[发明专利]压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种复合压电材料。本发明也涉及一种复合压电材料的制备方法。

背景技术

中国的公路系统正逐渐向信息化、科技化、绿色化方向发展。在重视公路高速发展的同时，更要重视公路的质量及未来的维护工作，随着对路面功能要求和对其长期耐久性评价需求的提高，需要对其进行健康监测，但现有的传感器和路面的兼容性不好，不仅容易使路面和传感器造成损伤，也不能准确的反映其内部的健康状况，比如：光纤光栅传感器，静电容型压力传感器等。同时现有在线健康监测系统的供电主要由电池供给，而对于路面中的监测系统在运营期间很难或者无法更换电源。现在为了给监测系统提供更持久的续航，一般采用大容量的电池或者超级电容，其虽然可延长监测系统的供电时间，但是电池体积会增大很多，其在车辆的荷载作用下容易损伤，以及使路面结构产生破坏。因此，迫切需要开发一种可为监测系统供电的微型电源。

由于压电陶瓷与沥青路面的兼容性差，一方面容易导致埋置在路面中的压电片破碎，另一方面易导致路面的开裂和破坏。近年来，压电复合材料由于其成型的可设计性和制作成本低廉使其广泛应用于音频换能器、机电换能器和水下换能器等领域。将沥青基的压复合压电材料埋置在路面中,当车辆驶过时，通过压电陶瓷复合材料将机械能转化为可利用的电能，可为健康监测系统提供用电，也可作为传感器使用。利用压电复合材料，可实现路面机械能的收集，并转化为健康监测系统供电的微电源与利用其压电性能实现路面传感器的制备。这种新型的复合材料技术应用前景广阔。但是其存在极化电压高和极化后其压电性能没有完全发挥出来的问题。

由于天然沥青常年与自然环境共存，性质特别稳定，具有非常优良的路用性能。天然沥青作为人工炼制沥青的改性剂少量掺加使用，形成改性沥青，使之优良的技术性能达到最大的发挥。岩沥青作为天然沥青，是一种年代久远的硬质沥青，一般作为改性材料添加到石油沥青或沥青混合料中改性使用,与石油沥青有很好的相溶性。同时可以采用现有的沥青改性剂如SBS等改性石油沥青，根据实际需要制备出某些特定性能的沥青。

由于极化是制备压电复合材料的关键工序之一，未经极化的压电复合材料几乎没有压电性，经过人工极化后才具有压电性，而极化是否充分影响到材料压电响应大小。由于压电陶瓷相的介电常数远远大于沥青基体的介电常数，故即使外加极化电压非常高，压电陶瓷颗粒上仍无法产生较高的电压。极化电压太低，极化效果差，无法充分发挥压电材料的压电性能，极化电压太高，有可能击穿材料致使介电损耗增大和极化的不充分。导电炭黑是一种电性能优良的材料,它不仅可以提高高分子聚合物和沥青的介电常数和电导率,还解决了界面相容性等问题，降低了外加极化电压，降低了操作难度，提高了复合压电材料的压电响应；但需要严格控制炭黑的用量，过多的导电炭黑将会使复合材料的电导率迅速增加,部分电能以漏电电流的形式被消耗而降低了陶瓷的极化程度。

《化工新型材料》第35卷第12期中刊登的“炭黑改性PZN-PZT/PVDF压电复合材料的制备与性能”中，公开了一种由PZN-PZT压电陶瓷粉体、聚偏氟乙烯(PVDF)和导电炭黑制备复合压电材料的方法。按质量比将PVDF、导电炭黑和PZN-PZT压电陶瓷粉体依次分散在70℃的乙醇溶液中,然后在磁力搅拌器中连续搅拌,直至乙醇溶液全部挥发完毕。将混合粉体研磨并压制成直径20mm、厚度1～2mm的薄片,在平板硫化机上于180℃下热处理10min,抛光后得到压电复合材料。再进行镀电极处理,干燥后放入已加热的硅油中进行极化。在极化电压为5～10kV·mm-1,温度为110℃下极化20min。

发明内容

本发明的目的在于提供一种与沥青路面的兼容性好、易于极化的压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料。本发明的目的还在于提供一种压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料的制备方法。

本发明的压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料由重量份数为25～60份沥青、2～5份炭黑、320～630份压电陶瓷粉和1～10份沥青改性剂制成。

所述的沥青改性剂为天然岩沥青或苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。

所述的压电陶瓷粉为有铅的压电陶瓷与无铅的压电陶瓷中的一种或者二者的混合物。

所述的沥青为石油沥青与天然沥青中的一种或者二者的混合物。

所述的炭黑为导电槽黑、导电炉法碳黑、超导电炉法碳黑、特导电炉法碳黑或乙炔炭黑中的一种或者几种。