微量組分改性0-3型水泥基壓電復(fù)合材料性能研究.pdf

1、0-3型水泥基壓電復(fù)合材料是由壓電陶瓷顆粒和三維的水泥基體而構(gòu)成，它因具有與混凝土兼容性好、強(qiáng)度高、耐久性好及成本低等優(yōu)點(diǎn)而在土木工程領(lǐng)域中受到人們?cè)絹碓蕉嗟闹匾暋?-3型水泥基壓電復(fù)合的材料的研究已取得一些具有積極意義的進(jìn)展，但同時(shí)也存在著許多不足之處。由于壓電陶瓷相主要以顆粒狀彌散分布在水泥基體中，其電場(chǎng)通路的連通性較差，使得復(fù)合材料極化過程中的極化效率不高，壓電應(yīng)變系數(shù)d較低。因此，在查閱大量國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，本文提出了一種

2、通過在壓電復(fù)合材料中摻加微量改性組分，從而改善其電學(xué)性能并提高壓電復(fù)合材料壓電與介電性能的思路。 本文采用壓制成型法制備了改性0-3型水泥基壓電復(fù)合材料，分別研究了改性組分(碳黑、鍶鐵氧體和鋇鐵氧體)摻量對(duì)壓電復(fù)合材料的壓電、介電、機(jī)電耦合系數(shù)，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)及聲阻抗等性能的影響，以及改性0-3型水泥基壓電復(fù)合材料的介電常數(shù)、介電損耗和電阻率隨溫度的變化關(guān)系。研究結(jié)果表明:隨著改性組分的摻入，壓電復(fù)合材料的壓’電應(yīng)變常數(shù)d33和壓

3、電電電壓常數(shù)g33呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)碳黑、鍶鐵氧體及鋇鐵氧體的摻量分別在0.3％，0.4％，0.4％時(shí)，壓電復(fù)合材料的壓電應(yīng)變常數(shù)d33和壓電電壓常數(shù)g33達(dá)到極值。隨著改性組分摻量的增加，0-3型水泥基壓電復(fù)合材料的介電常數(shù)εr和介電損耗tanδ逐漸增大。改性組分的摻量對(duì)壓電復(fù)合材料的平面機(jī)電耦合系數(shù)KP、厚度機(jī)電耦合系數(shù)K1和機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm影響較小。隨著溫度的升高，改性0-3型水泥基壓電復(fù)合材料的介電常數(shù)εr和介電損耗tan

4、δ逐漸增大，電阻率p逐漸減小。隨著碳黑的摻入，壓電復(fù)合材料的聲阻抗Z逐漸降低，但降低幅值不大。鍶鐵氧體和鋇鐵氧體的摻入使壓電復(fù)合材料的聲阻抗增大，但聲阻抗與二者的摻量沒有明顯關(guān)系。 研究了極化條件對(duì)改性0-3型水泥基壓電復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明:極化電場(chǎng)強(qiáng)度越大，極化時(shí)間越長(zhǎng)，極化溫度越高，壓電復(fù)合材料的壓電應(yīng)變常數(shù)d33、壓電電壓常數(shù)g33、介電常數(shù)εr和介電損耗tanδ越大。極化條件對(duì)壓電復(fù)合材料的平面機(jī)電耦合系數(shù)Kp、

5、厚度機(jī)電耦合系數(shù)Kt、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm及聲阻抗Z無顯著影響。 研究了普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥對(duì)改性0-3型水泥基壓電復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明:碳黑改性普通硅酸鹽水泥基壓電復(fù)合材料具有相對(duì)較高的壓電應(yīng)變常數(shù)和介電常數(shù)，其值分別為31.5 pC·N-1和111；鍶鐵氧體改性普通硅酸鹽水泥基壓電復(fù)合材料具有較高的壓電電壓常數(shù)g33，其值為32.9 mV·m·N-1。水泥基體及改性組分對(duì)壓電復(fù)合材料的平面機(jī)電耦合系數(shù)Kp影響不大