水泥基压电陶瓷智能复合材料外文翻译资料

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水泥基压电陶瓷智能复合材料

摘要：介绍了近年来水泥基压电功能复合材料的发展情况。在开发中采用了与功能陶瓷有关的两种内部连接模式，即0-3和2-2型。0-3水泥基压电复合材料通过将不同类型的压电陶瓷粉末结合到波特兰水泥基体中而制成。具有0-3连接模式的复合材料表现出稍好的压电性能，并且适合用作智能结构中的传感器。从理论和实验两方面评估了0-3水泥基PZT复合材料的材料性能。而2-2型水泥基压电陶瓷复合材料具有理想的感应和驱动效果。此外，通过MTS系统测试2-2水泥基压电陶瓷复合材料的电-机响应。结果表明，它可以用作土木工程中的自激式执行器。

关键词：复合材料; 水泥; 压电陶瓷; 传感器;执行器

1. 介绍

随着土木工程智能结构的发展，结构的健康监测和结构的主动振动控制正在被提及。在智能结构中，传感器和执行器是用于完成感测和控制功能的重要组件。一般来说，传感器和致动器由所谓的智能材料制成。

在传感器和执行器中使用的技术中，压电已被证明是智能结构中大多数应用的最有效机制之一。而且，压电材料已经引起高度重视。压电材料可以分为三类：压电陶瓷; 压电聚合物; 压电复合材料。压电复合材料在不同的领域均受到重视。一方面，它们作为研究多组分系统中电荷传输和存储容量的材料变得越来越重要；另一方面，各种器件的应用也有了飞速的发展。这种复合材料最著名的应用包括机电换能器。

在土木工程中，水泥基材料-混凝土是最常用的结构材料。但是普通的压电复合材料（如聚合物基压电复合材料）不适用于土木工程应用，因为它们与混凝土的体积稳定性有明显的差异。为了满足土木工程结构的要求，开发了0-3水泥基压电陶瓷复合材料，其中陶瓷相为零维，水泥相为三维。实验结果表明，该复合材料在压电性能和相容性方面都是有效和可行的，可用于制造混凝土结构用水泥基传感器。

表一

为了探索水泥与压电陶瓷相结合的优点，制作和研究了2-2水泥基压电陶瓷复合材料，其中陶瓷和水泥两相都是二维的。 2-2压电复合材料具有理想的直接压电效应和逆压电效应，因此可以用作智能结构中的传感器和执行器。 可以基于这种复合材料制造自我敏感的致动器。 自感知致动器通过使用简单的桥接电路，可以自己感知结构中的机械状态信息，这不仅减少了结构中所需的传感器的数量，而且还可以理论上在感测和致动之间产生理想的配置性能。

1. 水泥基压电陶瓷功能复合材料

体积分数（%）

图1 粒径（mu;m） 图2 0-3水泥基压电材料样品

压电应变常数d₃₃

极化电压43kv/mm，极化时间：30min

图3水泥基陶瓷复合材料和聚合物基陶瓷复合材料的d₃₃对比

2.1 实验

使用不同种类的压电陶瓷粉末（上海科达电子陶瓷有限公司和香港功能陶瓷有限公司）和白色波特比兰水泥（HSL Enterprises Co.Ltd。）来制备0-3型水泥

基压电体复合材料。表1中列出了压电陶瓷，水泥和水泥浆体的性能.PZT-SH陶瓷和白色波特兰水泥的粒度分布通过激光粒度分析仪（LS 230，Coulter Corporation，USA）测量。图1显示PZT陶瓷的平均直径为153 lm，中位数为84 lm，意味着白色波特兰水泥的直径为15 lm，中位数为13 lm。有关制造的详细信息，请参阅我们之前的报告。

图4 压电陶瓷，白水泥，水泥基压电复合材料红外分析图

吸收

波数cm^-1

压电应变因子d₃₃用压电d₃₃测量仪（型号ZJ-3B，由Academia Acoustics of Academia Sinca制造）测量。 用Hewlett Packard阻抗/增益相位分析仪（型号4194A），频率为1 kHz。 整个测试在22℃的温度下进行。

