水泥基压电复合材料与应用

序

前言

第1章压电材料概述

第2章0-3型水泥基压电复合材料

第3章2-2型水泥基压电复合材料

第4章1-3型水泥基压电复合材料

第5章聚合物改性1-3型水泥基压电复合材料

第6章压电阻尼复合材料

第7章压电超声换能器及其在混凝土中的应用

第8章压电声发射传感器及其在混凝土中的应用

第9章压电阻抗传感器及其在混凝土中的应用

第10章压电应力/应变传感器及其在混凝土中的应用

第11章压电交通传感器

后记

本书以混凝土结构健康监测为背景，着重阐述了水泥基压电复合材料、器件及其在混凝土工程中的相关应用。研究了不同系列的典型水泥基压电复合材料制备工艺、结构及性能影响因素；研究了几种典型水泥基压电传感器的制备工艺及性能参数，并讨论了其在混凝土结构损伤监测等工程中的应用技术，为水泥基压电复合材料与器件在混凝土结构健康监测领域的广泛应用提供了重要的依据。

复合有压电陶瓷的水泥基压电复合材料，可以将环境中的机械能转换为电能。利用这一特性，可以将水泥基压电复合材料制成路面制品，将行驶车辆所施加给路面的荷载转换为可以工业化使用的电能，还可以将水泥基压电复合材料制成传感器，用于土木结构健康监测。基于这一背景，本项目开展了如下几个方面的研究工作，在压电陶瓷纤维制备工艺和理论方面，研究了塑性聚合物法制备PZT-51压电纤维的基本工艺，确定了原材料的配比，纤维挤制工艺、烧成制度和泥料中的有机物含量对PZT-51压电纤维结构和性能的影响；采用溶胶-粉末法制备了PZT-51压电纤维，研究了PZT溶胶与PZT-51预烧粉的摩尔比、PZT溶胶中的加酸量和加水量、纤维直径等对纤维性能的影响；在压电纤维与水泥基体复合方法方面，制备了0-3型水泥基压电复合材料，研究了PZT-51陶瓷颗粒粒度、颗粒级配、颗粒形状等对0-3型水泥基压电复合材料压电性、介电性和机电耦合性能的影响；制备了1-3型水泥基压电复合材料，研究了PZT-51压电纤维体积含量对1-3型水泥基复合材料压电性、介电性及机电耦合性能的影响；提出了0-3-1型水泥基压电复合材料的概念,并制备0-3-1型水泥基压电复合材料，对比了其与0-3型水泥基压电复合材料性能的差别。在高性能水泥基复合材料方面，制备了抗折强度为21MPa、抗压强度为120MPa的活性粉末混凝土。此外，本项目还应用Simplorer软件分析了水泥基压电复合材料的能量收集效果；研究了压电堆的集能理论以及压电聚合物的制备方法，发现了掺杂碳纳米管可以提高压电复合薄膜的压电性能，并探讨了其机理。 2100433B

PVDF的主要缺点是受使用温度的限制，一般不能超过100℃，而压电陶瓷的使用温度可达20℃，由于压电陶瓷与聚合物在力学性能和介电性能方面存在很大差异，故二者复合可以优势互补，克服压电陶瓷的脆性和压电聚合物受温度限制的缺点。压电复合材料的出现、应用和发展始于20世纪80年代初期，将压电聚合物和压电陶瓷按一定的组分比例(如体积比或质量比)、空间几何分布及连通方式复合在一起，使之兼具压电陶瓷和压电聚合物的优点，并且能够成倍地提高材料的压电性能。例如压电陶瓷的压电应变系数较高，但是它的压电电压系数却较低，这限制了它在超声测量方面的应用，压电复合材料很好地克服了这个缺点。由于压电性具有张量性质，故可以根据条件计算出复合材料性能的优值，再通过设计及复合工艺提高这些优值的张量系数，而减小另一些张量系数，从而实现复合后的性能优势。