0-3 型压电陶瓷/ 硫铝酸盐水泥复合材料的介电性及压电性

以硫铝酸盐水泥为基体, 铌镁锆钛酸铅(PMN) 陶瓷颗粒为功能体制备了水泥基压电复合材料。重点讨论了复合材料的介电性能和压电性能。结果表明: 水泥基压电复合材料的介电温谱在- 30 ℃～150 ℃范围内较平坦, 表现出优良的介电温度稳定性, 而介电损耗随着温度的升高而增加; 水泥基压电复合材料的压电应变常数和介电常数均随着PMN 含量的增加而增大。      

1-3型水泥基压电复合材料的制备及性能

采用切割-浇注法, 以硫铝酸盐水泥为基体, 制备了1-3型水泥基压电复合材料。详细阐述了1-3型水泥基压电复合材料的制备过程; 研究了0.375Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-0.375PbTiO₃-0.25PbZrO₃压电陶瓷柱的宽厚比w/t对1-3型水泥基压电复合材料的压电性能、 介电性能和声阻抗的影响。结果表明: 压电陶瓷柱的宽厚比w/t对1-3型水泥基压电复合材料性能有很大影响, 随着w/t的增加, 其压电应变常数d₃₃、 机电耦合系数K_p与K_t、 机械品质因数Q_m、 介电常数ε_r和介电损耗tanδ均随着w/t的增加而减小, 而压电电压常数g₃₃值几乎不受w/t的影响。在压电陶瓷体积分数仅为22.72%的条件下, 调节压电陶瓷柱的宽厚比w/t至0.130, 可使复合材料的声阻抗与混凝土的声阻抗十分接近, 从而有效地解决了智能材料在土木工程中的声阻抗相容性问题。      

成型压力对0-3型锆钛酸铅/水泥压电复合材料的影响

以快硬硫铝酸盐水泥为基体,以锆钛酸铅(PZT)为功能相,用压制成型法制备出0-3型PZT/水泥基压电复合材料。分析成型压力对PZT/水泥基压电复合材料的压电性和介电性的影响,结果表明:不同粒径PZT颗粒作为功能相的水泥基压电复合材料,成型压力对其压电性和介电性有不同的影响。在30~90 MPa压力范围内,成型压力越大,PZT/水泥压电复合材料的压电应变常数d33和相对介电常数εr均显著提高,这是由于气孔率随压力增大而减少,而压电电压常数g33的变化则与功能相的粒径有关。机电耦合系数也有着不同的变化趋势,对于6μm和126μm PZT/水泥压电复合材料,其机电耦合系数Kt和Kp随压力增大缓慢下降,而对于430μm PZT/水泥压电复合材料则呈上升趋势。当压力达到150 MPa时,其压电性和介电性均急剧减小。     

低能耗硫铝酸盐水泥的合成及其特性

利用分析纯试剂材料、工业原料及其工业废渣，例如：磷石膏、粉煤灰、高炉矿渣和矾土作为生料组生，合成出含有Ｃ４Ａ３Ｓ、β－Ｃ２Ｓ及ＣＳ的早强快硬低能耗水泥。所研制的物既可单独制备，也可以用Ｃ４Ａ３Ｓ－βＣ２Ｓ－ＣＳ按重量比为１．５：１：！来合成，后者指的是二元和三元体系。研究发现，工业原料中杂质能够降低烧成温度。同时，硫铝酸盐水泥中加入粉煤灰或高炉矿渣渣虽会降低１ｄ强度，却显著地增加了２８ｄ抗压强度。     

0-3型压电陶瓷/硫铝酸盐水泥复合材料的介电频率特性和铁电特性

以硫铝酸盐水泥为基体, 铌锂锆钛酸铅[ 0. 08Pb (Li_1/4 Nb_3/4 ) O₃ ·0. 47PbTiO₃ ·0. 45PbZrO₃ ] (简称PLN)压电陶瓷颗粒为功能体制备了0-3 型水泥基压电复合材料。利用X 射线衍射(XRD) 和扫描电子显微镜(SEM) 对水泥基压电复合材料的相组成和显微结构进行了分析和观察, 重点研究了水泥基压电复合材料的介电频率特性和铁电特性。结果表明, 压电陶瓷颗粒与硫铝酸盐水泥的水化产物结合良好; 随着PLN 含量的增加, 复合材料的介电常数ε_r 、剩余极化强度Pr和矫顽电场强度Ec均增大; 在40～100 kHz 频率范围内, 水泥基压电复合材料的介电常数ε_r均随频率的增大而迅速降低, 这主要受复合材料中的界面极化所影响, 高频时, 介电常数变化较小, 表现出良好的高频介电稳定性; 复合材料的电滞回线发生畸变的原因主要是PLN 压电陶瓷破碎成颗粒后, 本身存在许多缺陷, 且与水泥复合后存在许多界面气孔。      

