1 - 3 型水泥基压电复合材料的制备及性能.pdf

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1、复 合 材 料 学 报第24 卷 第1 期 2 月 2007 年Acta M ateriae Com po sitae SinicaVol.24No.1February2007文章编号:1000 3851(2007)01 0122 05收稿 日期:200603 27;收修改 稿日 期:2006 07 10基金 项目:国家 自然科 学基 金(50502017);山 东省自 然科 学基金(Y2005 F08);济南 大学 博士基 金通讯 作者:程 新,博 士,教授,博士 生导师,无机非 金属材 料 E-mail:mse_huangsf uj ,chengxin uj 1-3 型 水 泥 基 压 电

2、 复 合 材 料 的 制 备 及 性 能黄世峰,叶正茂,王守德,徐东宇,常 钧,程 新*(济南 大学 材 料科学 与工程 学院,济南 250022)摘 要:采用切割-浇注法,以硫铝酸盐水泥为基体,制备了1-3 型水泥基压电复合材料。详细阐述了1-3 型水泥基压电复合材料的制备过程;研究了0.375Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.375PbTi O3-0.25PbZr O3压电陶瓷柱的宽厚比w/t 对1-3 型水泥基压电复合材料的压电性能、介电性能和声阻抗的影响。结果表明:压电陶瓷柱的宽厚比 w/t对1-3 型水泥基压电复合材料性能有很大影响,随着 w/t 的增加,其压电应变常数 d33、

3、机电耦合系数 Kp与 Kt、机械品质因数 Qm、介电常数r和介电损耗tan 均随着 w/t 的增加而减小,而压电电压常数 g33值几乎不受 w/t的影响。在压电陶瓷体积分数仅为22.72%的条件下,调节压电陶瓷柱的宽厚比 w/t 至0.130,可使复合材料的声阻抗与混凝土的声阻抗十分接近,从而有效地解决了智能材料在土木工程中的声阻抗相容性问题。关键词:1-3 型水泥基压电复合材料;压电性能;介电性能;机电耦合系数;声阻抗中图分类号:TB332;T U525 文献标识码:AFabrication and properties of 1-3 ce ment based piezoelectric

4、compositesHUANG Shifeng,YE Zhengmao,WANG Shoude,XU Dongyu,CH ANG Jun,CHENG X in*(School of Materials Science and Engineering,Jinan University,Jinan 250022,China)Abstract:1-3 cement based piezoelectric composites were fabricated using ce ment as matrix by the cut-fillingmethod.The fabrication procedu

5、re of t he composites was introduced in detail.The effects of w idt h to t hickness w/tratio of t he 0.375Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.375PbTi O3-0.25PbZr O3piezoelectric cera m ic rod on the piezoelectric pro-perties,dielectric properties and acoustic i mpedance of t he composites were st udied.The results i

6、ndicate that t hepiezoelectric constant d33,t he electromechanical coupling coefficients Kpand Kt,dielectric constant rand dielectricloss tan are all dependent on the ratio of widt h t o t hickness w/t of piezoelectric cera m ic rods.By changing t he w/tof piezoelectric cera mic rods,t he acoustic i

7、 mpedance of the composites can be tailored to match that of the concrete,which shows that 1-3 ce ment based piezoelectric composite is suitable to be appliedin civil structural healt h monitoring.Keywords:1-3 cement based piezoelectric composites;piezoelectric properties;dielectric properties;acous

8、tic i mpedance 目前,在土木工程领域中,利用智能材料对一些重大土木工程建筑(如大跨桥梁、高耸建筑和核建筑等)实施在线健康监测和预报已引起人们的广泛关注 1-3。然而,由于土木工程领域中的智能材料研究起步较晚,目前所用的智能材料大多沿用了在其它领域已比较成熟的材料,如记忆合金、光导纤维、压电陶瓷和压电聚合物等。这些智能材料与土木工程领域中最主要的结构材料 混凝土却存在非常明显的相容性问题 4,5,如声阻抗匹配问题、温致湿致变形协调性问题、界面粘结性问题等,从而制约了土木工程结构的智能化发展。近年来,水泥基压电复合材料的研究与开发为解决以上问题带来了希望。该类复合材料以水泥作为压电复

