3‑1‑2型聚合物/水泥压电复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种3‑1‑2型聚合物/水泥压电复合材料，是采用海藻酸钠离子凝胶工艺制备部分带有管状孔道、部分为致密陶瓷体的多孔压电陶瓷骨架为功能体，在陶瓷骨架功能体的管状孔道中浇注水泥浆料形成基体，并在陶瓷骨架功能体与水泥基体之间的微孔中填充有机高分子聚合物构成。本发明专利技术压电复合材料具有良好的耐热和抗外界冲击能力，以及更加优异的压电性能，展示出良好的声阻抗匹配和机电耦合效应及较低的机械品质因数，适用于土木结构检测中对高灵敏度传感器的需求。

3 1 2 type piezoelectric polymer / cement composite material and preparation method thereof

The invention discloses a 3 1 2 type polymer / cement composite piezoelectric material, is prepared with tubular pore, part of porous ceramic densification of piezoelectric ceramic skeleton as a function of body by sodium alginate ion gel preparation, porous ceramic skeleton function in the tubular body in pouring cement slurry and forming matrix. In between the microporous ceramic skeleton function and cement matrix filled with organic polymer composition. The present invention piezoelectric composite material has good heat resistance and the shock resistance ability, and more excellent piezoelectric properties show good acoustic impedance matching and electromechanical coupling effect and low mechanical quality factor, suitable for the detection of civil engineering structures for high sensitivity sensor demand.

【技术实现步骤摘要】
3-1-2型聚合物/水泥压电复合材料及其制备方法
本专利技术涉及一种3-1-2型聚合物/水泥压电复合材料及其制备方法，属于压电智能复合材料及其制备

技术介绍
大型土木工程结构如大跨桥梁、核电站和体育场馆等规模庞大、结构复杂，在其服役过程中，将持续受到环境载荷作用、材料老化、疲劳效应和腐蚀效应等不利因素影响，一旦失效，后果不堪设想。因此，采用智能材料与结构对在役的土木工程结构及其重要构件进行健康监测和损伤评估具有重要意义。压电材料具备优良的机电耦合特性，既可以作为传感材料，也能用作驱动材料，是智能材料与结构中的首选材料。然而，在土木工程结构中，传统的压电材料（压电陶瓷、压电聚合物和聚合物基压电复合材料）与混凝土母体存在界面粘结性差、声阻抗不匹配的相容性问题，导致智能材料的传感精度大幅度降低，驱动力度也会受到显著的削弱。水泥压电智能复合材料以水泥材料作为基体，压电陶瓷材料作为功能体，可以显著提高与混凝土结构材料的界面粘结强度和声阻抗匹配程度，在土木工程结构健康监测中有着巨大的应用潜力。压电复合材料根据陶瓷相与基体相的不同联通方式一般可以分为十种基本类型，即0-0、0-1、0-2、0-3、1-1、1-2、1-3、2-2、2-3、3-3型，前面的一个数字指基体压电陶瓷相的联通方式，后面的一个数字指基体相的联通方式。