压电陶瓷非均匀周期排列的1-3型压电复合材料及制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种压电陶瓷非均匀周期排列的1-3型压电复合材料及制备方法，属于水泥基压电智能复合材料及其制备【技术领域】。该压电复合材料以压电陶瓷为功能相，聚合物和水泥的混合物为基体相，并附有上下电极。该压电复合材料的制备方法为：设计压电陶瓷的非均匀周期结构排列方式，经过二次切割将压电陶瓷块切割成多排非均匀周期排列的竖直陶瓷柱和尺寸相同的切割凹槽，然后进行清洗、干燥，将基体填充于陶瓷柱的四周及内部并进行抽真空处理、最后进行养护、打磨、抛光及涂电极处理。本发明的1-3型压电复合材料不仅其横向耦合干扰作用受到了抑制，频带宽度得到了拓展，而且还能根据需要得到各种形状的产品，满足不同功能传感器元件的性能需求。
【专利说明】压电陶瓷非均匀周期排列的1-3型压电复合材料及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于水泥基压电智能复合材料及其制备【技术领域】，具体涉及到一种压电陶瓷柱呈非均匀周期性排列的1-3型压电复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]将水泥与压电陶瓷复合制得的水泥基压电复合材料具有与混凝土材料相容性好，响应速度快，传感/驱动一体化，耐久性好，不易受环境温/湿度影响等特性，在土木工程结构健康监测中有着巨大的应用潜力。
[0003]1-3型水泥基压电复合材料是指以水泥为基体、压电陶瓷为功能体，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，因其具有较多优点，是目前研究和应用较为广泛的一种压电材料。然而，由于压电陶瓷的声阻抗较高，而水泥的声阻抗与混凝土材料的声阻抗又相近，因而制得的1-3型水泥基压电复合材料的声阻抗仍难以实现与混凝土声阻抗的良好匹配。此外，水泥与压电陶瓷间的界面结合能力较弱，也限制了该类复合材料的应用化。因此，通过在水泥中掺加聚合物基体制备水泥聚合物基压电复合材料，不仅可以增强水泥基体与压电陶瓷的结合强度，提高水泥基压电复合材料的柔韧性和整体性能，而且，低声阻抗的聚合物也改善了水泥聚合物基压电复合材料与混凝土材料的声阻抗匹配能力。
[0004]另一方面，由于目前的1-3型水泥基压电复合材料体系中，压电陶瓷相和基体相的排列方式均为均匀周期性排列，虽然均匀的排列方式能够提高材料的制备效率，而且所制备出的压电复合材料亦具有各向同性的特点，但由于压电陶瓷和基体的周期性排列，由此产生的横向结构模会干扰压电复合材料换能器的辐射声场，不利于获得需要的声场分布。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种压电陶瓷柱非均匀周期性排列的1-3型压电复合材料，这种压电复合材料中压电陶瓷柱呈非均匀周期排列，性能良好，还能根据需要得到各种形状的产品，满足不同功能传感器元件的性能需求。
[0006]本发明的另一目的是提供上述材料的制备方法，本发明方法易于实施，为压电陶瓷柱非均匀周期性排列压电复合材料的实现提供了技术支持。
[0007]本发明采用二次切割-浇注法制备压电陶瓷柱非均匀周期性排列的压电复合材料，在制备过程中，首先需要设计压电复合材料的结构参数，例如确定压电陶瓷柱和切割沟槽的尺寸，确定切割间距的非均匀周期性变化方式，确定压电陶瓷和基体的具体成分，确定制备过程中的工艺步骤和参数等具体内容，尤其是压电陶瓷柱和切割沟槽的尺寸，以及切割间距的非均匀周期性变化方式非常重要，只有确定了这些内容，才能保证产品的品质和性能。