本发明专利技术公开了一种采用Si‑Ti‑Ca三元复合薄膜对压电陶瓷表面进行改性的方法及其应用，针对水泥与压电陶瓷结构和性能的差异，选择Si‑Ti‑Ca三元复合溶胶在压电陶瓷表面提拉成膜，从而在压电陶瓷表面形成均匀、稳定、牢固的Si‑Ti‑Ca三元复合薄膜。附着该膜后，压电陶瓷接触角变小、亲水性好、结合力强，利于后期与水泥的结合；同时，压电陶瓷基底的压电常数和相对介电常数变化较小，介电损耗有所减小，不影响压电陶瓷的正常使用。
Modification of piezoelectric ceramic surface by Si-Ti-Ca ternary composite film and its application
【技术实现步骤摘要】
采用Si-Ti-Ca三元复合薄膜对压电陶瓷表面进行改性的方法及其应用
本专利技术涉及一种压电陶瓷表面改性的方法，具体涉及一种采用Si-Ti-Ca三元复合薄膜对压电陶瓷表面进行改性的方法，属于压电陶瓷表面改性
技术介绍
大型土木工程结构和设施造价昂贵、投资规模大、服役周期长，其中混凝土是土木工程领域用量最大的基础材料，但在外部荷载、环境因素以及各种不可确定因素的耦合作用下，服役期内不可避免地会产生各种损伤累积和抗力衰减破坏，极端情况下还会引发灾难性的突发事故。为了有效地保障生命和财产的安全，减少重大经济损失，避免灾难性悲剧的发生，就要对混凝土工程结构实施健康监测和损伤评估，而目前最缺乏的是与混凝土相容性好，整体性和耐久性高的监测材料。水泥基压电复合材料是一种新型的功能复合材料，由压电陶瓷和水泥通过一定的连通方式复合而成。与传统的压电材料相比，水泥基压电复合材料制备工艺简单，成本低，同时可有效解决机敏材料与混凝土母体结构材料之间的相容性问题，如变形协调性、界面粘结性和声阻抗匹配等问题，提高了压电机敏材料的传感精度及驱动力。因此，此类复合材料非常适合监测混凝土的损伤、变形、内部应力和应变分布等。在各类建筑向智能化发展的今天，人们越来越关注水泥基复合材料向智能化方向发展，使智能建筑更加简洁，可靠和高效，该类复合材料的研究与开发具有广泛的工程应用前景，可以促进水泥混凝土向智能化方向发展。水泥基压电复合材料是由水泥和压电陶瓷复合而成，两者的组成、结构和性质差异显著，如杨氏系数、抗拉强度、延性与韧性等具有高度的差异性或不连续性，当水泥与压电陶瓷复合时，其界面无法产生化学作用，结合仅依靠物理吸附或机械咬合力，强度低。由于水泥基压电复合材料在使用过程中，其力、电、热等激励和响应必须经界面传递，这样在反复的力电耦合作用下，其界面易产生一些微小裂纹，最终开裂、脱落，导致功能失效，信号失真，无法实现对混凝土结构工程长期有效监测。因此，针对水泥基压电复合材料的特点，通过界面调控实现水泥和压电陶瓷的有机结合，提高其界面相容性、界面结合强度、耐久性和整体性能，对混凝土结构的长期健康监测具有非常重要的现实意义。
技术实现思路
针对目前水泥基压电复合材料界面相容性差、界面结合性差导致的稳定性和耐久性差的问题，本专利技术提供了一种采用Si-Ti-Ca三元复合薄膜对压电陶瓷表面进行改性的方法，该方法采用Si-Ti-Ca三元复合薄膜对压电陶瓷表面进行改性，使压电陶瓷表面接触角变小、亲水性变好，在与水泥进行复合时界面结合性变强，利于后期与水泥的结合，Ca、Ti和Si的同时存在有效提高了水泥基压电复合材料的稳定性、相容性和耐久性。本专利技术还提供了一种水泥基压电复合材料的制备方法，该方法先对压电陶瓷进行Si-Ti-Ca三元复合薄膜改性，然后再与水泥进行复合。