本发明专利技术公开了一种1-3型聚合物/水泥基压电复合材料及其制备方法，该材料以聚合物和水泥的混合物为基体，以压电陶瓷为功能体，所述功能体被切割成多排竖直柱，功能体的四周及内部填充有基体；其中，聚合物与水泥的质量比为0.15~0.7∶1，压电陶瓷与基体的体积比为1~4∶5。本聚合物/水泥基压电复合材料的柔韧性、强度以及基体与功能相的结合强度明显提高，改善了复合材料的整体性能。同时，聚合物/水泥基压电复合材料频带宽度明显增大，拓宽了其应用范围，尤其是聚合物/水泥基压电复合材料与混凝土具有更好的相容性，使其在土木工程结构健康监测领域具有广阔的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种改性的压电复合材料及其制备方法，具体涉及一种采用聚合物和水泥的混合物对压电陶瓷进行改性的。
技术介绍
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、 高耸建筑和大坝等)实施在线健康检/监测和预报已引起人们的广泛关注。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其它领域已比较成熟的材料，如记忆合金、光导纤维、电阻应变丝和碳纤维等。这些智能材料与土木工程领域中最主要的结构材料-混凝土存在非常明显的相容性问题，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，从而制约了土木工程结构的智能化发展。但将压电陶瓷与水泥复合，得到的水泥基压电复合材料不仅与混凝土材料具有等同的膨胀系数， 相容性好，响应速度快，传感精度高，耐久性好，性能稳定，不易受周围大气、温度、湿度的影响，而且还具有集传感和驱动一体化的优异特性，使其在土木工程结构健康监测中有着巨大的应用潜力。其中，1-3型水泥基压电复合材料因集中了各相材料的优点，互补了单相的缺点，受到研究者普遍关注。1-3型水泥基压电复合材料是由一维连通的压电陶瓷相平行排列于三维连通的聚合物、水泥等基体中而形成的两相压电复合材料，该复合材料因具有低声阻抗率、高机电耦合系数和低机械品质因素等优点，使其在混凝土结构无损检测的应用领域更具明显的优势。申请人对1-3型水泥基压电复合材料做了很多研究，研究结果在相关期刊和学报上进行了发表(1、黄世峰，叶正茂，王守德.1-3型水泥基压电复合材料的制备及性能[J].复合材料学报，2007，M O): 122-126 ;2、黄世峰，常钧，秦磊.1_3型水泥基压电复合材料传感器的性能[J].复合材料学报，2008，25 (1):112-118.)。经过进一步的研究发现，在水泥中掺加聚合物可以增强水泥基体与压电陶瓷的结合强度，提高1-3型水泥基压电复合材料的柔韧性和整体性能，因此，添加聚合物的1-3型聚合物/水泥基压电复合材料必然会比1-3型水泥基压电复合材料更具有实用价值。
技术实现思路
本专利技术申请人经深入研究及创造性实验，最终得出了本专利技术的1-3型聚合物/水泥基压电复合材料，该复合材料柔韧性和整体性能更佳，具有与混凝土负载相匹配、压电性能好、耐久性好、强度高、柔韧性好等特点，在土木工程领域具有更高的实际应用价值。本专利技术还提供了该复合材料的制备方法。原先已有报道的1-3型水泥基压电复合材料虽然对压电材料已经有了一定的改性，但其与混凝土的相容性问题仍然存在不足，因此，申请人将聚合物掺加入水泥基体中， 以进一步改善复合材料的性能。由于聚合物具有更小的密度及更好的柔韧性，因而通过调节水泥与聚合物的配合比例，一方面，可以在较大的压电陶瓷体积分数条件下，找出与混凝土声阻抗相匹配的状态；另一方面，由于聚合物的加入，使得复合材料的柔韧性得到加强，3从而避免了复合材料的脆性开裂，增强了水泥基体与压电陶瓷的结合强度，提高了压电复合材料的柔韧性。本专利技术在将聚合物掺加入水泥基体的专利技术构思下，对适合掺杂的聚合物，聚合物掺杂的量及掺杂后的水泥基体与压电陶瓷的配比都进行了选择、配合和优化，最终得出了效果良好的改性压电复合材料，下面详细阐述实现本专利技术的技术方案及本方案的优点一种1-3型聚合物/水泥基压电复合材料，其特征是以聚合物和水泥的混合物为基体，以压电陶瓷为功能体，所述功能体被切割成多排竖直柱，功能体的四周及内部填充有基体；其中，聚合物与水泥的质量比为0. 15^0. 7:1，压电陶瓷与基体的体积比为广4:5。上述复合材料中，优选的，所述聚合物与水泥的质量比为0.3、. 6:1，压电陶瓷与基体体积比为3 4:5。上述复合材料中，更优选的，所述聚合物与水泥的质量比为0. 5:1。