1-3型压电复合材料和普通PZT换能器性能对比分析

通过切割-填充法制备了1-3型压电复合材料，并选取相同尺寸的1-3型压电复合材料和普通PZT圆片制成活塞型换能器，经测量得到了两种换能器在空气中和水中的导纳曲线，水中发送电压响应、接收灵敏度和指向性曲线。通过对比分析，得出1-3型压电复合材料换能器比普通PZT压电换能器的收发性能有明显改善。     

0-3型陶瓷/聚合物压电复合材料的压电性能研究

采用溶液共混法和热压法分别制备了PZN-PZT/PI、PZN-PZT/PVDF 0-3型压电复合材料,所得材料具有较高的压电常数和良好的可柔性加工性能。并研究分析了无机压电陶瓷种类、含量,压电聚合物类型、制备工艺与极化参数对压电系数d₃₃的影响,在一定程度上提供了提高0-3型聚合物/陶瓷压电复合材料的压电性能的途径。      

碳纤维硫铝酸盐水泥基机敏复合材料

采用压制成型方法制备了碳纤维硫铝酸盐水泥基复合材料 ( Carbon Fiber Reinforced Sulphoaluminate Cement,简称CFRS ) 。用XRD和孔结构分析仪对复合材料的物相和孔径与孔体积的关系进行了分析,研究了不同碳纤维掺量对复合材料在单调压应力和循环压应力下的机敏性能的影响。XRD和孔结构分析研究结果表明,压制成形的试样水化14天硫铝酸盐水泥水化仍不完全,试样结构致密,孔隙率较小,孔径基本小于0.9μm;单调压应力下机敏测试性能表明,碳纤维掺量为0.3％和0.5％的CFRS试样电容变化率与压应力近似成线性关系,机敏性能较好;循环压应力下碳纤维掺量为0.7％的CFRS试样电容变化率与循环压应力成一一对应关系,表现出较好的机敏特性。      

0-3型压电复合材料的压电性能研究

总结讨论了O-3型压电复合材料的一般特点，从理论与实验上研究分析了PZT含量、聚合物类型、陶瓷粉末与极化参数对压电系数^-d33的影响，在一定程度上提供了提高O-3型压电复合材料的压电性能的途径。     

1-3型水泥基压电复合材料传感器的性能

以 123型水泥基压电复合材料作为传感元件制备了水泥基压电复合材料传感器。研究了水泥基压电复合材料传感器的频率响应、 线性性能以及应用于混凝土后的传感性能。结果表明: 当加载频率小于 5 Hz时 , 所有载荷下传感器输出电压的幅值均增大 , 但当加载频率大于 5 Hz时 , 所有载荷下传感器输出电压的幅值几乎与输入载荷频率无关 ; 传感器的输出电压幅值和输入载荷幅值之间存在明显的线性关系。水泥基压电传感器在实际混凝土结构中具有良好的传感特性 , 其输出电压与复杂载荷、 随机载荷和脉冲载荷均呈现明显的一一对应关系 ,且与输入载荷基本同步 , 不存在滞后现象 , 试验输出电压值与理论输出电压值也非常吻合。该传感器非常适合于土木工程结构的健康监测。      

不同类型的基体对0-3型压电复合材料性能的影响

制备了PZT/环氧树脂和PZT/尼龙两种0-3型压电复合材料。研究表明,以尼龙-1010为基体的复合材料的饱和极化电场E_s和时间t_s均比环氧树脂E-20为基体的复合材料低,而压电系数d₃₃却比后者高。     

改性PZT/PVDF体系压电复合材料的介电和压电性能

采用复合材料模压工艺,制备了体积分数不同的改性PZT(含铌的钛锆酸铅)/PVDF(聚偏二氟乙烯)压电复合材料。采用扫描电镜对材料的形貌进行了分析,并利用HP4294A,Z-3A型准静态测试仪等系统地研究了改性PZT体积分数对材料介电、压电性能的影响。结果显示,在改性PZT体积分数为70%时,获得了性能优良的压电复合材料。在压电陶瓷高含量区(>0.5),部分压电陶瓷颗粒相互联接,形成了类似0-3(3-3)型复合连通形式,是复合材料获得优良压电、介电性能的主要原因。     

