专利名称：一种水泥基压电陶瓷复合材料的极化系统和极化方法
一种水泥基压电陶瓷复合材料的极化系统和极化方法本发明涉及压电陶瓷极化，尤其涉及一种水泥基压电陶瓷复合材料的极化系统和极化方法。水泥基压电陶瓷复合材料是一种新型的功能材料，它可作为压电传感器，实现混凝土结构力学性能的长期实时监测的功能；而且该复合材料同时拥有水泥基材料良好的物理/化学稳定性和压电陶瓷突出的压电性能，能够有效解决传统智能材料与混凝土母体结构材料之间的相容性问题。水泥基压电陶瓷复合材料不但具有感知功能，而且具有驱动功能；其制备工艺简单，造价低，非常适合于土木工程领域中智能材料的发展需要。作为一种新型的压电复合材料，为了保证其压电性能的发挥，必须对压电材料进·行极化。极化是赋予压电材料压电性能的基本工过程，通常的极化方法包括电接触极化，电晕放电极化等。电接触极化是在被极化的材料表面直接铺设金属电极，施加直流电或者交变循环电压(比如对PVDF压电薄膜的极化，如发明专利200310114673. I所描述)；电晕放电极化是一种非接触极化方法，在两排相对的针状电极上施加高电压，形成电晕环，对处于两排针状电极之间的薄膜进行极化(比如对压电陶瓷材料的极化，如发明专利01143504.6所描述)。对于水泥基压电陶瓷复合材料而言，由于材料表面平整度较低，厚度较厚(O. 7mm-32mm)，孔隙率较高(约为6. 5%)，含水量较高；在极化过程中，还会存在水泥基材对压电陶瓷的位阻作用；在通常的高温气体中极化，又会引起水泥基材料的温度应力，从而破坏复合材料的微观结构；这导致传统的电接触极化、电晕放电极化等方法均无法对水泥基压电陶瓷复合材料进行有效极化。现有的压电陶瓷极化方法对水泥基压电陶瓷复合材料进行极化存在以下缺点对电接触极化而言，其需要在被极化的材料表面直接铺设金属电极(金属平板电极)，施加直流电或者交变循环电压；这种方法适用于柔性材料,如PVDF材料；但对于水泥基压电陶瓷复合材料来说，由于表面平整度较低；在复合材料表面铺设金属平板电极，很难保证复合材料和金属平板电极之间的全面接触，容易形成微循环电路，影响极化程度和均匀性；而复合材料的孔隙率较高(约为6. 5%)，含水量较高，这也导致被极化材料两端的电压施加不上，或者从而无法进行有效极化。对电晕放电极化而言，它是一种非接触极化方法，在两排相对的针状电极上施加高电压，形成电晕环，对处于两排针状电极之间的薄膜进行极化；但对于水泥基压电陶瓷复合材料来说，由于厚度较厚，同时水泥基材对压电陶瓷的位阻作用的存在，这导致高压电晕环没有办法有效翻转压电陶瓷的电畴；从而无法进行有效极化。对于传统的高温气体中极化而言，由于水泥基材料温度应力的存在，会破坏复合材料的微观结构。
所以，传统的极化方法均没有办法实现水泥基压电陶瓷复合材料的有效极化。[发明内容]本发明要解决的技术问题是提供一种能够实现水泥基压电陶瓷复合材料有效极化的极化系统。本发明要解决的技术问题是提供一种能够实现水泥基压电陶瓷复合材料有效极化的极化方法。为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种水泥基压电陶瓷复合材料的极化系统，包括可调式高压直流电源、电压表、极化夹具、加热槽和对加热槽进行加热的加热装置，极化夹具的接线端与高压直流电源的输出端连接，电压表与极化夹具的接线端并接，所述的极化夹具浸在加热槽中的加热油中。以上所述的水泥基压电陶瓷复合材料的极化系统，包括限流电阻，所述的限流电阻串接在高压直流电源、和极化夹具之间；所述的加热槽是玻璃器皿，所述的加热装置是数 显式加热器，玻璃器皿置于数显式加热器上；所述的加热油是硅油，所述的电压表是数显式高压直流电压表。