下面详细阐述实现本发明的技术方案及本方案的优点: 一种压电陶瓷柱非均匀周期性排列的1-3型压电复合材料，其特征是:由压电陶瓷柱、基体和上下电极构成，压电陶瓷的体积百分比为50%?80%，各压电陶瓷柱间的间隔相同，沿压电陶瓷块长度和宽度方向的压电陶瓷柱的两边长均按下述任一方式变化:①按等差数列增大或减小(公差0.1?1.5mm);②按等差数列增大或减小到一定程度后作为一个循环周期，然后重复此变化(公差0.1?1.5mm);③按等差数列增大或减小到一定程度后再按照公差相同或不同的等差数列减小或增大到原始距离，由此作为一个循环周期，然后重复此变化(公差0.1?1.5_)，所述压电陶瓷柱的两边长的变化规律一致，且压电陶瓷柱两边长变化时的公差相同或者不同。
[0008]一种压电陶瓷柱非均匀周期性排列的1-3型压电复合材料的制备方法，其特征是包括以下步骤:
(1)在垂直于压电陶瓷块极化轴的面上，沿着压电陶瓷块长度或宽度的方向垂直切割形成一系列凹槽，凹槽宽度相同，切割时保留底座；切割间距按下列任意一种方式变化:①按等差数列增大或减小(公差0.1?1.5mm) 按等差数列增大或减小到一定程度后作为一个循环周期，然后重复此变化(公差0.1?1.5mm);③按等差数列增大或减小到一定程度后再按照公差相同或不同的等差数列减小或增大到原始宽度，由此作为一个循环周期，然后重复此变化(公差0.1?1.5mm)；
(2)切割后将压电陶瓷坯体清洗干净并晾干，然后向凹槽中浇注基体，浇注完后抽真空去除凹槽中的气孔，然后常温固化；
(3)固化后沿着第一次切割垂直的方向进行第二次切割，形成一系列的凹槽，凹槽宽度与第一次切割时相同或者不同，切割时保留底座；切割间距的变化规律与第一次切割时一致，切割间距变化的公差与第一次切割时的相同或者不同；
(4)切割后将样品清洗干净并晾干，然后向凹槽中浇注基体，浇注完后抽真空去除凹槽中的气孔，然后常温固化；
(5)固化后将样品打磨、去掉底座、抛光、洗净，然后在上下两个平行表面涂上电极，即得压电陶瓷柱非均匀周期性排列的1-3型压电复合材料。
[0009]上述的制备方法，凹槽宽度可在0.5?1.5mm范围内选择，优选凹槽宽度为0.5mm ；切割间距的最小值不低于0.5mm,最大值为5mm。
[0010]上述的制备方法，切割间距的公差可在0.1?1.5mm范围内选择。
[0011]上述的制备方法，底座高度为0.3?0.5mm。
[0012]本发明以压电陶瓷为功能体，所用压电陶瓷的选择范围可以涵盖现有的各种类型含铅或无铅压电陶瓷材料，将压电陶瓷块经过极化处理，即可使用。
[0013]本发明以水泥或者水泥/聚合物为基体，优选以水泥与聚合物的混合物为基体，其中水泥和聚合物的质量比为(0.5?1.5):1，聚合物可选用环氧树脂、聚氨酯、硅橡胶等有机材料，水泥材料可选用硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、高铝水泥、磷酸盐水泥等水泥材料。
[0014]在切割过程中不将整个陶瓷块切透，留下一个底座，底座高度不小于0.3mm,从而防止陶瓷柱的散落破损。
[0015]每次切割完毕后，都用超声波清洗机对切割后的陶瓷坯体进行清洗，然后用丙酮、乙醇等有机溶剂对切割后的陶瓷块再次进行清洗，以去除其中残留的陶瓷残渣，减小其对复合材料性能的影响。将清洗后的压电陶瓷坯体固定于模具中，将基体灌注于切割凹槽中，然后放置于真空箱进行再次抽真空处理去除残留在凹槽中的气孔。浇注后的样品置于室内放置48小时进行固化。
[0016]本发明转变了常规的压电复合材料的制备思路，将压电陶瓷柱与基体均匀分布变为压电陶瓷柱非均匀周期性分布，得到压电陶瓷柱非均匀周期性排列的1-3型压电复合材料。通过压电陶瓷柱的排列方式，使得压电陶瓷沿一定的方向(长度或宽度)呈特定分布，那么复合材料整体的压电、介电常数及机电性能参数等皆会随着该方向呈类似分布，从而有效的避免了横向结构模的干扰，从而达到控制辐射声场的目的。此外，压电陶瓷柱非均匀性变化也会使得材料本身的纵波声速呈非均匀性变化，从而使得这种非均匀周期结构的压电复合材料的频带宽度也要比均匀压电复合材料的宽。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为实施例1所制压电陶瓷柱非均匀周期性排列的1-3型水泥聚合物基压电复合材料的平面结构示意图。
