專利名稱：：納米碳黑/納米鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種土木工程傳感器用的納米碳黑/納米鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料及其制備方法，屬于功能復(fù)合材料
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是迄今應(yīng)用最為廣泛的壓電材料，具有介電常數(shù)高、壓電響應(yīng)大、機電耦合系數(shù)高等優(yōu)點，廣泛用作壓電驅(qū)動器、壓電超聲換能器及壓電感應(yīng)器等傳感器件。但當(dāng)這些傳感器用于測試以混凝土材料為主體的建筑結(jié)構(gòu)時，由于用作傳感器的壓電陶瓷材料與被檢測的混凝土主體材料的界面及聲阻抗的不匹配，使壓電傳感器發(fā)出或接受的信號易于在傳感器與混凝土界面上反射，導(dǎo)致信號衰減或虛假信號的產(chǎn)生，影響檢測的精度。目前采用球磨鋯鈦酸鉛粉體與水泥粉體復(fù)合可制得水泥壓電復(fù)合材料，盡管復(fù)合材料的聲阻抗與混凝土材料有良好的匹配性，但由于球磨得到的鋯鈦酸鉛粉體的粒徑較大，壓電相鋯鈦酸鉛粉體之間的連通性差，使其壓電響應(yīng)較低。CN101054278A(200710014518.0)公開了一種碳增效鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料及其制備方法，通過用碳黑改善水泥基體的電導(dǎo)性方法，提高了含有球磨微米鋯鈦酸鉛粉體的水泥基壓電復(fù)合材料的極化性，對水泥基復(fù)合材料的壓電響應(yīng)也有較大改善。但目前水泥基壓電復(fù)合材料的壓電響應(yīng)依然較低，無法滿足實際應(yīng)用的要求。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種壓電響應(yīng)性高的納米碳黑/納米鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料及其制備方法，該材料適合用于制備土木工程中的混凝土建筑結(jié)構(gòu)的傳感器件。一種納米碳黑/納米鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料，組分為納米鋯鈦酸鉛為5590份,水泥為1045份，納米碳黑為0.10.5份，均為質(zhì)量份，是按以下方法制備的(l)納米鋯鈦酸鉛粉體的制備以醋酸鉛、正丙醇鋯、異丙醇鈦為原料，原料配比中鉛、鋯、鈦的原子比為1:0.52-0.56:0.48-0.44，先將醋酸鉛溶于醋酸中，在105-110。C下加熱回流1-1.5小時后加入正丙醇鋯繼續(xù)回流2小時，再加入異丙醇鈦回流2小時，然后加入原料總質(zhì)量10-20%去離子水，在同樣溫度下回流l-2小時，可得到透明溶膠，干燥后，在800-85(fC下煅燒2-5小時可得到納米鋯鈦酸鉛粉體；(2)將步驟(1)制備的納米鋯鈦酸鉛粉體55~90份、水泥10~45份與納米碳黑0.10.5份在丙酮中均勻混合得混合粉體，干燥后，按混合粉體質(zhì)量的5-7%加水，混勻；(3)將步驟(2)制得的混合料壓制成圓片狀，放入濕度100%的環(huán)境中水化20-24小時后，千燥。歩驟(l)所得的鋯鈦酸鉛納米粉體原始粒徑為5060nm,軟團聚粒徑為200250nm。所述的納米碳黑平均粒度為60-80nm，可市場購得。本發(fā)明的納米碳黑/納米鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料可用于制備檢測土木工程中的混凝土建筑結(jié)構(gòu)的傳感器。具體應(yīng)用產(chǎn)品按以下方法制備將上述步驟(3)所得的干燥的片體兩面涂銀電極，在硅油中用高壓直流電源極化，老化后即得。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)特點是本發(fā)明利用鋯鈦酸鉛陶瓷具有優(yōu)良的壓電效應(yīng)，將納米級的鋯鈦酸鉛粉體與水泥粉體復(fù)合。