[科普中國]-水泥基壓電復(fù)合材料

簡介

智能材料是指具有感知環(huán)境刺激，對之進行分析處理和判斷，并采取一定措施進行適度響應(yīng)的材料。在土木工程領(lǐng)域中，利用智能材料對一些重大土木工程建筑實施在線健康檢測和預(yù)報的研究越來越廣泛。

土木工程所用智能材料大多為記憶合金、光導(dǎo)纖維、碳纖維、壓電陶瓷等。壓電材料具有響應(yīng)速度快、驅(qū)動輸出大、頻帶寬和體積緊湊等優(yōu)點，頗具發(fā)展前景。研究的壓電材料主要有壓電陶瓷、有機壓電材料和壓電復(fù)合材料3類。壓電陶瓷應(yīng)用最為廣泛，具有介電常數(shù)高、壓電響應(yīng)大、機電藕合系數(shù)高等優(yōu)點，但其密度高，聲阻抗遠遠大于混凝土材料。當其用于土木結(jié)構(gòu)的檢測時，由于聲阻抗的不匹配，使壓電傳感器發(fā)出或接收的波信號易于在傳感器與混凝土界面上反射，導(dǎo)致信號減弱或產(chǎn)生虛假信號，影響傳感或驅(qū)動的精度。有機壓電材料材質(zhì)柔韌、阻抗低、壓電電壓常數(shù)高，但是壓電應(yīng)變常數(shù)偏低、機電藕合系數(shù)小、溫度范圍窄，使之在作為有源發(fā)射換能器方面的應(yīng)用受到很大的限制。研究的壓電復(fù)合材料多由壓電陶瓷與有機聚合物復(fù)合而成，通過低密度的有機聚合物調(diào)節(jié)復(fù)合材料的聲阻抗，已在水聲、超聲、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是此類壓電復(fù)合材料中有機聚合物基體與混凝土材料在變形性、熱膨脹系數(shù)等方面存在較大的差異，使其在土木智能結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用受到限制。而且由于有機物耐老化性差，亦不適宜長期埋置在土木結(jié)構(gòu)中。水泥基壓電復(fù)合材料，將壓電陶瓷粉體與水泥復(fù)合，得到了具有較好壓電響應(yīng)的復(fù)合材料。通過調(diào)整復(fù)合材料中各組分的比例，使其具有與土木結(jié)構(gòu)中混凝土材料的良好阻抗匹配關(guān)系和一致的變形行為，兩者間界面相容性好。因此，此類復(fù)合材料非常適宜于監(jiān)測混凝土的損傷、變形、內(nèi)部應(yīng)力和應(yīng)變分布等，應(yīng)用前景較好。按照各相材料的不同連通方式，壓電復(fù)合材料可分為10種基本類型。研究開發(fā)的水泥基壓電復(fù)合材料主要有0-3型、1-3型和2-2型等1。

0-3型水泥基壓電復(fù)合材料0-3型水泥基壓電復(fù)合材料是指具有壓電活性的陶瓷顆粒分散于三維連續(xù)的水泥基體中形成的復(fù)合材料，其優(yōu)點是制備容易、成本低且組成可控。將錯欽酸鉛壓電陶瓷(PZT)粉末與白水泥復(fù)合，用鋪展成型方法制備出0-3型壓電復(fù)合材料。以硫鋁酸鹽水泥為基體，錯欽酸鉛(PZT)、鈮鎂鋯鈦酸鉛(PMN)或妮鏗錯欽酸鉛(PLN)為壓電功能相，用壓制成型法制備了0-3型壓電復(fù)合材料。用PZT或PMN陶瓷粉體與普通硅酸鹽水泥(波特蘭水泥)復(fù)合，也采用壓制成型方法制備得到0-3型壓電復(fù)合材料。在0-3型壓電復(fù)合材料中，壓電功能相的含量、粒度，復(fù)合材料制備工藝及微觀結(jié)構(gòu)等對其壓電性能和介電性能有著重要的影響。

1-3型水泥基壓電復(fù)合材料1-3型水泥基壓電復(fù)合材料是由一維壓電陶瓷柱平行排列于三維連通的水泥基體中而構(gòu)成的兩相壓電復(fù)合材料。1-3型水泥基壓電復(fù)合材料具有接近于純壓電陶瓷以及各向異性的壓電性能，是一種在土木工程領(lǐng)域中很有潛力和發(fā)展前途的傳感材料。為了提高傳感器的電學(xué)響應(yīng)和降低信號的交叉干擾，要求1-3型復(fù)合材料中的壓電陶瓷柱盡可能地細小。壓電陶瓷柱可采用切割、注射成型、微型硅模等方法成型。制備1-3型水泥基壓電復(fù)合材料的方法主要是較為簡便的切割-填充法2。

2-2型水泥基壓電復(fù)合材料在2-2型水泥基壓電復(fù)合材料中，壓電陶瓷相與水泥呈片層狀交互疊置。該復(fù)合材料具有優(yōu)異的正逆壓電效應(yīng)，故具有高的感知精度和強的驅(qū)動輸出，可為土木工程中的智能結(jié)構(gòu)提供自感知傳感器和驅(qū)動器。2-2型復(fù)合材料的制備方法有2種：一種是采用特制的成型模具，在模具兩側(cè)的內(nèi)壁上開出相互平行且等間距的淺槽。兩側(cè)的槽一一對應(yīng)，每一對槽用于固定一片壓電陶瓷片。當所有陶瓷片均固定在模內(nèi)槽中后對陶瓷片的電極面進行聯(lián)接，再澆入水泥。另一種方法是切割鎮(zhèn)充法。

總結(jié)研究開發(fā)的水泥基壓電復(fù)合材料主要有0-3型，1-3型和2-2型。相對而言，0-3型材料制備簡單、結(jié)構(gòu)均勻，但壓電陶瓷顆粒間載流子的傳導(dǎo)易被水泥基體所阻隔，故其壓電性能的提高受到限制。而1-3型以及2-2具有更高的壓電響應(yīng)，但其制備成本較高。對水泥基壓電復(fù)合材料的研究已取得一些建設(shè)性的研究成果，但在其性能優(yōu)化及穩(wěn)定性等方面仍有待繼續(xù)深入，對其壓電機理有待逐步探討；對水泥基壓電復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)與其壓電和介電性能間的關(guān)系，陶瓷相與水泥相的界面影響及作用，環(huán)境因素(溫度、濕度、電磁場、老化時間)對復(fù)合材料性能的影響等方面都有待深人地了解。作為一種新型的多功能復(fù)合材料，水泥基壓電復(fù)合材料具有與混凝土材料良好的阻抗匹配關(guān)系，優(yōu)良的壓電性能，適于長期埋置在土木結(jié)構(gòu)中作為感知、測量其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的傳感器件。通過對水泥基壓電復(fù)合材料性能的進一步優(yōu)化和改良，相信其將成為土木智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的重要組成部分，在土木工程領(lǐng)域中具有愈來愈廣闊的發(fā)展前景3。