其中，0-3型、1-3型和2-2型水泥基压电复合材料受到研究者的广泛和深入的关注。CN1569423A公开了一种0-3型水泥压电复合材料及制备方法与应用，其将水泥与压电陶瓷粉体球磨混合后压制成型，优点是制备工艺简单易操作，成本低廉，耐久性强。但是，其压电陶瓷间电学信号的传导容易被水泥基体所阻隔，影响了压电复合材料的机电耦合效应，削弱了压电复合材料的传感精度。CN103456879A和CN103594616A分别公开了一种2-2型和1-3型水泥压电复合材料的制备方法与应用，这两种压电复合材料的制备方法都是将致密的压电陶瓷块体切割成规则排列的片状或柱状体，再向其内部间隙中浇注水泥基体。2-2型和1-3型压电智能复合材料均具有较高的压电响应，但是压电陶瓷材料具有硬度高、脆性大的缺点，在切割过程中极易崩裂，加工周期漫长，生产效率极低。CN103739285A涉及一种氧化物增韧多孔锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法，采用该方法制备的3-1型蜂窝多孔压电陶瓷孔径较小，仅在100～300μm之间，水泥浆体难以充分填充陶瓷坯体内部的孔隙。此外，具有通孔结构的3-1型蜂窝陶瓷强度较低，在后续操作过程中容易损坏。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种3-1-2型聚合物/水泥压电复合材料，该压电复合材料不仅稳定性高、传感精度高、压电性能优良，而且与混凝土结构相容性好、耐久性强。本专利技术的另一专利技术目的是提供上述压电复合材料的制备方法，为3-1-2型聚合物/水泥压电复合材料的实现提供技术支持。本专利技术所述的3-1-2型聚合物/水泥压电复合材料是以采用海藻酸钠离子凝胶工艺制备的部分具有孔道、部分为致密陶瓷体的多孔压电陶瓷骨架作为功能体，在所述陶瓷骨架功能体的孔道中浇注水泥浆料形成基体，并在陶瓷骨架功能体与水泥基体之间的微孔中填充上有机高分子聚合物，所构成的聚合物增强的3-1-2型聚合物/水泥压电复合材料。其中，所述的有机高分子聚合物可以是聚氨酯、液体硅橡胶、环氧树脂等有机材料。进而，本专利技术提供了所述3-1-2型聚合物/水泥压电复合材料的制备方法，该制备方法包括：1）将水、海藻酸钠与压电陶瓷粉体混合球磨，得到分散均匀的陶瓷浆料，置于模具中，向浆料表面喷覆氯化钙溶液，发生固化反应形成一层初始薄膜；2）向模具中缓慢加入占陶瓷浆料体积40～60%的、溶有金属离子吸附剂的氯化钙溶液，静置，使钙离子透过初始薄膜向下渗透，在陶瓷浆料内延渗透方向形成均匀分布的管状孔道结构；3）当形成的管状孔道长度达到模具中陶瓷浆料液位高度的40～50%时，将模具置于40～65℃的水浴中，使水浴液面高度没过管状孔道，静置，钙离子受外界热场作用，在水浴液面下的陶瓷浆料中无规则扩散，使管状孔道下方的陶瓷浆料逐渐形成无孔道的完整凝胶体，得到上方具有蜂窝状结构、下方致密的海藻酸盐离子凝胶坯体，脱模，高温烧结得到3-1-2型多孔压电陶瓷；4）向所述3-1-2型多孔压电陶瓷的蜂窝结构中浇注水泥浆体，养护凝固，得到3-1-2型水泥压电复合材料；5）将呈液态的有机高分子聚合物反复涂刷在3-1-2型水泥压电复合材料的表面，使有机高分子聚合物完全填充入水泥压电复合材料内部的微孔中，得到3-1-2型聚合物/水泥压电复合材料。进而，对所制备的3-1-2型聚合物/水泥压电复合材料的上下表面分别进行打磨，露出压电陶瓷相，抛光后，均匀涂上低温导电银胶或镀上电极。其中，所述的压电陶瓷粉体可以是锆钛酸铅、铌镁锆钛酸铅或铌锂锆钛酸铅等压电陶瓷材料细粉。优选地，本专利技术所得到的陶瓷浆料中，压电陶瓷粉体的质量分数为5～30%，海藻酸钠的质量分数为0.5～3%，余量为水。更优选地，本专利技术将所述水、海藻酸钠与压电陶瓷粉体混合球磨6～12h，以得到分散均匀的陶瓷浆料。本专利技术通过向陶瓷浆料中加入氯化钙溶液，使钙离子与陶瓷浆料中的海藻酸钠发生离子凝胶反应，形成水不溶性的海藻酸钙凝胶。优选地，所述氯化钙溶液的浓度为0.5～2mol/L。