1-3型聚合物改性水泥基压电复合材料的制备及其性能

1-3型压电复合材料的制备与物性的研究压电复合材料是指由压电陶瓷材料和有机聚合物材料按照一定的连通方式组合在一起而构成的功能材料。

由于压电复合材料同时具备聚合物相和压电相的优点而被广泛的研究,其在医学超声探头和水声换能器中都有着重要的应用。

1-3型压电复合材料的连通方式为一维连通的压电陶瓷平行的镶嵌在三维连通的聚合物基体中,其声阻抗远小于压电陶瓷材料。

因而,用复合材料制作的换能器更容易与水和人体组织匹配。

制备1-3型压电复合材料的方法有切割-填充法、脱模法等,其中切割-填充法操作简单、成本低,并且可以根据需要控制复合材料中陶瓷柱的宽度与间隔,因此被广泛的用于复合材料的制备。

本论文利用切割-填充法制备了陶瓷相的体积比不同的1-3型PZT-Epoxy压电复合材料和陶瓷相的体积比为31%的1-3型BCZT-Epoxy压电复合材料,并对其超声物性展开了研究。

主要结果如下:(1)研究了陶瓷相的体积比对1-3型PZT43-Epoxy压电复合材料的压电常数、声阻抗等物性的影响,并探讨了材料的纵横比对复合材料的厚度机电耦合系数kt的影响。

实验制备了陶瓷相的体积比分别为25%、31%和40%的压电复合材料。

研究发现复合材料的声阻抗Z和压电常数d33都随陶瓷相的体积比的增加而增大,实验制备的复合材料的声阻抗的最小值和压电常数的最大值分别为10.2Mrayl、317pC/N。

与PZT43陶瓷材料相比,复合材料的厚度机电耦合系数kt 提高、介电常数εr降低,但是介电损耗tanδ增加、机械品质因子Qm比PZT43陶瓷降低了 2个数量级。

在-50℃-150℃的测试区间内,实验制备的压电复合材料的厚度机电耦合系数kt都具有较好的温度稳定性,并且kt随着复合材料样品的厚度的增加呈现先增加后减少的趋势,在纵横比约为3时kt取得最大值。

陶瓷相的体积比为31%的1-3型PZT43-Epoxy压电复合材料在厚度为1.4mm时的物性分别为:d3= 273pC/N,Z=11 Mrayl,kt=0.66,Q =4.1 εr= 410,ta =0.03。

复合材料学报第25卷 第1期 2月 2008年A cta M ateriae Co mpo sitae SinicaV ol 25No 1Februar y2008文章编号:1000 3851(2008)01 0112 07收稿日期:2007 03 09;收修改稿日期:2007 07 11基金项目:国家自然科学基金(50672032,50272024);山东省自然科学基金(Y2005F08)通讯作者:程 新,博士,教授,博士生导师,研究方向为无机非金属材料 E mail:mse _huangsf@1 3型水泥基压电复合材料传感器的性能黄世峰1,2,常 钧1,秦 磊2,杨晓明2,李宗津2,程 新*1(1 济南大学材料科学与工程学院,济南250022;2 香港科技大学土木工程系,香港)摘 要: 以1 3型水泥基压电复合材料作为传感元件制备了水泥基压电复合材料传感器。

研究了水泥基压电复合材料传感器的频率响应、线性性能以及应用于混凝土后的传感性能。

结果表明:当加载频率小于5H z 时,所有载荷下传感器输出电压的幅值均增大,但当加载频率大于5H z 时,所有载荷下传感器输出电压的幅值几乎与输入载荷频率无关;传感器的输出电压幅值和输入载荷幅值之间存在明显的线性关系。

水泥基压电传感器在实际混凝土结构中具有良好的传感特性,其输出电压与复杂载荷、随机载荷和脉冲载荷均呈现明显的一一对应关系,且与输入载荷基本同步,不存在滞后现象,试验输出电压值与理论输出电压值也非常吻合。

