一種3-3型壓電陶瓷/水泥壓電復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種3-3型壓電陶瓷/水泥壓電復(fù)合材料及其制備方法，屬于陶瓷基壓 電智能復(fù)合材料及其制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 土木工程領(lǐng)域中的眾多大型建筑結(jié)構(gòu)(如超高電視塔、大跨橋梁、大型水壩和核電 站等）具有造價高昂、形體龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點，在國民生產(chǎn)中占據(jù)著重要地位，一旦失 效，將給國家和人民造成巨大的財產(chǎn)損失和社會影響。因此，采用智能材料對重大土木工程 建筑的一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位實施健康監(jiān)測，檢查結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力和應(yīng)變的分布情況，評估結(jié)構(gòu) 的運營狀態(tài)，可以為此類工程建筑的維護和管理抉擇提供可信的依據(jù)。
[0003] 相比于傳統(tǒng)的智能材料，如光導(dǎo)纖維、壓電陶瓷、聚合物基壓電復(fù)合材料和碳纖維 等，將壓電陶瓷與水泥復(fù)合制得的水泥基壓電智能復(fù)合材料既具有良好的壓電性能，高的 強度和耐久性，又與主體混凝土結(jié)構(gòu)有較好的相容性和優(yōu)良的聲阻抗相匹配關(guān)系，在土木 工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中有著巨大的應(yīng)用潛力。
[0004] 目前，常見的水泥基壓電智能復(fù)合材料及其制備方法有三種：（1)0-3型壓電復(fù)合 材料：以水泥材料為基體，壓電陶瓷相為功能體，將水泥與壓電陶瓷粉體球磨混合后壓制成 型。該方法易于操作，且成本低廉。但是，當(dāng)壓電陶瓷以顆粒狀彌散分布于三維連續(xù)的水泥 基體時，壓電陶瓷顆粒間載流子的傳導(dǎo)易被水泥基體所阻隔，對電學(xué)信號傳遞的準(zhǔn)確性造 成較大影響，削弱了壓電智能材料的傳感精度。（2)1-3型壓電復(fù)合材料:將壓電陶瓷塊沿極 化方向切割成一系列的豎直柱體，再沿著陶瓷柱體的間隙澆注水泥漿料，形成水泥基體。之 后，將水泥基體上下兩個平行表面分別進行打磨，直至兩端面完全露出壓電陶瓷相。采用此 方法制備的壓電智能復(fù)合材料具有較高的壓電響應(yīng)，但是壓電陶瓷材料的硬度大，脆性高， 陶瓷柱體切割非常困難，制作成本高昂。（3)2-2型壓電復(fù)合材料:首先將壓電陶瓷塊沿極化 方向切割成一系列陶瓷片，之后的制備工藝路線與3-3型壓電復(fù)合材料的方法完全相同。顯 然，將壓電陶瓷塊體切割成陶瓷片具有更大的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明旨在提供一種3-3型壓電陶瓷/水泥壓電智能復(fù)合材料，該復(fù)合材料以壓電 陶瓷為基體，水泥為復(fù)合相，具有壓電性能優(yōu)良、傳感精度高、與混凝土結(jié)構(gòu)相容性好、耐久 性強的優(yōu)點。本發(fā)明還提供了上述壓電復(fù)合材料的制備方法，該方法易于實施，為3-3型壓 電陶瓷/水泥壓電復(fù)合材料的實現(xiàn)提供了技術(shù)支持。
[0006] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的： 本發(fā)明提供了一種3-3型壓電陶瓷/水泥壓電復(fù)合材料，由多孔壓電陶瓷、水泥和上下 電極構(gòu)成，所述多孔壓電陶瓷既是基體，又是功能體，其內(nèi)部和四周由水泥填充;其中，壓電 陶瓷的質(zhì)量百分比為50%~85%。
[0007] 本發(fā)明提供了上述3-3型壓電陶瓷/水泥壓電復(fù)合材料的制備方法，包括以下步 驟： (1) 將去離子水、有機單體、交聯(lián)劑混合溶解，攪拌形成單體預(yù)混液； 所述有機單體包括丙烯酰胺、甲基丙烯酸羥乙酯、甲基丙烯酸羥丙酯中的一種;預(yù)混液 中有機單體與交聯(lián)劑的濃度為l〇~30wt%，其中交聯(lián)劑與有機單體的質(zhì)量比為1:10-80; (2) 將壓電陶瓷粉體、分散劑與單體預(yù)混液混合球磨，得到分散均勻、懸浮性好的陶瓷 漿料； 壓電陶瓷粉體占漿料的體積分數(shù)為5~25vol%; 分散劑用量為壓電陶瓷粉體的〇. 3~2. Owt%; (3) 向陶瓷漿料中加入發(fā)泡劑與引發(fā)劑，攪拌發(fā)泡，得到穩(wěn)定存在的陶瓷泡沫漿料； 發(fā)泡劑加入量為漿料體積的0. 