9、合材料的基体,其主体材料与混凝土母体材料具有最大程度的相似性,可有效地解决传统智能材料与混凝土结构材料的相容性问题 6-8;它不但具有感知功能,而且还具有驱动功能,非常适宜于监测混凝土的损伤、变形、内部应力和应变分布等情况。目前,人们对它的研究尚处于初级阶段。按照各相材料的不同连通方式,压电复合材料可分为10 种基本类型,即0-0、0-1、0-2、0-3、1-1、1-2、1-3、2-2、2-3、3-3 型,迄今为止也仅仅开发出0-3型 9,10和2-2 型两种水泥基压电复合材料 11。为进一步开发性能优良的水泥基压电复合材料,本文作者制备了 1-3 型水泥基压电复合材料。所谓1-3 型水泥基压

10、电复合材料是由一维的压电陶瓷柱平行地排列于三维连通的水泥基体中而构成的两相压电复合材料。这种复合材料集中了各相材料的优点,互补了单相的缺点,具有低声阻抗、高机电耦合系数和低机械品质因数等优点,更重要的是通过调节压电陶瓷柱的体积分数及形状参数便可使复合材料的声阻抗与混凝土材料的声阻抗相匹配,从而有效地解决智能材料在土木工程中的相容性问题。1 实验过程1.1 试样制备本实验以硫铝酸盐水泥为基体,铌镁锆钛酸铅(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 PbTiO3 PbZrO3 简 称 P(MN)ZT)为功能体,采用切割-浇注法制备1-3型水泥基压电复合材料,其制备工艺流程如图1 所示。首先分别在极化好的

11、P(MN)ZT 压电陶瓷块上,保持陶瓷柱的截面积为1 mm 1 mm 不变,切割一系列不同厚度的陶瓷柱(见图2(a)。用丙酮彻底清洗干净后,用钛酸四丁酯将其浸泡,使其表面具有一定的粗糙度,以提高水泥基体与压电陶瓷相的界面结合强度。然后将其固定在模具内,放在振动台上。按水灰质量比0.35 将水泥浆体充分搅拌后,在不断 振动的情况下,将水泥 浇注到模具内,为提高水泥基体致密度,一方面可往水泥基体中加入适量的外加剂,另一方面也可 在浇注水泥后,进行抽真空处理,然后再置于振动台上振动,以减少基体的孔隙率。将制备好的试样在标准养护箱内(20,100%RH)养护28 d 后,将其上下两个平行表面 分别进行

12、打磨、抛光,制成 厚度分别为2.62、3.30、4.98、6.02、7.68 mm 的复合材料,压电陶瓷柱的体积分数为22.72%。用丙酮擦洗试样表面,然后在两面均匀地涂上薄薄低温导电银浆或真空镀金,在真空干燥箱内烘干1 h,干燥温度为50 60,即可得到1-3 型水泥基压电复合材料,部分试样如图2(b)所示。1.2 性能测试在ZJ-3A 型准静态测量仪上测试压电应变常数 d33;采用 HP4294A 精密阻抗测试仪测量谐振频率和反谐振频率及相应的阻抗 Z,计算出机电耦图 1 1-3 型 水泥基 压电复 合材 料的制 备工 艺流程 图Fig.1 Flo w chart for preparin

13、g 1-3 typece ment-based piezoelectric co mposites图2 切 割好的 陶瓷柱(a)及 1-3 型水 泥基 压电复 合材 料试样(b)Fig.2 Cera m ic rod cut(a)and 1-3 ce ment basedpiezoelectric co mposites sample(b)合系数 Kp和 Kt、机械品质因数 Qm和声阻抗 Z,同时测量出试样的介电损耗tan和电容C,计算出介电常数,再计算出压电电压常数 g33,测试频率为1 kHz。321黄世 峰,等:1-3 型水 泥基 压电复 合材料 的制 备及性 能2 结果与分析2.1 P