该传感器非常适合于土木工程结构的健康监测。

关键词: 1 3型水泥基压电复合材料;传感器;频率响应;线性性能;传感性能中图分类号: T B332 文献标志码:AProperties of 1 3cement based piezoelectric composite sensorH U ANG Shifeng1,2,CH ANG Jun 1,Q IN Lei 2,YANG Xiaom ing 2,LI Zongjin 2,CH ENG Xin*1(1 Schoo l of M ateria ls Science and Engineer ing ,Jinan U niver sity,Jinan 250022,China;2.Depar tment of Civ il Engineer ing,Ho ng K ong U niv ersity of Science and T echnolog y,Ho ng Ko ng,China)Abstract: A cement based piezoelectr ic composite senso r w as fabr icated using the 1 3cement based piezoelectr ic co mpo site as a sensing element.T he fr equency r esponse,linear ity and sensing pr operties of the sensor w ere investi g ated.T he r esults indicate that the output vo ltag e am plitude of the sensor increase with increasing fr equency o f load under 5H z.When the frequency of load is la rg er t han about 5Hz,the output vo ltag e am plitude of the senso r is near ly independent o f frequency.T her e exists an obvio usly linea r relatio nship betw een the output v oltage amplit ude and input load amplitude of the sensor.T he 1 3cement based piezoelectr ic composite sensor embedded into the co ncr ete st ructur e ex hibits ex cellent sensing pr operties.T he output v oltages of the sensor are co rrespondent to the co mplex load,rando m load and pulse load v ery w ell.T he phase difference between t he output vo ltag e and input load is near zer o.T he ex perimental output voltag e value of the sensor is in g oo d agr eement with the theor etical value.Such sensor has a g ood potential to be used in civil eng ineering structur al healt h mo nitor ing.Keywords: 1 3cement based piezoelectr ic composites;senso r;frequency response;sensing pr operties目前,采用智能监测系统对重大土木工程建筑实施在线健康监测和预报已成为世界范围内土木工程领域的前沿研究方向。

1-3型压电复合材料温度稳定性研究摘要：采用聚醚砜(PES)和空心玻璃微珠(HGB)作为填料对环氧树脂进行改性，研究其对环氧聚合相力学和热学性能的影响，研究发现，PES和HGB填充量均为10%(质量分数)制备的环氧聚合相，剪切强度由39 MPa升高到52 MPa，热膨胀系数由8.8×10-5/K降低为5.8×10-5/K，材料力学和热学性能明显提高。

以PZT-4为压电相，采用切割填充法制备PES和HGB填充量均为10%(质量分数)的1-3型压电复合材料，采用阻抗分析仪测定温度对其谐振频率fs和机电耦合系数kt的影响，结果表明，1-3型压电复合材料的fs为885 kHz，kt为0.65，材料的fs和kt在温度1550 ℃范围内变化率≤1%，表现出良好的温度稳定性。

关键词：聚醚砜；玻璃微珠；高强度聚焦超声；1-3型压电复合材料；温度稳定性0 引言当前，高强度聚焦超声技术已应用于良、恶性肿瘤无创治疗[1]。

聚焦超声外科治疗技术这一“改变游戏规则的技术”、“革命性的治疗技术”正在推动临床外科进入无创时代[2-4]。

换能器作为高强度聚焦超声肿瘤治疗设备的核心部件起着非常重要的作用。

传统的换能器用压电陶瓷材料制作，存在换能器带宽不够，电声转换效率低的问题，需要对换能器材料更新换代。

1-3型压电复合材料是公认的新型压电材料，因其具有较低的声阻抗、较高的耦合系数、较低的机械品质因数等特性成为水听器，医学成像，无损检测等方面换能器的重要材料[5]。

但该材料在高强度聚焦超声换能器方面的应用报道还不多，主要原因是高强度聚焦超声换能器需要大功率的发射材料，与接受型的1-3型压电复合材料相比，更需解决材料的热稳定性问题。

