壓電陶瓷非均勻周期排列的2-2型壓電復(fù)合材料及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種壓電陶瓷非均勻周期排列的2-2型壓電復(fù)合材料及制備方法，屬于水泥基壓電智能復(fù)合材料及其制備【技術(shù)領(lǐng)域】。該壓電復(fù)合材料由壓電陶瓷片，聚合物和水泥的混合物基體及上下電極構(gòu)成。該壓電復(fù)合材料的制備方法為：設(shè)計壓電陶瓷在復(fù)合材料體系中的非均勻周期排列方式，將壓電陶瓷塊切割成多排非均勻周期排列的陶瓷片和相同尺寸的切割凹槽，然后對陶瓷坯體進行清洗、干燥，將基體填充于陶瓷片的四周及內(nèi)部并抽真空處理，最后進行養(yǎng)護、打磨、拋光及涂電極處理。本發(fā)明的2-2型壓電復(fù)合材料制備工藝簡單，橫向耦合干擾作用也受到了抑制，頻帶寬度得到了拓展，能夠根據(jù)需要得到各種形狀的產(chǎn)品，滿足不同功能傳感器元件的性能需求。
【專利說明】壓電陶瓷非均勻周期排列的2-2型壓電復(fù)合材料及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種壓電陶瓷片呈非均勻周期性排列的2-2型壓電復(fù)合材料，還涉及它們的制備方法，屬于水泥基壓電智能復(fù)合材料及其制備【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，在土木工程領(lǐng)域中，利用智能材料為傳感器元件對一些重大土木工程建筑實施在線健康監(jiān)測已引起人們的廣泛關(guān)注。然而，土木工程領(lǐng)域中所用的大多智能材料與混凝土材料間存在非常明顯的相容性問題，制約了土木工程結(jié)構(gòu)的智能化發(fā)展。將水泥與壓電陶瓷復(fù)合制得的水泥基壓電復(fù)合材料具有與混凝土材料相容性好，響應(yīng)速度快，傳感/驅(qū)動一體化，耐久性好，不易受環(huán)境溫/濕度影響等特性，在土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中有著巨大的應(yīng)用潛力。
[0003]壓電復(fù)合材料比單純的壓電陶瓷表現(xiàn)出更好的應(yīng)用性能，壓電復(fù)合材料有1-3型、1-3-2型、2-2型等多種類型，其中，2-2型水泥基壓電復(fù)合材料一般是指以水泥為基體、壓電陶瓷為功能體，壓電陶瓷片與水泥基體層疊而成的兩相壓電復(fù)合材料，其制備工藝簡單、機電耦合性能良好、機械品質(zhì)因素低，且同時具有高的感知強度和強的驅(qū)動輸出，可為智能結(jié)構(gòu)提供自感知驅(qū)動器等特點，在混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢。
[0004]由于壓電陶瓷聲阻抗較高，而水泥的聲阻抗與混凝土材料的聲阻抗又相近，因而制得的水泥基壓電復(fù)合材料的聲阻抗仍難以實現(xiàn)與混凝土聲阻抗相匹配的狀態(tài)。此外，水泥與壓電陶瓷間的界面結(jié)合能力較弱，也限制了該類復(fù)合材料的應(yīng)用化。因此，通過在水泥中摻加聚合物組分制備水泥聚合物基壓電復(fù)合材料，不僅可以增強水泥基體與壓電陶瓷的結(jié)合強度，提高水泥基壓電復(fù)合材料的柔韌性和整體性能，而且，低聲阻抗的聚合物也改善了水泥聚合物基壓電復(fù)合材料與混凝土材料的聲阻抗匹配能力。另一方面，目前的2-2型壓電復(fù)合材料都為均勻周期性壓電復(fù)合材料，即壓電復(fù)合材料中的壓電陶瓷相和基體相的排列方式均為均勻周期性排列，卻沒有關(guān)于壓電陶瓷相和基體相尺寸非均勻周期變化的2-2型壓電復(fù)合材料的報道。雖然均勻的排列方式能夠提高材料的制備效率，而且所制備出的壓電復(fù)合材料亦具有各向同性的特點，但由于壓電陶瓷和基體的周期性排列，由此產(chǎn)生的橫向結(jié)構(gòu)模則會干擾壓電復(fù)合材料換能器的福射聲場，不利于獲得需要的聲場分布，限制了其深入廣泛的工程應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種壓電陶瓷片非均勻周期性排列的2-2型壓電復(fù)合材料，這種壓電復(fù)合材料中壓電陶瓷片呈非均勻周期排列，其性能良好，制備工藝簡單，還能根據(jù)需要得到各種形狀的產(chǎn)品，滿足不同功能傳感器元件的性能需求。