[0018]图2为实施例2所制压电陶瓷柱非均匀周期性排列的1-3型水泥聚合物基压电复合材料的平面结构示意图。
[0019]图3为实施例3所制压电陶瓷柱非均匀周期性排列的1-3型水泥聚合物基压电复合材料的平面结构示意图。
[0020]图4为压电陶瓷柱均匀周期性排列的1-3型水泥聚合物基压电复合材料和实施例1-3所制压电陶瓷柱非均匀周期性排列的1-3型水泥聚合物基压电复合材料的阻抗-频率谱图，a为均匀周期性排列产品，b为实施例1产品，c为实施例2产品，d为实施例3产品。
【具体实施方式】
[0021]下面通过具体实施例对本发明进行进一步的说明和阐述。
[0022]实施例1
采用PZT-4型压电陶瓷为功能体，普通硅酸盐水泥和E51型环氧树脂的混合物作为基体，采用二次切割-浇注工艺制备压电陶瓷柱非均匀周期排列的1-3型水泥聚合物基压电复合材料，压电复合材料的结构示意图如图1所示，制备过程如下:
(1)ΡΖΤ-4压电陶瓷块的尺寸为长度X宽度X厚度=30mmX30mmX10mm;
(2)采用金刚石外圆下切割机在在垂直于压电陶瓷极化轴的面上，沿着压电陶瓷的宽度方向垂直切割系列凹槽，凹槽宽度0.5mm,切割间距依次为1.00mm, 1.20mm, 1.40mm,1.60mm, 1.80mm, 2.00mm, 2.20mm, 2.40mm, 2.60mm, 2.80mm, 3.00mm,切割过程中不将整个陶瓷块切透，留下一个底座，底座高度0.5mm ；
(3)用超声波清洗机对切割后的陶瓷坯体进行清洗2小时，然后用丙酮溶剂对陶瓷块进行再次清洗，以去除其中残留的陶瓷残渣；
(4)将普通硅酸盐水泥和环氧树脂按照质量比1:1进行混合，经均匀搅拌后进行抽真空处理，将抽真空处理后的水泥环氧树脂的混合物灌注于切割凹槽中，然后再次进行抽真空处理去除残留在凹槽中的气孔；
(5)将浇注后的坯体置于室内，常温放置48小时进行固化；
(6)采用金刚石外圆下切割机，在垂直于陶瓷极化轴的面上，沿着固化后压电陶瓷坯体的长度方向进行二次切割系列凹槽，凹槽宽度0.5mm，切割间距依次为1.0Omm, 1.25mm,
1.50mm, 1.75mm, 2.00mm, 2.25mm, 2.50mm, 2.75mm, 3.00mm,切割过程中不将整个陶瓷块切
透，留下一个底座，底座高度0.5mm ；
(7)重复上述水泥环氧树脂的配比、抽真空处理，浇注，再次抽真空处理、固化等步骤；
(8)分别采用细度为W20和WlO的白刚玉微粉将二次固化后的试样的上下两个平行表面分别进行粗磨和细磨处理，然后用丙酮清洗试样表面，晾干后在两表面均匀地涂抹薄层低温银导电浆料，即得压电陶瓷柱非均匀周期性排列的1-3型压电复合材料，厚度为9.40mmη
[0023]该压电陶瓷非均匀周期结构的1-3型压电复合材料的阻抗-频率谱图如图4b所示，与压电陶瓷均匀周期结构的压电复合材料的阻抗-频率谱图(如图4a)相比，其横向结构模耦合干扰减弱，厚度谐振峰附近耦合谐振消失，厚度模带宽增大，其6dB带宽为
7.5kHz，而压电陶瓷均匀周期结构的1-3型压电复合材料的6dB带宽为6.4kHz。
[0024]实施例2
采用PZT型压电陶瓷为功能体，普通硅酸盐水泥和E51型环氧树脂的混合物作为基体，采用二次切割-浇注工艺制备压电陶瓷柱非均匀周期排列的1-3型水泥聚合物基压电复合材料，压电复合材料的结构示意图如图2所示，制备过程如下:
(1)ΡΖΤ-4压电陶瓷块的尺寸为长度X宽度X厚度=30mmX30mmX10mm;
