一种水泥基压电陶瓷复合材料的极化系统和极化方法

摘要

本发明公开了一种水泥基压电陶瓷复合材料的极化系统和极化方法。本发明的极化系统包括可调式高压直流电源、电压表、极化夹具、加热槽和对加热槽进行加热的加热装置，极化夹具的接线端与高压直流电源的输出端连接，电压表与极化夹具的接线端并接，所述的极化夹具浸在加热槽中的加热油中。本发明的系统和方法有效解决了传统极化方法的弊端，保证了水泥基压电陶瓷复合材料的极化成功率和被极化材料的介电特性和压电特性的长期稳定性。

说明书

[技术领域]

本发明涉及压电陶瓷极化，尤其涉及一种水泥基压电陶瓷复合材料的 极化系统和极化方法。

[背景技术]

水泥基压电陶瓷复合材料是一种新型的功能材料，它可作为压电传感 器，实现混凝土结构力学性能的长期实时监测的功能；而且该复合材 料同时拥有水泥基材料良好的物理/化学稳定性和压电陶瓷突出的压电 性能，能够有效解决传统智能材料与混凝土母体结构材料之间的相容 性问题。水泥基压电陶瓷复合材料不但具有感知功能，而且具有驱动 功能；其制备工艺简单，造价低，非常适合于土木工程领域中智能材 料的发展需要。 

作为一种新型的压电复合材料，为了保证其压电性能的发挥，必须对 压电材料进行极化。极化是赋予压电材料压电性能的基本工过程，通 常的极化方法包括电接触极化，电晕放电极化等。

电接触极化是在被极化的材料表面直接铺设金属电极，施加直流电或 者交变循环电压（比如对PVDF压电薄膜的极化，如发明专利20031011 4673.1所 描述）；电晕放电极化是一种非接触极化方法，在两排相 对的针状电极上施加高电压，形成电晕环，对处于两排针状电极之间 的薄膜进行极化（比如对压电陶瓷材料的极化，如发明专利 011435 04.6 所描述）。

对于水泥基压电陶瓷复合材料而言，由于材料表面平整度较低，厚度 较厚（0.7mm-32mm）, 孔隙率较高（约为6.5%），含水量较高；在极 化过程中，还会存在水泥基材对压电陶瓷的位阻作用；在通常的高温 气体中极化，又会引起水 泥基材料的温度应力，从而破坏复合材料的微观结构；这导致传统的 电接触极化、电晕放电极化等方法均无法对水泥基压电陶瓷复合材料 进行有效极化。

现有的压电陶瓷极化方法对水泥基压电陶瓷复合材料进行极化存在以 下缺点：

对电接触极化而言，其需要在被极化的材料表面直接铺设金属电极(金 属平板电极)，施加直流电或者交变循环电压；这种方法适用于柔性材 料，如PVDF材料；但对于水泥基压电陶瓷复合材料来说，由于表面平 整度较低；在复合材料表面铺设金属平板电极，很难保证复合材料和 金属平板电极之间的全面接触，容易形成微循环电路，影响极化程度 和均匀性；而复合材料的孔隙率较高（约为6.5%），含水量较高，这 也导致被极化材料两端的电压施加不上，或者从而无法进行有效极化 。

对电晕放电极化而言，它是一种非接触极化方法，在两排相对的针状 电极上施加高电压，形成电晕环，对处于两排针状电极之间的薄膜进 行极化；但对于水泥基压电陶瓷复合材料来说，由于厚度较厚，同时 水泥基材对压电陶瓷的位阻作用的存在，这导致高压电晕环没有办法 有效翻转压电陶瓷的电畴；从而无法进行有效极化。

对于传统的高温气体中极化而言，由于水泥基材料温度应力的存在， 会破坏复合材料的微观结构。

所以，传统的极化方法均没有办法实现水泥基压电陶瓷复合材料的有 效极化。

[发明内容]

本发明要解决的技术问题是提供一种能够实现水泥基压电陶瓷复合材 料有效极化的极化系统。

本发明要解决的技术问题是提供一种能够实现水泥基压电陶瓷复合材 料有效极化的极化方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种水泥基压电 陶瓷复合材料的极化系统，包括可调式高压直流电源、电压表、极化 夹具、加热槽和对加热槽进行加热的加热装置，极化夹具的接线端与 高压直流电源的输出端连接，电压表与极化夹具的接线端并接，所述 的极化夹具浸在加热槽中的加热油中。