[0006]本發(fā)明的另一目的是提供上述材料的制備方法，本發(fā)明方法易于實施，為壓電陶瓷片非均勻周期性排列2-2型壓電復(fù)合材料的實現(xiàn)提供了技術(shù)支持。[0007]本發(fā)明采用切割-澆注法制備壓電陶瓷片非均勻周期性排列的2-2型壓電復(fù)合材料，在制備過程中，首先需要設(shè)計壓電復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)，例如確定壓電陶瓷片和切割溝槽的尺寸，確定切割間距的非均勻周期性變化方式，確定壓電陶瓷和基體的具體成分，確定制備過程中的工藝步驟和參數(shù)等具體內(nèi)容，尤其是壓電陶瓷片和切割溝槽的尺寸，以及切割間距的非均勻周期性變化方式非常重要，只有確定了這些內(nèi)容，才能保證產(chǎn)品的品質(zhì)和性能。下面詳細闡述實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案及本方案的優(yōu)點:
一種壓電陶瓷片非均勻周期性排列的2-2型壓電復(fù)合材料，其特征是:由壓電陶瓷相、基體相和上下電極構(gòu)成，壓電陶瓷的體積百分比為40%?80%，各壓電陶瓷片間的間隔相同，壓電陶瓷片的某一邊長(沿壓電陶瓷塊長度或?qū)挾确较?按下述任一方式變化:①按等差數(shù)列增大或減小(公差0.1?1.8mm);②按等差數(shù)列增大或減小到一定程度后作為一個循環(huán)周期，然后重復(fù)此變化(公差0.1?1.8mm);③按等差數(shù)列增大或減小到一定程度后再按照公差相同或不同的等差數(shù)列減小或增大到原始距離(公差0.1?1.8_)，由此作為一個循環(huán)周期，然后重復(fù)此變化。
[0008]一種壓電陶瓷片非均勻周期性排列的2-2型壓電復(fù)合材料的制備方法，其特征是包括以下步驟:
(1)在垂直于壓電陶瓷塊極化軸的面上，沿著壓電陶瓷塊長度或?qū)挾鹊姆较虼怪鼻懈钚纬梢幌盗邪疾?，凹槽寬度相同，切割時保留底座；切割間距按下列任意一種方式變化:①按等差數(shù)列增大或減小(公差0.1?1.8mm) 按等差數(shù)列增大或減小到一定程度后作為一個循環(huán)周期，然后重復(fù)此變化(公差0.1?1.8mm);③按等差數(shù)列增大或減小到一定程度后再按照公差相同或不同的等差數(shù)列減小或增大到原始寬度，由此作為一個循環(huán)周期，然后重復(fù)此變化(公差0.1?1.8mm)；
(2)切割后將壓電陶瓷坯體清洗干凈并晾干，然后向凹槽中澆注基體，澆注完后抽真空去除凹槽中的氣孔，然后常溫固化；
(3)固化后將樣品打磨、去掉底座、拋光、洗凈，然后在上下兩個平行表面涂上電極，即得壓電陶瓷片非均勻周期性排列的2-2型壓電復(fù)合材料。
[0009]上述的制備方法，凹槽寬度可在0.5?2.0mm范圍內(nèi)選擇，優(yōu)選凹槽寬度為0.5mm ；切割間距的最小值不低于0.5mm,最大值為5mm。
[0010]上述的制備方法，切割間距的公差可在0.1?1.8mm范圍內(nèi)選擇。
[0011]上述的制備方法，底座高度為0.3?0.5mm。
[0012]本發(fā)明以壓電陶瓷為功能體，所用壓電陶瓷的選擇范圍可以涵蓋現(xiàn)有的各種類型含鉛或無鉛壓電陶瓷材料，將壓電陶瓷塊經(jīng)過極化處理，即可使用。