1-3型压电复合材料是一维的陶瓷相与三维的环氧聚合相的复合，具体结构如图1所示。

压电相保持材料的压电效应，环氧相改善材料的振动模态，两相复合后，材料在机电耦合系数kt，机械品质因数Qm和阻抗Z均有很好的改善，因此，大功率的1-3压电复合材料是新一代高强度聚焦超声换能器的关键核心材料。

第28卷　第6期2006年6月武　汉　理　工　大　学　学　报JOURNA L OF WUHAN UNIVERSIT Y OF TECHN OLOG Y Vol.28　No.6　J un.2006123型压电复合材料的制备及性能研究徐玲芳,陈　文,周　静,李　君(武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉430070)摘　要:　采用塑性聚合物方法制备了掺Nb 的PZT (PZT 25A )陶瓷纤维,且通过排列陶瓷纤维,灌注环氧树脂的方法制备了123型压电复合材料。

研究了陶瓷纤维的结构,分析了123型压电复合材料密度和剩余极化随纤维体积分数V c 的变化关系。

XRD 表明PZT 25A 陶瓷纤维为纯钙钛矿结构,SEM 显示纤维结构致密,直径为250μm 。

123型压电复合材料的密度和剩余极化随纤维体积分数V c 的变化呈近似线性关系。

V c 为85%时123压电复合材料的ε3、tan δ、k p 、k t 及Q m 分别为638、1.74%、0.31、0.61及3.27,与PZT 25A 陶瓷相比较,123型压电复合材料厚度方向振动增强,机械品质因素明显降低。

关键词:　123压电复合材料;　环氧树脂;　压电性能;　铁电性能中图分类号:　TB 332文献标志码:　A 文章编号:167124431(2006)0620001203Preparation and Properties of Fine Scale 123PiezoelectricCeramic/Polymer CompositesX U L i ng 2f ang ,CH EN Wen ,ZHO U Ji ng ,L I J un(School of Materials Science and Technology ,Wuhan University of Technology ,Wuhan 430070,China )Abstract :　This paper reported the fabrication and properties of fine scale 123composites consisting of unidirectional ordered PZT 25A piezoelectric ceramic fibers with diameter of 250μm in a polymer matrix of epoxy resin E 244.SEM micrograph showed fine microstructures.And regular arrangement of fibers was observed.The composites with high ceramic volume fraction showed excellent ferroelectrics characteristics.As ceramic volume fraction was 85%,a high coupling coefficient (k t )of up to 0.61,a low mechanical quality factor (Q m )of 3.27and relative permittivity (ε3)of 638were detected.K ey w ords :　piezoelectric composites ;　epoxy resin ;　piezoelectricity ;　ferroelectricity收稿日期:2006202228.基金项目:国家自然科学基金(50402014).作者简介:徐玲芳(19772),女,博士.E 2mail :lindahbaa @123型压电复合材料具有优良的压电各向异性、高的机电耦合系数、大的压电常数且具有易与人体或水等轻负载及背衬匹配的声阻抗等特点,适合于医疗超声和无损检测换能器的要求[1]。

聚合物改性水泥基材料研究摘要：本文通过查阅文献，较为详细地对聚合物改性水泥基材料的发展历史，研究背景以及未来的研究方向做了阐述，此外简单的介绍了三种常用的水泥基复合材料，并总结了水性环氧树脂及聚乙烯醇两种聚合物掺入水泥中对水泥性能的影响，参考前人的聚合物改性水泥试验，主要对其拌和方式、凝结时间、吸水率、密度与含气量、力学性能进行了研究，并与普通水泥进行对比，证实了聚合物水泥较之普通水泥在性能上得到很大程度上的改善，取得良好的改性效果。