以上所述的水泥基压电陶瓷复合材料的极化系统，所述的极化夹具包括耐高温塑料的机架、和两个顶针，所述的机架包括底座和与底座一体的两块侧板，所述的顶针安装在侧板上，顶针包括圆锥形的针尖，两个顶针的针尖相对；两个顶针中至少有一个是活动顶针，活动顶针通过顶针套和弹簧安装在侧板上；所述的顶针套固定在侧板的顶针套孔中，活动顶针穿过顶针套，活动顶针的针杆与顶针套的内孔滑动配合；活动顶针针尖的后端包括弹簧支座，所述的弹簧套在针杆上，弹簧的一端抵在弹簧支座上，另一端抵在侧板上或顶针套的端面上。以上所述的水泥基压电陶瓷复合材料的极化系统，针尖的锥角为25-35° ;机架的材料是聚酰亚胺、聚砜、聚苯硫醚、聚醚醚酮或聚醚砜；顶针套的材料是不锈钢。以上所述的水泥基压电陶瓷复合材料的极化系统，所述的限流电阻为棒状玻璃釉膜电阻，电阻值80-120兆欧。一种基于上述系统的水泥基压电陶瓷复合材料极化方法，水泥基压电复合材料的相对介电常数为100-800，厚度O. 7mm-32mm ;极化温度在90-160° C，极化电压1KV-15KV ；极化时间-20min-140min。以上所述水泥基压电陶瓷复合材料极化方法，水泥基压电陶瓷复合材料从室温加热到极化温度的阶段为预加热阶段，预加热的升温速度是2-4° C/分钟，升温到87-93° C时，稳定在此温度范围，去除水泥基压电陶瓷复合材料孔隙中的水分；水泥基压电陶瓷复合材料表面不再有气泡产生后再升温至极化温度。以上所述水泥基压电陶瓷复合材料极化方法，水泥基压电陶瓷复合材料达到极化温度后，打开可调式高压直流电源，调节电流至O. 8-1. 2毫安；等电流稳定后，以80-120V/分钟的速率缓慢提高电压至极化电压。以上所述水泥基压电陶瓷复合材料极化方法，在缓慢提高电压的过程中，如电压表的读数波动幅度大于100V，则维持此时的电压不变，直至读数波动小于IOV后，继续提高电压。
以上所述水泥基压电陶瓷复合材料极化方法，在极化过程中，电压表的读数以IOV/分钟缓慢降低，表明极化过程已经完成；确认极化过程完成后，逐步降低所施加的电压，直到电压为零。本发明针对水泥基压电陶瓷复合材料，所设计的新型高温极化系统和方法，有效解决了传统极化方法的弊端，保证了水泥基压电陶瓷复合材料的极化成功率和被极化材料的介电特性和压电特性的长期稳定性。下面结合附图
和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。图I是本发明实施例水泥基压电陶瓷复合材料极化系统结构示意图。图2是本发明实施例水泥基压电陶瓷复合材料极化系统极化夹具示意图。
图3是本发明极化方法水泥基压电陶瓷复合材料机电耦合系数随极化时间的变化图。图4是本发明极化方法水泥基压电陶瓷复合材料机电耦合系数随极化温度的变化图。图5是本发明极化方法水泥基压电陶瓷复合材料机电耦合系数随极化试样厚度的变化图。图6是本发明极化方法水泥基压电陶瓷复合材料极化方法的流程图。在图I、图2所示的本发明实施例水泥基压电陶瓷复合材料极化系统中，包括以下
装置I :可调式高压直流电源(High Voltage Regulated DC Power Supply,型号ES30) : GAMMA High Voltage Research Inc, USA。2: 100ΜΩ的限流电阻(高压棒状玻璃釉膜电阻，型号RI80系列)德键电子工业股份有限公司，台湾。3 数显式高压直流电压表(High Voltage Digital Voltmeter,型号4600)Valhalla Scientfic Inc, USA。