[0013]本發(fā)明以水泥或者水泥/聚合物為基體，優(yōu)選以水泥與聚合物的混合物為基體，其中水泥和聚合物的質(zhì)量比為(0.5?1.5):1，聚合物可選用環(huán)氧樹脂、聚氨酯、硅橡膠等有機材料，水泥材料可選用硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、高鋁水泥、磷酸鹽水泥等水泥材料。
[0014]在切割過程中不將整個陶瓷塊切透，留下一個底座，底座高度不小于0.3mm,從而防止陶瓷片的散落破損。
[0015]切割完畢后，用超聲波清洗機對切割后的陶瓷坯體進行清洗，然后用丙酮、乙醇等有機溶劑對切割后的陶瓷塊再次進行清洗，以去除其中殘留的陶瓷殘渣，減小其對復(fù)合材料性能的影響。將清洗后的壓電陶瓷坯體固定于模具中，將基體灌注于切割凹槽中，然后放置于真空箱進行再次抽真空處理去除殘留在凹槽中的氣孔。澆注后的樣品置于室內(nèi)放置48小時進行固化。
[0016]本發(fā)明轉(zhuǎn)變了常規(guī)的壓電復(fù)合材料的制備思路，將壓電陶瓷片與基體均勻分布變?yōu)閴弘娞沾善蔷鶆蛑芷谛苑植?，得到壓電陶瓷片非均勻周期性排列?-2型壓電復(fù)合材料。通過壓電陶瓷片的排列方式，使得壓電陶瓷沿一定的方向(長度或?qū)挾?呈特定分布，那么復(fù)合材料整體的壓電、介電常數(shù)及機電性能參數(shù)等皆會隨著該方向呈類似分布，從而有效的避免了橫向結(jié)構(gòu)模的干擾，從而達到控制輻射聲場的目的。此外，壓電陶瓷片非均勻性變化也會使得材料本身的縱波聲速呈非均勻性變化，從而使得這種非均勻周期的壓電復(fù)合材料的頻帶寬度也要比均勻壓電復(fù)合材料的寬。
[0017]【專利附圖】

【附圖說明】
圖1為實施例1所制壓電陶瓷片非均勻周期性排列的2-2型水泥聚合物基壓電復(fù)合材料的平面結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為實施例2所制壓電陶瓷片非均勻周期性排列的2-2型水泥聚合物基壓電復(fù)合材料的平面結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為實施例3所制壓電陶瓷片非均勻周期性排列的2-2型水泥聚合物基壓電復(fù)合材料的平面結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為實施例1-3所制壓電陶瓷片非均勻周期性排列的2-2型水泥聚合物基壓電復(fù)合材料和壓電陶瓷片均勻周期性排列的2-2型水泥聚合物基壓電復(fù)合材料的阻抗-頻率譜圖，a為壓電陶瓷片均勻周期排列產(chǎn)品，b為實施例1產(chǎn)品，c為實施例2產(chǎn)品，d為實施例3產(chǎn)品。
[0018]【具體實施方式】
下面通過具體實施例對本發(fā)明進行進一步的說明和闡述。
[0019]實施例1
采用PZT-4型壓電陶瓷為功能體，普通硅酸鹽水泥和E51型環(huán)氧樹脂的混合物作為基體，采用切割-澆注工藝制備壓電陶瓷片非均勻周期排列的2-2型水泥聚合物基壓電復(fù)合材料，壓電復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，制備過程如下:
(1)ΡΖΤ-4壓電陶瓷塊的尺寸為長度X寬度X厚度=25mmXllmmXllmm;
(2)采用金剛石外圓下切割機在在垂直于壓電陶瓷極化軸的面上，沿著壓電陶瓷的寬度方向垂直切割系列凹槽，凹槽寬度0.5mm,切割間距依次為1.00mm, 1.10mm, 1.20mm,1.30mm, 1.40mm, 1.50mm, 1.60mm, 1.70mm, 1.80mm, 1.90mm, 2.00mm,切割過程中不將整個陶瓷塊切透，留下一個底座，底座高度0.5mm ；
(3)用超聲波清洗機對切割后的陶瓷坯體進行清洗2小時，然后用丙酮溶劑對陶瓷塊進行再次清洗，以去除其中殘留的陶瓷殘渣；
(4)將普通硅酸鹽水泥和環(huán)氧樹脂按照質(zhì)量比1:1進行混合，經(jīng)均勻攪拌后進行抽真空處理，將抽真空處理后的水泥環(huán)氧樹脂的混合物灌注于切割凹槽中，然后再次進行抽真空處理去除殘留在凹槽中的氣孔；