最后，介绍了聚合物改性复合材料的工业产品及其性能，同时展望了此类材料在土木领域的应用前景。

关键词：聚合物；改性机理；水泥基材料；应用The modification of cement by polymer materialAbstract: Through literature review, a detailed discussion on the history, research background and future research directions of polymer modified cement-based materials are given. Besides, three commonly used cement-based composite materials are briefly introduced and an exposition is made on the influence of two polymers (the waterborne epoxy resin and polyvinyl alcohol) mixed into the cement on its performance. By referring to previous polymer-modified cement tests, the mixing mode, setting time, water absorption, density, gas content and mechanical properties were studied and by comparing with ordinary cement, it is proved that polymer cement can largely improve the performance comparing to ordinary cement, and can achieve good modification effect. Finally, the application of polymer-modified composites on architecture and roadworks are given in detail, including both its mechanism and specific cases, also the application prospect of such materials in civil engineering.Keywords: polymer; modification mechanism; cement-based materials; application1 概述1.1聚合物水泥基材料的概述人类在很久以前就开始了对无机胶凝材料的使用[1]，其中水泥无疑是一个很重要的代表。

1-3型系列压电复合材料制备工艺及性能研究的开题报告一、选题背景及意义压电复合材料是一种具有压电性质和复合材料结构的功能材料。

在目前的科学研究和工业应用中，压电复合材料具有广泛的应用前景。

以压电驱动器、压电传感器及电声换能器等为代表的研究方向已引起了广泛研究兴趣。

目前有关压电复合材料的研究主要集中在压电陶瓷、聚合物和聚合物复合材料等方面。

然而，由于压电陶瓷存在易脆、重量大等问题，聚合物利用温度和湿度的变化易造成形变和损伤。

因此，采用压电陶瓷和聚合物合成的复合材料，结合优点，克服缺点，可以用于开发更具实用性和良好性能的压电复合材料。

本课题选用1-3型系列压电复合材料制备工艺及性能研究，以期设计出在结构安装、材料工艺等方面综合优化、可靠性更高、制备成本更低、特种功能更强的新形态压电复合材料，以满足工业应用需求。

二、研究内容和主要任务1. 以PZT陶瓷为压电相，选用树脂型复合材料为基质相，研究1-3型系列压电复合材料的制备工艺。

包括制备材料的搅拌工艺、压力、温度等制备参数的控制等。

2. 对1-3型系列压电复合材料的性能进行研究。

包括研究材料的压电性能、介电性能、热学性质、机械性能等。

3. 对制备出来的1-3型系列压电复合材料进行应用研究。

探究制备的复合材料在压电传感器、压电驱动器、电声换能器等方面的应用。

三、研究方法1. 采用化学溶胶-凝胶法，制备高纯度PZT粉体。

2. 设计出合理的复合材料配方，选用自主研发的树脂型复合材料为基质相，制备出1-3型系列压电复合材料。

3. 采用压电性能测试仪、介电性能测试仪、热重分析仪、拉伸试验机等设备，测试1-3型系列压电复合材料的性能。

4. 借助有限元模拟，探究1-3型系列压电复合材料的力学行为及其在应用研究中的效果。

四、预期结果及意义本课题将制备出1-3型系列压电复合材料，并对其压电性能、热学性能、机械性能等方面进行研究。

同时，在复合材料的应用研究中，将对压电传感器、压电驱动器、电声换能器等方面的应用进行研究。

1 3型压电纤维复合材料的制备及性能研究T he Fabricat ions and Performance A nalysis of1 3PiezoelectricFibers Composite M aterial邱艳芹,刘 军,孟献丰,颜 平,骆 英(江苏大学材料科学与工程学院,江苏镇江212013) QIU Yan qin,LIU Jun,M ENG Xian feng,YAN Ping,LUO Ying(Co lleg e of M ater ials Science and Engineering,Jiangsu U niversity,Zhenjiang212013,Jiangsu,China)摘要:用粉末 溶胶混合物挤出法制备了直径为300 m和400 m的P ZT压电纤维,研究了纤维的显微结构、密度和收缩率。

采用排列 浇铸法制备了纤维体积分数为25%的1 3型压电纤维复合材料,计算了材料的介电常数、机电耦合系数和机械品质因数。

结果表明:1 3型压电复合材料的K p小于压电陶瓷片,K t和K t/K p都大于陶瓷片;相同体积分数的压电纤维复合材料,直径为400 m的纤维制备的复合材料其 T,d33,K t和K t/K p都大于直径为300 m的纤维制备的复合材料。