以上所述的水泥基压电陶瓷复合材料的极化系统，包括限流电阻，所 述的限流电阻串接在高压直流电源、和极化夹具之间；所述的加热槽 是玻璃器皿，所述的加热装置是数显式加热器，玻璃器皿置于数显式 加热器上；所述的加热油是硅油，所述的电压表是数显式高压直流电 压表。

以上所述的水泥基压电陶瓷复合材料的极化系统，所述的极化夹具包 括耐高温塑料的机架、和两个顶针，所述的机架包括底座和与底座一 体的两块侧板，所述的顶针安装在侧板上，顶针包括圆锥形的针尖， 两个顶针的针尖相对；两个顶针中至少有一个是活动顶针，活动顶针 通过顶针套和弹簧安装在侧板上；所述的顶针套固定在侧板的顶针套 孔中，活动顶针穿过顶针套，活动顶针的针杆与顶针套的内孔滑动配 合；活动顶针针尖的后端包括弹簧支座，所述的弹簧套在针杆上，弹 簧的一端抵在弹簧支座上，另一端抵在侧板上或顶针套的端面上。

以上所述的水泥基压电陶瓷复合材料的极化系统，针尖的锥角为25-3 5°；机架的材料是聚酰亚胺、聚砜、聚苯硫醚、聚醚醚酮或聚醚砜； 顶针套的材料是不锈钢。

以上所述的水泥基压电陶瓷复合材料的极化系统，所述的限流电阻为 棒状 玻璃釉膜电阻，电阻值80-120兆欧。

一种基于上述系统的水泥基压电陶瓷复合材料极化方法，水泥基压电 复合材料的相对介电常数为100-800，厚度0.7mm-32mm；极化温度在9 0-160°C，极化电压1KV-15KV；极化时间-20min-140min。

以上所述水泥基压电陶瓷复合材料极化方法，水泥基压电陶瓷复合材 料从室温加热到极化温度的阶段为预加热阶段，预加热的升温速度是 2-4°C/分钟，升温到87-93°C时，稳定在此温度范围，去除水泥基压 电陶瓷复合材料孔隙中的水分；水泥基压电陶瓷复合材料表面不再有 气泡产生后再升温至极化温度。

以上所述水泥基压电陶瓷复合材料极化方法，水泥基压电陶瓷复合材 料达到极化温度后，打开可调式高压直流电源，调节电流至0.8-1.2毫 安；等电流稳定后，以80-120V/分钟的速率缓慢提高电压至极化电压 。

以上所述水泥基压电陶瓷复合材料极化方法，在缓慢提高电压的过程 中，如电压表的读数波动幅度大于100V，则维持此时的电压不变，直 至读数波动小于10V后，继续提高电压。

以上所述水泥基压电陶瓷复合材料极化方法，在极化过程中，电压表 的读数以10V/分钟缓慢降低，表明极化过程已经完成；确认极化过程 完成后，逐步降低所施加的电压，直到电压为零。

本发明针对水泥基压电陶瓷复合材料，所设计的新型高温极化系统和 方法，有效解决了传统极化方法的弊端，保证了水泥基压电陶瓷复合 材料的极化成功率和被极化材料的介电特性和压电特性的长期稳定性 。

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例水泥基压电陶瓷复合材料极化系统结构示意图。

图2是本发明实施例水泥基压电陶瓷复合材料极化系统极化夹具示意图 。

图3是本发明极化方法水泥基压电陶瓷复合材料机电耦合系数随极化时 间的变化图。

图4是本发明极化方法水泥基压电陶瓷复合材料机电耦合系数随极化温 度的变化图。

图5是本发明极化方法水泥基压电陶瓷复合材料机电耦合系数随极化试 样厚度的变化图。

图6是本发明极化方法水泥基压电陶瓷复合材料极化方法的流程图。

[具体实施方式]

在图1、图2所示的本发明实施例水泥基压电陶瓷复合材料极化系统中 ，包括以下装置：

1：可调式高压直流电源（High Voltage Regulated DC Power  Supply，型号：ES30）: GAMMA High Voltage Research Inc,  USA。

