1-3型聚合物-水泥基壓電復合材料的性能研究.pdf

1、水泥基壓電復合材料既具有良好的壓電性，又有與混凝土聲阻抗相匹配的特性，目前已引起人們越來越多的關(guān)注。為增強水泥基體與壓電陶瓷的結(jié)合強度，提高1-3型水泥基壓電復合材料的柔韌性和整體性能，本文以聚合物/水泥為基體，采用切割-澆注法制備了1-3型聚合物/水泥基壓電復合材料，研究了基體、聚合物/水泥的配合比、陶瓷的體積分數(shù)及陶瓷柱的寬厚比對復合材料的壓電、介電、機電、聲阻抗等性能的影響。具體工作及結(jié)論如下：
　　 對不同基體壓電復合材

2、料的性能進行了比較，結(jié)果表明：與聚合物基壓電復合材料和水泥基壓電復合材料相比，聚合物/水泥基壓電復合材料的壓電應變常數(shù)d33和壓電電壓常數(shù)g33均有所增大，而相對介電常數(shù)εr明顯減??；同時，厚度機電耦合系數(shù)K和頻帶寬Δf增大，機械品質(zhì)因數(shù)Qm減小較明顯，聲阻抗Z變化不大。
　　 研究了聚合物/水泥的配合比對1-3型聚合物/水泥基壓電復合材料性能的影響。結(jié)果表明：隨著基體中水泥質(zhì)量分數(shù)的增加，壓電應變常數(shù)d33基本呈線性減小，壓電

3、電壓常數(shù)g33呈非線性減?。幌鄬殡姵?shù)εr基本呈線性減??；而介電損耗tanδ則基本保持不變。復合材料的平面機電耦合系數(shù)Kp與厚度機電耦合系數(shù)Kt隨著基體中水泥質(zhì)量分數(shù)的增加均先減小后增大。與純P(LN)ZT壓電陶瓷相比，1-3型聚合物/水泥基壓電復合材料厚度方向振動增強，機械品質(zhì)因數(shù)Qm明顯降低，這有利于提高超聲換能器的發(fā)射效率和接收靈敏度。隨著基體中水泥質(zhì)量分數(shù)的增加，復合材料的聲阻抗Z呈逐漸增大趨勢，且其值越來越接近混凝土的聲阻抗

4、。
　　 研究了陶瓷的體積分數(shù)對1-3型聚合物/水泥基壓電復合材料性能的影響。結(jié)果表明：隨著P(LN)ZT陶瓷體積分數(shù)的增加，壓電應變常數(shù)d33、相對介電常數(shù)εr和聲阻抗Z呈現(xiàn)出明顯的增大趨勢；而壓電電壓常數(shù)g33和介電損耗tanδ則呈現(xiàn)下降的趨勢。與P(LN)ZT陶瓷相比較，1-3型壓電復合材料厚度方向振動增強，機械品質(zhì)因數(shù)明顯降低，當P(LN)ZT陶瓷體積分數(shù)為30.86％時，其聲阻抗為8.24M rayl，接近于混凝土的聲

5、阻抗9.0M rayl，適用于制作混凝土超聲無損檢/監(jiān)測換能器。
　　 研究了陶瓷柱的寬厚比對1-3型聚合物/水泥基壓電復合材料性能的影響。結(jié)果表明：隨著復合材料寬厚比w/t的增大，壓電應變常數(shù)d33基本呈線性減小，壓電電壓常數(shù)g33隨著w/t的增大有略微的減小，但整體變化不大；隨著w/t的增加，相對介電常數(shù)εr基本呈線性減??；寬厚比變化對復合材料的平面機電耦合系數(shù)Kp影響不大；隨著w/t的逐漸增大，復合材料的串聯(lián)諧振頻率fs、

6、并聯(lián)諧振頻率fp、頻帶寬度Δf及1kHz下的電容值C均呈逐漸增大的趨勢；厚度機電耦合系數(shù)Kt呈增大的趨勢，在寬厚比為1.43時Kt可達到73.56％；當P(LN)ZT體積分數(shù)一定時，復合材料的聲阻抗在10-11M rayl之間波動，隨著寬厚比的增大，聲阻抗基本沒有變化。同時，在1kHz和150kHz下，隨著溫度的升高，不同寬厚比的壓電復合材料的相對介電常數(shù)εr均增大；在-40℃-110℃的范圍內(nèi)，復合材料的介電損耗tanδ先緩慢增加，超