專利名稱：一種高效水泥基壓電材料及其合成方法
技術領域：
本發明屬于壓電材料領域，具體涉及一種高效水泥基壓電材料及其合成方法。
背景技術：
0-3型水泥基壓電復合材料是指具有壓電效應的功能體粉末均勻分散于三維連續的水泥基體中形成的復合材料。它與混凝土有良好的相容性，且制備簡單、結構均勻、組成可控、成本低，其主要用于大型結構和基礎設施(如橋梁、超高層建筑、大跨空間結構、大型水壩、核電站、海洋采油平臺及港口設施等)的長期安全檢測與監控，同時也可在線檢測公路橋梁上通過車輛的車速和載重等，保證公路橋梁的使用壽命、運營經濟性和交通安全。目前，傳統的0-3型水泥基壓電材料壓電性能不高，靈敏度低，傳感精度差，如公開號為CN1569423的水泥基壓電智能復合材料及其制備方法的專利中，其d33值最高僅為 31pC/N，所以需要使用電荷放大器來加強電信號的輸出。另外，目前傳統0-3型水泥基壓電材料均需在4-5KV/mm的高極化電場強度下極化制得，投入成本較高。并且其老化問題嚴重，容易產生虛假信號，導致安全隱患。

發明內容
本發明所要解決的技術問題在于提供一種高效水泥基壓電材料及其合成方法，該高效水泥基壓電材料壓電性能高，制備所需極化電壓小，制備成本低，便于應用推廣。為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為一種高效水泥基壓電材料，其特征在于它是將鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷顆粒、水泥和增強相球磨混合均勻，其中按體積百分數計，鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷顆粒為45%-70%， 其余為水泥和增強相；水泥和增強相中按重量百分比計，水泥占65% -95%，增強相占 5%-35%,加入水和高效減水劑，攪拌均勻后壓制成型，養護，極化而得，該高效水泥基壓電材料放置30d后壓電應變常數d33達到70-100pC/N。按上述方案，按體積百分比計，鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷顆粒為50% -70%，其余為水泥和增強相；水泥和增強相中按重量百分比計，水泥占70% -90%，增強相占10% -30%。按上述方案，所述的水泥為硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，強度等級為42. 5或 52. 5 ο按上述方案，所述的鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷顆粒粒徑為75-200 μ m，壓電應變常數d33 > !350pC/N，介電常數 ε r 為 1500-2000。按上述方案，所述的增強相為硅灰、石英粉和石英砂中的一種或一種以上的混合， 增強相中SiO2含量達90%以上，粒徑為0. 1-150 μ m。按上述方案，所述水的重量水泥和增強相的總重量(水膠比)為0.16-0. 28，所述的高效減水劑為減水率> 20%的聚羧酸系高效減水劑，高效減水劑摻量按重量計為水泥的 1. 5-2. 5wt%。按上述方案，所述的養護為先經過標準養護，再熱養護。
按上述方案，所述的標準養護為20°C，95% RH養護2d ；所述的熱養護為蒸汽養護或熱水養護，所述的養護溫度為80-100°C，100% RH，養護時間為3d。按上述方案，所述的極化溫度為100-130°C，極化時間為20-30min，極化電場強度為 1-IV/mm。上述高效水泥基壓電材料的合成方法，其特征在于將鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷顆粒、水泥和增強相以無水乙醇為球磨介質球磨混合，其中按體積百分數計，鋯鈦酸鉛(PZT) 陶瓷顆粒為45% _70%，其余為水泥和增強相；水泥和增強相中按重量百分比計，水泥占 65% -95%,增強相占5% -35%，干燥，過篩備用，然后加入水和高效減水劑，攪拌均勻后壓制成片，養護，然后于壓片兩面均勻涂抹導電免燒銀漿，烘干，極化而得。