上述复合材料中，所述基体的水灰比为0. 3-0. 4。上述复合材料中，所述聚合物为环氧树脂或硅橡胶，所述压电陶瓷为铌锂锆钛酸铅压电陶瓷、铌镁锆钛酸铅压电陶瓷或锆钛酸铅压电陶瓷，所述水泥为硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥或氟铝酸盐水泥。上述复合材料中，在填充入基体的功能体的上下表面附有电极，电极涂覆在沿功能体竖直柱方向的上、下表面上，具体见附图说明图1。上述复合材料中，所述电极为低温导电银浆电极。本专利技术还提供了该1-3型聚合物/水泥基压电复合材料的制备方法，其特征是采用切割-浇注法制备，包括以下步骤(1)取压电陶瓷块，先在其上横向切割一系列沟槽，再纵向切割一系列沟槽，使压电陶瓷块上形成一系列的竖直柱；(2)切割完毕后，对切割后的陶瓷块进行反复清洗，以去除其中残留的陶瓷残渣；(3)将清洗后的压电陶瓷固定在模具内，在其四周及内部浇注基体；(4)将浇注好的压电陶瓷及模具置于真空箱中抽真空，标准养护7天；(5)将压电陶瓷打磨、抛光、洗净，然后在上下两平行面涂上电极，得本专利技术1-3型聚合物/水泥基压电复合材料。切割的竖直柱如图2所示，竖直柱的形状及排列无特别规定，只要使填充入的基体与压电陶瓷满足体积比要求即可，但是在实际制作时，为了美观及便于切割，将陶瓷块切割成横截面为正方形的竖直柱，竖直柱各排平行排列，每个竖直柱与其最近的相邻竖直柱间隔相同，在试验时将陶瓷块切割成ImmX Imm长宽的竖直柱，各柱之间间隔按照基体掺加比例的不同而变化。上述制备方法中，为了使基体与陶瓷柱的结合紧密，减少基体与陶瓷柱的界面及基体内部气孔的存在，浇注的过程中不断振动模具。上述制备方法中，切割后，采用丙酮或无水乙醇对压电陶瓷进行清洗。申请人:在2009年12月曾在复合材料学报上发表过文章《1_3型聚合物改性水泥基压电复合材料的制备及其性能》(黄世峰，郭丽丽，刘亚姝.1-3型聚合物改性水泥基压电复合材料的制备及其性能[J].复合材料学报，2009二6 (6): 133-137)。在此文章中具体研究了掺加入聚合物后，压电陶瓷含量的变化对整体复合材料的影响，但是并没有详细公开聚合物的加入对复合材料的影响，也没有详细研究聚合物的合适加入量。经过进一步的研究发现，前述两者对所得复合材料性能的影响非常重大，因此申请人又进行了一系列的实验从而得出了本专利技术的技术方案，从而从各方面都保证了本专利技术压电复合材料的优良性能。其具体实验如下以硫铝酸盐水泥、AB-灌浆树脂和P(LN)ZT压电陶瓷为实验原料进行实验， 它们的主要性能参数如下表所示，P(LN)ZT压电陶瓷结构式0. OSPb (Li 0, · 0. 47PbTi0, · 0. 45PbZr0.本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种１－３型聚合物／水泥基压电复合材料，其特征是：以聚合物和水泥的混合物为基体，以压电陶瓷为功能体，所述功能体被切割成多排竖直柱，功能体的四周及内部填充有基体；其中，聚合物与水泥的质量比为０．１５～０．７：１，压电陶瓷与基体的体积比为１～４：５。
【技术特征摘要】
1.一种1-3型聚合物/水泥基压电复合材料，其特征是以聚合物和水泥的混合物为基体，以压电陶瓷为功能体，所述功能体被切割成多排竖直柱，功能体的四周及内部填充有基体；其中，聚合物与水泥的质量比为0. 15^0. 7:1，压电陶瓷与基体的体积比为广4:5。2.根据权利要求1所述的压电复合材料，其特征是所述聚合物与水泥的质量比为 0. 3^0. 6:1，压电陶瓷与基体体积比为;Γ4 5。3.根据权利要求1所述的压电复合材料，其特征是所述聚合物与水泥的质量比为 0. 5:1。4.根据权利要求1所述的复合材料，其特征是所述基体的水灰比为0.3-0. 4。5.根据权利要求1所述的压电复合材料，其特征是所述聚合物为环氧树脂或硅橡胶，所述压电陶瓷为铌锂锆钛酸铅压电陶瓷、铌镁锆钛酸铅压电陶瓷或锆钛酸铅压电陶瓷， 所述水泥为硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥或氟铝酸盐水泥。6.根据权利要求1-5中任一项所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：程新，黄世峰，徐东宇，常钧，叶正茂，郭丽丽，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：88
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