• 1. 0-3水泥基压电陶瓷复合材料的压电性能

0-3型水泥基压电陶瓷复合材料试样（见图2）在160℃硅油浴中极化，在4.3kV / mm电场下工艺需要30min。图3显示了陶瓷/水泥复合材料和陶

PZT体积分数

相对介电常数

图5 不同含量PZT复合材料的介电常数理论值和实际值对比

瓷/聚合物复合材料的压电因子d₃₃对老化的依赖性。可以看出，水泥基PZT复合材料的d₃₃值随着固化时间的延长而提高，然后达到饱和。另一方面，陶瓷/聚合物复合材料呈现相反的趋势。随着老化程序，其d₃₃值降低。陶瓷/水泥复合材料的最终d33值远高于陶瓷/聚合物复合材料。这一有趣的现象表明，陶瓷/水泥复合材料可能具有陶瓷粉末和水泥颗粒之间的耦合效应，并且其效果可以通过红外结果清楚地得到证实（详细情况见图4）。在红外光谱中，复合材料中陶瓷相的水泥基体和结构振动（接近600 cm^-1）的Si-O伸缩振动（接近1037和1140 cm^-1）分别与白色水泥和压电陶瓷中的再次发生明显变化。

压电应变常数

时间

图8 不同压电相含量压电复合材料的d₃₃值

图7 不同压电相水泥基压电复合材料压电应变常数

图6 0-3型水泥基（PZT-SH）复合材料的背散射扫秒电子图像

图9 2-2型水泥基压电复合材料示意图

通过使用阻抗分析仪，可以确定水泥基压电陶瓷复合材料的电容。 获得电容后，可以根据平行板电容器计算相对介电常数：

C=ε_rtimes;εtimes;S/d （1）

其中S是试样的电极面积，d是试样的厚度，ε是真空介电常数（ε= 8.855·10^-12 F / m）。相对介电常数值由式（1）可以看出，随着压电陶瓷含量的增加，ε_r增加。图5中，对于复合材料中PZT-SH含量，绘制了极化30 min

的样品的介电常数。图中，理论预测也是根据不同的模型提供（细节可以在我们以前的论文中看到）。在计算中，假定PZT-SH粒子的极化是饱和的。很明显，实验结果接近立方体模型的理论值，这意味着复合材料中的压电陶瓷颗粒分散良好。这一结论由复合材料SEM图像的结果证实。从扫描电子显微镜（SEM）的背散射图像（图6）可以观察到PZT颗粒的均匀分布。

在相同的极化条件下，不同种类的压电陶瓷会大大影响复合材料的压电性能。作为比较，对具有六种压电陶瓷的样品进行测试，结果如图7 所示。此外，水泥基压电陶瓷复合材料的含量越高，d₃₃值越大（见图8）。可以很容易地理解，作为复合材料中的功能相，较高的PZT陶瓷含量有利于0-3型水泥基PZT陶瓷复合材料的压电性能。以上所有结果表明，0-3水泥基压电陶瓷复合材料为工程应用提供了量身定制的性能。

1. 水泥基压电陶瓷功能复合材料

3.1 实验

2-2水泥基压电陶瓷复合材料的示意图如图9所示。平行压电陶瓷板嵌入水泥基体中。 银涂料涂覆在陶瓷板的侧表面上。 陶瓷板的宽度为17mm，长度为25mm，厚度为0.2mm。陶瓷板在水泥基体中的间距为1.1mm。 陶瓷板阵列位于大小为17·40·40mm的水泥基体的中心（见图10）。 关于制造的细节可以在我们之前的报告中找到。

图10 2-2型水泥基压电复合材料样品

测试系统在图11中示意性地示出。测试系统由MTS机器，信号发生器，线性放大器，示波器和个人计算机组成，用于测试机电行为，包括压电效应和 逆压电效应。电信号由发生器激励并由放大器放大。此外，预装载条件由MTS机器根据程序添加。电气输出可以通过示波器观察，电气和机械数据都保存在PC中。关于测试系统的更详细描述，包括其示意图，可以在我们之前的报告中找到。

图11 压电材料测试系统图例

• 1. 促进效应

图12显示了在电频扫描模式下2-2水泥基压电陶瓷复合材料的机械响应。比较图12（a）-（f），可以发现最大电-机械响应峰值出现在9700Hz附近，并且它不随着不同预载条件而改变。但其他响应峰值变化很大，包括位置和强度。可以认为峰值（接近9700Hz）是2-2水泥基压电陶瓷复合材料的自然电性能。否则，其他峰值会受到严重电气和机械条件的影响（见图12和13）。它有效地证实了我们以前获得的结果。根据这个特性，电气 - 机械关系（这是主动特性的驱动效应，意味着在不同的电输入（电压）下机械响应（应变）变化）最大电气机械响应频率（接近9700赫兹）。结果如图14所示，表明在不同预加载条件下，电压 - 应变曲线可以得到线性关系。随着预加载力的提高，机械响应（应变）随着复合材料界面的减少而变得明显。

图13 在频率扫描模式下不同电压2-2型水泥基压电材料的力学响应

图12 频率扫描模式下不同预载2-2型压电材料的压电响应

3.3传感器效应

符合土木工程的一般应

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