高效水泥基壓電傳感器的設(shè)計(jì)、制備及其性能研究.pdf

1、0-3型水泥基壓電復(fù)合材料是以水泥為基體，壓電陶瓷為功能相而制備的一類新型智能材料，它具有與混凝土相容性好、制備工藝簡(jiǎn)單和成本低等特點(diǎn)，在車輛動(dòng)態(tài)稱重、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文研制出高效壓電元件，通過制備工藝優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)制備出新型0-3型水泥基壓電傳感器，并對(duì)其基本性能和耐久性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　　基于材料緊密堆積設(shè)計(jì)理論，以水泥為基體，壓電陶瓷為功能相，超細(xì)介電粉體為增強(qiáng)相制備出0-3型水泥基壓電復(fù)合材

2、料。結(jié)果表明：增強(qiáng)相的引入可以有效改善樣品的壓電性能、力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)。當(dāng)PZT含量為60vol.％、增強(qiáng)相含量為20wt.％時(shí)，研制的材料壓電應(yīng)變常數(shù)d33高達(dá)90.6pC，劈裂抗拉強(qiáng)度為6.6MPa，吸水率為1.67％，PZT顆粒在基體中分布均勻，界面過渡區(qū)致密。
　　以水泥和環(huán)氧樹脂為主要原料，采用多種降粘消泡技術(shù)手段制備封裝材料。結(jié)果表明：當(dāng)填料和環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比（膠環(huán)比）為3:1時(shí)，封裝材料具有最佳力學(xué)性能、低吸水性以

3、及穩(wěn)定的力學(xué)性質(zhì)，其線膨脹隨溫度升高呈線性增大，具有相對(duì)穩(wěn)定的溫度敏感性。
　　采用先粘結(jié)后焊接的結(jié)合方式與合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以有效提高傳感器工作可靠性。結(jié)果表明：壓電元件的布設(shè)對(duì)輸出具有重要的影響，當(dāng)壓電元件處于封裝材料上部時(shí)，傳感器在0.31~1.09MPa荷載范圍內(nèi)具有良好的線性度；當(dāng)壓電元件處于封裝材料下部時(shí)，在0.31~2.34MPa荷載范圍內(nèi)，傳感器具有良好的線性度(0.994)，靈敏度為1187 mV·MPa-1。

4、隨著膠環(huán)比增大，線性度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)膠環(huán)比為3:1時(shí)，傳感器的線性度最佳，外界荷載可以有效作用在壓電元件上。傳感器對(duì)正弦和脈沖荷載具有快速響應(yīng)能力，相位差幾乎為零，無滯后現(xiàn)象。在0.1~20Hz(基本包含土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)發(fā)生的頻率)范圍內(nèi)，隨著頻率增加，輸出電壓幅值逐漸增加，當(dāng)頻率大于10Hz時(shí)，輸出趨于穩(wěn)定；在0.05s~1s加載時(shí)間內(nèi)，當(dāng)時(shí)間小于0.2s(包含車輛以正常行駛速度經(jīng)過傳感器時(shí)所需時(shí)間)時(shí)，輸出趨于穩(wěn)定。