由于選用的鋯鈦酸鉛納米粉體結(jié)晶度好，粒徑小，與機械球磨制備的微米級粉體相比，在水泥基體中加入相同體積份數(shù)時，壓電顆粒之間有更接近的距離，即納米粉體的之間有更好的連通性。由于納米碳粉有良好的導(dǎo)電性，加入后可有效改善水泥基體的導(dǎo)電性，可使復(fù)合材料在室溫下極化，提高了復(fù)合材料的極化效率，同時納米碳粉的加入增強了電子在鋯鈦酸鉛壓電陶瓷顆粒之間的傳導(dǎo)。通過納米鋯鈦酸鉛以及納米碳粉的共同作用，水泥基壓電復(fù)合材料的壓電響應(yīng)有顯著提高。與納米碳粉/微米/水泥壓電復(fù)合材料相比，納米碳黑/納米鋯鈦酸鉛/水泥復(fù)合材料的壓電常數(shù)值增加了30-55%，同時，該復(fù)合材料以水泥為基體，與被檢測的土木工程的混凝土主體材料有很好的界面及阻抗匹配性，是一種優(yōu)良的傳感器材料。具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步說明，如無特別說明，均為質(zhì)量百分比。實施例l:納米碳黑/納米鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料，組分為納米鋯鈦酸鉛為77.6份，水泥為22份，納米碳黑為0.4份，均為質(zhì)量份。所述的納米碳黑的平均粒徑為65納米。制備方法，歩驟如下(1)以醋酸鉛、正丙醇鋯、異丙醇鈦為原料，其中原料配比中鉛、鋯、鈦的原子比為l:0.52:0.48。先將醋酸鉛溶于醋酸中，在105°(3下加熱回流1.5小時后加入正丙醇鋯繼續(xù)回流2小時，再加入異丙醇鈦回流2小時，然后加入15。/。wt(基于原料總量)去離子水，在同樣溫度下回流l小時，可得到透明溶膠，干燥后，在850DC下煅燒可得到納米鋯鈦酸鉛粉體，原始粒徑為60nm,軟團聚粒徑為250nm。(2)將納米鋯鈦酸鉛、納米碳黑與水泥于球磨機中混磨IO分鐘，研磨介質(zhì)為丙酮，將混磨后的混合粉體干燥后，按混合粉體質(zhì)量的6%加水，混合均勻。(3)將步驟(1)的混合料在lOOMPa壓力下壓制成圓片狀，放入濕度100%的環(huán)境中水化22小時后，干燥。千燥后，圓片兩面涂銀電極，在7.5kV的直流電壓下在硅油中室溫極化30分鐘。將極化后的圓片包覆錫箔，在60°C中放置12小時老化。所得到的納米鋯鈦酸鉛/水泥復(fù)合材料制備的產(chǎn)品，介電常數(shù)為136，壓電常數(shù)為36.5pC/N，機電耦合系數(shù)為11%。可用于土木工程中的混凝土建筑結(jié)構(gòu)的傳感器的制備。實施例2:一種納米碳黑/納米鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料，組分為納米鋯鈦酸鉛為69.7份，納米碳黑為0.3份，水泥為30份，均為質(zhì)量份。所述的鋯鈦酸鉛納米粉體制備方法同實施例l。所述的納米碳黑的平均粒徑為60納米。將納米鋯鈦酸鉛，納米碳黑與水泥于球磨機中混磨10分鐘，研磨介質(zhì)為丙酮，將混磨后的混合粉體干燥后，按混合粉體質(zhì)量的5%加水，混合均勻。將所得的混合料在lOOMPa壓力下壓制成圓片狀，放入濕度100%的環(huán)境中水化24小時后，干燥。千燥后，圓片兩面涂銀電極，在7.5kV的直流電壓下在硅油中室溫極化30分鐘。將極化后的圓片包覆錫箔，在60°C中放置12小時老化。所得到的納米鋯鈦酸鉛/水泥復(fù)合材料制備的產(chǎn)品，介電常數(shù)為136,壓電常數(shù)為36.5pC/N，機電耦合系數(shù)為11%。可用于土木工程中的混凝土建筑結(jié)構(gòu)的傳感器的制備。實施例3:一種納米碳黑/納米鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料，組分為納米鋯鈦酸鉛為75.8份，納米碳黑為0.2份，水泥為24份，均為質(zhì)量百分比。所述的鋯鈦酸鉛納米粉體制備方法同實施例1。所述的納米碳黑的平均粒徑為60納米。將納米鋯鈦酸鉛、納米碳黑與水泥于球磨機中混磨10分鐘，研磨介質(zhì)為丙酮，將混磨后的混合粉體干燥后，按混合粉體質(zhì)量的5%加水，混合均勻。