纳米碳黑/纳米锆钛酸铅/水泥压电复合材料及其制备方法.pdf

本发明涉及一种纳米碳黑/纳米锆钛酸铅/水泥压电复合材料及其制备方法。该压电复合材料由纳米锆钛酸铅、纳米碳黑及水泥组成。复合材料的制备方法为：均匀混合纳米锆钛酸铅粉体、纳米碳黑粉体、水泥粉体及水，将混合物压制成圆片状，然后进行水化、干燥。该材料经极化、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优良的压电响应性。

1、  一种纳米碳黑/纳米锆钛酸铅/水泥压电复合材料，组分为：纳米锆钛酸铅为55～90份，水泥为10～45份，纳米碳黑为0.1～0.5份，均为质量份；是按以下方法制备的：
(1)纳米锆钛酸铅粉体的制备
以醋酸铅、正丙醇锆、异丙醇钛为原料，原料配比中铅、锆、钛的原子比为1：0.52-0.56：0.48-0.44，先将醋酸铅溶于醋酸中，在105-110℃下加热回流1-1.5小时后加入正丙醇锆继续回流2小时，再加入异丙醇钛回流2小时，然后加入原料总质量10-20％去离子水，在同样温度下回流1-2小时，可得到透明溶胶，干燥后，在800-850℃下煅烧2-5小时可得到纳米锆钛酸铅粉体；
(2)将步骤(1)制备的纳米锆钛酸铅粉体55～90份、水泥10～45份与纳米碳黑0.1～0.5份在丙酮中均匀混合得混合粉体，干燥后，按混合粉体质量的5-7％加水，混匀；
(3)将步骤(2)制得的混合料压制成圆片状，放入湿度100％的环境中水化20-24小时后，干燥。

2、  权利要求1的纳米碳黑/纳米锆钛酸铅/水泥压电复合材料的应用，用于土木工程中混凝土建筑结构的传感器的制备。

3、  如权利要求2所述的纳米碳黑/纳米锆钛酸铅/水泥压电复合材料的应用，其特征是将纳米碳黑/纳米锆钛酸铅/水泥压电复合材料片体两面涂银电极，在硅油中用高压直流电源极化并老化。

