2-2型水泥基压电复合材料制造技术

本发明专利技术涉及一种水泥基压电复合材料，属于土木工程领域中的智能材料。该复合材料采用以下方法制成：　将一长方体的压电陶瓷块进行极化处理；用切片机沿与压电陶瓷极化轴相平行的方向，依次切割出一系列压电陶瓷片，按照一定的水灰比浇注水泥；浇注结束后，将 试样连同模具共同置于真空干燥箱进行真空处理；将试样置于养护箱中进行养护；两个平行表面分别进行打磨抛光处理后，在两面均匀地涂上低温导电银胶或镀上电极，即可制备出２－２型水泥基压电复合材料。本发明专利技术的２－２型水泥基压电复合材料，具有压电性能优良、与混凝土相容性好、集传感和驱动于一体、耐久性好、制备工艺简单、成本低等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种水泥基压电复合材料，属于土木工程领域中的智能材料。
技术介绍
为保障重大土木工程结构的安全性、适用性与耐久性，采用智能材料对其实施在 线健康监测已成为世界范围内土木工程领域的前沿研究方向。然而，由于各国对应用于土木工程领域中智能材料的研究起步较晚，目前土木工 程领域中所用的智能材料，如光导纤维、压电陶瓷、碳纤维等，都存在功能单一，且 与土木工程领域中最主要的结构材料一混凝土相容性差的问题(如声阻抗匹配问 题、变形协调性问题、刚度及界面粘结性问题等)，这样就会使智能材料产生虚假信 号，影响传感精度，甚至会导致错误的判断。因此，研究与混凝土相容的智能材料已 经成为重大土木工程结构智能监测和健康诊断领域的关键课题之一。采用水泥为基体，压电陶瓷为功能体，通过调节复合材料各组分的比例和结构， 即可制备出压电性能优良，且与混凝土具有良好相容性的水泥基压电复合材料。目前， 该类复合材料的研究已引起人们的广泛关注。与压电陶瓷相比，这种复合材料具有更 低的密度和声阻抗，从而使其与混凝土有着更好的声阻抗匹配特性，因而用其制作的传感器更有利于混凝土结构的超声无损检测；它可以像一个大骨料一样埋在混凝土 中，与混凝土具有等同的收縮及相近的热胀系数；其耐久性好，强度高；响应速度快， 传感精度高；它不但具有感知功能，而且还具有驱动功能，非常适合于监测混凝土结 构的损伤、变形和静、动态应力状况等情况，从而可预防一些灾难的发生，保护人民 的生命财产。因此，研究与开发水泥基压电复合材料不仅具有显著的经济效益和社会 效益，而且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。
技术实现思路
本专利技术提供了一种2-2型水泥基压电复合材料，该复合材料具有压电性能优良、 与混凝土相容性好、集传感和驱动于一体、耐久性好、制备工艺简单、成本低等特点。 本专利技术是通过以下技术方案来实现的本专利技术公开了一种2-2型水泥基压电复合材料，其特征在于采用以下方法制成(1) 将一长方体的压电陶瓷块进行极化处理；(2) 用切片机沿与压电陶瓷极化轴相平行的方向，依次切割出一系列压电陶瓷 片，在切割过程中不将整个陶瓷块切透，留下一个公共底座；将切割后的3陶瓷块进行反复清洗，去除其中残留的陶瓷残渣；(3) 将清洗后的陶瓷块置入模具中，浇注水泥；浇注结束后，将试样连同模具 共同置于真空干燥箱进行真空处理；(4) 将试样置于养护箱中进行养护；(5) 切除陶瓷底座，然后用磨片机将上下两个平行表面分别进行打磨，使两面 完全露出压电陶瓷片，抛光处理后，在两面均匀地涂上低温导电银胶或镀 上电极，即可制备出2-2型水泥基压电复合材料。上述本专利技术的复合材料，所述陶瓷片的间距为0.5~2 mm，压电陶瓷占复合材料 的体积百分数为40 70%。上述本专利技术的复合材料，所述陶瓷片的长度为15~25mm，宽度为0.5-2 mm，高 度为5~12 mm。上述本专利技术的复合材料，所述的水灰比为0.30 0.50。上述本专利技术的复合材料，所述的养护条件为，养护温度控制在20±1°C，相对湿 度^0%，养护7d。上述本专利技术的复合材料，所述的压电陶瓷为铌镁锆钛酸铅或铌锂锆钛酸铅压电陶瓷。以不同的水泥为基体，不同的压电陶瓷为功能体，采用切割-浇注法制备2-2型 水泥基压电复合材料。首先，用切片机在经过极化处理的压电陶瓷块上，沿与压电陶 瓷极化轴相平行的方向，依次准确切割出所需尺寸的压电陶瓷片，切割过程中不将整 个陶瓷块切透，留下一个公共底座，从而防止陶瓷片的整体散落破坏。切割完毕后， 将切割后的陶瓷块进行反复清洗，去除其中残留的陶瓷残渣，减少残渣对性能的影响。 然后，将其置入模具中，按照一定的水灰比，将水泥与水充分搅拌并浇注。