Ca、Ti和Si的同时存在能有效提高水泥基压电复合材料的整体性、界面结合性和耐久性，同时压电陶瓷基底的压电常数和相对介电常数变化较小，介电损耗有所减小，不影响压电陶瓷的正常使用。本专利技术具体技术方案如下：一种对压电陶瓷表面进行改性的方法，该方法是：采用Si-Ti-Ca三元复合薄膜对压电陶瓷表面进行改性，所述Si-Ti-Ca三元复合薄膜是掺钙的TiO2/SiO2复合薄膜。进一步的，所述Si-Ti-Ca三元复合薄膜覆在压电陶瓷表面，以增加压电陶瓷在后续与水泥或水泥基复合材料复合时的相容性和稳定性。所述水泥基复合材料指的是在含有水泥的同时还含有聚合物、增强纤维等其他成分的复合材料。本专利技术针对水泥与压电陶瓷结构和性能的差异，以及水泥基压电复合材料界面各相相容性差、结合性差导致的长期耐久性与稳定性差的问题，采用Si-Ti-Ca三元复合薄膜在PZT压电陶瓷表面进行改性。Si-Ti-Ca三元复合薄膜中含有Ca2+、SiO2和TiO2，Ca2+和SiO2能分别与水泥中的SiO2、Ca(OH)2等成分有效结合形成C-S-H凝胶，在化学组成上与水泥成为有机统一的整体，从而使压电陶瓷与水泥紧密结合，增加了这两者的界面结合性和相容性，同时，TiO2可进入到反应体系中，在分子水平上提高了复合体系的稳定性，提高膜的均匀性、亲水性和耐腐蚀性。经该膜表面改性后的压电陶瓷表面接触角小，亲水性好，结合力强，利于后期与水泥的结合，且压电陶瓷基底的压电性能和介电性能变化小，不影响压电陶瓷的正常使用，提高了其整体性、相容性和耐久性。进一步地，本专利技术改性方法对压电陶瓷的组分没有要求，可以适合于各种压电陶瓷，例如一、二、三、四元系压电陶瓷及多元系压电陶瓷等。其中，二元系PZT压电陶瓷具有较高的机电耦合系数，良好的温度稳定性以及较高的居里温度（300℃），是压电陶瓷材料中用得最多最广的一种，具有重要的现实应用价值及潜在应用的前景，因此优选为PZT压电陶瓷。PZT压电陶瓷与水泥复合时，根据应用条件和需求，需要将其切割成所需的尺寸和形状，为了更好的增加压电陶瓷与水泥的相容性，优选将压电陶瓷切割为易于与水泥复合的形状，然后再进行改性，例如将其切割成具有一定尺寸的陶瓷片。进一步地，所述Si-Ti-Ca三元复合薄膜由Si-Ti-Ca三元复合溶胶在压电陶瓷表面提拉成膜得到，Si-Ti-Ca三元复合溶胶的制备方法是：采用溶胶凝胶法分别得到TiO2溶胶和SiO2溶胶，按照钛：硅=0.05-0.5:1的摩尔比将TiO2溶胶和SiO2溶胶混合搅拌均匀，在25-35℃搅拌反应1-3h，然后在20-40℃陈化12-36h，得到TiO2/SiO2复合溶胶；按照钙：硅=0.01-0.4:1（优选0.1-0.4:1）的摩尔比将Ca(NO3)2加入到TiO2/SiO2复合溶胶中，搅拌混合至Ca(NO3)2完全溶解，然后加入硅烷偶联剂，加完后在25-35℃陈化12-36h，得到Si-Ti-Ca三元复合溶胶。进一步地，所述Si-Ti-Ca三元复合薄膜通过提拉成膜的方式覆在压电陶瓷表面，实现对压电陶瓷表面的改性，具体方法是：按照上述方式得到Si-Ti-Ca三元复合溶胶，将Si-Ti-Ca三元复合溶胶在压电陶瓷表面均匀地提拉成膜，然后将压电陶瓷在80-180℃下进行低温烧结，得到Si-Ti-Ca三元复合薄膜表面改性的压电陶瓷。进一步地，所述压电陶瓷是PZT压电陶瓷片。进一步地，Si-Ti-Ca三元复合溶胶通过浸渍提拉成膜法在压电陶瓷表面成膜。