[发明专利]一种高效水泥基压电材料及其合成方法

说明书

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。它与混凝土有良好的相容性，且制备简单、结构均匀、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。

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。

按上述方案，所述的锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒粒径为75-200μm，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0.1-150μm。

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℃，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℃，100％RH，养护时间为3d。

按上述方案，所述的极化温度为100-130℃，极化时间为20-30min，极化电场强度为1-2KV/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，搅拌均匀后压制成片，养护，然后于压片两面均匀涂抹导电免烧银浆，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：