1-3型聚合物-水泥基壓電復(fù)合材料的性能研究.pdf

1、水泥基壓電復(fù)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?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。為增強(qiáng)水泥基體與壓電陶瓷的結(jié)合強(qiáng)度，提高1-3型水泥基壓電復(fù)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(fù)合材料，研究了基體、聚合物/水泥的配合比、陶瓷的體積分?jǐn)?shù)及陶瓷柱的寬厚比對(duì)復(fù)合材料的壓電、介電、機(jī)電、聲阻抗等性能的影響。具體工作及結(jié)論如下：
　　 對(duì)不同基體壓電復(fù)合材

2、料的性能進(jìn)行了比較，結(jié)果表明：與聚合物基壓電復(fù)合材料和水泥基壓電復(fù)合材料相比，聚合物/水泥基壓電復(fù)合材料的壓電應(yīng)變常數(shù)d33和壓電電壓常數(shù)g33均有所增大，而相對(duì)介電常數(shù)εr明顯減??；同時(shí)，厚度機(jī)電耦合系數(shù)K和頻帶寬Δf增大，機(jī)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(duì)1-3型聚合物/水泥基壓電復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明：隨著基體中水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，壓電應(yīng)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??；相對(duì)介電常數(shù)εr基本呈線性減??；而介電損耗tanδ則基本保持不變。復(fù)合材料的平面機(jī)電耦合系數(shù)Kp與厚度機(jī)電耦合系數(shù)Kt隨著基體中水泥質(zhì)量分?jǐn)?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(fù)合材料厚度方向振動(dòng)增強(qiáng)，機(jī)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?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的聲阻抗Z呈逐漸增大趨勢(shì)，且其值越來(lái)越接近混凝土的聲阻抗

4、。
　　 研究了陶瓷的體積分?jǐn)?shù)對(duì)1-3型聚合物/水泥基壓電復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明：隨著P(LN)ZT陶瓷體積分?jǐn)?shù)的增加，壓電應(yīng)變常數(shù)d33、相對(duì)介電常數(shù)εr和聲阻抗Z呈現(xiàn)出明顯的增大趨勢(shì)；而壓電電壓常數(shù)g33和介電損耗tanδ則呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。與P(LN)ZT陶瓷相比較，1-3型壓電復(fù)合材料厚度方向振動(dòng)增強(qiáng)，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)明顯降低，當(dāng)P(LN)ZT陶瓷體積分?jǐn)?shù)為30.86％時(shí)，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(wú)損檢/監(jiān)測(cè)換能器。
　　 研究了陶瓷柱的寬厚比對(duì)1-3型聚合物/水泥基壓電復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明：隨著復(fù)合材料寬厚比w/t的增大，壓電應(yīng)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(duì)介電常數(shù)εr基本呈線性減??；寬厚比變化對(duì)復(fù)合材料的平面機(jī)電耦合系數(shù)Kp影響不大；隨著w/t的逐漸增大，復(fù)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(shì)；厚度機(jī)電耦合系數(shù)Kt呈增大的趨勢(shì)，在寬厚比為1.43時(shí)Kt可達(dá)到73.56％；當(dāng)P(LN)ZT體積分?jǐn)?shù)一定時(shí)，復(fù)合材料的聲阻抗在10-11M rayl之間波動(dòng)，隨著寬厚比的增大，聲阻抗基本沒(méi)有變化。同時(shí)，在1kHz和150kHz下，隨著溫度的升高，不同寬厚比的壓電復(fù)合材料的相對(duì)介電常數(shù)εr均增大；在-40℃-110℃的范圍內(nèi)，復(fù)合材料的介電損耗tanδ先緩慢增加，超