基本介紹
- 中文名：水泥基壓電複合材料
- 外文名：Cement base piezoelectric composite
- 技術領域：功能複合材料技術領域
- 特點：壓電陶瓷柱垂直於水泥基體的表面
- 優點：操作簡單，成本低
- 學科：機械工程
簡介,0-3型水泥基壓電複合材料,1-3型水泥基壓電複合材料,2-2型水泥基壓電複合材料,總結,
簡介
智慧型材料是指具有感知環境刺激，對之進行分析處理和判斷，並採取一定措施進行適度回響的材料。在土木工程領域中，利用智慧型材料對一些重大土木工程建築實施線上健康檢測和預報的研究越來越廣泛。
土木工程所用智慧型材料大多為記憶合金、光導纖維、碳纖維、壓電陶瓷等。壓電材料具有回響速度快、驅動輸出大、頻頻寬和體積緊湊等優點，頗具發展前景。研究的壓電材料主要有壓電陶瓷、有機壓電材料和壓電複合材料3類。壓電陶瓷套用最為廣泛，具有介電常數高、壓電回響大、機電藕合係數高等優點，但其密度高，聲阻抗遠遠大於混凝土材料。當其用於土木結構的檢測時，由於聲阻抗的不匹配，使壓電感測器發出或接收的波信號易於在感測器與混凝土界面上反射，導致信號減弱或產生虛假信號，影響感測或驅動的精度。有機壓電材料材質柔韌、阻抗低、壓電電壓常數高，但是壓電應變常數偏低、機電藕合係數小、溫度範圍窄，使之在作為有源發射換能器方面的套用受到很大的限制。研究的壓電複合材料多由壓電陶瓷與有機聚合物複合而成，通過低密度的有機聚合物調節複合材料的聲阻抗，已在水聲、超聲、醫學等領域得到了廣泛的套用。但是此類壓電複合材料中有機聚合物基體與混凝土材料在變形性、熱膨脹係數等方面存在較大的差異，使其在土木智慧型結構中的套用受到限制。而且由於有機物耐老化性差，亦不適宜長期埋置在土木結構中。水泥基壓電複合材料，將壓電陶瓷粉體與水泥複合，得到了具有較好壓電回響的複合材料。通過調整複合材料中各組分的比例，使其具有與土木結構中混凝土材料的良好阻抗匹配關係和一致的變形行為，兩者間界面相容性好。因此，此類複合材料非常適宜於監測混凝土的損傷、變形、內部應力和應變分布等，套用前景較好。按照各相材料的不同連通方式，壓電複合材料可分為10種基本類型。研究開發的水泥基壓電複合材料主要有0-3型、1-3型和2-2型等。
0-3型水泥基壓電複合材料
0-3型水泥基壓電複合材料是指具有壓電活性的陶瓷顆粒分散於三維連續的水泥基體中形成的複合材料，其優點是製備容易、成本低且組成可控。將錯欽酸鉛壓電陶瓷(PZT)粉末與白水泥複合，用鋪展成型方法製備出0-3型壓電複合材料。以硫鋁酸鹽水泥為基體，錯欽酸鉛(PZT)、鈮鎂鋯鈦酸鉛(PMN)或妮鏗錯欽酸鉛(PLN)為壓電功能相，用壓製成型法製備了0-3型壓電複合材料。用PZT或PMN陶瓷粉體與普通矽酸鹽水泥(波特蘭水泥)複合，也採用壓製成型方法製備得到0-3型壓電複合材料。在0-3型壓電複合材料中，壓電功能相的含量、粒度，複合材料製備工藝及微觀結構等對其壓電性能和介電性能有著重要的影響。
1-3型水泥基壓電複合材料
1-3型水泥基壓電複合材料是由一維壓電陶瓷柱平行排列於三維連通的水泥基體中而構成的兩相壓電複合材料。1-3型水泥基壓電複合材料具有接近於純壓電陶瓷以及各向異性的壓電性能，是一種在土木工程領域中很有潛力和發展前途的感測材料。為了提高感測器的電學回響和降低信號的交叉干擾，要求1-3型複合材料中的壓電陶瓷柱儘可能地細小。壓電陶瓷柱可採用切割、注射成型、微型矽模等方法成型。製備1-3型水泥基壓電複合材料的方法主要是較為簡便的切割-填充法。
2-2型水泥基壓電複合材料
在2-2型水泥基壓電複合材料中，壓電陶瓷相與水泥呈片層狀互動疊置。該複合材料具有優異的正逆壓電效應，故具有高的感知精度和強的驅動輸出，可為土木工程中的智慧型結構提供自感知感測器和驅動器。2-2型複合材料的製備方法有2種：一種是採用特製的成型模具，在模具兩側的內壁上開出相互平行且等間距的淺槽。兩側的槽一一對應，每一對槽用於固定一片壓電陶瓷片。當所有陶瓷片均固定在模內槽中後對陶瓷片的電極面進行聯接，再澆入水泥。另一種方法是切割鎮充法。
總結
研究開發的水泥基壓電複合材料主要有0-3型，1-3型和2-2型。相對而言，0-3型材料製備簡單、結構均勻，但壓電陶瓷顆粒間載流子的傳導易被水泥基體所阻隔，故其壓電性能的提高受到限制。而1-3型以及2-2具有更高的壓電回響，但其製備成本較高。對水泥基壓電複合材料的研究已取得一些建設性的研究成果，但在其性能最佳化及穩定性等方面仍有待繼續深入，對其壓電機理有待逐步探討；對水泥基壓電複合材料微觀結構與其壓電和介電性能間的關係，陶瓷相與水泥相的界面影響及作用，環境因素(溫度、濕度、電磁場、老化時間)對複合材料性能的影響等方面都有待深人地了解。作為一種新型的多功能複合材料，水泥基壓電複合材料具有與混凝土材料良好的阻抗匹配關係，優良的壓電性能，適於長期埋置在土木結構中作為感知、測量其內部結構變化的感測器件。通過對水泥基壓電複合材料性能的進一步最佳化和改良，相信其將成為土木智慧型結構系統中的重要組成部分，在土木工程領域中具有愈來愈廣闊的發展前景。