14、(MN)ZT 陶瓷柱的宽厚比 w/t 对压电性能的影响除了压电陶瓷相的性能和体积分数外,压电陶瓷柱的形状参数宽厚比(w/t)是影响1-3 型水泥基压电复合材料性能的又一个非常重要的参数,它在一定程度 上 决定 着 复合 材 料的 一 些 性 能和 振 动模式。图3 给出了压电应变常数 d33和压电电压常数g33与P(MN)ZT 陶瓷柱 w/t 的关系。由图3 可知,随着 w/t 的增加,复合材料的 d33逐渐减小,即 d33值随着厚度的减小而减小。而复合材料的 g33几乎不受 w/t 的影 响,其 值仅在 39.90 mVmN-1和41.21 mVm N-1之间作微小波动。图3 复合 材料压

15、电常 数与 P(MN)ZT 柱宽厚 比 w/t 的关 系Fig.3 Dependence of the piezoelectric constanton w/t ratio of P(MN)ZT rods表1 1-3 型水泥基压电复合材料的机电耦合性能Table 1 The e lec trom echan ica l coup ling properties o f the com positesw/t ratio of P(MN)ZT rods0.1300.1660.2010.3030.382Series frequency fm/k Hz165.04165.04165.04172.541

16、72.54Parallel frequency fn/k Hz172.54172.54172.54180.04180.04fn-fm/k Hz7.507.507.507.507.50M in i mumimpedance Rm in/k5.228.136.935.605.31Planar electro mechan icalcoupling coefficientKp/%32.7932.7932.7931.9031.90Thickness electro mechan icalcoupling coefficient Kt/%32.0432.0432.0431.3931.39Mechanic

17、al quality Qm28.8316.5416.6713.9111.85表1 列出了5 种不同厚度的复合材料的机电耦合性能。由表1 可知,复合材料的串联谐振频率和并联谐振频率随 w/t 的增加呈增大趋势,即随厚度的减小而增大,f 不变,其值为7.50 kHz。机电耦合系数 Kp随 w/t 的增加而减小,即随厚度减小而减小,这表明在薄压电复合材料中,P(MN)ZT柱之间以及厚度模和径向模之间的耦合作用较弱,而复合材料越厚,这种耦合作用就越大,压电复合材料更接近于一个各向同性体。Kt与 Kp呈相同的变化规律,其值在31.39%和32.04%之间平稳变化。复合材料的机械品质因数 Qm随 P(MN

18、)ZT 陶瓷柱宽厚比 w/t 的增加而减小,最小值为11.85,还不到单相P(MN)ZT Qm值(55)的1/4。这是因为复合材料发生厚度模振动时,P(MN)ZT 柱振动最强,并作为声源向水泥基体 中辐射声波。一般来讲,水泥基体对声波的衰减随着其中声波频率的升高而增大。对于薄压电复合材料,水泥基体中声波衰减较大,因此薄压电复合材料的 Qm值很低。同理,厚压电复合材料的 Qm值较高。2.2 P(MN)ZT 陶瓷柱的 w/t 对介电性能的影响图4 给出了复合材料的介电常数 r和介电损耗tan与 P(MN)ZT 陶瓷柱宽厚比 w/t 的关系。由图4 可知,随着 w/t 的增加,复合材料的介电常数r逐

