[发明专利]压阻/压电复合材料及制法及采用该材料的传感器及制法

说明书

技术领域

本发明涉及一种自供能交通与结构参数的同步监测传感器用的自供能压阻/压电复合型传感器系统及其生产应用方法。

背景技术

近年来，随着国民经济的快速发展，我国车辆保有量高速增长，高速公路、过江（跨海）桥梁、城市高架/立交桥不断兴建。这些交通结构一旦发生交通事故或结构坍塌，易导致整个交通系统拥堵与人员伤亡，且在短期内难以修复，造成交通运力的大幅度下降，其损失不可估量。因而，对这些枢纽区域和关键路段的交通结构进行交通控制与结构健康监测显得尤为必要。与此同时，这些交通结构（尤其是结构拼接缝处）在行车荷载作用下常处于微幅振动，相应机械振动能量若能有效收集，并供给给相应传感监测网络、甚至两侧照明系统，在当今节能环保时代具有重要意义。

作为与交通结构声阻抗与匹配相容性好、相近服役寿命的各类水泥基传感器在过去几十年里取得了长足的发展，可以说，各种交通结构监测系统的成功很大程度归功于这些智能传感器提供精确而稳定的桥梁交通与结构数据，如精确的速度信号、触发分类信息、动力性能、位移变形等信息以及长期反馈交通信息统计数据等。如中国专利号为ZL02132967.2的技术，利用掺加各类导电功能组分（碳黑、镍粉、碳纤维、碳纳米管等）的水泥基体材料的电学性能会随外荷载/变形变化而变化的压阻效应形成的压阻型传感器对（准）静态信号敏感，而对动态振动信号不敏感，传感精度低。如中国专利号为ZL201010523624.3的技术，利用掺加微细压电陶瓷（PZT）粉体的水泥基体材料或直接用树脂混凝土封装PZT薄片的块材电极两端的电荷密度会随着外荷载/变形变化而变化的（逆）压电效应形成的压电型传感器主要对动态振动信号敏感，对（准）静态信号不敏感，存在本征结构韧性较低，易受到混凝土路面收缩开裂、路基下沉等自然环境的影响等缺陷。同时，也没有涉及利用相应压电型传感器的逆压电效应对行车机械振动能量的有效收集、储存与各种电路供能系统。

发明内容

本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种压阻/压电复合材料，其将（准）静态压阻效应与动态压电效应有机结合起来，并辅以韧性纤维柔性增韧，进而提供一种在保证与混凝土结构相容性佳、服役寿命长等特点之外，同时拥有本征结构韧性高、涵盖全频域的静/动态交通结构监测以及振动自供能等多元性能于一体的智能复合材料。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：其包括如下按重量配比的组分：100份水泥、105-500份微/纳米级压电陶瓷粉体、10-30份粉煤灰、15-50份水、0.01-2份超塑化剂、0.1-10份韧性纤维、0.01-15份导电填料。

本发明的另一个目的是提供一种压阻/压电复合材料的制法，包括如下步骤：

（1）微/纳米级压电陶瓷粉体制备；

微/纳米级锆钛酸铅或铌镁锆钛酸铅压电陶瓷粉体可以采用本领域技术人员熟知的任一种方法来合成，如溶胶-凝胶法、水热法或溶胶-水热复合法。其中溶胶-凝胶法制备过程如下：以醋酸铅、钛酸四丁酯、硝酸锆为原料（确保原料配比中铅、锆、钛的原子比为1：0.52-0.56：0.44-0.48），先硝酸锆、钛酸四丁酯分别溶于水、乙二醇中，然后在105-110℃下加热搅拌0.5-1小时后先后加入醋酸铅、乙二醇，继续在105-110℃加热并回流1.5-3小时，可得到压电陶瓷溶胶，干燥后在800-850℃下煅烧2-4小时即得。

（2）以丙酮作助磨剂，将100份水泥、10-30份在填料与基体间起润滑与桥联作用的粉煤灰干拌球磨5-10分钟，然后与105-500份步骤（1）所制得的压电陶瓷粉体球磨10-20分钟，然后先后加入导电填料、韧性纤维，再球磨混合30-60分钟；

（3）将步骤（2）获得的混合料在丙酮介质中进一步超声分散处理30-60分钟，挥发 干燥得混合粉体；

（4）向步骤（3）所得的混合粉体中加入溶有0.01-2份超塑化剂的15-50份水，混匀后采用压制成型法压制成据实际需求的形状和尺寸的薄片试样；

5）将步骤（4）所得薄片试样置于水泥蒸汽养护箱，蒸汽45℃、相对湿度RH100%条件下养护三天后，干燥并清洁需要涂电极的上下表面；

（6）将步骤（5）所得的薄片试样涂上电极，干燥后，室温条件下，在硅油浴锅中用高压直流电源极化1-12小时，老化后即得一种用压阻/压电复合材料制备的感应元件。

上述的感应元件中，所述电极布置方式为全覆盖式、格栅式、交叉指形式或交叉栅式中的一种；电极材料为导电银胶电极、银电极或镍电极中的一种。