PZN-PZT压电陶瓷及其PVDF压电复合材料的制备和性能

采用固相烧结法合成了PZN-PZT(铌锌锆钛酸铅)三元系压电陶瓷烧结块材和粉末,并采用XRD、SEM等测试方法对其结构和性能进行了分析。PZN-PZT常压烧结陶瓷具有优良的压电性能,PZN-PZT颗粒粒径在0.5~4 μm之间,颗粒形态不太规整。采用溶液共混法将PZN-PZT粒子均匀分散于PVDF基体中,制备了PZN-PZT/PVDF 0-3型压电复合材料。研究了PZN-PZT质量分数、极化电场等因素对该压电复合材料压电和介电性能的影响。实验结果表明,选用压电活性更高的压电陶瓷粉末进行复合,可有效提高压电复合材料的压电性能。增加PZN-PZT质量分数、提高极化电压均有利于复合材料压电性能的提高。     

PZT/P VDF 压电复合材料的制备及其性能研究

用氧化物一步合成法制备了PZT 粉末, X 射线衍射测试结果显示, 它是Zr/T i 为52∶48 的纯四方钙钛矿型结晶相, 并用SEM 观察了PZT 粉末的形貌; 用热分析仪测试了PVDF 的固化温度; 在自制模具上采用模压/烧结工艺获得了六种含PZT 不同体积含量的PZT/ PVDF 复合材料; 对其介电性和压电性的测试表明, 随着PZT体积含量的增加, 电性能参数呈非线性增大, 当PZT 的体积份数超过70% 时, 介电常数E和压电常数d₃₃值迅速增加, PZT 体积份数达到90% 时, 其电性能参数与纯PZT 值接近, 但此时复合材料的脆性较大, 已没有实用价值。     

圆环形截面压电纤维复合材料有效电弹性性能研究

研究含周期分布压电纤维的压电复合材料的有效电弹性性能。通过在材料代表性体积单元边界上施加位移和电势周期边界条件,利用有限元法求得了代表性体积单元内的电弹性场。由平均电弹性场和压电复合材料有效电弹性性能定义,预测了圆环形截面压电纤维复合材料的有效电弹性系数。通过算例,比较了相同压电材料体积分数下圆环形截面压电纤维复合材料与圆截面压电纤维复合材料有效电弹性性能的差异,讨论了圆环形截面压电纤维内部非压电填充物的力学性质对有效压电系数的影响。该文结论可为高灵敏度压电复合材料设计提供 参考。     

1-3型聚合物改性水泥基压电复合材料的制备及其性能

采用切割-浇注法,以聚合物改性硫铝酸盐水泥为基体,铌锂锆钛酸铅(简称P(LN)ZT)为功能体制备了1-3型聚合物改性水泥基压电复合材料。研究了P(LN)ZT陶瓷体积分数对复合材料的压电和介电性能的影响。结果表明：随着P(LN)ZT陶瓷体积分数的增加,压电应变常数d₃₃、相对介电常数εr和声阻抗率Z呈现明显的增大趋势;而压电电压常数g₃₃和介电损耗tanδ则呈现下降趋势。与P(LN)ZT陶瓷相比较,1-3型压电复合材料厚度方向振动增强,机械品质因素明显降低,当P(LN)ZT陶瓷体积分数为30.86%时,其声阻抗率为8.24×106 N·s/m3,接近于混凝土的声阻抗率9.0×106 N·s/m3,适用于制作混凝土超声无损检/监测换能器。     

PZT/PVDF压电复合材料的制备及性能

X射线衍射测试表明,用氧化物烧结法制备的PZT粉末,其Zr与Ti的原子比为52:48,为纯四方钙钛矿型结晶相;用模压/烧结工艺制备了六种含PZT不同体积分数的PZT/PVDF复合材料;介电性和压电性的测试表明,随着PZT体积分数的增加,材料的电性能参数呈非线性增大,当PZT的体积分数超过70%时,介电常数ε和压电常数d33值迅速增加,当PZT体积分数达到90%时,其电性能与纯PZT相当.