专利名称：一种高效水泥基压电材料及其合成方法
技术领域：
本发明属于压电材料领域，具体涉及一种高效水泥基压电材料及其合成方法。
背景技术：
0-3型水泥基压电复合材料是指具有压电效应的功能体粉末均勻分散于三维连续的水泥基体中形成的复合材料。它与混凝土有良好的相容性，且制备简单、结构均勻、组成可控、成本低，其主要用于大型结构和基础设施(如桥梁、超高层建筑、大跨空间结构、大型水坝、核电站、海洋采油平台及港口设施等)的长期安全检测与监控，同时也可在线检测公路桥梁上通过车辆的车速和载重等，保证公路桥梁的使用寿命、运营经济性和交通安全。目前，传统的0-3型水泥基压电材料压电性能不高，灵敏度低，传感精度差，如公开号为CN1569423的水泥基压电智能复合材料及其制备方法的专利中，其d33值最高仅为 31pC/N，所以需要使用电荷放大器来加强电信号的输出。另外，目前传统0-3型水泥基压电材料均需在4-5KV/mm的高极化电场强度下极化制得，投入成本较高。并且其老化问题严重，容易产生虚假信号，导致安全隐患。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种高效水泥基压电材料及其合成方法，该高效水泥基压电材料压电性能高，制备所需极化电压小，制备成本低，便于应用推广。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为一种高效水泥基压电材料，其特征在于它是将锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒、水泥和增强相球磨混合均勻，其中按体积百分数计，锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒为45%-70%， 其余为水泥和增强相；水泥和增强相中按重量百分比计，水泥占65% -95%，增强相占 5%-35%,加入水和高效减水剂，搅拌均勻后压制成型，养护，极化而得，该高效水泥基压电材料放置30d后压电应变常数d33达到70-100pC/N。按上述方案，按体积百分比计，锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒为50% -70%，其余为水泥和增强相；水泥和增强相中按重量百分比计，水泥占70% -90%，增强相占10% -30%。按上述方案，所述的水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，强度等级为42. 5或 52. 5 ο按上述方案，所述的锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒粒径为75-200 μ m，压电应变常数d33 > !350pC/N，介电常数 ε r 为 1500-2000。按上述方案，所述的增强相为硅灰、石英粉和石英砂中的一种或一种以上的混合， 增强相中SiO2含量达90%以上，粒径为0. 1-150 μ m。按上述方案，所述水的重量水泥和增强相的总重量(水胶比)为0.16-0. 28，所述的高效减水剂为减水率> 20%的聚羧酸系高效减水剂，高效减水剂掺量按重量计为水泥的 1. 5-2. 5wt%。按上述方案，所述的养护为先经过标准养护，再热养护。
按上述方案，所述的标准养护为20°C，95% RH养护2d ；所述的热养护为蒸汽养护或热水养护，所述的养护温度为80-100°C，100% RH，养护时间为3d。按上述方案，所述的极化温度为100-130°C，极化时间为20-30min，极化电场强度为 1-IV/mm。上述高效水泥基压电材料的合成方法，其特征在于将锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒、水泥和增强相以无水乙醇为球磨介质球磨混合，其中按体积百分数计，锆钛酸铅(PZT) 陶瓷颗粒为45% _70%，其余为水泥和增强相；水泥和增强相中按重量百分比计，水泥占 65% -95%,增强相占5% -35%，干燥，过筛备用，然后加入水和高效减水剂，搅拌均勻后压制成片，养护，然后于压片两面均勻涂抹导电免烧银浆，烘干，极化而得。对于本发明的水泥基压电材料而言，在压电功能体确定的前提下，其压电性能主要取决于极化程度，而极化程度与压电材料的介电常数密切相关。为此，本发明通过增添一种介电常数较高、颗粒较细的粉体作为增强相，从而适当提高压电材料的介电常数而进一步提高其压电性能，同时降低极化所需的电场强度，提高极化效率。另外，压电材料的显微结构对材料性能也有很大的影响，为消除结构缺陷对该水泥基压电性能的影响，本发明采用压制成型法并在标准养护的基础上结合热养护工艺而提高水泥基压电复合材料的致密度，从而进一步提高该水泥基压电材料的压电性能。如此，大大提高该水泥基压电材料的传感精度及驱动力，使其在应用中无需电荷放大器，降低应用成本，这对于推进0-3型水泥基压电复合材料的发展和应用有重要的学术价值。本发明的有益效果与传统0-3型水泥基压电材料相比，本发明的高效水泥基压电材料通过添加介电常数较高、颗粒较细的增强粉体作为增强相，采用压制成型法并采用标准养护与热养护相结合工艺而显著提高其介电常数和致密度，进一步提高其压电性能，同时大幅度降低极化所需外部电场强度，提高极化效率和压电性能。该水泥基压电材料放置30d后，压电应变常数d33可达到70-100pC/N，具有良好的电信号输出；该水泥基压电材料制备工艺简便，所需极化电压小，成本低，便于应用推广。
图1为本发明的高效水泥基压电材料组成示意图；图2为本发明的实施例4制备的高效水泥基压电材料的扫描电镜照片；图3为本发明的实施例4制备的高效水泥基压电材料的背散射照片；图4为不同时间下的实施例4制备的高效水泥基压电材料试样的d33值，图中-■-为对照例2，- -为实施例4。
