一种0-3型无铅压电复合材料及其合成方法技术

本发明专利技术公开了一种0

【技术实现步骤摘要】
一种0
‑
3型无铅压电复合材料及其合成方法


[0001]本专利技术主要涉及压电复合材料制备的
，具体为一种0
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3型无铅压电复合材料及其合成方法。

技术介绍

[0002]水泥基压电复合材料(Cement
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based piezoelectric composite,CPC)与混凝土结构具有良好的兼容性，在混凝土结构健康检测和动态载荷称重(Wigh
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in
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motion,WIM)等诸多领域展现出广阔的应用前景。CPC通常以水泥作为基体，锆钛酸铅(Lead zirconate titanate,PZT)为功能相，依据PZT相的连结方式不同，CPC可以分为0
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3，1
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3和2
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2型，其中，0
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3型CPC是在三维连通的水泥基体中填充PZT粉末，具有性能稳定、机电耦合性好、易于调控改性等优点，更适合作为嵌入式传感器用于智能监测，然而，传统合成工艺流程长且复杂，制得的CPC价格昂贵，尤其是水泥的烧制和钛元素的提取过程，不但能耗高，而且排放大。
[0003]在如今现有的无铅压电复合材料中，例如申请号为202010401284.0申请文案的技术中，公开了一种碳增效无铅水泥基压电复合材料及其制备方法与应用，该方法将碳、无铅压电陶瓷、水泥与水混匀，经老化后得到无铅水泥基压电复合材料，其中，无铅压电陶瓷包括钛酸钡(BaTiO3)、铁酸铋(BiFeO3)、钛酸铋(BiTiO3)、铌酸钠(NaNbO3)等，然而，上述CPC的合成原料仍然基于纯试剂，如昂贵的TiO2等，属于传统合成方法，原料中水泥的烧制需要消耗大量能源，并伴随巨量CO2的排放，是典型的高能耗、高排放过程。
[0004]例如申请号为202110471834.0申请文案的技术中，公开了一种制备具有压电性能的胶凝复合材料的方法、胶凝复合材料及其应用，该方法将含钛高炉渣与PbO、ZrO2混匀后焙烧得到具有压电性的胶凝复合材料，复合材料中压电相为PZT，胶凝相为Ca2MgSi2O7，上述方法为了促进Pb和Zr向钙钛矿中富集，采取了较为严苛的热制度(600℃～768℃下保温0.5h～1.5h，600℃～768℃下保温1.5h～2.5h)，所制得的CPC中胶凝活性相为Ca2MgSi2O7，众所周知，水泥的胶凝过程依赖硅酸二钙、硅酸三钙或铝酸三钙的水化，而钙镁长石相(Ca2MgSi2O7)稳定性高，不易水化，胶凝活性差，我们对上述方法制备的CPC压制成型后，在恒温恒湿条件下进行了28天老化实验，结果发现老化后的CPC机械强度低，易粉化，不能满足实际使用场景对材料机械性能的需求，究其原因，上述方法制备的CPC对焙烧温度具有敏感性，Ca2MgSi2O7形成三维连通结构需要在融化开始温度以上保温(>1200℃)，然而在该温度下Pb将优先与SiO4四面体结合，抑制了PZT相的形成，换言之，上述方法的基本原理存在显著悖论，即合成的CPC不能兼顾机械性能和压电性能，此外，该方法合成的CPC为含铅材料，对环境具有潜在的威胁。
[0005]传统CPC合成方法往往以纯试剂为原料，制备的CPC价格昂贵，从全流程角度看，传统合成工艺流程长，其中钛的提取和水泥烧制过程均为高能耗和高排放过程，每生产1吨水泥熟料需要消耗约0.1吨标准煤，排放约1吨CO2，而每生产1吨TiO2将至少排放0.67吨氯化渣，已有报道尝试从含钛高炉渣合成CPC，但矿物相重构过程不能调和材料的压电性能和机
械性能，制得的CPC不能满足实际使用需求，且为含铅材料，对环境具有潜在威胁。
[0006]CPC应用于土木工程领域面临着动态载荷的长期冲击，除压电性能外，须具备良好的机械性能，同时，复杂自然环境的作用，如酸雨侵蚀、雨水淋溶等，要求CPC具有环境友好性和结构稳定性，而大规模的应用，如路基传感系统中的阵列式传感器等，又要求CPC的价格足够低廉，基于此，目前亟需一条低成本合成无铅压电复合材料的绿色工艺。