4:耐高温玻璃器皿盛放硅油，可用来放置极化夹具5:极化夹具(见附图2):5-1不锈钢顶针两个顶针都是活动顶针，活动顶针5-1通过不锈钢套管5-7和弹簧5-6安装在侧板5-2上；两个顶针5-1的前端是圆锥形的针尖，两个顶针的针尖相对。活动顶针5-1的针杆与顶针套5-7的内孔滑动配合；活动顶针5-1针尖的后端有弹簧支座，弹簧套5-6在活动顶针5-1的针杆上，弹簧5-6的一端抵针尖的后端的弹簧支座上，另一端抵在侧板5-2上或顶针套5-7的端面上。圆锥形的针尖的锥角是30°，(30°的锥角可保证夹具对试样的固定达到最佳效果O5-2耐高温聚合物侧板可选用聚酰亚胺(PI)、聚砜(PSF)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)和聚醚砜(PES)等材料(但不限于上述所列材料)。
5-3耐高温聚合物底座可选用聚酰亚胺(PI)、聚砜(PSF)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)和聚醚砜(PES)等材料(但不限于上述所列材料)。5-4固定螺丝用于连接侧板与底座。5-6弹簧可用于固定不同厚度的被极化材料。5-7不锈钢顶针套；固定在侧板的顶针套孔，用于活动顶针5-1的导向。不锈钢套管5-7固定在5-2耐高温聚合物侧板中，保证不滑动；不锈钢活动顶针5-1放置于不锈钢套管5-7中，可以自由滑动；5-6调节弹簧一端支承在不锈钢套管5-7的端面上，另外一端支承在不锈钢顶针5-1的弹簧座上；利用弹簧的弹力保证不锈钢顶针5-1对水泥基压电陶瓷复合材料试样7的夹紧力。 6 :数显式加热器(Digital Hot Plate,型号PMC DataPlate 730 系列)BARNSTEAD THERMOLYNE CORPORATION, USA。7:水泥基压电陶瓷复合材料试样。如图6所示，水泥基压电陶瓷复合材料试样的极化包括以下步骤(I)按照附图I的接线顺序，用电线依次串联可调式高压直流电源1、100ΜΩ的保护电阻2、极化夹具5，极化夹具两端并联数显式高压直流电压表3。检查极化线路是否完整，避免出现断路、断路的现象；特别检查可调式高压直流电源I和数显式高压直流电压表3是否工作正常。(2)把水泥基压电陶瓷复合材料试样7通过极化夹具5固定(材料(试样7)的厚度可在O. 7mm-32mm之间变化);把夹具5放置在盛有硅油的耐高温玻璃器皿4中(选用硅油的原因在于硅油具有温粘系数小、耐高低温、抗氧化、闪点高、挥发性小、绝缘性好、表面张力小、对金属无腐蚀、无毒等特点)。(3)将玻璃器皿4放置在数显式加热器(6)上；缓慢加温(2° C_4° C/分钟)到90° C，稳定此温度10分钟左右，确保水泥基压电陶瓷复合材料孔隙中的水分彻底去除(可观察材料表面气泡的产生，直到没有气泡产生为止)；再升温至极化温度(极化温度在90° C -160° C之间可调)；(4)打开可调式高压直流电源1，调节电流(A)至I毫安；等电流稳定后，缓慢施加极化电压(100V/分钟)，观察数显式高压直流电压表3的读数(如果读数波动幅度很大，如>100V，可先维持此点施加的极化电压，直至读数波动幅度稳定为止)；持续施加极化电压，直至高压直流电压表3的读数不变为止(波动幅度〈10V)；(5)稳定此极化电压，观察高压直流电压表3的读数；如果出现读数缓慢变小，如〈10V/分钟；表明极化过程已经完成；(6)确认极化过程完成后，逐步减少所施加的极化电压(电压减少速度〈200V/分钟)，直到电压降到零为止；关闭可调式高压直流电源I、关闭数显式加热器6 ;等到耐高温玻璃器皿4中的硅油温度下降到室温，取出水泥基压电陶瓷复合材料试样7 ;用擦镜纸吸干材料表面剩余的硅油后，用HP4294A精密阻抗分析仪测试水泥基压电陶瓷复合材料试样的电学性能、介电性能；用准静态d33分析仪测试水泥基压电陶瓷复合材料的压电性能。