(5)將澆注后的坯體置于室內(nèi)，常溫放置48小時進行固化；
(6)分別采用細度為W20和WlO的白剛玉微粉將固化后的試樣的上下兩個平行表面分別進行粗磨和細磨處理，然后用丙酮清洗試樣表面，晾干后在兩表面均勻地涂抹薄層低溫銀導(dǎo)電漿料，即得壓電陶瓷片非均勻周期排列的2-2型壓電復(fù)合材料，厚度為7.00_。
[0020]該壓電陶瓷片非均勻周期排列的2-2型壓電復(fù)合材料的阻抗-頻率譜圖如圖4b所示，由圖可以看出，與壓電陶瓷片均勻周期排列的壓電復(fù)合材料的阻抗-頻率譜圖(如圖4a)相比，其橫向結(jié)構(gòu)模耦合干擾減弱，厚度模帶寬增大，其6dB帶寬為15.9kHz，而壓電陶瓷片均勻周期排列的2-2型壓電復(fù)合材料的6dB帶寬為6.9kHz。
[0021]實施例2
采用PZT-4型壓電陶瓷為功能體，普通硅酸鹽水泥和E51型環(huán)氧樹脂的混合物作為基體，采用切割-澆注工藝制備壓電陶瓷片非均勻周期排列的2-2型水泥聚合物基壓電復(fù)合材料，壓電復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，制備過程如下:
(1)ΡΖΤ-4壓電陶瓷塊的尺寸為長度X寬度X厚度=25mmXllmmXllmm;
(2)采用金剛石外圓下切割機在在垂直于壓電陶瓷極化軸的面上，沿著壓電陶瓷的寬度方向垂直切割系列凹槽，凹槽寬度0.5mm,切割間距依次為1.00mm, 1.22mm, 1.44mm,1.66mm, 1.88mm, 2.10mm, 1.88mm, 1.66mm, 1.44mm, 1.22mm, 1.00mm,切割過程中不將整個陶瓷塊切透，留下一個底座，底座高度0.5mm ；
(3)用超聲波清洗機對切割后的陶瓷坯體進行清洗2小時，然后用丙酮溶劑對陶瓷塊進行再次清洗，以去除其中殘留的陶瓷殘渣；
(4)將普通硅酸鹽水泥和環(huán)氧樹脂按照質(zhì)量比1:1進行混合，經(jīng)均勻攪拌后進行抽真空處理，將抽真空處理后的水泥環(huán)氧樹脂的混合物灌注于切割凹槽中，然后再次進行抽真空處理去除殘留在凹槽中的氣孔；
(5)將澆注后的坯體置于室內(nèi)，常溫放置48小時進行固化；
(6)分別采用細度為W20和WlO的白剛玉微粉將固化后的試樣的上下兩個平行表面分別進行粗磨和細磨處理，然后用丙酮清洗試樣表面，晾干后在兩表面均勻地涂抹薄層低溫銀導(dǎo)電漿料，即得壓電陶瓷片非均勻周期排列的2-2型壓電復(fù)合材料，厚度為7.00_。
[0022]該壓電陶瓷片非均勻周期排列的2-2型壓電復(fù)合材料的阻抗-頻率譜圖如圖4c所示，由圖可以看出，與壓電陶瓷片均勻周期排列的壓電復(fù)合材料的阻抗-頻率譜圖(如圖4a)相比，其橫向結(jié)構(gòu)模耦合干擾減弱，厚度模帶寬增大，其6dB帶寬為14.1kHz，而壓電陶瓷片均勻周期排列的2-2型壓電復(fù)合材料的6dB帶寬為6.9kHz。
[0023]實施例3
采用PZT-4型壓電陶瓷為功能體，普通硅酸鹽水泥和E51型環(huán)氧樹脂的混合物作為基體，采用切割-澆注工藝制備壓電陶瓷片非均勻周期排列的2-2型水泥聚合物基壓電復(fù)合材料，壓電復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，制備過程如下:
(1)ΡΖΤ-4壓電陶瓷塊的尺寸為長度X寬度X厚度=25mmXllmmXllmm;
(2)采用金剛石外圓下切割機在在垂直于壓電陶瓷極化軸的面上，沿著壓電陶瓷的寬度方向垂直切割系列凹槽，凹槽寬度0.5mm，切割間距依次為1.00mm, 1.55mm, 2.10mm,1.00mm, 1.55mm, 2.10mm, 1.00mm, 1.55mm, 2.10mm, 1.00mm, 1.55mm,切割過程中不將整個陶瓷塊切透，留下一個底座，底座高度0.5mm ；
(3)用超聲波清洗機對切割后的陶瓷坯體進行清洗2小時，然后用丙酮溶劑對陶瓷塊進行再次清洗，以去除其中殘留的陶瓷殘渣；
