[发明专利]1-3型聚合物/水泥基压电复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种改性的压电复合材料及其制备方法，具体涉及一种采用聚合物和水泥的混合物对压电陶瓷进行改性的1-3型聚合物/水泥基压电复合材料及其制备方法。

背景技术

目前，在土木工程领域中，利用智能材料对一些重大土木工程建筑(如大跨桥梁、高耸建筑和大坝等)实施在线健康检/监测和预报已引起人们的广泛关注。然而，由于土木工程领域中的智能材料研究起步较晚，目前所用的智能材料大多沿用其它领域已比较成熟的材料，如记忆合金、光导纤维、电阻应变丝和碳纤维等。这些智能材料与土木工程领域中最主要的结构材料———混凝土存在非常明显的相容性问题，如声阻抗匹配问题、温致湿致变形协调性问题、界面粘结性问题等，从而制约了土木工程结构的智能化发展。但将压电陶瓷与水泥复合，得到的水泥基压电复合材料不仅与混凝土材料具有等同的膨胀系数，相容性好，响应速度快，传感精度高，耐久性好，性能稳定，不易受周围大气、温度、湿度的影响，而且还具有集传感和驱动一体化的优异特性，使其在土木工程结构健康监测中有着巨大的应用潜力。其中，1-3 型水泥基压电复合材料因集中了各相材料的优点，互补了单相的缺点，受到研究者普遍关注。1-3型水泥基压电复合材料是由一维连通的压电陶瓷相平行排列于三维连通的聚合物、水泥等基体中而形成的两相压电复合材料，该复合材料因具有低声阻抗率、高机电耦合系数和低机械品质因素等优点，使其在混凝土结构无损检测的应用领域更具明显的优势。申请人对1-3 型水泥基压电复合材料做了很多研究，研究结果在相关期刊和学报上进行了发表（1、黄世峰，叶正茂，王守德．1-3型水泥基压电复合材料的制备及性能[J]．复合材料学报,2007,24(2): 122-126；2、黄世峰，常钧，秦磊．1-3型水泥基压电复合材料传感器的性能［J］.复合材料学报，2008,25(l):112-118.）。

经过进一步的研究发现，在水泥中掺加聚合物可以增强水泥基体与压电陶瓷的结合强度，提高1-3型水泥基压电复合材料的柔韧性和整体性能，因此，添加聚合物的1-3型聚合物/水泥基压电复合材料必然会比1-3型水泥基压电复合材料更具有实用价值。

发明内容

本发明申请人经深入研究及创造性实验，最终得出了本发明的1-3型聚合物/水泥基压电复合材料，该复合材料柔韧性和整体性能更佳，具有与混凝土负载相匹配、压电性能好、耐久性好、强度高、柔韧性好等特点，在土木工程领域具有更高的实际应用价值。

本发明还提供了该复合材料的制备方法。

原先已有报道的1-3型水泥基压电复合材料虽然对压电材料已经有了一定的改性，但其与混凝土的相容性问题仍然存在不足，因此，申请人将聚合物掺加入水泥基体中，以进一步改善复合材料的性能。由于聚合物具有更小的密度及更好的柔韧性，因而通过调节水泥与聚合物的配合比例，一方面，可以在较大的压电陶瓷体积分数条件下，找出与混凝土声阻抗相匹配的状态；另一方面，由于聚合物的加入，使得复合材料的柔韧性得到加强，从而避免了复合材料的脆性开裂，增强了水泥基体与压电陶瓷的结合强度，提高了压电复合材料的柔韧性。

本发明在将聚合物掺加入水泥基体的发明构思下，对适合掺杂的聚合物，聚合物掺杂的量及掺杂后的水泥基体与压电陶瓷的配比都进行了选择、配合和优化，最终得出了效果良好的改性压电复合材料，下面详细阐述实现本发明的技术方案及本方案的优点：

一种1-3型聚合物/水泥基压电复合材料，其特征是：以聚合物和水泥的混合物为基体，以压电陶瓷为功能体，所述功能体被切割成多排竖直柱，功能体的四周及内部填充有基体；其中，聚合物与水泥的质量比为0.15~0.7:1，压电陶瓷与基体的体积比为1~4:5。

上述复合材料中，优选的，所述聚合物与水泥的质量比为0.3~0.6:1，压电陶瓷与基体体积比为3~4:5。

上述复合材料中，更优选的，所述聚合物与水泥的质量比为0.5:1。

上述复合材料中，所述基体的水灰比为0.3-0.4。 

上述复合材料中，所述聚合物为环氧树脂或硅橡胶，所述压电陶瓷为铌锂锆钛酸铅压电陶瓷、铌镁锆钛酸铅压电陶瓷或锆钛酸铅压电陶瓷，所述水泥为硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥或氟铝酸盐水泥。

上述复合材料中，在填充入基体的功能体的上下表面附有电极，电极涂覆在沿功能体竖直柱方向的上、下表面上，具体见图1。

上述复合材料中，所述电极为低温导电银浆电极。

本发明还提供了该1-3型聚合物/水泥基压电复合材料的制备方法，其特征是采用切割-浇注法制备，包括以下步骤：