PZT粉體的制備及其復(fù)合溫石棉纖維-水泥基材料壓電傳感器研究.pdf

1、能夠自動、連續(xù)、實時的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)成為當(dāng)今土木工程領(lǐng)域的新興研究方向和熱點方向，而建立這種系統(tǒng)則需要與土木工程結(jié)構(gòu)相適合的傳感器。鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷是一種具有優(yōu)良的壓電、熱釋電和鐵電性能的陶瓷材料，以PZT為基材的壓電型傳感器具有價格低廉、操作簡便、可實時監(jiān)測等優(yōu)點。然而，純壓電陶瓷、水泥基壓電復(fù)合材料在實際使用時仍存在斷裂韌性不足、脆性偏大等一些問題，利用少量高強、高模量、耐高溫纖維進行基體增韌一直是優(yōu)先考慮的方法。不難預(yù)

2、計，與PZT粉體同處微/納米尺度的溫石棉纖維摻入將使其具有良好的增韌效果。本文采用溶膠-凝膠法制備出Pb(Zr0.52Ti0.48)O3(PZT52/48)、Pb(Zr0.53Ti0.47)O3(PZT53/47)微/納米粉體，結(jié)合超聲分散技術(shù)將PZT粉體與溫石棉纖維、水泥在乙醇介質(zhì)中充分混合形成PZT/ChF/PC，嘗試制備出具有良好傳感性能的將PZT/ChF/PC傳感器。本文研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　(1)采用溶膠-凝膠法制備

3、PZT52/48、PZT53/47，將其分別置于700℃、800℃、900℃、950℃高溫條件下進行煅燒，探究煅燒溫度對其的影響。通過對比不同煅燒溫度下PZT52/48、PZT53/47的粒度分布、晶體結(jié)構(gòu)、表觀形貌發(fā)現(xiàn):800℃可煅燒出顆粒均勻且較為完整的鈣鈦礦PZT粉體。通過對比壓電常數(shù)和相對介電常數(shù)發(fā)現(xiàn):800℃時，PZT52/48(d33=89.5 pC/N、ζt=4.66(100Hz))和PZT53/47(d33約為92.4

4、pC/N、ζr=5.41(100Hz))壓電性能最好，可認為800℃是PZT52/48、PZT53/47的最佳煅燒溫度。
　　(2)以PZT53/47為例，在PZT53/47粉體中分別以1∶20、1∶50、1∶100、0.5∶100的質(zhì)量比摻雜碳酸鍶后，實驗發(fā)現(xiàn)碳酸鍶的摻雜不會改變其鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，并且會減小PZT53/47陶瓷片形狀的改變，從而使陶瓷片的壓電性能有很大的提高;但是，在一定范圍內(nèi)，碳酸鍶的含量對PZT53/47陶瓷片壓

5、電性能和介電性能的影響并不明顯。從經(jīng)濟角度看，可以認為0.5∶100的質(zhì)量比為最好的摻量，摻加碳酸鍶的PZT53/473的d33=123.0pC/N、ζr=5.35，且同比例摻加碳酸鍶的PZT52/48的d33=119.2pC/N、ζr=5.42。
　　(3)以PZT53/47為例，研究PZT的壓電性能與其凝膠的質(zhì)量、單次反應(yīng)物質(zhì)量以及燃燒時的比表面積。實驗表明:在其他反應(yīng)條件（反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度、pH值等）一致時，PZT的壓電性

6、能與單次反應(yīng)物質(zhì)量關(guān)系關(guān)系不大，與膠質(zhì)量和燃燒時的比表面積相關(guān);其中，凝膠質(zhì)量越小、燃燒時的比表面積越大其壓電常數(shù)越大。
　　(4) PZT52/48、PZT53/47與溫石棉纖維和硫鋁酸鹽水泥采用超聲波分散法復(fù)合制備出PZT(PZT52/48、PZT53/47)/溫石棉纖維/水泥基復(fù)合材料(PZT(PZT52/48、PZT53/47)/ChF/PC）。通過研究其晶體結(jié)構(gòu)、表觀形貌和壓電性能，PZT(PZT52/48、PZT53/

7、47)/ChF/PC鈣鈦礦結(jié)構(gòu)基本不變且壓電性能良好（PZT52/48/ChF/PC的d33=32.5pC/N，PZT53/47/ChF/PC的d33=33.1pC/N），有進一步封裝制備成傳感器的可能;而水化后其鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和壓電性能水化后PZT(PZT52/48、PZT53/47)/ChF鈣鈦礦結(jié)構(gòu)破壞嚴重，壓電性能損失過大（水化后PZT52/48/ChF/PC的d33=7.6pC/N，水化后PZT53/47/ChF/PC的d33=7

8、.8pC/N），說明該步驟是不必要的。
　　(5)制備聚灰比分別為0.5、0.33、0.25的水泥凈漿，分別采用一次成型和二次成型兩種方式制備試塊，通過對比試樣的水泥試塊密實度、抗壓強度以及防水性等參數(shù)來確定最優(yōu)的聚灰比。最終確定，聚灰比0.33試塊的密實度、抗壓強度以及防水性比其他聚灰比好很多。其中，一次成型、二次成型的水泥試塊密實度、抗壓強度及接觸角分別為99.245％、38.6MPa、130.05°;99.592％、37.3