压电纤维及其水泥基复合材料的制备与性能研究

论文摘要

相比单相压电陶瓷,水泥基压电复合材料的压电电压常数大幅提高,制作成的传感器的声阻抗能够调整到与混凝土结构相匹配,这有利于拓宽传感器的使用频率,提高传感器的灵敏度和分辨率。此外,此类复合材料还可以用来制作压电发电装置用来大规模集能发电,是近年来研究的一个热点。但是,目前国内对水泥基压电复合材料传感器的应用研究还不是很多,对以利用压电材料进行大规模集能发电为目的研究更是少见。基于此,本文以土木工程为背景,重点对水泥基压电复合材料的制备工艺进行了研究,并分析了其性能,具体的研究内容如下:（1）采用塑性聚合物法制备了PZT-51压电纤维,研究了烧成制度和泥料中的有机物含量对PZT-51压电纤维结构和性能的影响,研究结果表明,最佳烧成温度为1290oC,保温时间为0.5h,最佳泥料配方为PZT-51:PVA粘结剂:丙三醇的质量比为30:3:1,PVA粘结剂的浓度为8%。（2）采用溶胶-粉末法制备了PZT-51压电纤维,研究了PZT溶胶与PZT-51预烧粉的摩尔比、PZT溶胶中的加酸量和加水量、纤维直径等对纤维性能的影响;并与塑性聚合物发制备压电纤维的方法做了对比。（3）制备了0-3型水泥基压电复合材料,研究了PZT-51陶瓷颗粒粒度、颗粒级配、颗粒形状等对0-3型水泥基压电复合材料压电性、介电性和机电耦合性能的影响。（4）制备了1-3型水泥基压电复合材料,研究了PZT-51压电纤维体积含量对1-3型水泥基复合材料压电性、介电性及机电耦合性能的影响。（5）提出了0-3-1型水泥基压电复合材料的概念并制备0-3-1型水泥基压电复合材料,对比了其与0-3型水泥基压电复合材料性能的差别。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1 章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 压电材料
• 1.3 压电效应及其机理
• 1.4 压电复合材料
• 1.4.1 单相压电材料应用的局限性
• 1.4.2 压电复合材料研究概述
• 1.5 压电陶瓷纤维
• 1.5.1 压电陶瓷纤维简介
• 1.5.2 压电纤维制备方法研究
• 1.6 本课题研究的主要内容
• 第2章 塑性聚合物法制备PZT-51 压电纤维
• 2.1 引言
• 2.2 实验原材料和仪器
• 2.2.1 实验原材料
• 2.2.2 实验仪器
• 2.3 结构与性能表征方法
• 2.3.1 形貌观测
• 2.3.2 热分析
• 2.3.3 物相结构分析
• 2.3.4 压电陶瓷纤维的抗拉强度
• 2.4 PZT-51 陶瓷泥料的制备
• 2.4.1 粘结剂的选择与配制
• 2.4.2 PZT-51 陶瓷泥料的制备工艺
• 2.4.3 温度对泥料挤制性能的影响
• 2.5 PZT-51 压电陶瓷纤维的制备
• 2.5.1 挤制设备设计
• 2.5.2 PZT-51 压电纤维的制备工艺
• 2.6 烧成制度对PZT-51 压电纤维结构影响
• 2.6.1 烧成温度对PZT-51 压电纤维结构的影响
• 2.6.2 保温时间对PZT-51 压电纤维结构的影响
• 2.6.3 烧结气氛对PZT-51 压电纤维结构的影响
• 2.6.4 烧成制度的制定
• 2.7 有机物含量对PZT-51 纤维抗拉伸性能的影响
• 2.7.1 陶瓷固含量对纤维抗拉伸性能的影响
• 2.7.2 粘结剂浓度对纤维抗拉强度的影响
• 2.8 本章小结
• 第3章 溶胶-粉末法制备PZT-51 压电纤维
• 3.1 引言
• 3.2 溶胶制备概述
• 3.3 PZT溶胶的制备
• 3.3.1 原料试剂
• 3.3.2 催化剂和溶剂的选择
• 3.3.3 单体前驱液的混合顺序
• 3.3.4 溶胶的配制过程
• 3.3.5 溶胶的生成机理
• 3.3.6 溶胶浓度的调整及纺丝性能观察
• 3.4 溶胶-粉末法制备PZT-51 压电陶瓷纤维
• 3.4.1 制备PZT压电陶瓷纤维素坯
• 3.4.2 烧结制度的制定
• 3.4.3 溶胶与陶瓷粉的比例的确定
• 3.5 制备工艺对PZT-51 压电纤维的性能的影响
• 3.5.1 加水量对PZT-51 压电纤维性能的影响
• 3.5.2 加酸量对PZT-51 压电纤维性能的影响
• 3.5.3 不同直径纤维的烧结性能对比
• 3.6 两种方法制备出的纤维的性能对比
• 3.6.1 PZT-51 纤维性能对比
• 3.6.2 烧成纤维的XRD物相分析对比
• 3.7 本章小结
• 第4章 水泥基压电复合材料制备及性能分析
• 4.1 引言
• 4.2 性能测试及方法
• 4.2.1 压电应变常数
• 4.2.2 压电电压常数
• 4.2.3 机电耦合系数
• 4.2.4 介电常数
• 4.3 0-3 型水泥基压电复合材料制备与性能研究
• 4.3.1 0-3 型水泥基压电复合材料的制备
• 4.3.2 PZT-51 颗粒粒度对0-3 型水泥基压电复合材料的性能的影响
• 4.3.3 PZT-51 压电陶瓷颗粒级配对复合材料性能的影响
• 4.3.4 PZT-51 颗粒形状对复合材料性能的影响
• 4.4 PZT-51 体积分数对1-3 型水泥基压电复合材料性能的影响
• 4.4.1 1-3 型水泥基压电复合材料的制备
• 4.4.2 1-3 型水泥基压电复合材料的密度
• 4.4.3 PZT-51 体积分数对压电常数的影响
• 4.4.4 PZT-51 体积分数对介电常数的影响
• 4.4.5 PZT-51 体积分数对机电耦合性能的影响
• 4.4.6 PZT-51 体积分数对复合材料的声阻抗的影响
• 4.5 0-3-1 型水泥基压电复合材料制备与性能研究
• 4.5.1 0-3-1 型压电复合材料的制备
• 4.5.2 0-3-1 型压电复合材料的压电与介电性能
• 4.5.3 0-3-1 型压电复合材料的机电耦合性能
• 4.5.4 0-3-1 型压电复合材料的声阻抗
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