對于本發明的水泥基壓電材料而言，在壓電功能體確定的前提下，其壓電性能主要取決于極化程度，而極化程度與壓電材料的介電常數密切相關。為此，本發明通過增添一種介電常數較高、顆粒較細的粉體作為增強相，從而適當提高壓電材料的介電常數而進一步提高其壓電性能，同時降低極化所需的電場強度，提高極化效率。另外，壓電材料的顯微結構對材料性能也有很大的影響，為消除結構缺陷對該水泥基壓電性能的影響，本發明采用壓制成型法并在標準養護的基礎上結合熱養護工藝而提高水泥基壓電復合材料的致密度，從而進一步提高該水泥基壓電材料的壓電性能。如此，大大提高該水泥基壓電材料的傳感精度及驅動力，使其在應用中無需電荷放大器，降低應用成本，這對于推進0-3型水泥基壓電復合材料的發展和應用有重要的學術價值。本發明的有益效果與傳統0-3型水泥基壓電材料相比，本發明的高效水泥基壓電材料通過添加介電常數較高、顆粒較細的增強粉體作為增強相，采用壓制成型法并采用標準養護與熱養護相結合工藝而顯著提高其介電常數和致密度，進一步提高其壓電性能，同時大幅度降低極化所需外部電場強度，提高極化效率和壓電性能。該水泥基壓電材料放置30d后，壓電應變常數d33可達到70-100pC/N，具有良好的電信號輸出；該水泥基壓電材料制備工藝簡便，所需極化電壓小，成本低，便于應用推廣。


圖1為本發明的高效水泥基壓電材料組成示意圖；圖2為本發明的實施例4制備的高效水泥基壓電材料的掃描電鏡照片；圖3為本發明的實施例4制備的高效水泥基壓電材料的背散射照片；圖4為不同時間下的實施例4制備的高效水泥基壓電材料試樣的d33值，圖中-■-為對照例2，- -為實施例4。
具體實施例方式下面結合以下實施例對本發明的發明內容作進一步說明。實施例1-8將鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷顆粒、普通硅酸鹽水泥(52. 5等級)和增強相硅灰按表1配比取料后，以無水乙醇為介質，球磨混合15min，干燥，過0.2mm篩備用。然后按水膠比(水的重量水泥和增強相的總重量)為0. 2，加入水和減水率為20%的聚羧酸系高效減水劑，高效減水劑的加入量為水泥的2%，攪拌均勻后壓制成20mmX2mm的圓片，先20°C，95% RH 標準養護2d，再90°C，100 % RH,熱養護3d，最后用丙酮擦洗表面，然后在圓片兩面均勻涂上免燒銀漿，在80°C干燥箱內烘池至干燥，后于100°C硅油中極化30min，極化電場強度為 1.5KV/mm0將以下各實施例1-8制備的水泥基壓電材料采用ZJ-3AN型準靜態d33測量儀(中科院聲學研究所研制)測試其d33值，列于表1 ；將表1中對照例2，實施例3和5-8制備得到的樣品測定所得的介電常數值列于表 2 ；表1各實施例中高效水泥基壓電材料的d33值
^^水泥和增強相總和(vol.%)^
編號 --PZT (vol.%)J33(pC/N)
__泥(wt.%) 增強相(wt.%)___
實施例 180%20%45%58.7
實施例 2__80%__20%__50%__73.4
實施例 3__80%__20%__60%__85.1
實施例 480%20%70%89.7
對照例 1__80%__20%__75%__—
對照例 2__100%__0__60%__50.4
實施例 5__95%__5%__60%__60.2
實施例 6__90%__10%__60%__74.6
實施例 7__70%__30%__60%__93.8
實施例 865%35%60%63.6表2不同增強相含量的介電常數
"1 1水泥(wt. % ) 增強相(wt. % ) 介電常數ε r~
對照例2100%0L58
實施例 595%5%2 89