(2)采用金刚石外圆下切割机在在垂直于压电陶瓷极化轴的面上，沿着压电陶瓷的宽度方向垂直切割系列凹槽，凹槽宽度0.5mm,切割间距依次为1.00mm, 1.44mm, 1.88mm,
2.32mm, 2.76mm, 3.20mm, 2.76mm, 3.20mm, 2.76mm, 2.32mm, 1.88mm, 1.44mm, 1.00mm,切割过程中不将整个陶瓷块切透，留下一个底座，底座高度0.5mm ；
(3)用超声波清洗机对切割后的陶瓷坯体进行清洗2小时，然后用丙酮溶剂对陶瓷块进行再次清洗，以去除其中残留的陶瓷残渣；
(4)将普通硅酸盐水泥和环氧树脂按照质量比1:1进行混合，经均匀搅拌后进行抽真空处理，将抽真空处理后的水泥环氧树脂的混合物灌注于切割凹槽中，然后再次进行抽真空处理去除残留在凹槽中的气孔；
(5)将浇注后的坯体置于室内，常温放置48小时进行固化；
(6)采用金刚石外圆下切割机，在垂直于陶瓷极化轴的面上，沿着固化后压电陶瓷坯体的长度方向进行二次切割系列凹槽，凹槽宽度0.5mm，切割间距依次为1.04mm, 1.58mm,
2.12mm, 2.66mm, 3.20mm, 2.66mm, 2.12mm, 1.58mm, 1.04mm,切割过程中不将整个陶瓷块切透，留下一个底座，底座高度0.5mm ；
(7)重复上述水泥环氧树脂的配比、抽真空处理，浇注，再次抽真空处理、固化等步骤；
(8)分别采用细度为W20和WlO的白刚玉微粉将二次固化后的试样的上下两个平行表面分别进行粗磨和细磨处理，然后用丙酮清洗试样表面，晾干后在两表面均匀地涂抹薄层低温银导电浆料，即得压电陶瓷柱非均匀周期性排列的1-3型压电复合材料，厚度为9.40mmη
[0025]该压电陶瓷非均匀周期结构的1-3型压电复合材料的阻抗-频率谱图如图4c所示，与压电陶瓷均匀周期结构的压电复合材料的阻抗-频率谱图(如图4a)相比，其横向结构模耦合干扰减弱，厚度谐振峰附近耦合谐振消失，厚度模带宽增大，其6dB带宽为13.7kHz，而压电陶瓷均匀周期结构的1-3型压电复合材料的6dB带宽为6.4kHz。
[0026]实施例3
采用PZT-4型压电陶瓷为功能体，普通硅酸盐水泥和E51型环氧树脂的混合物作为基体，采用二次切割-浇注工艺制备压电陶瓷柱非均匀周期排列的1-3型水泥聚合物基压电复合材料，压电复合材料的结构示意图如图3所示，制备过程如下:
(1)ΡΖΤ-4压电陶瓷块的尺寸为长度X宽度X厚度=30mmX30mmX10mm;
(2)采用金刚石外圆下切割机在在垂直于压电陶瓷极化轴的面上，沿着压电陶瓷的宽度方向垂直切割系列凹槽，凹槽宽度0.5mm，切割间距依次为1.10mm，1.76mm, 2.42mm,
3.08mm, 1.10mm, 1.76mm, 2.42mm, 3.08mm, 1.10mm, 1.76mm, 2.42mm,切割过程中不将整个陶瓷块切透，留下一个底座，底座高度0.5mm ；
(3)用超声波清洗机对切割后的陶瓷坯体进行清洗2小时，然后用丙酮溶剂对陶瓷块进行再次清洗，以去除其中残留的陶瓷残渣；
(4)将普通硅酸盐水泥和环氧树脂按照质量比1:1进行混合，经均匀搅拌后进行抽真空处理，将抽真空处理后的水泥环氧树脂的混合物灌注于切割凹槽中，然后再次进行抽真空处理去除残留在凹槽中的气孔；
(5)将浇注后的坯体置于室内，常温放置48小时进行固化；
(6)采用金刚石外圆下切割机，在垂直于陶瓷极化轴的面上，沿着固化后压电陶瓷坯体的长度方向进行二次切割系列凹槽，凹槽宽度0.5mm,切割间距依次为1.00mm, 2.0Omm,
3.00mm, 1.00mm, 2.00mm, 3.00mm, 1.00mm, 2.00mm, 3.0Omm,切割过程中不将整个陶瓷块切透，留下一个底座，底座高度0.5mm ；
(7)重复上述水泥环氧树脂的配比、抽真空处理，浇注，再次抽真空处理、固化等步骤；