2: 100MΩ的限流电阻（高压棒状玻璃釉膜电阻, 型号：RI80系列） : 德键电子工业股份有限公司, 台湾。

3： 数显式高压直流电压表（High Voltage Digital Voltmeter , 型号：4600）：Valhalla Scientfic Inc, USA。

4:  耐高温玻璃器皿：盛放硅油，可用来放置极化夹具

5:  极化夹具 （见附图2）:

 5-1 不锈钢顶针：两个顶针都是活动顶针，活动顶针5-1通过不锈 钢套管5-7和弹簧5-6安装在侧板5-2上；两个顶针5-1的前端是圆锥形 的针尖，两个顶针的针尖相对。活动顶针5-1的针杆与顶针套5-7的内 孔滑动配合；活动顶针5-1针尖的后端有弹簧支座，弹簧套5-6在活动 顶针5-1的针杆上，弹簧5-6 的一端抵针尖的后端的弹簧支座上，另一端抵在侧板5-2上或顶针套5 -7的端面上。

圆锥形的针尖的锥角是30°， (30°的锥角可保证夹具对试样的固定 达到最佳效果。

5-2 耐高温聚合物侧板：可选用聚酰亚胺(PI)、聚砜(PSF)、聚苯硫 醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)和聚醚砜(PES)等材料（但不限于上述所列 材料）。

5-3耐高温聚合物底座：可选用聚酰亚胺(PI)、聚砜(PSF)、聚苯硫醚 (PPS)、聚醚醚酮(PEEK)和聚醚砜(PES)等材料（但不限于上述所列材 料）。

5-4 固定螺丝：用于连接侧板与底座。

5-6弹簧：可用于固定不同厚度的被极化材料。

5-7不锈钢顶针套；固定在侧板的顶针套孔，用于活动顶针5-1的导向 。

不锈钢套管5-7固定在5-2耐高温聚合物侧板中，保证不滑动；不锈钢 活动顶针5-1放置于不锈钢套管5-7中，可以自由滑动；5-6 调节弹簧 一端支承在不锈钢套管5-7的端面上，另外一端支承在不锈钢顶针5-1 的弹簧座上；利用弹簧的弹力保证不锈钢顶针5-1对水泥基压电陶瓷复 合材料试样7的夹紧力。

6：数显式加热器（Digital Hot Plate, 型号：PMC DataPlate  730系列）：BARNSTEAD THERMOLYNE CORPORATION, USA。

7: 水泥基压电陶瓷复合材料试样。

如图6所示，水泥基压电陶瓷复合材料试样的极化包括以下步骤：

（1）按照附图1的接线顺序，用电线依次串联可调式高压直流电源1、 100MΩ的保护电阻2、极化夹具5，极化夹具两端并联数显式高压直流 电压表3。检查极化线路是否完整，避免出现断路、断路的现象；特别 检查可调式高压直流电源1和数显式高压直流电压表3是否工作正常。

（2）把水泥基压电陶瓷复合材料试样7通过极化夹具5固定（材料（试 样7）的厚度可在0.7mm-32mm之间变化）；把夹具5放置在盛有硅油的 耐高温玻璃器皿4中（选用硅油的原因在于硅油具有温粘系数小、耐高 低温、抗氧化、闪点高、挥发性小、绝缘性好、表面张力小、对金属 无腐蚀、无毒等特点）。

（3）将玻璃器皿4放置在数显式加热器（6）上；缓慢加温（2°C-4° C/分钟）到90°C，稳定此温度10分钟左右，确保水泥基压电陶瓷复合 材料孔隙中的水分彻底去除（可观察材料表面气泡的产生，直到没有 气泡产生为止）；再升温至极化温度（极化温度在90 °C -160°C 之间可调）；

（4）打开可调式高压直流电源1，调节电流(A)至1毫安；等电流稳定 后，缓慢施加极化电压（100V/分钟），观察数显式高压直流电压表3 的读数（如果读数波动幅度很大，如>100V，可先维持此点施加的极化 电压，直至读数波动幅度稳定为止）；持续施加极化电压，直至高压 直流电压表3的读数不变为止（波动幅度<10V）；