在浇注的 过程中，始终保持不断振动，以提高水泥基体的致密度。浇注结束后，将试样连同模 具共同置于真空干燥箱进行真空处理，从而减少成型后试样中的气孔，然后再进行振 动处理。将制备好的试样放入标准养护室中养护，养护温度控制在2o士rc，相对湿度》 90%，养护7d后，用磨片机将试样上下两个平行表面分别进行打磨，使两面完全露 出压电陶瓷片。抛光处理后，在两面均匀地涂上低温导电银胶或镀上电极，即可制备 出2-2型水泥基压电复合材料。2-2型水泥基压电复合材料的示意图如图1所示。 表l， 2分别为不同品种水泥及压电陶瓷的性能。—_ 表1不同水泥基体的主要性能__相对介屯常数(浆体)介电损耗(浆体)体积密度 平均粒径水泥sr to" 5 /gem—<table>table see original document page 5</column></row><table>表2不同压电陶瓷的主要性能 陶瓷 《p/% &/% d33/pCN—1 to"5 & gm p/103kgm-3铌镁锆钛酸铅65 46 670 0.02 400070 7.45铌锂锆钛酸铅65 48 420 0.02 200085 7.4平面机电耦合系数；厚度机电耦合系数；"33:压电应变常数；介电损耗；￡r: 相对介电常数；机械品质因数；体积密度)本专利技术的2-2型水泥基压电复合材料，具有压电性能优良、与混凝土相容性好、 集传感和驱动于一体、耐久性好、制备工艺简单、成本低等优点。附图说明附图l本专利技术的结构示意图图中，l上电极，2下电极，3水泥层，4压电陶瓷片。 具体实施例方式实施例1 :压电陶瓷体积分数对压电复合材料性能的影响如图l所示(下同)，本专利技术的2-2型水泥基压电复合材料，包括有交替排列的 水泥层3和压电陶瓷片4,以及位于上表面的上电极1和位于下表面的下电极2。采用以下方法制成将一长方体的压电陶瓷块进行极化处理；用切片机沿与压电 陶瓷极化轴相平行的方向，依次切割出压电陶瓷片，在切割过程中不将整个陶瓷块切 透，留下一个底座；将切割后的陶瓷块进行反复清洗，去除其中残留的陶瓷残渣；清 洗后的陶瓷块置入模具中，按照一定的水灰比浇注水泥；浇注结束后，将试样连同模 具共同置于真空干燥箱进行真空处理，再振动；养护成型；切除陶瓷底座，然后用磨 片机将上下两个平行表面分别进行打磨，使两面完全露出压电陶瓷片，抛光处理后， 在两面均匀地涂上低温导电银胶或镀上电极，即可制备出2-2型水泥基压电复合材料。采用切片机在经过极化处理的6个尺寸相同的压电陶瓷上沿与极化轴相平行的 方向上，依次切割出长度(X轴方向)为19mm，宽度(Y轴方向)为1 mm，厚度 (Z轴方向)为10mm的系列压电陶瓷片(图l所示)。6个不同压电陶瓷块的陶瓷 片间距分别为0.5mm， 0.75 mm， 1 mm， 1.25 mm， 1.5 mm， 1.75 mm。复合材料中 压电陶瓷的体积分数依次为69.23%， 60.87%， 53.85%, 48.98%， 44.44%， 41.67%。 将切割后的陶瓷块清洗晾干，置入模具中浇注水泥，水泥水减水剂(质量比) 为1:0.3:0.01。将制备好的试样放入标准养护室(温度20士rC，相对湿度>90%)中 养护7d后，将试样取出分别进行粗磨及细磨并抛光，然后用丙酮擦洗试样表面，在 两面薄薄地均匀地涂上低温导电银胶或镀上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种２－２型水泥基压电复合材料，其特征在于采用以下方法制成：　（１）将一长方体的压电陶瓷块进行极化处理；　（２）用切片机沿与压电陶瓷极化轴相平行的方向，依次切割出一系列压电陶瓷片，在切割过程中不将整个陶瓷块切透，留下一个公共底座 ；将切割后的陶瓷块进行反复清洗，去除其中残留的陶瓷残渣；　（３）将清洗后的陶瓷块置入模具中，浇注水泥；浇注结束后，将试样连同模具共同置于真空干燥箱进行真空处理；　（４）将试样置于养护箱中进行养护；　（５）切除陶瓷底座，然后 用磨片机将上下两个平行表面分别进行打磨，使两面完全露出压电陶瓷片，抛光处理后，在两面均匀地涂上低温导电银胶或镀上电极，即可制备出２－２型水泥基压电复合材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄世峰，徐东宇，叶正茂，廖双双，程新，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：88[中国|济南]