實施例 690%10%T&9
實施例 380%20%6 98
實施例 70%30%9 67
實施例 865%35%10.88
權利要求
1.一種高效水泥基壓電材料，其特征在于它是將鋯鈦酸鉛陶瓷顆粒、水泥和增強相球磨混合均勻，其中按體積百分數計，鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷顆粒為45%-70%，其余為水泥和增強相；水泥和增強相中按重量百分比計，水泥占65%-95%，增強相占5%-35%，然后加入水和高效減水劑，攪拌均勻后壓制成型，養護，極化而得，該高效水泥基壓電材料放置30d后壓電應變常數^3達到70-100pC/N。
2.根據權利要求1所述的高效水泥基壓電材料，其特征在于按體積百分比計，鋯鈦酸鉛陶瓷顆粒為50%-70%，其余為水泥和增強相；水泥和增強相中按重量百分比計，水泥占 70%-90%，增強相占 10%-30%。
3.根據權利要求1所述的高效水泥基壓電材料，其特征在于所述的水泥為硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，強度等級為42. 5或52. 5。
4.根據權利要求1所述的高效水泥基壓電材料，其特征在于所述的鋯鈦酸鉛陶瓷顆粒粒徑為75-200Mm，壓電應變常數d33>350pC/N，介電常數ε r為1500 2000。
5.根據權利要求1所述的高效水泥基壓電材料，其特征在于所述的增強相為硅灰、石英粉和石英砂中的一種或一種以上的混合，增強相中SiO2含量達90%以上，粒徑為 0. l-150Mm。
6.根據權利要求1所述的高效水泥基壓電材料，其特征在于所述水的重量水泥和增強相的總重量為0. 16-0.觀，所述的高效減水劑為減水率> 20%的聚羧酸系高效減水劑，高效減水劑的摻量按重量計為水泥的1. 5-2. 5wt%。
7.根據權利要求1所述的高效水泥基壓電材料，其特征在于所述的養護為先經過標準養護，再熱養護。
8.根據權利要求7所述的高效水泥基壓電材料，其特征在于所述的標準養護為 20°C，95%RH養護2d ；所述的熱養護為蒸汽養護或熱水養護，所述的養護溫度為80_10(TC， 100%RH，養護時間為3d。
9.根據權利要求1所述的高效水泥基壓電材料，其特征在于所述的極化溫度為 100-130°C，極化時間為20-30min，極化電場強度為l_2KV/mm。
10.根據權利要求1所述的高效水泥基壓電材料的合成方法，其特征在于將鋯鈦酸鉛陶瓷顆粒、水泥和增強相以無水乙醇為球磨介質球磨混合，其中按體積百分數計，鋯鈦酸鉛陶瓷顆粒為45%-70%，其余為水泥和增強相；水泥和增強相中按重量百分比計，水泥占 65%-95%，增強相占5%-35%，干燥，過篩備用，然后加入水和高效減水劑，攪拌均勻后壓制成片，養護，然后于壓片兩面均勻涂抹導電免燒銀漿，烘干，極化而得。
全文摘要
本發明涉及一種高效水泥基壓電材料及其合成方法。一種高效水泥基壓電材料，其特征在于它是將鋯鈦酸鉛陶瓷顆粒、水泥和增強相球磨混合均勻，其中按體積百分數計，鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷顆粒為45%-70%，其余為水泥和增強相；水泥和增強相中按重量百分比計，水泥占65%-95%，增強相占5%-35%，加入水和高效減水劑，攪拌均勻后壓制成型，養護，極化而得，該高效水泥基壓電材料放置30d后壓電應變常數d33達到70-100pC/N。該高效水泥基壓電材料壓電性能高，制備工藝簡便，所需極化電壓小，成本低，便于應用推廣。
文檔編號C04B28/00GK102503282SQ201110352840
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月9日 優先權日2011年11月9日
發明者孫華君, 宋巖, 王發洲, 王浩 申請人:武漢理工大學