一种无铅高温水泥基压电复合材料及其合成方法
【专利摘要】本发明涉及一种无铅高温水泥基压电复合材料及其合成方法，该复合材料是由水泥，钛酸钡-铁酸铋固溶体陶瓷颗粒制成，采用将水泥与钛酸钡-铁酸铋固溶体陶瓷颗粒以无水乙醇为介质，球磨混合均匀后，加入水，充分搅拌后，压制成型，养护，极化而得，静置24h小时后，测得其压电响应温度能够达到130℃，压电系数能够达到120pC/N。该复合材料为0-3型结构，对于环境友好，具有良好的压电响应性能，能够在较高的温度下保持良好的压电性能，并且具有制备工艺简单，与混凝土具有良好的相容性，成本低廉，便于推广的优点。
【专利说明】一种无铅高温水泥基压电复合材料及其合成方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于压电材料领域，具体涉及一种无铅高温水泥基压电复合材料及其合成方法。【背景技术】
[0002]0-3型水泥基压电复合材料是指具有压电性能的功能材料颗粒或者粉末，均匀分散于三维连续的水泥基体中形成的复合材料。它与混凝土有着优异的相容性和良好的粘结效果，并且制备工艺简单，成分可控，成本低廉，耐久性强，可用于土木工程领域中各种大型建筑结构和基础设施(如桥梁，公路，核电站和大型水坝等)的长期安全监控和在线安全检测。
[0003]传统的水泥基压电材料，通常均采用锆钛酸铅系压电材料作为压电功能体。锆钛酸铅的主要成分为氧化铅，其为一种易挥发的有毒物质，其在生产、使用及废弃后的处理过程中，都会给人类和生态环境造成严重损害。因此传统的锆钛酸铅系水泥基压电材料，已经不满足于当前的环境保护要求，在各类土木工程中已经不宜使用。
[0004]钛酸钡作为一种成熟可靠的无铅压电材料，具有优异的压电性能和介电性能。以纯相钛酸钡作为压电功能体，制备的0-3型水泥基压电复合材料，对于环境友好，并且压电体的驱动力和精度较高，具有广泛的应用前景和发展空间。但是由于钛酸钡的居里温度较低(Tc ^ 80°C )，导致以纯相钛酸钡为压电功能体的水泥基压电复合材料在较高温度下不再具有压电响应，这一缺陷大大限制住了其在土木工程领域中的应用。
[0005]铁酸铋作为一种同时具有铁电性和反铁磁性多铁性材料，具有较高的居里温度(Tc=830°C )和较大的剩余极化强度，是一种非常理想的掺杂改性材料。在铁酸铋与其他铁电材料形成的固溶体当中，已经发现了铁酸铋对于其他铁电材料在电，磁学性能方面的改善和提高。因此，在本专利中利用铁酸铋对纯相钛酸钡材料进复合改性，以期能够达到提高其居里温度的目的。从而，使 以钛酸钡-铁酸铋固溶体陶瓷颗粒为压电功能体的水泥基压电复合材料在较高的环境温度下依然能够保持良好的压电性能。
【发明内容】
[0006]本发明目的在于，提供一种无铅高温水泥基压电复合材料及其合成方法，该复合材料是由水泥，钛酸钡-铁酸铋固溶体陶瓷颗粒制成，采用将水泥与钛酸钡-铁酸铋固溶体陶瓷颗粒以无水乙醇为介质，球磨混合均匀后，加入水，充分搅拌后，压制成型，养护，极化而得，静置24h小时后，测得其压电响应温度能够达到130°C，压电系数能够达到120pC/N。该复合材料为0-3型结构，对于环境友好，具有良好的压电响应性能，能够在较高的温度下保持良好的压电性能，并且具有制备工艺简单，与混凝土具有良好的相容性，成本低廉，便于推广的优点。
[0007]本发明所述的一种无铅高温水泥基压电复合材料，该材料是由硅酸盐水泥，钛酸钡-铁酸铋固溶体陶瓷颗粒制成，该复合材料为0-3型结构。
[0008]该复合材料按质量百分数计,钛酸钡-铁酸铋固溶体陶瓷颗粒为50%_90%，水泥为10%-50%。[0009]该复合材料中钛酸钡-铁酸铋固溶体陶瓷颗粒的摩尔百分数为钛酸钡99.0%-99.8%，铁酸铋 0.2%-1.0%。