技术实现思路

[0007]本专利技术技术方案针对现有技术解决方案过于单一的技术问题，提供了显著不同于现有技术的解决方案，具体地本专利技术主要提供了一种0
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3型无铅压电复合材料及其合成方法，用以解决上述
技术介绍
中提出的现有的CPC合成方法，价格昂贵，合成工艺流程长，其中钛的提取和水泥烧制过程均为高能耗和高排放过程，且矿物相重构过程不能调和材料的压电性能和机械性能，制得的CPC不能满足实际使用需求，且为含铅材料，对环境具有潜在威胁的技术问题。
[0008]本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：
[0009]一种0
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3型无铅压电复合材料,包括压电相和硅铝酸盐相，所述压电相为钙钛矿型钛酸钡和铁酸铋，且化学式为BaTiO3与BiFeO3，Ba和Bi分别位于钙钛矿结构A位，Ti和Fe分别位于B位，BaTiO3与BiFeO3固溶体钙钛矿结构，该结构具有准同型相界，赋予材料良好的压电性能，所述硅铝酸盐相为架状结构的钠长石，且化学式为Na2(Mg,Al)(Al,Si)2O7，其中Na位于多面体中心，Mg和Si分别位于八面体和四面体中心，Al位于八面体中心或四面体中心，部分取代Mg或Si，复合材料中压电相体积分数为45.0
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77.0％，其中BaTiO3的体积分数为19～39％，BiFeO3的体积分数为17～34％；硅酸盐相占比23.0
‑
55.0％。
[0010]优选的，所述的压电相中Ba的质量分数为17～32％，Ti的质量分数为6～17％，Bi的质量分数为15～34％，Fe的质量分数为3～9％。
[0011]优选的，所述压电复合材料的压电系数d
33
为0.1～3.5pC/N，抗压强度为62～74MPa，抗弯强度为117～130MPa，维氏硬度为510HV2/20～1870HV2/20。
[0012]一种0
‑
3型无铅压电复合材料的合成方法，原料包括熔分钛渣和粉煤灰，所述合成方法包括以下步骤：将熔分钛渣破碎球磨后，与粉煤灰、钡盐、铋氧化物及钠盐混合，充分混匀后压制成型，在空气气氛下加热至800～950℃，保温0.5～2h，接着升温至1050～1200℃，保温0.5～2h，最后将样品随炉冷却至室温，将烧结后的块样打磨至两面平整，在圆片的两侧通过丝网印刷模板涂覆导电银浆，然后将圆片放入马弗炉中烧银，烧银温度为600℃，保温时间为30min，烧银结束后将圆片在6kV直流电压下硅油中进行极化，极化温度为90
‑
120℃，极化时间为20～40min，得到压电复合材料；
[0013]以熔分钛渣(Titaniferous slag,TS)和粉煤灰(Pulverized fuel ash,PFA)为主要原料(两者的典型成分如表1所示)，与添加钡盐、铋氧化物和钠盐在混匀压制成型后，预设温度下焙烧进行矿物相重构，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种0
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3型无铅压电复合材料，其特征在于,包括压电相和硅铝酸盐相，所述压电相为钙钛矿型钛酸钡和铁酸铋，且化学式为BaTiO3与BiFeO3，所述硅铝酸盐相为架状结构的钠长石，且化学式为Na2(Mg,Al)(Al,Si)2O7，复合材料中压电相体积分数为45.0～77.0％，硅酸盐相占比23.0
‑
55.0％。2.根据权利要求1所述的一种0
‑
3型无铅压电复合材料，其特征在于，所述的压电相中Ba的质量分数为17～32％，Ti的质量分数为6～17％，Bi的质量分数为15～34％，Fe的质量分数为3～9％。3.根据权利要求1所述的一种0
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3型无铅压电复合材料，其特征在于，所述压电复合材料的压电系数d
33
为0.1～3.5pC/N。4.一种根据权利要求1
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3任一项所述的0
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3型无铅压电复合材料的合成方法，其特征在于，采用的原料包括熔分钛渣和，所述合成方法包括以下步骤：将熔分钛渣破碎球磨后，与粉煤灰、钡盐、铋氧化物及钠盐混合，充分混匀后压制成型，在空气气氛下加热至800～950℃，保温0.5～2h，接着升温...

【专利技术属性】
技术研发人员：季益龙，龙红明，朱心悦，张浩，梁璘彬，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：