19、渐减小,即介电常数r随着厚度的减小而减小。介电损耗tan与介电常数r具有相同的变化趋势。2.3 P(MN)ZT 陶瓷柱的 w/t 对声阻抗Z 的影响在土木工程中,如果智能材料与混凝土材料的相容性问题(如声阻抗匹配问题、温致湿致变形协调性问题、界面粘结性问题等)不能很好地解决,421复 合 材 料 学 报图4 复 合材料 介电性 能与 P(MN)ZT 陶瓷柱宽 厚比 w/t 的 关系Fig.4 Dependence of t he dielectric propertieson w/t ratio of P(MN)ZT rods将无法保证对一些重大土木工程设施进行长期有效的健康监测。而在这些相容

20、性问题中,声阻抗匹配是最重要的问题之一。通常,土木工程中的结构母体材料混凝土的声阻抗约为9.0 106kg m-2 s-1,而P(MN)ZT 压电陶瓷的声阻抗约为18.8 106kg m-2 s-1,两者相差很大,存在严重的相容性问题。如果压电陶瓷被直接埋入混凝土中,就会因声阻抗不匹配使压电陶瓷与混凝土之间的能量转换大大削弱,从而起不到实时检测混凝土结构内部应力和损伤的作用。而以水泥作为压电复合材料基体制备的1-3 型水泥基压电复合智能材料,可使智能材料与混凝土结构材料之间具有良好的声阻抗匹配关系。声阻抗是指介质密度与超声波在介质中传播速度Cc的乘积,即 12Z=Cc=2 NtNt=fst表2

21、 具有不同P(MN)ZT 陶瓷柱宽厚比 w/t 的复合材料的声阻抗Table 2 Acou stici m pedance o f com po sites w ith d ifferen t w/t ratio s o f P(MN)ZTrod sw/t ratios0.1300.1660.2010.3030.382Co mposites thickness t/mm7.686.024.983.302.62Series frequency fm/k Hz165.04165.04165.04172.54172.54Density /(103kg m-3)3.523.523.523.523.52

22、Frequency constantNt/(m s-1)1270.81990.24825.20569.38448.61Acoustic i mpedanceZ/(106kg m-2 s-1)8.956.975.814.083.16式中:为复合材料的密度;Nt为频率常数;fs为复合材料的串联谐振频率,在一级近似条件下,它们可近似地由阻抗幅值达到最小值时的频率 fm代替;t 为复合材料的厚度。当复合材料的体积确定后,其密度不变。因此,复合材料声阻抗仅与串联谐振频率 fs和厚度t 有关,不同厚度复合材料的声阻抗如表2 所示。由表2 可看出,随着 P(MN)ZT 陶瓷柱宽厚比w/t 的减小,即随着厚度

23、的增加,复合材料的声阻抗逐渐增大,因此,在采用1-3 型水泥基压电复合材料制作智能材料时,只要知道母体 材料的声阻抗,根据此变化规律调整复合材料的密度和宽厚比w/t,便可找到与母体声阻抗相匹配的压电复合材料。显然,在 P(MN)ZT 体积分数仅为22.72%的条件下,将 P(MN)ZT 柱 的宽 厚 比 w/t 调 节 为0.130,即复合材料的厚度为7.68 mm 时,便可使复合材料的声阻抗值达到8.95 106kg m-2 s-1,该值与结构母体材料 混凝土的声阻抗值(9.0 106kg m-2 s-1)十分接近。由此可见,以硫铝酸盐水泥为基体,通过调节 P(MN)ZT 柱的宽厚比w/t

24、便可制备出与混凝土材料声阻抗相匹配的1-3型水泥基压电复合材料,从而有效地解决智能材料在土木工程中的相容性问题。3 结 论(1)以硫铝酸盐水泥为基体,采用切割-浇注法,制备了1-3 型水泥基压电复合材料。(2)P(MN)ZT 陶瓷柱的宽厚比 w/t 对1-3 型水泥基压电复合材料性能有很大影响,其压电应变常数 d33值、机电耦合系数 Kp与 Kt、机械品质因数 Qm、介电常数r和介电损耗tan均随着 w/t 的增加而减小,即随着厚度的减小而减小,而压电电压常数 g33值几乎不受 w/t 的影响。(3)1-3 型水泥基压电复合材料的声阻抗随着w/t 的减小而增大,即随着厚度的增大而增大,在521