进一步地，本专利技术还在所述氯化钙溶液中溶解有一定的金属离子吸附剂，以助于形成钙离子团聚颗粒，提高单位面积下与海藻酸钠发生离子凝胶反应的钙离子数量，利于形成大孔径的凝胶坯体。所述的金属离子吸附剂是水溶性多糖或水溶性壳聚糖，如可以是可溶性大豆多糖、甲壳素、羧甲基壳聚糖等。优选地，所述氯化钙溶液中，金属离子吸附剂的质量浓度为0.1～1.5%。一般地，在陶瓷浆料表面喷覆氯化钙溶液所形成的初始薄膜的厚度应不小于5mm。本专利技术中，向陶瓷浆料中加入溶有金属离子吸附剂的氯化钙溶液后，静置，钙离子便会透过初始薄膜向下渗透，并延渗透方向形成均匀分布的管状孔道结构，在陶瓷浆料中形成蜂窝状结构的海藻酸盐离子凝胶坯体。进而，将模具置于40～65℃的水浴中静置时，水浴液面下的钙离子不再延着已成型的孔道向下渗透，而是在陶瓷浆料中无规则扩散，在管状孔道下方逐渐形成无孔道的完整凝胶体。更具体地，本专利技术是将脱模得到的湿凝胶坯体先在60℃下干燥12～48h后，再进行高温烧结。优选地，所述高温烧结的温度被控制在1150～1200℃，在此温度下保温烧结2h。上述制备得到的3-1-2型多孔压电陶瓷的孔隙率为35～70%，孔径1～2mm。本专利技术中，所使用的水泥为硅酸盐水泥、磷酸盐水泥、硫铝酸盐水泥等各种常规水泥产品。本专利技术将所述水泥以0.3～0.5的水灰质量比配制成水泥浆体使用。进而，本专利技术向所述3-1-2型多孔压电陶瓷的孔道中浇注水泥浆体后，将其置于标准养护箱中养护7～28天。优选的养护条件是控制养护温度为20±1℃，相对湿度≥90%。本专利技术在所述水泥压电复合材料的表面涂刷上呈液态的有机高分子聚合物后，还可以采用抽真空的方式，促使所述聚合物被抽吸以完全填充在水泥压电复合材料的内部微孔中。所述有机高分子聚合物只有处于液态状态下，才能涂刷在所述水泥压电复合材料的表面，并进入到其内部的微孔中。有些有机高分子聚合物本身即为液态，可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种3‑1‑2型聚合物/水泥压电复合材料，是以采用海藻酸钠离子凝胶工艺制备的部分具有管状孔道、部分为致密陶瓷体的多孔压电陶瓷骨架作为功能体，在所述陶瓷骨架功能体的管状孔道中浇注水泥浆料形成基体，并在陶瓷骨架功能体与水泥基体之间的微孔中填充上有机高分子聚合物，所构成的聚合物增强的3‑1‑2型聚合物/水泥压电复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种3-1-2型聚合物/水泥压电复合材料，是以采用海藻酸钠离子凝胶工艺制备的部分具有管状孔道、部分为致密陶瓷体的多孔压电陶瓷骨架作为功能体，在所述陶瓷骨架功能体的管状孔道中浇注水泥浆料形成基体，并在陶瓷骨架功能体与水泥基体之间的微孔中填充上有机高分子聚合物，所构成的聚合物增强的3-1-2型聚合物/水泥压电复合材料。2.根据权利要求1所述的聚合物/水泥压电复合材料，其特征是所述有机高分子聚合物是水性聚氨酯、液体硅橡胶或环氧树脂。3.权利要求1所述聚合物/水泥压电复合材料的制备方法，包括：1）将水、海藻酸钠与压电陶瓷粉体混合球磨，得到分散均匀的陶瓷浆料，置于模具中，向浆料表面喷覆氯化钙溶液，固化形成一层初始薄膜；2）向模具中缓慢加入占陶瓷浆料体积40～60%的、溶有金属离子吸附剂的氯化钙溶液，静置，使钙离子透过初始薄膜向下渗透，在陶瓷浆料内延渗透方向形成均匀分布的管状孔道结构；3）当形成的管状孔道长度达到模具中浆料液位高度的40～50%时，将模具置于40～65℃的水浴中，使水浴液面刚好没过所述管状孔道的末端，静置，使水浴液面下的钙离子在陶瓷浆料中无规则扩散，将管状孔道下方的陶瓷浆料逐渐形成无孔道的完整凝胶体，得到上方具有蜂窝状管状孔道结构、下方为致密凝胶体的海藻酸盐离子凝胶坯体，脱模，高温烧结得到3-1-2型多孔压电陶瓷；4）在所...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘炜，程志，吕琳，张浩，王延忠，董英鸽，杨金龙，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西,14