[0010]所述的无铅高温水泥基压电复合材料的制备方法，按下列步骤进行:
[0011]a、将钛酸钡和铁酸铋粉体，以无水乙醇为介质，球磨混合，球磨时间为100-120min,干燥后过筛，然后放入马弗炉中烧结，烧结温度为1300°C,烧结时间为180min，研磨后过筛，得到钛酸钡-铁酸铋固溶体陶瓷颗粒备用；
[0012]b、将钛酸钡-铁酸铋固溶体陶瓷颗粒和普通的硅酸盐水泥以无水乙醇为研磨介质，球磨混合均匀，球磨时间为30-40min，干燥，过筛，得到混合物，备用；
[0013]C、将步骤b得到的混合物加水，搅拌均匀后，采用常规压制成型法压制成IOmmX Imm圆片,成型压力为50-80MP,在养护箱内进行蒸汽热养护后,用丙酮擦洗表面,然后在压制成片的两面均匀涂抹免烧电极，在干燥箱内烘干2h-4h，干燥温度为80-100°C，再在硅油中进行极化，极化温度为30-50°C，极化时间为20-30min，极化场强度为1.5-2.5kv/mm,即可得到0-3型环境友好型无铅高温水泥基压电复合材料。
[0014]步骤b中水的加入量为占水泥重量的15-20%。
[0015]步骤c中的蒸汽热养护为温度95°C，100%RH，时间3天。
[0016]本发明与传统的0-3型水泥基压电材料采用锆钛酸铅系压电材料作为压电功能体不同，本发明以钛酸钡-铁酸铋固溶体陶瓷颗粒为压电能功能体，其作为一种高效新型的无铅压电材料，不易挥发，对于环境友好，易于极化，有着优异的压电和介电性能。并且居里温度相较于纯相钛酸钡有明显的提高。压电功能体的较高的压电系数和居里温度决定了该水泥基压电材料具有优异的压电响应性能和在较高温度下正常响应的能力。以钛酸钡-铁酸铋固溶体陶瓷颗粒为压电能功能体的水泥基压电复合材料在室温下压电应变常数d33可达到120pC/N，正常响应温度能够达到130°C。除此之外，本发明所述的无铅高温水泥基压电复合材料采用压制成型技术，养护手段和制备工艺简单，成本低廉，在土木工程中与混凝土母体具有良好的相容性。因此，该型水泥基压电材料的研究，开发和应用，对于环境保护，和推进各类土木工程结构向智能化方向发展具有广泛和重要的应用意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明钛酸钡-铁酸铋固溶体无铅压电材料的XRD图谱；
[0018]图2为本发明不同温度下实施例9的水泥基压电复合材料的d33值图。
【具体实施方式】
[0019]实施例1
[0020]a、按摩尔百分数将钛酸钡99.8%和铁酸铋0.2%粉体，以无水乙醇为介质，球磨混合，球磨时间为IOOmin,干燥后过筛,然后放入马弗炉中烧结,烧结温度为1300°C,烧结时间为180min，研磨后过筛，得到钛酸钡-铁酸铋固溶体陶瓷颗粒备用；
[0021]b、将钛酸钡-铁酸铋固溶体陶瓷颗粒50%和普通的硅酸盐水泥50%以无水乙醇为研磨介质，球磨混合，球磨时间为30min，干燥，过筛，得到混合物，备用；
[0022]C、将得到的混合物加水，水的加入量为占水泥重量的15%，充分搅拌均匀后，采用常规压制成型法压制成IOmmXlmm的圆片,成型压力为50MPa,在养护箱内进行蒸汽热养护温度95°C，90%RH，3天后，用丙酮擦洗表面，然后在压制成片的两面均匀涂上免烧电极，在干燥箱内烘干2h，干燥温度为80°C，再在硅油中进行极化，极化场强度为1.5kv/mm，极化温度为30°C，极化时间为20min，即可得到0_3型环境友好型无铅高温水泥基压电复合材料，再将极化后的无铅高温水泥基压电复合材料在室温放置24h后进行性能测试。
[0023]实施例2