关键词:1 3型复合材料;陶瓷纤维;粉末 溶胶挤出法;排列 浇铸法文献标识码:A 文章编号:1001 4381(2007)Suppl 0045 04Abstract:PZT fiber s w hich diameters are about300 m and400 m respectively w er e pr epared by ex truding a mix ture of PZT pow der and PZT so l The micro structure,density and shrinkage of fibers w ere discussed theoretically 1 3piezo electric composite w hich contains about25percent ceramic phase w as prepared by arrang ing PZT fibers and casting epox y r esin Dielectric constant,mechanical electro nical co upling co efficient and mechanical quality factor w ere calculated T he r esults indicated that K p of1 3piezoelectric composite w as less than that of ceram ic flake,but K t and K t/K p w er e m ore than it;the T,d33,K t and K t/K p of co mposite material,w hose fibers diameter w ere400 m,w ere all more than tho se m ade from fibers of300 mKey words:1 3piezo electr ic composite;ceramic fibers;ex truding a mix ture of PZT pow der and sol;ar r anging PZT fibers and casting epoxy resin压电陶瓷与聚合物复合成的压电复合材料,兼有组成复合材料各组分的性能,因而克服了压电陶瓷和聚合物自身的不足,具有强压电性、低脆性、低密度和低介电常数等优点,且易制得大面积以及形状复杂的制品,是智能材料系统与结构中最有前途的压电材料。

1-3型水泥基压电复合材料的性能及其应用研究的开题报告开题报告题目：1-3型水泥基压电复合材料的性能及其应用研究一、选题的背景和意义水泥基材料是一种常见的建筑材料，具有良好的力学性能和耐久性，但其电学性能较差，限制了其在电子、通讯等领域的应用。