具体实施例方式下面结合以下实施例对本发明的发明内容作进一步说明。实施例1-8将锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒、普通硅酸盐水泥(52. 5等级)和增强相硅灰按表1配比取料后，以无水乙醇为介质，球磨混合15min，干燥，过0.2mm筛备用。然后按水胶比(水的重量水泥和增强相的总重量)为0. 2，加入水和减水率为20%的聚羧酸系高效减水剂，高效减水剂的加入量为水泥的2%，搅拌均勻后压制成20mmX2mm的圆片，先20°C，95% RH 标准养护2d，再90°C，100 % RH,热养护3d，最后用丙酮擦洗表面，然后在圆片两面均勻涂上免烧银浆，在80°C干燥箱内烘池至干燥，后于100°C硅油中极化30min，极化电场强度为 1.5KV/mm0将以下各实施例1-8制备的水泥基压电材料采用ZJ-3AN型准静态d33测量仪(中科院声学研究所研制)测试其d33值，列于表1 ；将表1中对照例2，实施例3和5-8制备得到的样品测定所得的介电常数值列于表 2 ；表1各实施例中高效水泥基压电材料的d33值
^^水泥和增强相总和(vol.%)^
编号 --PZT (vol.%)J33(pC/N)
__泥(wt.%) 增强相(wt.%)___
实施例 180%20%45%58.7
实施例 2__80%__20%__50%__73.4
实施例 3__80%__20%__60%__85.1
实施例 480%20%70%89.7
对照例 1__80%__20%__75%__—
对照例 2__100%__0__60%__50.4
实施例 5__95%__5%__60%__60.2
实施例 6__90%__10%__60%__74.6
实施例 7__70%__30%__60%__93.8
实施例 865%35%60%63.6表2不同增强相含量的介电常数
"1 1水泥(wt. % ) 增强相(wt. % ) 介电常数ε r~
对照例2100%0L58
实施例 595%5%2 89
实施例 690%10%T&9
实施例 380%20%6 98
实施例 70%30%9 67
实施例 865%35%10.88
权利要求
1.一种高效水泥基压电材料，其特征在于它是将锆钛酸铅陶瓷颗粒、水泥和增强相球磨混合均勻，其中按体积百分数计，锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒为45%-70%，其余为水泥和增强相；水泥和增强相中按重量百分比计，水泥占65%-95%，增强相占5%-35%，然后加入水和高效减水剂，搅拌均勻后压制成型，养护，极化而得，该高效水泥基压电材料放置30d后压电应变常数^3达到70-100pC/N。
2.根据权利要求1所述的高效水泥基压电材料，其特征在于按体积百分比计，锆钛酸铅陶瓷颗粒为50%-70%，其余为水泥和增强相；水泥和增强相中按重量百分比计，水泥占 70%-90%，增强相占 10%-30%。
3.根据权利要求1所述的高效水泥基压电材料，其特征在于所述的水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，强度等级为42. 5或52. 5。
4.根据权利要求1所述的高效水泥基压电材料，其特征在于所述的锆钛酸铅陶瓷颗粒粒径为75-200Mm，压电应变常数d33>350pC/N，介电常数ε r为1500 2000。
5.根据权利要求1所述的高效水泥基压电材料，其特征在于所述的增强相为硅灰、石英粉和石英砂中的一种或一种以上的混合，增强相中SiO2含量达90%以上，粒径为 0. l-150Mm。
6.根据权利要求1所述的高效水泥基压电材料，其特征在于所述水的重量水泥和增强相的总重量为0. 16-0.观，所述的高效减水剂为减水率> 20%的聚羧酸系高效减水剂，高效减水剂的掺量按重量计为水泥的1. 5-2. 5wt%。
7.根据权利要求1所述的高效水泥基压电材料，其特征在于所述的养护为先经过标准养护，再热养护。
8.根据权利要求7所述的高效水泥基压电材料，其特征在于所述的标准养护为 20°C，95%RH养护2d ；所述的热养护为蒸汽养护或热水养护，所述的养护温度为80_10(TC， 100%RH，养护时间为3d。
9.根据权利要求1所述的高效水泥基压电材料，其特征在于所述的极化温度为 100-130°C，极化时间为20-30min，极化电场强度为l_2KV/mm。
10.根据权利要求1所述的高效水泥基压电材料的合成方法，其特征在于将锆钛酸铅陶瓷颗粒、水泥和增强相以无水乙醇为球磨介质球磨混合，其中按体积百分数计，锆钛酸铅陶瓷颗粒为45%-70%，其余为水泥和增强相；水泥和增强相中按重量百分比计，水泥占 65%-95%，增强相占5%-35%，干燥，过筛备用，然后加入水和高效减水剂，搅拌均勻后压制成片，养护，然后于压片两面均勻涂抹导电免烧银浆，烘干，极化而得。
全文摘要
本发明涉及一种高效水泥基压电材料及其合成方法。一种高效水泥基压电材料，其特征在于它是将锆钛酸铅陶瓷颗粒、水泥和增强相球磨混合均匀，其中按体积百分数计，锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒为45%-70%，其余为水泥和增强相；水泥和增强相中按重量百分比计，水泥占65%-95%，增强相占5%-35%，加入水和高效减水剂，搅拌均匀后压制成型，养护，极化而得，该高效水泥基压电材料放置30d后压电应变常数d33达到70-100pC/N。该高效水泥基压电材料压电性能高，制备工艺简便，所需极化电压小，成本低，便于应用推广。
文档编号C04B28/00GK102503282SQ201110352840
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月9日 优先权日2011年11月9日
发明者孙华君, 宋岩, 王发洲, 王浩 申请人:武汉理工大学