[0024]a、按摩尔百分数将钛酸钡99.6%和铁酸铋0.4%粉体，以无水乙醇为介质，球磨混合，球磨时间为IlOmin,干燥后过筛,然后放入马弗炉中烧结,烧结温度为1300°C,烧结时间为180min，研磨后过筛，得到钛酸钡-铁酸铋固溶体陶瓷颗粒备用；
[0025]b、将钛酸钡-铁酸铋固溶体陶瓷颗粒60%和普通的硅酸盐水泥40%以无水乙醇为研磨介质，球磨混合均匀，球磨时间为35min，干燥，过筛，得到混合物，备用；
[0026]C、将得到的混合物加水，水的加入量为占水泥重量的18%，搅拌均匀后，采用常规压制成型法压制成IOmmX Imm圆片,成型压力为60MP,在养护箱内进行蒸汽热养护,蒸汽热养护为温度95° C，100%RH，时间3天后，用丙酮擦洗表面，然后在压制成片的两面均匀涂抹免烧电极，在干燥箱内烘干3h，干燥温度为90°C，再在硅油中进行极化，极化温度为40°C，极化时间为25min，极化场强度为2.0kv/mm,即可得到0_3型环境友好型无铅高温水泥基压电复合材料，再将极化后的无铅高温水泥基压电复合材料在室温放置24h后进行性能测试。
[0027]实施例3
[0028]a、按摩尔百分数将钛酸钡99.4%和铁酸铋0.6%粉体，以无水乙醇为介质，球磨混合，球磨时间为120min,干燥后过筛,然后放入马弗炉中烧结,烧结温度为1300°C,烧结时间为180min，研磨后过筛，得到钛酸钡-铁酸铋固溶体陶瓷颗粒备用；
[0029]b、将钛酸钡-铁酸铋固溶体陶瓷颗粒80%和普通的硅酸盐水泥20%以无水乙醇为研磨介质，球磨混合均匀，球磨时间为40min，干燥，过筛，得到混合物，备用；
[0030]C、将步骤b得到的混合物加水，水的加入量为占水泥重量的20%，搅拌均匀后，采用常规压制成型法压制成IOmmXlmm圆片,成型压力为70MP,在养护箱内进行蒸汽热养护，蒸汽热养护为温度95°C，100%RH，时间3天后，用丙酮擦洗表面，然后在压制成片的两面均匀涂抹免烧电极，在干燥箱内烘干4h，干燥温度为100°C，再在硅油中进行极化，极化温度为50°C，极化时间为30min，极化场强度为2.5kv/mm,即可得到0_3型环境友好型无铅高温水泥基压电复合材料，再将极化后的无铅高温水泥基压电复合材料在室温放置24h后进行性能测试。
[0031]实施例4
[0032]a、按摩尔百分数将钛酸钡99.2%和铁酸铋0.8%粉体，以无水乙醇为介质，球磨混合，球磨时间为115min,干燥后过筛,然后放入马弗炉中烧结,烧结温度为1300°C,烧结时间为180min，研磨后过筛，得到钛酸钡-铁酸铋固溶体陶瓷颗粒备用；
[0033]b、将钛酸钡-铁酸铋固溶体陶瓷颗粒75%和普通的硅酸盐水泥25%以无水乙醇为研磨介质，球磨混合均匀，球磨时间为30min，干燥，过筛，得到混合物，备用；
[0034]C、将步骤b得到的混合物加水，水的加入量为占水泥重量的17%，搅拌均匀后，采用常规压制成型法压制成IOmmXlmm圆片,成型压力为70MP,在养护箱内进行蒸汽热养护，蒸汽热养护为温度95°C，100%RH，时间3天后，用丙酮擦洗表面，然后在压制成片的两面均匀涂抹免烧电极，在干燥箱内烘干2h，干燥温度为85°C，再在硅油中进行极化，极化温度为45°C，极化时间为20min，极化场强度为1.5kv/mm,即可得到0_3型环境友好型无铅高温水泥基压电复合材料，再将极化后的无铅高温水泥基压电复合材料在室温放置24h后进行性能测试。
[0035]实施例5
[0036]a、按摩尔百分数将钛酸钡99.0%和铁酸铋1.0%粉体，以无水乙醇为介质，球磨混合，球磨时间为120min,干燥后过筛,然后放入马弗炉中烧结,烧结温度为1300°C,烧结时间为180min，研磨后过筛，得到钛酸钡-铁酸铋固溶体陶瓷颗粒备用；
