碳纳米管/锆钛酸铅/水泥压电复合材料及其制备方法 |
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| 申请号 | CN200910020659.2 | 申请日 | 2009-04-16 | 公开(公告)号 | CN101531490B | 公开(公告)日 | 2010-10-06 |
| 申请人 | 山东大学; | 发明人 | 龚红宇; 张玉军; 李宗津; 李爱菊; 全静; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种 土木工程 传感器 用的 碳 纳米管 /锆 钛 酸铅/ 水 泥压电 复合材料 及其制备方法。该压电复合材料由 碳纳米管 、锆钛酸铅及 水泥 组成。制备方法为：均匀混合碳纳米管、锆钛酸铅粉体及水泥粉体，加水后成型，然后水化、干燥。所得材料经极化、老化后即可用于制备土木工程传感器。本发明的压电复合材料具有良好的压电响应。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种碳纳米管/锆钛酸铅/水泥压电复合材料，由碳纳米管、锆钛酸铅及水泥组成，是按以下步骤制备的： |
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| 说明书全文 | 碳纳米管/锆钛酸铅/水泥压电复合材料及其制备方法技术领域背景技术[0002] 近年来，锆钛酸铅陶瓷/水泥压电复合材料的研究逐渐引起人们的关注。该种复合材料将锆钛酸铅压电陶瓷粉体与水泥进行复合，通过调整两者的相对组分，可以得到与建筑混凝土结构声阻抗相匹配的压电复合材料，可作为传感元件埋置在土木结构中，对其内部缺陷做即时检测。在该复合材料中，具有压电性能的锆钛酸铅相在水泥中呈弥散分布，由于水泥为绝缘体，使分散在其中的压电相难以极化，同时也阻碍了压电相所产生电荷的传递，降低了锆钛酸铅压电相颗粒之间的连通性，使复合材料的压电响应较低。CN101054278A(200710014518.0)公开了一种碳增效锆钛酸铅/水泥压电复合材料及其制备方法，通过用碳黑改善水泥基体的电导性方法，改善了水泥基复合材料的压电性能。但与目前的实际需求相比该种水泥基压电复合材料的压电响应依然较低，在实际应用中存在着信号响应小、信躁比高的缺点。 发明内容[0003] 本发明针对现有技术的不足，提供一种压电响应性高的碳纳米管/锆钛酸铅/水泥压电复合材料的制备方法。 [0004] 一种碳纳米管/锆钛酸铅/水泥压电复合材料，由碳纳米管、锆钛酸铅及水泥组成，是按以下方法制得的，原料用量均为重量份： [0005] (1)将55～80份锆钛酸铅与20～45份水泥干法混合均匀，再加入0.1～0.6份的碳纳米管，以丙酮作助磨剂，球磨混合30-50分钟后，干燥使丙酮挥发，得混合粉体。 [0006] (2)向步骤(1)所得的混合粉体中加水，加水量为混合粉体重量的5-7％，均匀混合，压制成圆片状，放入湿度100％的环境中水化20-24小时后，干燥即得。 [0007] 本发明的碳纳米管/锆钛酸铅/水泥压电复合材料可用于制备用于土木工程中的混凝土建筑结构的传感器。应用产品可按以下方法制备： [0008] 将步骤(2)所得的干燥的片体两面涂银电极，室温下在硅油中用高压直流电源极化，老化后即得到一种用碳纳米管/锆钛酸铅/水泥压电复合材料制备的应用产品，该产品可用于土木工程中的混凝土建筑结构的传感元件的制备。 [0009] 本发明方法中所用的原料优选如下： [0010] 锆钛酸铅为球磨法获得的粉体，平均粒度为115微米。将市售的锆钛酸铅陶瓷片在球磨机中球磨后获得。 [0011] 所述的碳纳米管的平均直径为60～100纳米，长径比大于100，可市场购得。 [0012] 与现有技术相比，本发明的技术特点是：1、本发明将碳纳米管与锆钛酸铅陶瓷及水泥复合，意外第发现所制备的复合材料的压电响应有显著提高，压电常数(pC/N)比现有产品提高1-3倍；经研究发现由于碳纳米管不仅具有优良导电性，而且具有一定的长径比，因此碳纳米管易于在水泥基体中相互连接形成导电通道，从而使水泥基体的导电性显著改善，使水泥基压电复合材料在室温下进行极化，提高了内部锆钛酸铅陶瓷颗粒的极化效率，从而使复合材料的压电响应有显著提高。本发明碳纳米管/锆钛酸铅/水泥压电复合材料及其制备方法迄今未见报道。2、本发明以丙酮作助磨剂，与使用乙醇相比丙酮具有更快的挥发速度，可提高混合原料粉体的干燥速度，从而提高复合材料的制备效率。 [0013] 该压电复合材料与被检测的建筑工程的混凝土主体材料有很好的界面及阻抗匹配性，是一种性能优良的传感器材料。 具体实施方式[0014] 下面结合实施例对本发明做进一步说明，如无特别说明，均为重量份或重量百分比。实施例中所用的锆钛酸铅粉体的平均粒度为115微米，是将市售锆钛酸铅陶瓷片在球磨机中球磨5小时后得到的。所用的碳纳米管的平均直径为60～100纳米，长径比大于100，深圳纳米港公司产品。 [0015] 实施例1： [0016] 一种碳纳米管/锆钛酸铅/水泥压电复合材料，组分如下，均为重量份： [0017] 锆钛酸铅 70份， [0018] 水泥 30份， [0019] 碳纳米管 0.3份。 [0020] 碳纳米管/锆钛酸铅/水泥压电复合材料的制备方法，步骤如下： [0021] (1)将70份锆钛酸铅与30份水泥干法混合均匀，加入0.3份碳纳米管，以丙酮作助磨剂，球磨混合30分钟后，干燥使丙酮挥发，得混合粉体。 [0022] (2)向步骤(1)所得的混合粉体中加水，加水量为混合粉体重量的5％，均匀混合，将混合料在100MPa压力下压制成圆片状，放入湿度100％的环境中水化24小时后，干燥。 [0023] 干燥后，圆片两面涂银电极，在7kV的直流电压下在硅油中极化30分钟。将极化后的圆片包覆锡箔，在60℃中放置12小时老化。所得到的碳纳米管/锆钛酸铅/水泥压电复合材料的介电常数为113，压电常数为74.5pC/N，机电耦合系数为12％，介电损耗为0.38。 [0024] 实施例2： [0025] 一种碳纳米管/锆钛酸铅/水泥压电复合材料，组分如下，均为重量份： [0026] 锆钛酸铅 70份， [0027] 水泥 30份， [0028] 碳纳米管 0.5份。 [0029] 碳纳米管/锆钛酸铅/水泥压电复合材料的制备方法，步骤如下： [0030] (1)将80份锆钛酸铅与20份水泥干法混合均匀，加入0.5份碳纳米管，以丙酮作助磨剂，球磨混合30分钟后，干燥使丙酮挥发，得混合粉体。 [0031] (2)向步骤(1)所得的混合粉体中加水，加水量为混合粉体重量的6％，均匀混合，将混合料在100MPa压力下压制成圆片状，放入湿度100％的环境中水化24小时后，干燥。 [0032] 干燥后，圆片两面涂银电极，在6.5kV的直流电压下在硅油中极化30分钟，极化温度为室温。将极化后的圆片包覆锡箔，在60℃中放置12小时老化。所得到的碳纳米管/锆 |
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