1~1.5vol%;引發(fā)劑加入量為漿料體積的0.1~lvol%; (4) 將陶瓷泡沫漿料倒入模具中，并置于低溫恒溫冷凍槽中冷凍，冷凍溫度:-10-20 °C;冷凍時間10-24小時;得到冷凍成型的陶瓷坯體； (5) 將陶瓷坯體置于電熱干燥箱中，有機單體在溫度為120~200°C條件下快速固化成 型，得到陶瓷濕坯； (6) 陶瓷濕坯在40~200°C下干燥12~48小時;然后進行高溫?zé)Y(jié)，坯體燒結(jié)溫度為1100~ 1250°C，燒結(jié)時間為10~15小時;得到具有高開孔孔隙率的多孔壓電陶瓷； (7) 將水泥漿體澆注到多孔壓電陶瓷，再放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱中進行養(yǎng)護7~28天； (8) 用磨片機將樣品的上下兩個平行表面分別進行打磨，使兩面完全露出壓電陶瓷相， 拋光處理后，在兩面均勻地涂上低溫導(dǎo)電銀膠或鍍上電極，即可制備出3-3型壓電陶瓷/水 泥壓電復(fù)合材料。
[0008] 上述步驟(1)所述交聯(lián)劑是亞甲基雙丙烯酰胺； 上述步驟(2)所述陶瓷漿料中壓電陶瓷粉體為鋯鈦酸鉛、鈮鎂鋯鈦酸鉛、鈮鋰鋯鈦酸鉛 中的一種，分散劑包括檸檬酸銨、阿拉伯樹膠的一種。
[0009] 上述步驟(3)所述發(fā)泡劑是指可以促使陶瓷漿料充分發(fā)泡的短鏈兩親分子溶劑， 如甲酸、乙酸或丙酸的一種，引發(fā)劑為過硫酸銨溶液，其濃度為35wt%; 上述步驟(6)所述多孔壓電陶瓷的開孔孔隙率為30~70%。
[0010] 上述步驟(7)所述澆注過程中，首先將壓電陶瓷固定在模具內(nèi)，放置于振動臺上， 之后在不斷振動壓電陶瓷的同時澆注水泥，以減少壓電陶瓷/水泥復(fù)合材料的孔隙率;所用 水泥為娃酸鹽水泥、硫鋁酸鹽系列水泥或磷鋁酸鹽系列水泥中的一種;水泥衆(zhòng)體的水灰比 為0.3~0.5;養(yǎng)護條件為，養(yǎng)護溫度控制在20 ± 1°C，相對濕度2 90%。
[0011] 本發(fā)明的有益效果： (1)壓電陶瓷漿料發(fā)泡后，其泡沫中大量的空氣對有機單體自由基聚合起抑制作用，導(dǎo) 致陶瓷坯體成型所需的時間大幅延長，陶瓷泡沫則在表面張力作用下膨脹直至破裂，使多 孔壓電陶瓷的孔隙率顯著降低。單體自由基在高溫環(huán)境中可以加快聚合反應(yīng)的速度，最大 程度地減小空氣對單體自由基的抑制作用。本發(fā)明即利用陶瓷漿料在低溫下快速冷凍成 型，之后坯體在高溫下逐步融化的同時發(fā)生有機單體聚合反應(yīng)。本發(fā)明成功避免了陶瓷泡 沫漿料直接置于高溫環(huán)境時，在發(fā)生固化反應(yīng)之前就因熱傳導(dǎo)而引起氣泡膨脹和破裂的缺 點。
[0012] (2)3-3型壓電陶瓷/水泥壓電復(fù)合材料是水泥顆粒分散于三維連續(xù)的壓電陶瓷基 體中形成的復(fù)合材料，通過正壓電效應(yīng)形成的電荷經(jīng)由壓電陶瓷相可以連續(xù)傳導(dǎo)，從而在 壓電復(fù)合材料中產(chǎn)生應(yīng)力放大作用，相較于水泥基壓電復(fù)合材料，3-3型壓電復(fù)合材料具有 更加優(yōu)異的壓電性能和更高的傳感精度。
[0013] (3)利用本發(fā)明制備的3-3型壓電陶瓷/水泥壓電復(fù)合材料，具有壓電性能優(yōu)良、與 混凝土相容性好、耐久性好等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明實施例1所制備多孔壓電陶瓷的斷面SEM圖； 圖2為本發(fā)明實施例1所制備3-3型壓電陶瓷/水泥壓電復(fù)合材料的斷面SEM圖。
【具體實施方式】
[0015] 下面通過實施例來進一步說明本發(fā)明，但不局限于以下實施例。
[0016] 實施例1: 將12.5wt%的丙稀酰胺單體、0.5wt%的交聯(lián)劑亞甲基雙丙稀酰胺溶解在87wt%水中，制 成預(yù)混液;在l〇〇ml的預(yù)混液中加入鋯鈦酸鉛陶瓷粉體，球磨12小時制成固相體積分數(shù)為 15%的鋯鈦酸鉛陶瓷懸浮體，即鋯鈦酸鉛的體積占加入鋯鈦酸鉛陶瓷粉體之后漿料總體積 的15%。將100μΙ的引發(fā)劑過硫酸銨溶液(35wt%)與0.5ml的發(fā)泡劑丙酸加入到懸浮體中，迅 速攪拌發(fā)泡。將陶瓷泡沫倒入模具中，并置于溫度為_15°C的低溫恒溫冷凍槽中冷凍20小時 成型。將冷凍坯體取出后立刻置于溫度為150°C的電熱干燥箱中，丙烯酰胺單體在高溫和引 發(fā)劑的共同作用下發(fā)生固化反應(yīng)，得到陶瓷濕坯。陶瓷濕坯在溫度40°C的電熱干燥箱中干 燥24小時得到干坯;將干坯燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1175°C，得到了開孔氣孔率為55%的多孔鋯鈦 酸鉛壓電陶瓷。將多孔壓電陶瓷固定在模具內(nèi)，放置于振動臺上。按水灰比0.4將硅酸鹽水 泥漿體充分攪拌，在不斷振動的情況下，將水泥漿體澆注到模具內(nèi)。將制備好的試樣在標(biāo)準(zhǔn)