微量组分改性0-3型水泥基压电复合材料性能研究

摘要

0-3型水泥基压电复合材料是由压电陶瓷颗粒和三维的水泥基体而构成，它因具有与混凝土兼容性好、强度高、耐久性好及成本低等优点而在土木工程领域中受到人们越来越多的重视。0-3型水泥基压电复合的材料的研究已取得一些具有积极意义的进展，但同时也存在着许多不足之处。由于压电陶瓷相主要以颗粒状弥散分布在水泥基体中，其电场通路的连通性较差，使得复合材料极化过程中的极化效率不高，压电应变系数d较低。因此，在查阅大量国内外相关文献的基础上，本文提出了一种通过在压电复合材料中掺加微量改性组分，从而改善其电学性能并提高压电复合材料压电与介电性能的思路。 本文采用压制成型法制备了改性0-3型水泥基压电复合材料，分别研究了改性组分(碳黑、锶铁氧体和钡铁氧体)掺量对压电复合材料的压电、介电、机电耦合系数，机械品质因数及声阻抗等性能的影响，以及改性0-3型水泥基压电复合材料的介电常数、介电损耗和电阻率随温度的变化关系。研究结果表明:随着改性组分的掺入，压电复合材料的压’电应变常数d33和压电电电压常数g33呈先增大后减小的趋势，当碳黑、锶铁氧体及钡铁氧体的掺量分别在0.3％，0.4％，0.4％时，压电复合材料的压电应变常数d33和压电电压常数g33达到极值。随着改性组分掺量的增加，0-3型水泥基压电复合材料的介电常数εr和介电损耗tanδ逐渐增大。改性组分的掺量对压电复合材料的平面机电耦合系数KP、厚度机电耦合系数K1和机械品质因数Qm影响较小。随着温度的升高，改性0-3型水泥基压电复合材料的介电常数εr和介电损耗tanδ逐渐增大，电阻率p逐渐减小。随着碳黑的掺入，压电复合材料的声阻抗Z逐渐降低，但降低幅值不大。锶铁氧体和钡铁氧体的掺入使压电复合材料的声阻抗增大，但声阻抗与二者的掺量没有明显关系。 研究了极化条件对改性0-3型水泥基压电复合材料性能的影响。结果表明:极化电场强度越大，极化时间越长，极化温度越高，压电复合材料的压电应变常数d33、压电电压常数g33、介电常数εr和介电损耗tanδ越大。极化条件对压电复合材料的平面机电耦合系数Kp、厚度机电耦合系数Kt、机械品质因数Qm及声阻抗Z无显著影响。 研究了普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥对改性0-3型水泥基压电复合材料性能的影响。结果表明:碳黑改性普通硅酸盐水泥基压电复合材料具有相对较高的压电应变常数和介电常数，其值分别为31.5 pC·N-1和111；锶铁氧体改性普通硅酸盐水泥基压电复合材料具有较高的压电电压常数g33，其值为32.9 mV·m·N-1。水泥基体及改性组分对压电复合材料的平面机电耦合系数Kp影响不大，但对复合材料的厚度机电耦合系数Kt和机械品质因数Qm有一定的影响，钡铁氧体改性普通硅酸盐水泥基压电复合材料具有较高的厚度机电耦合系数Kt和较低的机械品质因数Qm。改性普通硅酸盐水泥基压电复合材料的声阻抗要高于掺入同种改性组分的硫铝酸盐水泥基压电复合材料的声阻抗。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1压电效应机理

1.2压电复合材料的研究现状

1.2.1压电复合材料

1.2.2国外研究现状及发展水平

1.2.3国内研究现状及发展水平

1.2.4 0-3型压电复合材料研究现状

1.2.5水泥基压电复合材料的研究概况

1.3压电复合材料的改性研究

1.4研究目的与意义

1.5本文研究主要内容

第二章0-3型水泥基压电复合材料的制备及性能测试

2.1仪器设备

2.2实验原料

2.3样品制备

2.4性能测试

2.4.1压电性能

2.4.2介电性能

2.4.3机电耦合性能

2.4.4机械品质因数

2.4.5电阻率

2.4.6声阻抗

2.4.7扫描电镜SEM

第三章微量组分对0-3型水泥基压电复合材料性能的影响

3.1碳黑对0-3型水泥基压电复合材料性能的影响

3.1.1碳黑改性压电复合材料的显微结构分析

3.1.2碳黑掺量对压电复合材料压电性能的影响

3.1.3碳黑掺量对压电复合材料介电性能的影响

3.1.4碳黑掺量对压电复合材料机电耦合性能的影响

3.1.5碳黑掺量对压电复合材料声阻抗的影响

3.1.6温度对碳黑改性0-3型水泥基压电复合材料电性能的影响

3.2锶铁氧体和钡铁氧体对0-3型水泥基压电复合材料性能的影响

3.2.1锶铁氧体和钡铁氧体改性压电复合材料显微结构分析

3.2.2锶铁氧体和钡铁氧体对压电复合材料压电性能的影响

3.2.3锶铁氧体和钡铁氧体对压电复合材料介电性能的影响

3.2.4锶铁氧体和钡铁氧体对压电复合材料机电耦合性能的影响

3.2.5锶铁氧体和钡铁氧体对压电复合材料声阻抗的影响

3.2.6温度对改性压电复合材料性能的影响

3.3小结

第四章极化条件对改性0-3型水泥基压电复合性能的影响

4.1极化电场强度对改性压电复合材料性能的影响

4.1.1极化电场强度对改性压电复合材料压电性能的影响

4.1.2极化电场强度对改性压电复合材料介电性能的影响

4.1.3极化电场强度对改性压电复合材料机电耦合性能的影响

4.1.4极化电场强度对改性压电复合材料声阻抗的影响

4.2极化时间对改性压电复合材料性能的影响

4.2.1极化时间对改性压电复合材料压电性能的影响

4.2.2极化时间对改性压电复合材料介电性能的影响

4.2.3极化时间对改性压电复合材料机电耦合性能的影响

4.2.4极化时间对改性压电复合材料声阻抗的影响

4.3极化温度对改性压电复合材料性能的影响

4.3.1极化温度对改性压电复合材料压电性能的影响

4.3.2极化温度对改性压电复合材料介电性能的影响

4.3.3极化温度对改性压电复合材料机电耦合性能的影响

4.3.4极化温度对改性压电复合材料声阻抗的影响

4.4小结

第五章水泥基体对改性压电复合材料性能的影响

5.1压电性能

5.2介电性能

5.3机电耦合性能

5.4声阻抗

5.5小结

第六章结论

参考文献

致谢

附录