本发明涉及的极化方法中所使用的水泥基压电复合材料的相对介电常数一般为100-800，极化后压电系数 d33 为 5X 10-12C/N-90X 10-12C/N，厚度 0. 7mm-32mm。本发明涉及的极化方法，极化温度一般在90° C_160° C之间，施加的极化电压与被极化材料的厚度有关，一般为1KV-15KV ;极化时间一般在20min-140min之间(上述步骤
(5)所持续的时间)。下面结合实施例对本发明涉及的极化方法进行详细描述，但不作为对本发明的限制。实施例I :采用本发明所涉及的极化方法，对厚度为1_的水泥基压电陶瓷复合材料进行极化，极化温度为130° C，极化时间为从20min-140min;极化电压分别采用(1KV，3KV，5KV,6. 5KV);极化完成后，将水泥基压电陶瓷复合材料冷却到室温后，用擦镜纸吸干材料表面剩余的硅油；用HP4294A精密阻抗分析仪测试水泥基压电陶瓷复合材料的电学性能；利用机电率禹合系数(electromechanical coupling coefficient) kt来表征极化程度。5组平行极化完成率100%(每个测试点取5个试样，为I组；如果5个试样的机电耦合系数的平均值偏差均在10%以内，则认为该组极化完成率为100% ;如果有I个在10%以外，则极化完成 率为80% ;以此类推)，测试数据见图3。通过本极化系统对水泥基压电陶瓷复合材料的极化完成率均达到100% ;说明了本发明极化系统的有效性和合理性。实施例2 采用本发明所涉及的极化方法，对厚度为1_的水泥基压电陶瓷复合材料进行极化，极化电压为5. 5KV,极化时间为从20min-140min;极化温度分别采用(20oC的图已经加上，图4);90° C，130° C，160° C);极化完成后，将水泥基压电陶瓷复合材料冷却到室温后，用擦镜纸吸干材料表面剩余的硅油；用HP4294A精密阻抗分析仪测试水泥基压电陶瓷复合材料的电学性能；利用机电I禹合系数(electromechanical coupling coefficient)kt来表征极化程度，机电耦合系数(Kt)的含义是压电振子在振动过程中，将机械能转变为电能，或将电能转变为机械能，这种表示能量相互变换的程度用机电耦合系数表示。以上各组平行极化完成率100%，测试数据见图4。实施例3:采用本发明所涉及的极化方法，对0. 8mm-3. 2mm不同厚度的水泥基压电陶瓷复合材料试样进行极化，极化温度为130° C;不限制极化时间，观察所施加的饱和极化电压情况。各组平行极化完成率100%，极化数据见图5。本发明以电接触极化方法为基础，结合电晕放电极化方法的优点；采用直流电源施加极化电压，用针状夹具实现水泥基压电陶瓷复合材料的固定和极化过程；保证了极化程度和极化均匀性；水泥基压电陶瓷复合材料试样表面涂刷银浆，以形成平板电极，确保了作用于被极化表面上的电场均匀、稳定；水泥基压电陶瓷复合材料试样用针状夹具固定，并放置于盛有硅油的容器中，通过带控温装置的恒温加热器进行极化温度控制，在极化电路上串联上保护电阻，以避免极化过程中击穿的可能；在针状夹具两端并联一个高压直流电压表，以实现极化电压的监测。本发明极化条件简单，操作方便，避免极化击穿；可控制极化参数(包括极化电压、极化电流、极化时间、被极化材料厚度等)；极化过程稳定性好，被极化材料的介电特性和压电特性的稳定性能得到保证；可成功实现水泥基压电陶瓷复合材料的极化。
权利要求