(4)將普通硅酸鹽水泥和環(huán)氧樹脂按照質(zhì)量比1:1進行混合，經(jīng)均勻攪拌后進行抽真空處理，將抽真空處理后的水泥環(huán)氧樹脂的混合物灌注于切割凹槽中，然后再次進行抽真空處理去除殘留在凹槽中的氣孔；
(5)將澆注后的坯體置于室內(nèi)，常溫放置48小時進行固化；
(6)分別采用細度為W20和WlO的白剛玉微粉將固化后的試樣的上下兩個平行表面分別進行粗磨和細磨處理，然后用丙酮清洗試樣表面，晾干后在兩表面均勻地涂抹薄層低溫銀導(dǎo)電漿料，即得壓電陶瓷片非均勻周期排列的2-2型壓電復(fù)合材料，厚度為7.00_。
[0024]該壓電陶瓷片非均勻周期排列的2-2型壓電復(fù)合材料的阻抗-頻率譜圖如圖4d所示，由圖可以看出，與壓電陶瓷片均勻周期排列的壓電復(fù)合材料的阻抗-頻率譜圖(如圖4a)相比，其橫向結(jié)構(gòu)模耦合干擾減弱，厚度模帶寬增大，其6dB帶寬為11.7kHz，而壓電陶瓷片均勻周期排列的2-2型壓電復(fù)合材料的6dB帶寬為6.9kHz。
【權(quán)利要求】
1.一種壓電陶瓷片非均勻周期性排列的2-2型壓電復(fù)合材料，其特征是:由壓電陶瓷片、基體及上下電極構(gòu)成，壓電陶瓷的體積百分比為40%~80%，各壓電陶瓷片間的間隔相同，壓電陶瓷片的某一邊長(沿壓電陶瓷塊長度或?qū)挾确较?按下述任一方式變化:①按等差數(shù)列增大或減小(公差0.1~1.8mm);②按等差數(shù)列增大或減小到一定程度后作為一個循環(huán)周期，然后重復(fù)此變化(公差0.1~1.8mm);③按等差數(shù)列增大或減小到一定程度后再按照公差相同或不同的等差數(shù)列減小或增大到原始距離(公差0.1~1.8_)，由此作為一個循環(huán)周期，然后重復(fù)此變化。
2.一種壓電陶瓷片非均勻周期性排列的2-2型壓電復(fù)合材料的制備方法，其特征是包括以下步驟: (1)在垂直于壓電陶瓷塊極化軸的面上，沿著壓電陶瓷塊長度或?qū)挾鹊姆较虼怪鼻懈钚纬梢幌盗邪疾郏疾蹖挾认嗤?，切割時保留底座；切割間距按下列任意一種方式變化--①按等差數(shù)列增大或減小(公差0.1~1.8mm) 按等差數(shù)列增大或減小到一定程度后作為一個循環(huán)周期，然后重復(fù)此變化(公差0.1~1.8mm);③按等差數(shù)列增大或減小到一定程度后再按照公差相同或不同的等差數(shù)列減小或增大到原始寬度，由此作為一個循環(huán)周期，然后重復(fù)此變化(公差0.1~1.8mm)； (2)切割后將壓電陶瓷坯體清洗干凈并晾干，然后向凹槽中澆注基體，澆注完后抽真空去除凹槽中的氣孔，然后常溫固化； (3)固化后將樣品打磨、去掉底座、拋光、洗凈，然后在上下兩個平行表面涂上電極，即得壓電陶瓷片非均勻周期性排列的2-2型壓電復(fù)合材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征是:凹槽寬度可在0.5~2.0mm范圍內(nèi)選擇，優(yōu)選凹槽寬度為0.5mm ;切割間距的最小值不低于0.5mm,最大值為5mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或.3所述的制備方法，其特征是:切割間距的公差可在0.1~1.8mm范圍內(nèi)選擇。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征是:底座高度為0.3~0.5mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電復(fù)合材料，其特征是:以水泥或者水泥與聚合物的混合物作為基體，水泥和聚合物的質(zhì)量比為0.5~1.5:1 ;壓電陶瓷的體積百分比為40%~80%。
【文檔編號】H01L41/18GK103474569SQ201310388100
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月1日
【發(fā)明者】徐東宇, 程新, 黃世峰 申請人:濟南大學(xué)