[发明专利]基体非均匀周期排列的1-3型压电复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基体呈非均匀周期性排列的1-3型压电复合材料，还涉及它们的制备方法，属于水泥基压电智能复合材料及其制备技术领域。 

背景技术

与纯压电陶瓷相比，水泥基压电复合材料因集中了压电陶瓷和水泥基体的各自优点，在土木工程领域表现出许多优越的应用性能，如压电性能优良、与混凝土结构的声学及力学相容性较好、强度高、耐久性优良等特点，因而在土木工程结构健康监测中有着巨大的应用前景。 

1-3型水泥基压电复合材料是指以水泥为基体、压电陶瓷为功能体，一维的压电陶瓷柱平行地排列于三维连通的水泥基体中而构成的两相压电复合材料。因其具有压电电压常数高、机械品质因素低、机电耦合性能优良、声阻抗匹配能力好等特点，是目前研究和应用较为广泛的一种压电材料。但由于压电陶瓷的声阻抗较高，而水泥的声阻抗与混凝土材料的声阻抗又相近，因而制得的1-3型水泥基压电复合材料的声阻抗仍然难以实现与混凝土声阻抗的良好匹配。此外，水泥与压电陶瓷间的界面结合能力较弱，也限制了该类复合材料的应用化。因此，通过在水泥中掺加聚合物基体制备水泥聚合物基压电复合材料，不仅可以增强水泥基体与压电陶瓷的结合强度，提高水泥基压电复合材料的柔韧性和整体性能，而且，低声阻抗的聚合物也改善了水泥聚合物基压电复合材料与混凝土材料的声阻抗匹配能力。 

另一方面，目前的1-3型压电复合材料的结构都为均匀周期性压电复合材料，即复合材料中的压电陶瓷相和基体相的排列方式均为均匀周期性排列，却没有关于压电陶瓷相和基体相尺寸非均匀变化的1-3型压电复合材料的报道。通过非均匀周期结构设计，使基体相在复合材料结构中呈非均匀周期形排列，一方面可以减弱压电复合材料的横向结构模对其厚度谐振模态的耦合干扰，同时还可以增加复合材料的带宽，适用于制备宽带换能器。 

发明内容

本发明的目的是提供一种基体非均匀周期性排列的1-3型压电复合材料，这种压电复合材料中基体呈非均匀周期排列形式，性能良好，还能根据需要得到各种形状的产品，满足不同功能传感器元件的性能需求。 

本发明的另一目的是提供上述材料的制备方法，本发明方法易于实施，为基体非均匀周期性排列1-3型压电复合材料的实现提供了技术支持。 

本发明采用二次切割-浇注法制备基体非均匀周期性排列的1-3型压电复合材料，在制备过程中，首先需要设计压电复合材料的结构参数，例如确定压电陶瓷柱和切割沟槽的尺寸，确定切割沟槽的非均匀周期性变化方式，确定压电陶瓷和基体的具体成分，确定制备过程中的工艺步骤和参数等具体内容，尤其是压电陶瓷柱和切割沟槽的尺寸，以及切割沟槽的非均匀周期性变化方式非常重要，只有确定了这些内容，才能保证产品的品质和性能。 

本发明具体技术方案如下： 

一种基体非均匀周期性排列的1-3型压电复合材料，其特征是：由压电陶瓷柱、基体和上下电极构成，压电陶瓷的体积百分比为30%～80%，所有压电陶瓷柱的横截面积均相同，沿压电陶瓷长度和宽度的方向，相邻压电陶瓷柱间的间隔距离按下述任一方式变化： 按等差数列增大或减小（公差0.1～1.5mm）；按等差数列增大或减小到一定程度后作为一个循环周期，然后重复此变化（公差0.1～1.5mm）；按等差数列增大或减小到一定程度后再按照公差相同或不同的等差数列减小或增大到原始距离（公差0.1～1.5mm），由此作为一个循环周期，然后重复此变化。

一种基体非均匀周期性排列的1-3型压电复合材料的制备方法，其特征是包括以下步骤： 

（1）在垂直于压电陶瓷块极化轴的面上，沿着压电陶瓷块长度或宽度的方向垂直切割形成一系列凹槽，切割间距相同，切割时保留底座；凹槽的宽度按下列任意一种方式变化：按等差数列增大或减小（公差0.1～1.5mm）；按等差数列增大或减小到一定程度后作为一个循环周期（公差0.1～1.5mm），然后重复此变化；按等差数列增大或减小到一定程度后再按照公差相同或不同的等差数列减小或增大到原始宽度（公差0.1～1.5mm），由此作为一个循环周期，然后重复此变化；

（2）切割后将压电陶瓷骨架清洗干净，然后向凹槽中浇注基体，浇注完后抽真空去除凹槽中的气孔，然后常温固化；

（3）固化后沿着第一次切割垂直的方向进行第二次切割，形成一系列的凹槽，切割间距与第一次切割时相同，切割时保留底座；凹槽宽度的变化规律与第一次切割时一致，凹槽宽度变化的公差与第一次切割时的相同或者不同；

（4）切割后将样品清洗干净，然后向凹槽中浇注基体，浇注完后抽真空去除凹槽中的气孔，然后常温固化；