1.一种水泥基压电陶瓷复合材料的极化系统，包括可调式高压直流电源、电压表和极化夹具，极化夹具的接线端与高压直流电源的输出端连接，电压表与极化夹具的接线端并接，其特征在于，包括加热槽和对加热槽进行加热的加热装置，所述的极化夹具浸在加热槽中的加热油中。
2.根据权利要求I所述的水泥基压电陶瓷复合材料的极化系统，其特征在于，包括限流电阻，所述的限流电阻串接在高压直流电源、和极化夹具之间；所述的加热槽是玻璃器皿，所述的加热装置是数显式加热器，玻璃器皿置于数显式加热器上；所述的加热油是硅油，所述的电压表是数显式高压直流电压表。
3.根据权利要求I所述的水泥基压电陶瓷复合材料的极化系统，其特征在于，所述的极化夹具包括耐高温塑料的机架、和两个顶针，所述的机架包括底座和与底座一体的两块侧板，所述的顶针安装在侧板上，顶针包括圆锥形的针尖，两个顶针的针尖相对；两个顶针中至少有一个是活动顶针，活动顶针通过顶针套和弹簧安装在侧板上；所述的顶针套固定在侧板的顶针套孔中，活动顶针穿过顶针套，活动顶针的针杆与顶针套的内孔滑动配合；活动顶针针尖的后端包括弹簧支座，所述的弹簧套在针杆上，弹簧的一端抵在弹簧支座上，另一端抵在侧板上或顶针套的端面上。
4.根据权利要求3所述的水泥基压电陶瓷复合材料的极化系统，其特征在于，针尖的锥角为25-35° ;机架的材料是聚酰亚胺、聚砜、聚苯硫醚、聚醚醚酮或聚醚砜；顶针套的材料是不锈钢。
5.根据权利要求2所述的水泥基压电陶瓷复合材料的极化系统，其特征在于，所述的限流电阻为棒状玻璃釉膜电阻，电阻值80-120兆欧。
6.一种基于权利要求I所述系统的水泥基压电陶瓷复合材料极化方法，其特征在于，水泥基压电复合材料的相对介电常数为100-800，厚度O. 7mm-32mm;极化温度在90-160° C，极化电压 1KV-15KV ;极化时间-20min_140min。
7.根据权利要求6所述水泥基压电陶瓷复合材料极化方法，其特征在于，水泥基压电陶瓷复合材料从室温加热到极化温度的阶段为预加热阶段，预加热的升温速度是2-4° C/分钟，升温到87-93° C时，稳定在此温度范围，去除水泥基压电陶瓷复合材料孔隙中的水分；水泥基压电陶瓷复合材料表面不再有气泡产生后再升温至极化温度。
8.根据权利要求6所述水泥基压电陶瓷复合材料极化方法，其特征在于，水泥基压电陶瓷复合材料达到极化温度后，打开可调式高压直流电源，调节电流至O. 8-1. 2毫安；等电流稳定后，以80-120V/分钟的速率缓慢提高电压至极化电压。
9.根据权利要求8所述水泥基压电陶瓷复合材料极化方法，其特征在于，在缓慢提高电压的过程中，如电压表的读数波动幅度大于100V，则维持此时的电压不变，直至读数波动小于IOV后，继续提闻电压。
10.根据权利要求6所述水泥基压电陶瓷复合材料极化方法，其特征在于，在极化过程中，电压表的读数以IOV/分钟缓慢降低，表明极化过程已经完成；确认极化过程完成后，逐步降低所施加的电压，直到电压为零。
全文摘要
本发明公开了一种水泥基压电陶瓷复合材料的极化系统和极化方法。本发明的极化系统包括可调式高压直流电源、电压表、极化夹具、加热槽和对加热槽进行加热的加热装置，极化夹具的接线端与高压直流电源的输出端连接，电压表与极化夹具的接线端并接，所述的极化夹具浸在加热槽中的加热油中。本发明的系统和方法有效解决了传统极化方法的弊端，保证了水泥基压电陶瓷复合材料的极化成功率和被极化材料的介电特性和压电特性的长期稳定性。
文档编号H01L41/39GK102903842SQ201210369479
公开日2013年1月30日 申请日期2012年9月27日 优先权日2012年9月27日
发明者董必钦, 邢锋, 丁铸, 龙武剑 申请人:深圳大学