论文题目: 水泥基压电复合材料的制备及其性能研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 材料学
作者: 黄世峰
导师: 程新
关键词: 水泥基压电复合材料,硫铝酸盐水泥,压电性能,介电性能,水泥水化龄期,力电效应
文献来源: 武汉理工大学
发表年度: 2005
论文摘要: 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,并初步进行了水泥基压电复合材料的应用研究。 研究了极化条件对0-3型水泥基压电复合材料压电性能的影响,结果表明,对硫铝酸盐水泥基压电复合材料来说,最佳极化工艺参数为:极化电场强度为4kV/mm;极化时间为30min;极化温度应在80C～100℃之间。 系统研究了压电陶瓷含量、粒度和水泥基体对0-3型水泥基压电复合材料压电性能和介电性能的影响规律,结果表明,随着PLN含量的增加,压电应变常数d33和压电电压常数g33、介电常数εr和介电损耗tgδ、机电耦合系数Kp和Kt、剩余极化强度Pr和矫顽电场强度Ec均增大,而机械品质因数Qm则在19～50之间波动。只有当PLN含量超过70%时,水泥基压电复合材料才显示出较好的压电性能;随着PLN粒度的增大,压电常数d33和g33、机电耦合系数Kp和Kt与剩余极化强度Pr和矫顽电场强度Ec均随之增大。当PLN粒度大于1001μm时,d33和g33值几乎不受PLN粒度的影响;以硫铝酸盐水泥为基体的压电复合材料的压电性能明显高于以普通硅酸盐水泥为基体的压电复合材料的压电性能,而介电性能则恰恰相反,这主要是由于硫铝酸盐水泥无论是早期的力学性能还是后期的力学性能均优于普通硅酸盐水泥的,与陶瓷颗粒的结合更为致密的缘故。在PLN陶瓷含量相同的条件下,前者的Kp和Kt值随PLN含量的增加均呈增大趋势,而后者的Kp和Kt值则呈减少趋势,且波动较大;随着频率的增大,两种不同基体的压电复合材料的极化机制基本相同,即在低频段,均以界面极化为主,高频时呈现良好的介电频率稳定性。 介频谱和介温谱分析结果表明,在40～100kHz频率范围内,0-3型水泥基压电复合材料的介电常数均随频率的增大而迅速降低,这主要受水泥基体内的各种极化和复合材料中的界面极化所影响。高频时,介电常数变化较小,损耗较低,表明水泥基压电复合材料的高频稳定性较好;在-40C～150℃之间,水
论文目录:
第1章 绪论
1.1 压电效应
1.2 压电复合材料的研究进展
1.2.1 0-3型压电复合材料
1.2.2 1-3型压电复合材料
1.3 水泥基智能和机敏复合材料的研究概况
1.3.1 水泥基压电复合材料
1.3.2 材料应力、应变和损伤自检测水泥基复合材料
1.3.3 温度自测水泥基复合材料
1.3.4 自动调节环境湿度的水泥基复合材料
1.3.5 仿生自愈伤水泥基复合材料
1.3.6 仿生自生水泥基复合材料
1.4 土木工程领域中智能材料存在的主要问题
1.5 选题背景
1.6 主要研究内容
第2章 0-3型水泥基压电复合材料的制备及其极化工艺研究
2.1 概述
2.2 实验
2.2.1 原料
2.2.2 试样制备
2.3 性能测试及方法
2.3.1 压电常数
2.3.2 机电耦合系数
2.3.3 机械品质因数
2.3.4 介电常数
2.3.5 介电损耗
2.3.6 物相分析及结构观察
2.4 极化工艺参数确定
2.4.1 极化温度对压电性能的影响
2.4.2 极化电场强度对压电性能的影响
2.4.3 极化时间对压电性能的影响
2.4.4 显微结构对极化效果的影响
2.5 小结
第3章 组成及颗粒粒度对0-3型水泥基压电复合材料性能的影响
3.1 概述
3.2 压电陶瓷含量对复合材料性能的影响
3.2.1 PLN含量对压电常数的影响
3.2.2 PLN含量对机电祸合系数的影响
3.2.3 PLN含量对介电常数和介电损耗的影响
3.2.4 介电频率特性
3.2.5 介电温度特性
3.2.6 铁电性能
3.3 压电陶瓷颗粒粒度对复合材料性能的影响
3.3.1 PLN粒度对压电常数的影响
3.3.2 PLN粒度对机电耦合系数的影响
3.3.3 PLN粒度对介电常数和介电损耗的影响
3.3.4 介电温度特性
3.3.5 PLN粒度对铁电性能的影响
3.4 不同的水泥基体对复合材料性能的影响
3.4.1 不同的水泥基体对压电常数的影响
3.4.2 不同的水泥基体对机电祸合系数的影响
3.4.3 不同的水泥基体对介电常数和介电损耗的影响
3.4.4 介电频率特性
3.5 小结
第4章 水泥水化及其环境对0-3型水泥基压电复合材料性能的影响
4.1 概述
4.2 水化龄期对复合材料性能的影响
4.2.1 硫铝酸盐水泥的水化
4.2.2 水化龄期对压电应变常数的影响
4.2.3 水化龄期对机电祸合系数的影响
4.2.4 水化龄期对介电常数和介电损耗的影响
4.2.5 介电频率特性
4.2.6 XRD分析
4.2.7 SEM分析
4.2.8 孔隙率分析
4.3 环境湿度对复合材料性能的影响
4.3.1 湿度对压电性能的影响
4.3.2 湿度对介电性能的影响
4.3.3 介电频率特性
4.4 小结
第5章 1-3型水泥基压电复合材料的制备及其性能研究
5.1 概述
5.2 1-3压电复合材料的理论
5.3 实验
5.3.1 原料
5.3.2 试样制备
5.4 1-3型水泥基压电复合材料的密度
5.5 压电陶瓷体积分数对复合材料压电性能的影响
5.5.1 PMN体积分数对压电常数的影响
5.5.2 PMN体积分数对机电耦合系数的影响
5.6 压电陶瓷体积分数对复合材料介电性能的影响
5.6.1 PMN体积分数对介电常数的影响
5.6.2 介电频率特性
5.6.3 介电温度特性
5.7 压电陶瓷柱的宽厚比w/t对复合材料性能的影响
5.7.1 PMN陶瓷柱的w/t对压电性能的影响
5.7.2 PMN陶瓷柱的w/t对介电性能的影响
5.7.3 PMN陶瓷柱的w/t对声阻抗Z的影响
5.8 铁电性能
5.9 小结
第6章 水泥基压电复合材料的应用
6.1 概述
6.2 信号测量放大器及数据采集系统
6.2.1 信号测量放大器
6.2.2 数据采集系统
6.3 水泥基压电复合材料的力电效应
6.3.1 单轴受压
6.3.2 循环荷载
6.4 小结
第7章 结论与展望
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及获得的成果
致谢
发布时间: 2005-10-11
参考文献
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