由于压电复合材料具有良好的电学性能和力学性能，因此将水泥基材料和压电材料复合起来，可制成具有压电性能的水泥基压电复合材料。

目前，已有一些研究报道了水泥基压电复合材料的制备与性能，但大多数研究集中于水泥基陶瓷材料与压电陶瓷材料的复合，缺乏对水泥基压电复合材料的深入研究。

因此，本课题旨在研究制备1-3型水泥基压电复合材料及其性能，为其在新能源、传感器等领域的应用提供基础研究。

二、研究的内容和步骤1. 制备1-3型水泥基压电复合材料将压电陶瓷离子热堆叠成棒状，并将其嵌入水泥基材料中，形成棒阵列。

制备过程中需控制压电陶瓷的分布密度和排列方式，以保证复合材料的力学性能和压电性能。

2. 测试复合材料的压电性能在复合材料上施加电场，观察其应变响应。

通过测量复合材料的压电系数、电容和电阻等参数，评价其压电性能。

3. 测试复合材料的力学性能和耐久性对复合材料进行拉伸、压缩和弯曲等力学性能测试，评价其力学性能；同时进行耐久性测试，观察其稳定性和使用寿命。

4. 研究复合材料的应用前景探讨复合材料在新能源、传感器等领域的应用前景，并开展相应的应用研究。

三、拟采用的研究方法和手段1. 材料制备：采用压电陶瓷离子热堆叠法，将压电陶瓷制成棒状，并嵌入水泥基材料中，形成1-3型压电复合材料。

2. 性能测试：采用电学测试、力学测试和耐久性测试等方法，评价复合材料的性能。

3. 应用研究：通过实验验证和理论分析，探讨复合材料在新能源、传感器等领域的应用前景，并开展相应的应用研究。

四、研究的预期目标和成果1. 成功制备出具有压电性能的1-3型水泥基压电复合材料。

2. 系统地研究复合材料的压电性能、力学性能和耐久性能，并进行性能与结构之间的关联分析。

水泥基压电复合材料的制备及其性能研究刘明凯;任秋荣;李向召【摘要】水泥基压电复合材料可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,它不但具有感知功能,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,因此,研究与开发该类压电复合材料对于推动各类土木工程结构向智能化方向发展有着广泛的工程应用意义和学术价值.本文采用压制成型法和切割--填充法分别制备了0-3型和1-3型水泥基压电复合材料,重点研究了其压电性能和介电性能.【期刊名称】《制造业自动化》【年(卷),期】2011(033)011【总页数】4页(P97-100)【关键词】水泥基压电复合材料;压电性能;介电性能【作者】刘明凯;任秋荣;李向召【作者单位】安阳师范学院建筑工程学院,安阳,455000;安阳师范学院建筑工程学院,安阳,455000;安阳师范学院建筑工程学院,安阳,455000【正文语种】中文【中图分类】TP3910 引言水泥基压电智能复合材料是近年来才刚刚发展起来的一种新型的功能复合材料。

在各类建筑向智能化发展的背景下，人们愈加重视水泥基复合材料向智能化方向发展，以使智能建筑更加简洁，可靠和高效。

以目前的科技水平，制备完善的水泥基智能复合材料还相当困难和难以实现，但在开发水泥基机敏复合材料方面己进行了一些研究[1]。

目前，国内外仅见香港科技大学报道过这方面的研究工作，Li Zongjin等以白水泥为基体，采用常规的成型技术于2002年首次制备了0-3型水泥基压电复合材料[2～5]，通过调节复合材料组分的比例，可以使0-3型水泥基压电复合材料与混凝土之间具有良好的相容性。

当压电陶瓷体积分数在40-50%之间时，即可将复合材料的声阻抗特性调节到与混凝土母体结构材料相匹配的状态(达到9.0×106kg/m2·s左右)；在PZT含量相同的情况下，其极化电压远远小于聚合物基0-3压电复合材料的，而压电性能和机电祸合系数却高于后者。

基于ANSYS的1-3型水泥基压电复合材料力电响应分析谢正春;张小龙;卜祥风;潘广香【摘要】运用ANSYS有限元方法,分别对PZT5 H压电陶瓷和1-3型水泥基压电复合材料的力电响应进行了模拟分析.分析结果表明:在位移约束和面载荷下,PZT5H 压电陶瓷和1-3型水泥基压电复合材料上的最大位移和最大电势均发生在压电陶瓷(柱)上表面,且产生的最大电压均发生在最大位移处,陶瓷在垂直方向上的电势与位移分层明显且一致.【期刊名称】《蚌埠学院学报》【年(卷),期】2018(007)005【总页数】5页(P9-13)【关键词】1-3型水泥基压电复合材料;PZT5H压电陶瓷;有限元模拟;力电响应【作者】谢正春;张小龙;卜祥风;潘广香【作者单位】滁州学院机械与汽车工程学院,安徽滁州 239000;安徽农业大学工学院,安徽合肥 230036;滁州学院机械与汽车工程学院,安徽滁州 239000;滁州学院机械与汽车工程学院,安徽滁州 239000【正文语种】中文【中图分类】TB332;TN384随着社会经济的不断发展，混凝土建筑工程如大跨桥梁、高耸建筑、核电站和海洋平台等重要工程结构不断出现，采用智能监测系统在线健康监测和预报，已成为智能传感器的前沿研究方向和热点[1-4]。

压电材料是一种具有将机械能与电能相互转换，并具有特定压电效应的新型材料，压电陶瓷也是传感元件材料初期使用比较成熟的材料之一。

具有力电耦合特性的压电效应已被应用于现代传感器和驱动器领域等，PZT压电陶瓷以其优良的力电耦合性能和较高的居里温度而被广泛的应用[5-6]。

水泥基压电复合材料制作的传感器埋在混凝土结构中，具有与混凝土结构一样的应力环境，除承受常规载荷(如温度、湿度等物理载荷)外，还可能承受如台风、海啸、地震等形成的高速冲击载荷作用。

1-3型水泥基压电复合材料是由细长的压电陶瓷柱平行排列于三维连通的水泥基体中而构成的两相压电复合材料，具有低声阻抗、高机电耦合系数和低机械品质因数等优点。