25、黄世 峰,等:1-3 型水 泥基 压电复 合材料 的制 备及性 能P(MN)ZT 体 积分 数仅 为 22.72%的条 件 下,将P(MN)ZT 柱的宽厚比 w/t 调节为0.130,即复合材料的厚度为7.68 mm 时,便可使复合材料的声阻抗与混凝土的声阻抗十分接近,从而有效地解决了智能材料在土木工程中的相容性问题。参考文献:1 Dong B iqin,Li Zongjin.Ce ment-based piezoelectric ceram ics mart co mposites J.Co mposites Science and Technology,2005,65(9):1363 13

26、71.2 Aizawa S,Kakizawa T,H igasinoM.Case studies of smartm aterials for civil structures J.SmartM aterials and Struc-tures,1998,7(5):617 626.3 T zou H S,Guran A.Structron ics syste m s:Sm art structure,devicesand syste m s(,)M .S ingapore:W orld Scien tific,1998.4 Li Zongjin,Zhang Dong,Wu Keru.Cemen

27、t-based 0-3 piezoe-lectric co mposites J.Journal of American Ceram ic Society,2002,85(2):305 313.5 张 东,吴科 如,李宗津.水 泥基压 电机敏 复合 材料的 可行 性分 析和研 究 J.建筑材 料学报 J,2002,5(2):141 146.Zhang Dong,Wu Keru,Li Zongjin.Feasibility study of ce mentbased piezoelectric smart co mposites J.Journal of BuildingMaterials,20

28、02,5(2):141 146.6 张 东,吴科 如,李宗津.0-3 型水 泥基压 电机 敏 复合 材 料的制 备和性 能 J.硅酸盐 学报,2002,30(2):161 166.Zhang Dong,Wu Keru,Li Zongjin.Fabricationand propertiesof 0-3 ce ment based piezoelectric s mart co mposites J.Jour-nal of Chinese Ceram ic Society,2002,30(2):161 166.7 黄世 峰,常 钧,程 新,等.0-3 型压电陶瓷-硫铝酸盐水 泥复合材 料的压电性

29、能 J.复合材 料学报,2004,21(3):73 78.Huang Sh ifeng,Chang Jun,Cheng Xin,et al.Piezoelectricproperties of 0-3 sulphoalum inate ce ment-based piezoelectricco mposites J.Acta Materiae Co mpositae Sinica,2004,21(3):73 78.8 Huang Shifeng,Chang Jun,Cheng Xin.Piezoelectric proper-ties of 0-3 PZT/su lphoalum inate

30、ce ment co mposites J.Smart M aterials and Structures,2004,13(2):270 274.9 黄世峰,常 钧,程 新,等.0-3 型压 电陶瓷/硫 铝酸 盐水泥复合材 料的 介 电 性 及 压 电 性 J.复 合 材 料 学 报,2005,22(2):87 90.Huang Sh ifeng,Chang Jun,Cheng X in,et al.Dielectric andpiezoelectric properties of 0-3 piezoelectric ceram ic/sulpho-alum inate ce ment co

31、mposites J.Acta Materiae Co mpositaeSinica,2005,22(2):87 90.10uang Sh ifeng,Chang Jun,Cheng Xin.Preparation of 0-3 ce-ment based piezoelectric co mposites andits poling J.Materi-als Research Bulletin,2006,41(2):291 297.11i Z J,Zhang D,Wu K R.Ce ment matrix 2-2 piezoelectricco mposite:Sensory effect J.Materials and Structures,2001,34(10):506 512.12warnalata Sripada,JoeUns worth,MuraliKrishnamurty,et al.PZT/polymer co mposites for medical u ltrasound J.Materials Research Bulletin,1996,31(6):731 739.621复 合 材 料 学 报