[發(fā)明專(zhuān)利]一種3-3型PVDF/水泥壓電復(fù)合材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011027283.0
• 申請(qǐng)日: 2020-09-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112125696B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-08-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉煒;董英鴿;曹玉;陰建能;王建宏
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中北大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C04B38/06
• 分類(lèi)號(hào): C04B38/06;C04B35/491;C04B35/499;C04B35/468;C04B35/622;C04B35/634;C04B35/638
• 代理公司: 太原華弈知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 14108
• 代理人: 李毅

本發(fā)明涉及一種3?3型PVDF/水泥壓電復(fù)合材料，是以3?3型多孔壓電陶瓷骨架為功能體，在其孔隙中澆注水泥漿料形成基體，并在水泥基體與多孔壓電陶瓷骨架結(jié)合處的孔隙及多孔壓電陶瓷骨架內(nèi)部的微米級(jí)孔隙內(nèi)填充具有壓電性的PVDF構(gòu)成。本發(fā)明的3?3型PVDF/水泥壓電復(fù)合材料致密度高，可以阻止在微米級(jí)孔隙和水泥壓電相結(jié)合處形成漏電流，減少空間電荷極化對(duì)材料耐電強(qiáng)度的影響，壓電性能優(yōu)良，穩(wěn)定性和靈敏度高，且與混凝土結(jié)構(gòu)相容性好、耐久性強(qiáng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于水泥基壓電智能復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及3-3型水泥壓電復(fù)合材料，特別是涉及一種利用PVDF進(jìn)行加強(qiáng)的3-3型水泥壓電復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)

土木工程結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，受過(guò)度使用、超載、環(huán)境侵蝕等因素的影響，容易隨時(shí)間推移產(chǎn)生缺陷而劣化。因此，通過(guò)采用土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)診斷缺陷（裂紋、銹蝕等）的位置和損壞程度，可以使結(jié)構(gòu)得到及時(shí)修復(fù)和加固，從而確保其的完整性和安全性。

水泥基壓電智能復(fù)合材料以水泥材料作為基體，壓電陶瓷材料作為功能體，一方面利用壓電陶瓷的機(jī)電耦合特性，產(chǎn)生環(huán)境激勵(lì)信號(hào)和結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)，可以監(jiān)測(cè)檢查結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力和應(yīng)變的分布情況，另一方面利用水泥材料與混凝土結(jié)構(gòu)材料較好的界面粘結(jié)強(qiáng)度和聲阻抗匹配性，在土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中有著巨大的應(yīng)用潛力。

根據(jù)陶瓷相與基體相的不同聯(lián)通方式，水泥基壓電智能復(fù)合材料一般可以分為十種基本類(lèi)型，即0-0、0-1、0-2、0-3、1-1、1-2、1-3、2-2、2-3、3-3型，前面的一個(gè)數(shù)字指壓電陶瓷相的聯(lián)通方式，后面的一個(gè)數(shù)字指基體相的聯(lián)通方式。其中，3-3型水泥壓電復(fù)合材料的壓電陶瓷相處于三維聯(lián)通狀態(tài)，非常有利于提高壓電復(fù)合材料的極化效率，實(shí)現(xiàn)飽和極化，有效提高復(fù)合材料的壓電性能和機(jī)電耦合性能。

CN 105552212A公開(kāi)了一種3-3型壓電陶瓷/水泥壓電復(fù)合材料及其制備方法，其以顆粒穩(wěn)泡技術(shù)和凝膠注模成型工藝相結(jié)合，先制備3-3型多孔壓電陶瓷，再以壓電陶瓷為基體澆注水泥漿料。該壓電復(fù)合材料中，多孔壓電陶瓷的孔隙率和孔徑分布集中，而且不易控制，難以根據(jù)不同使用環(huán)境任意調(diào)節(jié)其性能。

CN 111187073A則是采用3D打印技術(shù)打印用于注射多孔壓電陶瓷骨架結(jié)構(gòu)的空腔犧牲模板，注入陶瓷漿料并固化成型，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)除去空腔犧牲模板得到多孔壓電陶瓷骨架結(jié)構(gòu)，澆注水泥漿體得到3-3型壓電陶瓷/水泥復(fù)合材料。但是，水泥漿料在澆注過(guò)程中難以填充多孔壓電陶瓷內(nèi)部的微米級(jí)孔隙，以及在水泥壓電相結(jié)合處產(chǎn)生新的孔隙，這都將導(dǎo)致壓電復(fù)合材料在極化或使用時(shí)，材料內(nèi)部的氣孔出現(xiàn)空間電荷極化而擊穿破壞，使材料的耐電強(qiáng)度顯著降低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種3-3型PVDF/水泥壓電復(fù)合材料，該水泥壓電復(fù)合材料不僅壓電性能優(yōu)良，穩(wěn)定性和靈敏度高，而且與混凝土結(jié)構(gòu)的相容性好、耐久性強(qiáng)。

提供所述3-3型PVDF/水泥壓電復(fù)合材料的制備方法，是本發(fā)明的另一發(fā)明目的。

本發(fā)明所述的3-3型PVDF/水泥壓電復(fù)合材料是以3-3型多孔壓電陶瓷骨架作為功能體，向所述多孔壓電陶瓷骨架功能體的孔隙中澆注水泥漿料形成基體，并在水泥基體與多孔壓電陶瓷骨架結(jié)合處的孔隙以及多孔壓電陶瓷骨架內(nèi)部的微米級(jí)孔隙內(nèi)填充具有壓電性的聚偏氟乙烯(PVDF)，所構(gòu)成的3-3型PVDF/水泥壓電復(fù)合材料。

其中，優(yōu)選地，所述的3-3型多孔壓電陶瓷骨架是采用顆粒穩(wěn)泡法結(jié)合溫度誘導(dǎo)絮凝成型工藝，在陶瓷漿料中加入分散劑和發(fā)泡劑得到陶瓷泡沫漿料，低溫下使分散劑的分散功能失效，陶瓷泡沫漿料固化成型，冷凍干燥去除溶劑、升溫除去分散劑后，高溫?zé)Y(jié)得到的具有高孔隙率的多孔壓電陶瓷。

進(jìn)一步地，本發(fā)明是采用下述制備方法，制備得到所述3-3型PVDF/水泥壓電復(fù)合材料的。

1）在有機(jī)溶劑中加入壓電陶瓷粉體和分散劑進(jìn)行混合球磨，得到分散均勻的陶瓷漿料。