(8)分别采用细度为W20和WlO的白刚玉微粉将二次固化后的试样的上下两个平行表面分别进行粗磨和细磨处理，然后用丙酮清洗试样表面，晾干后在两表面均匀地涂抹薄层低温银导电浆料，即得压电陶瓷柱非均匀周期性排列的1-3型压电复合材料，厚度为
9.40mmo
[0027]该压电陶瓷非均匀周期结构的1-3型压电复合材料的阻抗-频率谱图如图4d所示，与压电陶瓷均匀周期结构的压电复合材料的阻抗-频率谱图(如图4a)相比，其横向结构模耦合干扰减弱，厚度谐振峰附近耦合谐振消失，厚度模带宽增大，其6dB带宽为13.7kHz，而压电陶瓷均匀周期结构的1-3型压电复合材料的6dB带宽为6.4kHz。
【权利要求】
1.一种压电陶瓷柱非均匀周期性排列的1-3型压电复合材料，其特征是:由压电陶瓷柱、基体和上下电极构成，压电陶瓷的体积百分比为50%?80%，各压电陶瓷柱间的间隔相同，沿压电陶瓷块长度和宽度方向的压电陶瓷柱的两边长均按下述任一方式变化:①按等差数列增大或减小(公差0.1?1.5mm);②按等差数列增大或减小到一定程度后作为一个循环周期，然后重复此变化(公差0.1?1.5mm);③按等差数列增大或减小到一定程度后再按照公差相同或不同的等差数列减小或增大到原始距离，由此作为一个循环周期，然后重复此变化(公差0.1?1.5_)，所述压电陶瓷柱的两边长的变化规律一致，且压电陶瓷柱两边长变化时的公差相同或者不同。
2.一种压电陶瓷柱非均匀周期性排列的1-3型压电复合材料的制备方法，其特征是包括以下步骤: (1)在垂直于压电陶瓷块极化轴的面上，沿着压电陶瓷块长度或宽度的方向垂直切割形成一系列凹槽，凹槽宽度相同，切割时保留底座；切割间距按下列任意一种方式变化:①按等差数列增大或减小(公差0.1?1.5mm) 按等差数列增大或减小到一定程度后作为一个循环周期，然后重复此变化(公差0.1?1.5mm);③按等差数列增大或减小到一定程度后再按照公差相同或不同的等差数列减小或增大到原始宽度，由此作为一个循环周期，然后重复此变化(公差0.1?1.5mm)； (2)切割后将压电陶瓷坯体清洗干净并晾干，然后向凹槽中浇注基体，浇注完后抽真空去除凹槽中的气孔，然后常温固化； (3)固化后沿着第一次切割垂直的方向进行第二次切割，形成一系列的凹槽，凹槽宽度与第一次切割时相同或者不同，切割时保留底座；切割间距的变化规律与第一次切割时一致，切割间距变化的公差与第一次切割时的相同或者不同； (4)切割后将样品清洗干净并晾干，然后向凹槽中浇注基体，浇注完后抽真空去除凹槽中的气孔，然后常温固化； (5)固化后将样品打磨、去掉底座、抛光、洗净，然后在上下两个平行表面涂上电极，即得压电陶瓷柱非均匀周期性排列的1-3型压电复合材料。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是:凹槽宽度可在0.5?1.5mm范围内选择，优选凹槽宽度为0.5mm ;切割间距的最小值不低于0.5mm,最大值为5mm。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征是:切割间距的公差可在0.1?1.5_范围内选择。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是:底座高度为0.3?0.5mm。
6.根据权利要求1所述的压电复合材料，其特征是:以水泥或者水泥与聚合物的混合物作为基体，水泥和聚合物的质量比为0.5?1.5:1 ;压电陶瓷的体积百分比为50%?80%。
【文档编号】H01L41/18GK103456878SQ201310388095
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月1日 优先权日:2013年9月1日
【发明者】徐东宇, 黄世峰, 徐跃胜, 李兰, 程新 申请人:济南大学