浸渍提拉成膜时，膜的层数为2-6层，首层浸渍时间为1-10min，提拉速度为10-60mm/min，其余层浸渍时间为1-4min，提拉速度为10-50mm/min，每层薄膜自然干燥15min。进一步地，硅烷偶联剂的用量为硅摩尔量的1.5-2.5%。硅烷偶联剂可以提高Si-Ti-Ca三元复合溶胶的分散性，也可以增加压电陶瓷与膜层的界面结合性。硅烷偶联剂有KH-570（甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷）、KH-550（γ―氨丙基三乙氧基硅烷）、A151（乙烯基三乙氧基硅烷）、A171（乙烯基三甲氧基硅烷）、A172（乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷）等多种，优选为KH-570。进一步地，低温烧结的目的是为了提高Si-Ti-Ca三元复合薄膜内成分的分散性和膜与压电陶瓷的结合强度。烧结采用80-180℃的低温烧结，保温时间一般为1-3h，低温烧结本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种对压电陶瓷表面进行改性的方法，其特征是：采用Si‑Ti‑Ca三元复合薄膜对压电陶瓷表面进行改性，所述Si‑Ti‑Ca三元复合薄膜是掺钙的TiO2/SiO2复合薄膜。
【技术特征摘要】
1.一种对压电陶瓷表面进行改性的方法，其特征是：采用Si-Ti-Ca三元复合薄膜对压电陶瓷表面进行改性，所述Si-Ti-Ca三元复合薄膜是掺钙的TiO2/SiO2复合薄膜。2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述Si-Ti-Ca三元复合薄膜覆在压电陶瓷表面。3.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述Si-Ti-Ca三元复合薄膜通过提拉成膜的方式覆在压电陶瓷表面，方法是：采用溶胶凝胶法分别得到TiO2溶胶和SiO2溶胶，按照钛:硅=0.05-0.5:1的摩尔比将TiO2溶胶和SiO2溶胶混合搅拌均匀，在25-35℃搅拌反应1-3h，然后在20-40℃陈化12-36h，得到TiO2/SiO2复合溶胶；按照钙:硅=0.01-0.4:1的摩尔比将Ca(NO3)2加入到TiO2/SiO2复合溶胶中，搅拌混合至Ca(NO3)2完全溶解，然后加入硅烷偶联剂进行反应，加完后在25-35℃陈化12-36h，得到Si-Ti-Ca三元复合溶胶；将Si-Ti-Ca三元复合溶胶在压电陶瓷表面均匀地提拉成膜，然后将压电陶瓷在80-180℃下进行低温烧结，得到Si-Ti-Ca三元复合薄膜表面改性的压电陶瓷。4.根据权利要求3所述的方法，其特征是：所述硅烷偶联剂为KH-570、KH-550、A151、A171或A172，所述压电陶瓷为PZT压电陶瓷片。5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征是：硅烷偶联剂的用量为硅摩尔量的1.5-2.5%。6.根据权利要求3所述的方法，其特征是：低温烧结的时间为1-3h。7.根据权利要求3所述的方法，其特征是：S...
【专利技术属性】
技术研发人员：张颖，徐洪超，黄世峰，关芳，马凤莲，任彩叶，程新，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东,37
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