將所得的混合料在100MPa壓力下壓制成圓片狀，放入濕度100%的環(huán)境中水化24小時后，干燥。干燥后，圓片兩面涂銀電極，在7.5kV的直流電壓下在硅油中室溫極化30分鐘。將極化后的圓片包覆錫箔，在60°C中放置12小時老化。所得到的納米碳黑/納米鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料，介電常數(shù)為140,壓電常數(shù)為40.1pC/N，機電耦合系數(shù)為11%?？捎糜谕聊竟こ讨械幕炷两ㄖY(jié)構(gòu)的傳感器的制備。對比實驗對比例l:如實施例2所述，所不同的是將實施例2中的納米鋯鈦酸鉛換成相同量的微米鋯鈦酸鉛，所述的微米鋯鈦酸鉛為球磨法獲得的粉體，平均粒度為80微米。將市售的鋯鈦酸鉛陶瓷片在球磨機中球磨后獲得。制備方法條件也與實施例2相同。對比例2:如實施例3所述，所不同的是將實施例3中的納米鋯鈦酸鉛換成相同量的微米鋯鈦酸鉛。所述的微米鋯鈦酸鉛為球磨法獲得的粉體，平均粒度為80微米。將市售的鋯鈦酸鉛陶瓷片在球磨機中球磨后獲得。制備方法條件與實施例3相同。對比例1-2與實施例2-3對比性能表如下:<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>由表可知，在原料組成及制備工藝相同的情況下，實施例2-3具有較高的機電耦合系數(shù)，這表明實施例2-3有較高的能量轉(zhuǎn)化率。實施例2-3的壓電常數(shù)比對比例1-2的壓電常數(shù)有顯著提高，表明實施例2-3具有良好的壓電響應(yīng)。權(quán)利要求1、一種納米碳黑/納米鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料，組分為納米鋯鈦酸鉛為55～90份，水泥為10～45份，納米碳黑為0.1～0.5份，均為質(zhì)量份；是按以下方法制備的(1)納米鋯鈦酸鉛粉體的制備以醋酸鉛、正丙醇鋯、異丙醇鈦為原料，原料配比中鉛、鋯、鈦的原子比為10.52-0.560.48-0.44，先將醋酸鉛溶于醋酸中，在105-110℃下加熱回流1-1.5小時后加入正丙醇鋯繼續(xù)回流2小時，再加入異丙醇鈦回流2小時，然后加入原料總質(zhì)量10-20％去離子水，在同樣溫度下回流1-2小時，可得到透明溶膠，干燥后，在800-850℃下煅燒2-5小時可得到納米鋯鈦酸鉛粉體；(2)將步驟(1)制備的納米鋯鈦酸鉛粉體55～90份、水泥10～45份與納米碳黑0.1～0.5份在丙酮中均勻混合得混合粉體，干燥后，按混合粉體質(zhì)量的5-7％加水，混勻；(3)將步驟(2)制得的混合料壓制成圓片狀，放入濕度100％的環(huán)境中水化20-24小時后，干燥。2、權(quán)利要求1的納米碳黑/納米鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料的應(yīng)用，用于土木工程中混凝土建筑結(jié)構(gòu)的傳感器的制備。3、如權(quán)利要求2所述的納米碳黑/納米鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料的應(yīng)用，其特征是將納米碳黑/納米鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料片體兩面涂銀電極，在硅油中用高壓直流電源極化并老化。全文摘要本發(fā)明涉及一種納米碳黑/納米鋯鈦酸鉛/水泥壓電復(fù)合材料及其制備方法。該壓電復(fù)合材料由納米鋯鈦酸鉛、納米碳黑及水泥組成。復(fù)合材料的制備方法為均勻混合納米鋯鈦酸鉛粉體、納米碳黑粉體、水泥粉體及水，將混合物壓制成圓片狀，然后進行水化、干燥。該材料經(jīng)極化、老化后即可用于制備土木工程傳感器。本發(fā)明的壓電復(fù)合材料具有優(yōu)良的壓電響應(yīng)性。文檔編號G01D5/12GK101531489SQ200910020658公開日2009年9月16日申請日期2009年4月16日優(yōu)先權(quán)日2009年4月16日發(fā)明者靜全,張玉軍,李宗津,范潤華,龔紅宇申請人:山東大學(xué)