[发明专利]采用Si-Ti-Ca三元复合薄膜对压电陶瓷表面进行改性的方法及其应用

说明书

本发明公开了一种采用Si‑Ti‑Ca三元复合薄膜对压电陶瓷表面进行改性的方法及其应用，针对水泥与压电陶瓷结构和性能的差异，选择Si‑Ti‑Ca三元复合溶胶在压电陶瓷表面提拉成膜，从而在压电陶瓷表面形成均匀、稳定、牢固的Si‑Ti‑Ca三元复合薄膜。附着该膜后，压电陶瓷接触角变小、亲水性好、结合力强，利于后期与水泥的结合；同时，压电陶瓷基底的压电常数和相对介电常数变化较小，介电损耗有所减小，不影响压电陶瓷的正常使用。

技术领域

本发明涉及一种压电陶瓷表面改性的方法，具体涉及一种采用Si-Ti-Ca三元复合薄膜对压电陶瓷表面进行改性的方法，属于压电陶瓷表面改性技术领域。

背景技术

大型土木工程结构和设施造价昂贵、投资规模大、服役周期长，其中混凝土是土木工程领域用量最大的基础材料，但在外部荷载、环境因素以及各种不可确定因素的耦合作用下，服役期内不可避免地会产生各种损伤累积和抗力衰减破坏，极端情况下还会引发灾难性的突发事故。为了有效地保障生命和财产的安全，减少重大经济损失，避免灾难性悲剧的发生，就要对混凝土工程结构实施健康监测和损伤评估，而目前最缺乏的是与混凝土相容性好，整体性和耐久性高的监测材料。

水泥基压电复合材料是一种新型的功能复合材料，由压电陶瓷和水泥通过一定的连通方式复合而成。与传统的压电材料相比，水泥基压电复合材料制备工艺简单，成本低，同时可有效解决机敏材料与混凝土母体结构材料之间的相容性问题，如变形协调性、界面粘结性和声阻抗匹配等问题，提高了压电机敏材料的传感精度及驱动力。因此，此类复合材料非常适合监测混凝土的损伤、变形、内部应力和应变分布等。在各类建筑向智能化发展的今天，人们越来越关注水泥基复合材料向智能化方向发展，使智能建筑更加简洁，可靠和高效，该类复合材料的研究与开发具有广泛的工程应用前景，可以促进水泥混凝土向智能化方向发展。

水泥基压电复合材料是由水泥和压电陶瓷复合而成，两者的组成、结构和性质差异显著，如杨氏系数、抗拉强度、延性与韧性等具有高度的差异性或不连续性，当水泥与压电陶瓷复合时，其界面无法产生化学作用，结合仅依靠物理吸附或机械咬合力，强度低。由于水泥基压电复合材料在使用过程中，其力、电、热等激励和响应必须经界面传递，这样在反复的力电耦合作用下，其界面易产生一些微小裂纹，最终开裂、脱落，导致功能失效，信号失真，无法实现对混凝土结构工程长期有效监测。因此，针对水泥基压电复合材料的特点，通过界面调控实现水泥和压电陶瓷的有机结合，提高其界面相容性、界面结合强度、耐久性和整体性能，对混凝土结构的长期健康监测具有非常重要的现实意义。

发明内容

针对目前水泥基压电复合材料界面相容性差、界面结合性差导致的稳定性和耐久性差的问题，本发明提供了一种采用Si-Ti-Ca三元复合薄膜对压电陶瓷表面进行改性的方法，该方法采用Si-Ti-Ca三元复合薄膜对压电陶瓷表面进行改性，使压电陶瓷表面接触角变小、亲水性变好，在与水泥进行复合时界面结合性变强，利于后期与水泥的结合，Ca、Ti和Si的同时存在有效提高了水泥基压电复合材料的稳定性、相容性和耐久性。

本发明还提供了一种水泥基压电复合材料的制备方法，该方法先对压电陶瓷进行Si-Ti-Ca三元复合薄膜改性，然后再与水泥进行复合。Ca、Ti和Si的同时存在能有效提高水泥基压电复合材料的整体性、界面结合性和耐久性，同时压电陶瓷基底的压电常数和相对介电常数变化较小，介电损耗有所减小，不影响压电陶瓷的正常使用。

本发明具体技术方案如下：

一种对压电陶瓷表面进行改性的方法，该方法是：采用Si-Ti-Ca三元复合薄膜对压电陶瓷表面进行改性，所述Si-Ti-Ca三元复合薄膜是掺钙的TiO₂/SiO₂复合薄膜。进一步的，所述Si-Ti-Ca三元复合薄膜覆在压电陶瓷表面，以增加压电陶瓷在后续与水泥或水泥基复合材料复合时的相容性和稳定性。所述水泥基复合材料指的是在含有水泥的同时还含有聚合物、增强纤维等其他成分的复合材料。