（5）稳定此极化电压，观察高压直流电压表3的读数；如果出现读数 缓慢变小，如<10V/分钟；表明极化过程已经完成；

（6）确认极化过程完成后，逐步减少所施加的极化电压（电压减少速 度<200V/分钟），直到电压降到零为止；关闭可调式高压直流电源1、 关闭数显式加热器6；等到耐高温玻璃器皿4中的硅油温度下降到室温 ，取出水泥基压电陶瓷复合材料试样7；用擦镜纸吸干材料表面剩余的 硅油后，用HP4294A精密阻抗分析仪测试水泥基压电陶瓷复合材料试样 的电学性能、介电性能；用准静态d33分析仪测试水泥基压电陶瓷复合 材料的压电性能。

本发明涉及的极化方法中所使用的水泥基压电复合材料的相对介电常 数一般为100-800，极化后压电系数d33为5×10-12C/N-90×10-12C/N ，厚度 0.7mm-32mm。

本发明涉及的极化方法，极化温度一般在90°C-160°C之间，施加的 极化电压与被极化材料的厚度有关，一般为1KV-15KV；极化时间一般 在20min-140min之间（上述步骤（5）所持续的时间）。

下面结合实施例对本发明涉及的极化方法进行详细描述，但不作为对 本发明的限制。

实施例1：

采用本发明所涉及的极化方法，对厚度为1mm的水泥基压电陶瓷复合材 料进行极化，极化温度为130°C,极化时间为从20min-140min; 极化 电压分别采用(1KV,3KV, 5KV, 6.5KV);极化完成后，将水泥基压电 陶瓷复合材料冷却到室温后，用擦镜纸吸干材料表面剩余的硅油；用 HP4294A精密阻抗分析仪测试水泥基压电陶瓷复合材料的电学性能；利 用机电耦合系数（electromechanical coupling coefficient）kt 来表征极化程度。5组平行极化完成率100%（每个测试点取5个试样， 为1组；如果5个试样的机电耦合系数的平均值偏差均在10%以内, 则 认为该组极化完成率为100%；如果有1个在10%以外，则极化完成率为 80%；以此类推），测试数据见图3。通过本极化系统对水泥基压电陶 瓷复合材料的极化完成率均达到100%；说明了本发明极化系统的有效 性和合理性。

实施例2：

采用本发明所涉及的极化方法，对厚度为1mm的水泥基压电陶瓷复合材 料进行极化，极化电压为5.5KV, 极化时间为从20min-140min;极化温 度分别采用（20oC的图已经加上，图4）；90°C,130°C,160°C);  极化完成后，将水泥基压电陶瓷复合材料冷却到室温后，用擦镜纸吸 干材料表面剩余的硅油；用HP4294A精密阻抗分析仪测试水泥基压电陶 瓷复合材料的电学性能；利用机电耦 合系数（electromechanical coupling coefficient）kt来表征极 化程度，机电耦合系数(Kt)的含义是: 压电振子在振动过程中，将机 械能转变为电能，或将电能转变为机械能，这种表示能量相互变换的 程度用机电耦合系数表示。以上各组平行极化完成率100%，测试数据 见图4。

实施例3：

采用本发明所涉及的极化方法，对0.8mm-3.2mm不同厚度的水泥基压电 陶瓷复合材料试样进行极化，极化温度为130°C;不限制极化时间，观 察所施加的饱和极化电压情况。各组平行极化完成率100%，极化数据 见图5。

本发明以电接触极化方法为基础，结合电晕放电极化方法的优点；采 用直流电源施加极化电压，用针状夹具实现水泥基压电陶瓷复合材料 的固定和极化过程；保证了极化程度和极化均匀性；水泥基压电陶瓷 复合材料试样表面涂刷银浆，以形成平板电极，确保了作用于被极化 表面上的电场均匀、稳定；水泥基压电陶瓷复合材料试样用针状夹具 固定，并放置于盛有硅油的容器中，通过带控温装置的恒温加热器进 行极化温度控制，在极化电路上串联上保护电阻，以避免极化过程中 击穿的可能；在针状夹具两端并联一个高压直流电压表，以实现极化 电压的监测。

本发明极化条件简单，操作方便，避免极化击穿；可控制极化参数（ 包括极化电压、极化电流、极化时间、被极化材料厚度等）；极化过 程稳定性好，被极化材料的介电特性和压电特性的稳定性能得到保证 ；可成功实现水泥基压电陶瓷复合材料的极化。