[0037]b、将钛酸钡-铁酸铋固溶体陶瓷颗粒90%和普通的硅酸盐水泥10%以无水乙醇为研磨介质，球磨混合均匀，球磨时间为40min，干燥，过筛，得到混合物，备用；
[0038]C、将步骤b得到的混合物加水，水的加入量为占水泥重量的20%，搅拌均匀后，采用常规压制成型法压制成IOmmXlmm圆片,成型压力为80MP,在养护箱内进行蒸汽热养护，蒸汽热养护为温度95°C，100%RH，时间3天后，用丙酮擦洗表面，然后在压制成片的两面均匀涂抹免烧电极，在干燥箱内烘干4h，干燥温度为100°C，再在硅油中进行极化，极化温度为50°C，极化时间为30min，极化场强度为2.5kv/mm,即可得到0_3型环境友好型无铅高温水泥基压电复合材料，再将极化后的无铅高温水泥基压电复合材料在室温放置24h后进行性能测试。
[0039]实施例6
[0040]将实施例1-5中步骤a制备的钛酸钡-铁酸铋固溶体陶瓷颗粒和对照例I制备的纯相钛酸钡陶瓷采用ZJ-3AN型准静态d33测量仪(中科院声学所研制)测试其d33值，采用安捷伦E4980A精密LCR测试其居里温度值(T。)列于表1 ;·[0041]表1:对照例I和实施例1-5中制备的压电功能体材料的d33值和居里温度值T。
【权利要求】
1.一种无铅高温水泥基压电复合材料，其特征在于该材料是由硅酸盐水泥，钛酸钡-铁酸铋固溶体陶瓷颗粒制成，其结构为0-3型结构。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于该复合材料按质量百分数计，钛酸钡-铁酸铋固溶体陶瓷颗粒为50%-90%，水泥为10%-50%。
3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于该复合材料中钛酸钡-铁酸铋固溶体陶瓷颗粒的摩尔百分数为钛酸钡99.0%-99.8 %，铁酸铋0.2%-1.0%。
4.根据权利要求1所述的无铅高温水泥基压电复合材料的制备方法，其特征在于按下列步骤进行: a、将钛酸钡和铁酸铋粉体，以无水乙醇为介质，球磨混合，球磨时间为100-120min，干燥后过筛，然后放入马弗炉中烧结，烧结温度为1300°C,烧结时间为180min,研磨后过筛，得到钛酸钡-铁酸铋固溶体陶瓷颗粒备用； b、将钛酸钡-铁酸铋固溶体陶瓷颗粒和普通的硅酸盐水泥以无水乙醇为研磨介质，球磨混合均匀，球磨时间为30-40min，干燥，过筛，得到混合物，备用； C、将步骤b得到的混合物加水，搅拌均匀后，采用常规压制成型法压制成IOmmX Imm圆片，成型压力为50-80MP，在养护箱内进行蒸汽热养护后，用丙酮擦洗表面，然后在压制成片的两面均匀涂抹免烧电极，在干燥箱内烘干2h-4h，干燥温度为80-100°C，再在硅油中进行极化，极化温度为30-50°C，极化时间为20-30 min，极化场强度为1.5-2.5kv/mm,即可得到0-3型环境友好型无铅高温水泥基压电复合材料。
5.根据权利要求4所`述的制备方法，其特征在于步骤b中水的加入量为占水泥重量的I5-20%o
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤c的蒸汽热养护为温度95°C，100%RH,时间3天。
【文档编号】C04B28/04GK103626445SQ201310626662
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2013年11月29日
【发明者】徐金宝, 张家齐, 王磊, 边亮 申请人:中国科学院新疆理化技术研究所