有发展前途的新型传感材料。但水泥基压电复合材料具有平面各向同性的特点,同时等灵敏度的接受来自不同方向的应力波,无法有效地区别不同方向的应力波,这样就很难对混凝土结构的裂纹进行准确的定位。 通过切割-浇注与排列-浇注相结合的方法,以水泥为基体,压电陶瓷PZT-51为功能体,制备了1-3型正交异性水泥基压电复合材料。复合材料中压电陶瓷柱的极化方向与x轴方向平行,利用DAD-91E导电胶在复合材料的内部形成叉指型电极结构,改变了传统的水泥基压电复合材料内部的电场分布和振动耦合模式,使复合材料在保持水泥基压电复合材料的优点的同时,解决了普通水泥基压电复合材料平面各向同性的缺点。由于压电常数的不同,复合材料具有平面正交异性特性,对应力波的方向能够作出有效地判断。研究了压电陶瓷体积分数、形状参数、分支电极宽度和不同基体对复合材料性能的影响,对其应用于声发射(AE)传感进行了研究。 对1-3型正交异性压电复合材料的结构、复合原理及内部电场分布进行了分析,提出了复合材料的设计流程;对正交异性水泥基压电复合材料的影响因素进行了分析,为实验分析提供了理论基础。 对复合材料内部的压电阵列进行了实验与有限元模拟,为不同带宽的复合材料的制备提供了理论基础;1-3型正交异性水泥基压电复合材料不仅横向效应系数较小,而且压电应变常数d33远大于纯压电陶瓷和普通的1-3型水泥基压电复合材料。这说明1-3型正交异性水泥基压电复合材料大大的提高了复合材料的传感性能的同时,使其具有明显的平面正交异性特性,对平面正交方向的应力波具有不同的灵敏度。 对复合材料的各影响因素进行了实验研究,结果表明:压电陶瓷的体积分数是影响复合材料传感性能的重要因素,随着压电陶瓷体积分数的增大,复合材料的压电性能逐渐增大,横向效应系数变化不大;压电陶瓷柱的长宽比是影响复合材料正交异性特性的重要因素,随着长宽比的增大,复合材料的压电应变常数逐渐增大,横向效应系数逐渐减小;复合材料的性能随厚度的变化不大;底座的存在降低了复合材料的正交异性特性,底座厚度越小,复合材料的正交异性特性越明显;在电极间距不变的情况下,随着分支电极宽度的增大,复合材料的压电常数逐渐减小,横向效应系数逐渐增大;对不同基体的复合材料的性能研究表明,在水化早期贝利特-硫铝酸钡钙水泥为基体的复合材料的压电性能最好;复合材料的传感性能随水灰比的增大而增大,水灰比对横向效应系数的影响不大。 对1-3型正交异性水泥基压电复合材料用于声发射传感进行了初步研究,发现1-3型正交异性水泥基压电复合材料对不同方向的声发射信号的接收灵敏度明显的不同,验证了复合材料的正交异性特性;利用1-3型正交异性水泥基压电传感元件,对声发射信号在混凝土材料中的衰减情况进行了研究,随着复合材料传感性能的增大,传感元件能够检测的最大距离逐渐增大;与瓷砖相比,混凝土结构中的声发射信号的衰减机制更为复杂,除了几何衰减外,由于混凝土结构相对复杂、介质均匀性较差且表面相对粗糙,声发射信号在传播过程中发生了散射和衍射的现象,且对声发射信号的衰减产生了很大的影响,同时使传感元件接收到的信号与原始信号差距较大,测试结果误差较大;在实际应用中,传感元件的尺寸是影响灵敏度和固有频率的重要影响因素,所以,应根据实际情况对压电陶瓷柱的形状参数进行设计。