纳米碳黑/纳米锆钛酸铅/水泥压电复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种土木工程传感器用的纳米碳黑/纳米锆钛酸铅/水泥压电复合材料及其制备方法，属于功能复合材料技术领域。
背景技术
锆钛酸铅系压电陶瓷是迄今应用最为广泛的压电材料，具有介电常数高、压电响应大、机电耦合系数高等优点，广泛用作压电驱动器、压电超声换能器及压电感应器等传感器件。但当这些传感器用于测试以混凝土材料为主体的建筑结构时，由于用作传感器的压电陶瓷材料与被检测的混凝土主体材料的界面及声阻抗的不匹配，使压电传感器发出或接受的信号易于在传感器与混凝土界面上反射，导致信号衰减或虚假信号的产生，影响检测的精度。目前采用球磨锆钛酸铅粉体与水泥粉体复合可制得水泥压电复合材料，尽管复合材料的声阻抗与混凝土材料有良好的匹配性，但由于球磨得到的锆钛酸铅粉体的粒径较大，压电相锆钛酸铅粉体之间的连通性差，使其压电响应较低。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，提高了含有球磨微米锆钛酸铅粉体的水泥基压电复合材料的极化性，对水泥基复合材料的压电响应也有较大改善。但目前水泥基压电复合材料的压电响应依然较低，无法满足实际应用的要求。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种压电响应性高的纳米碳黑/纳米锆钛酸铅/水泥压电复合材料及其制备方法，该材料适合用于制备土木工程中的混凝土建筑结构的传感器件。
一种纳米碳黑/纳米锆钛酸铅/水泥压电复合材料，组分为：纳米锆钛酸铅为55～90份，水泥为10～45份，纳米碳黑为0.1～0.5份，均为质量份，是按以下方法制备的：
(1)纳米锆钛酸铅粉体的制备
以醋酸铅、正丙醇锆、异丙醇钛为原料，原料配比中铅、锆、钛的原子比为1：0.52-0.56：0.48-0.44，先将醋酸铅溶于醋酸中，在105-110℃下加热回流1-1.5小时后加入正丙醇锆继续回流2小时，再加入异丙醇钛回流2小时，然后加入原料总质量10-20％去离子水，在同样温度下回流1-2小时，可得到透明溶胶，干燥后，在800-850℃下煅烧2-5小时可得到纳米锆钛酸铅粉体；
(2)将步骤(1)制备的纳米锆钛酸铅粉体55～90份、水泥10～45份与纳米碳黑0.1～0.5份在丙酮中均匀混合得混合粉体，干燥后，按混合粉体质量的5-7％加水，混匀；
(3)将步骤(2)制得的混合料压制成圆片状，放入湿度100％的环境中水化20-24小时后，干燥。
步骤(1)所得的锆钛酸铅纳米粉体原始粒径为50～60nm，软团聚粒径为200～250nm。
所述的纳米碳黑平均粒度为60-80nm，可市场购得。
本发明的纳米碳黑/纳米锆钛酸铅/水泥压电复合材料可用于制备检测土木工程中的混凝土建筑结构的传感器。具体应用产品按以下方法制备：
将上述步骤(3)所得的干燥的片体两面涂银电极，在硅油中用高压直流电源极化，老化后即得。
与现有技术相比，本发明的技术特点是：本发明利用锆钛酸铅陶瓷具有优良的压电效应，将纳米级的锆钛酸铅粉体与水泥粉体复合。由于选用的锆钛酸铅纳米粉体结晶度好，粒径小，与机械球磨制备的微米级粉体相比，在水泥基体中加入相同体积份数时，压电颗粒之间有更接近的距离，即纳米粉体的之间有更好的连通性。由于纳米碳粉有良好的导电性，加入后可有效改善水泥基体的导电性，可使复合材料在室温下极化，提高了复合材料的极化效率，同时纳米碳粉的加入增强了电子在锆钛酸铅压电陶瓷颗粒之间的传导。通过纳米锆钛酸铅以及纳米碳粉的共同作用，水泥基压电复合材料的压电响应有显著提高。与纳米碳粉/微米/水泥压电复合材料相比，纳米碳黑/纳米锆钛酸铅/水泥复合材料的压电常数值增加了30-55％，同时，该复合材料以水泥为基体，与被检测的土木工程的混凝土主体材料有很好的界面及阻抗匹配性，是一种优良的传感器材料。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，如无特别说明，均为质量百分比。
实施例1：纳米碳黑/纳米锆钛酸铅/水泥压电复合材料，组分为：纳米锆钛酸铅为77.6份，水泥为22份，纳米碳黑为0.4份，均为质量份。所述的纳米碳黑的平均粒径为65纳米。制备方法，步骤如下：
(1)以醋酸铅、正丙醇锆、异丙醇钛为原料，其中原料配比中铅、锆、钛的原子比为1：0.52：0.48。先将醋酸铅溶于醋酸中，在105℃下加热回流1.5小时后加入正丙醇锆继续回流2小时，再加入异丙醇钛回流2小时，然后加入15％wt(基于原料总量)去离子水，在同样温度下回流1小时，可得到透明溶胶，干燥后，在850℃下煅烧可得到纳米锆钛酸铅粉体，原始粒径为60nm，软团聚粒径为250nm。
(2)将纳米锆钛酸铅、纳米碳黑与水泥于球磨机中混磨10分钟，研磨介质为丙酮，将混磨后的混合粉体干燥后，按混合粉体质量的6％加水，混合均匀。
(3)将步骤(1)的混合料在100MPa压力下压制成圆片状，放入湿度100％的环境中水化22小时后，干燥。
干燥后，圆片两面涂银电极，在7.5kV的直流电压下在硅油中室温极化30分钟。将极化后的圆片包覆锡箔，在60℃中放置12小时老化。所得到的纳米锆钛酸铅/水泥复合材料制备的产品，介电常数为136，压电常数为36.5pC/N，机电耦合系数为11％。可用于土木工程中的混凝土建筑结构的传感器的制备。
实施例2：
一种纳米碳黑/纳米锆钛酸铅/水泥压电复合材料，组分为：纳米锆钛酸铅为69.7份，纳米碳黑为0.3份，水泥为30份，均为质量份。所述的锆钛酸铅纳米粉体制备方法同实施例1。所述的纳米碳黑的平均粒径为60纳米。
将纳米锆钛酸铅，纳米碳黑与水泥于球磨机中混磨10分钟，研磨介质为丙酮，将混磨后的混合粉体干燥后，按混合粉体质量的5％加水，混合均匀。将所得的混合料在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。
干燥后，圆片两面涂银电极，在7.5kV的直流电压下在硅油中室温极化30分钟。将极化后的圆片包覆锡箔，在60℃中放置12小时老化。所得到的纳米锆钛酸铅/水泥复合材料制备的产品，介电常数为136，压电常数为36.5pC/N，机电耦合系数为11％。可用于土木工程中的混凝土建筑结构的传感器的制备。
实施例3：
一种纳米碳黑/纳米锆钛酸铅/水泥压电复合材料，组分为：纳米锆钛酸铅为75.8份，纳米碳黑为0.2份，水泥为24份，均为质量百分比。所述的锆钛酸铅纳米粉体制备方法同实施例1。所述的纳米碳黑的平均粒径为60纳米。将纳米锆钛酸铅、纳米碳黑与水泥于球磨机中混磨10分钟，研磨介质为丙酮，将混磨后的混合粉体干燥后，按混合粉体质量的5％加水，混合均匀。将所得的混合料在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。
干燥后，圆片两面涂银电极，在7.5kV的直流电压下在硅油中室温极化30分钟。将极化后的圆片包覆锡箔，在60℃中放置12小时老化。所得到的纳米碳黑/纳米锆钛酸铅/水泥压电复合材料，介电常数为140，压电常数为40.1pC/N，机电耦合系数为11％。可用于土木工程中的混凝土建筑结构的传感器的制备。
对比实验：
对比例1：如实施例2所述，所不同的是将实施例2中的纳米锆钛酸铅换成相同量的微米锆钛酸铅，所述的微米锆钛酸铅为球磨法获得的粉体，平均粒度为80微米。将市售的锆钛酸铅陶瓷片在球磨机中球磨后获得。制备方法条件也与实施例2相同。
对比例2：如实施例3所述，所不同的是将实施例3中的纳米锆钛酸铅换成相同量的微米锆钛酸铅。所述的微米锆钛酸铅为球磨法获得的粉体，平均粒度为80微米。将市售的锆钛酸铅陶瓷片在球磨机中球磨后获得。制备方法条件与实施例3相同。
对比例1-2与实施例2-3对比性能表如下：