水泥基压电复合材料与应用

目录
序
前言
第1章 压电材料概述 1
1.1 压电效应 2
1.2 压电材料 9
1.3 水泥基压电复合材料 17
1.4 压电复合材料性能测试方法 19
参考文献 21
第2章 0-3型水泥基压电复合材料 23
2.1 制备方法 23
2.2 极化工艺 25
2.3 压电陶瓷质量分数对压电复合材料性能的影响 31
2.4 压电陶瓷颗粒粒度对压电复合材料性能的影响 44
2.5 水泥基体对压电复合材料性能的影响 53
2.6 水泥水化龄期对压电复合材料性能的影响 60
2.7 环境湿度对压电复合材料性能的影响 70
2.8 微量组分掺杂改性0-3型水泥基压电复合材料 77
参考文献 110
第3章 2-2型水泥基压电复合材料 114
3.1 制备方法 114
3.2 压电陶瓷体积分数对压电复合材料性能的影响 116
3.3 水灰比对压电复合材料性能的影响 123
3.4 压电陶瓷厚度对压电复合材料性能的影响 128
3.5 压电陶瓷功能体对压电复合材料性能的影响 132
3.6 水泥基体对压电复合材料性能的影响 135
3.7 2-2型水泥基压电传感器 138
参考文献 144
第4章 1-3型水泥基压电复合材料 146
4.1 1-3型压电复合材料的基本理论 146
4.2 1-3型水泥基压电复合材料的制备方法 147
4.3 1-3型水泥基压电复合材料性能 150
4.4 1-3型正交异性水泥基压电复合材料的制备方法 174
4.5 1-3型正交异性水泥基压电复合材料性能 176
4.6 1-3-2型水泥基压电复合材料的制备方法 189
4.7 1-3-2型水泥基压电复合材料的性能 191
参考文献 215
第5章 聚合物改性1-3型水泥基压电复合材料 218
5.1 制备方法 218
5.2 基体类型对压电复合材料性能的影响 220
5.3 基体配合比对压电复合材料性能的影响 224
5.4 压电陶瓷体积分数对压电复合材料性能的影响 229
5.5 压电陶瓷柱宽厚比对压电复合材料性能的影响 233
参考文献 238
第6章 压电阻尼复合材料 241
6.1 阻尼性能测试方法 242
6.2 2-2型聚合物基压电阻尼复合材料 243
6.3 2-2型聚合物/水泥基压电阻尼复合材料 247
6.4 1-3型聚合物基压电阻尼复合材料 251
6.5 导电相对1-3型聚合物基压电阻尼复合材料性能的影响 256
6.6 导电相对1-3型聚合物/水泥基压电阻尼复合材料性能的影响 267
参考文献 275
第7章 压电超声换能器及其在混凝土中的应用 277
7.1 超声基本理论 277
7.2 超声波在混凝土中的传播特点 279
7.3 用于水泥水化监测的压电超声换能器 280
7.4 基于压电超声换能器的水泥水化进程监测 292
7.5 用于混凝土检/监测的压电超声换能器 313
7.6 载荷作用下的混凝土超声监测 332
7.7 基于压电超声换能器的混凝土强度监测 337
7.8 基于压电超声换能器的钢筋锈蚀监测 342
7.9 径向压电超声换能器 353
7.10 基于径向压电超声换能器的混凝土强度检测 362
7.11 基于径向压电超声换能器的混凝土缺陷检测 367
参考文献 379
第8章 压电声发射传感器及其在混凝土中的应用 382
8.1 混凝土声发射特点 382
8.2 声发射传感器 382
8.3 素混凝土声发射损伤定位研究 391
8.4 素混凝土声发射特征 399
8.5 1-3型正交异性压电复合材料的声发射响应 405
8.6 正交异性压电复合材料的信号衰减 410
8.7 正交异性压电声发射传感器 413
8.8 正交异性压电声发射传感器的定位研究 418
8.9 声发射传感器的工程应用 424
参考文献 426
第9章 压电阻抗传感器及其在混凝土中的应用 429
9.1 基于压电阻抗技术的结构检/监测原理 429
9.2 压电阻抗传感器制备与性能 432
9.3 基于压电阻抗传感器的混凝土温度及动载损伤监测 440
9.4 基于压电阻抗技术的混凝土钢筋锈蚀监测 465
9.5 基于压电阻抗技术的水泥水化反应进程监测 484
参考文献 488
第10章 压电应力/应变传感器及其在混凝土中的应用 491
10.1 传感器制备工艺 491
10.2 压电应力传感特性 499
10.3 压电传感器的应变响应特性 506
10.4 基于压电传感器应力/应变特性的混凝土在线监测 515
参考文献 523
第11章 压电交通传感器 525
11.1 压电交通传感器的制备及性能 526
11.2 压电交通传感器在交通动态监测中的应用 531
11.3 桥梁工程中的应用 549
参考文献 551
后记 553

文摘

第1章 压电材料概述
压电学是晶体物理学的一个分支，是研究压电材料机械应力或电场作用下所发生的弹性效应和电极化效应的相互耦合原理及其应用的一门科学。材料的压电性或压电效应是指某些晶体材料按所施加的机械应力成比例产生电荷的能力。压电效应的发现可追溯到19世纪80年代，法国学者居里兄弟在研究热电现象和晶体对称性时，首次在石英晶体上发现。1881年，法国物理学家里普曼根据热力学理论提出压电效应是可逆的，同年，居里兄弟证实了石英晶体中压电效应的可逆性。
压电效应的发现虽然已有一百多年历史，但在发现初期，由于没有引起人们的重视而发展缓慢。直至20世纪初，随着罗息盐（酒石酸钾钠）、水晶和电气石等晶体的发现及在频率控制器、滤波器及换能器等领域展现的良好应用前景，压电材料才逐渐受到人们广泛关注。20世纪40年代，一系列压电晶体，如磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、铌酸锂、硫酸三甘氨酸等被相继研发出来，并迅速在声呐换能器、水听器、拾音器、微音器等电声和水声等领域得到了广泛应用。伴随着压电晶体的快速应用，各领域对压电晶体性能的要求也不断提高，而晶体材料普遍存在的机械强度低、化学稳定性差、居里温度低等缺点，却限制了其深入应用。
20世纪40年代中期，美国、苏联和日本等几乎同时发现了钛酸钡（BaTiO3）陶瓷的压电效应，并对其压电、介电、铁电等性能开展了大量研究工作，开拓了压电体和铁电体相变效应的研究，并大大促进了含氧八面体的KNbO3、KTaO3、LiNbO3、LiTaO3和PbTiO3等新型压电晶体的研制。50年代中期，在研究氧八面体结构特征和离子置换改性技术的基础上，Jaffe发现了锆钛酸铅（PZT）固溶体，其机电耦合系数、压电常数、机械品质因数和稳定性等均比BaTiO3有了很大的改善，促进了新型压电材料和器件的快速发展。1965年，日本的大内宏通过在PZT陶瓷中掺入铌镁酸铅制成了三元系压电陶瓷（PCM），其性能更加优越并易于烧结。自20世纪70年代以来，随着新效应、新材料和新器件层出不穷、压电材料也得到了快速发展，掺镧锆钛酸铅透明铁电陶瓷（PLZT）、压电聚合物（PVDF）、压电复合材料、无铅压电陶瓷等被相继开发出来，压电材料研究进入一个崭新阶段。
进入21世纪以来，无铅压电陶瓷、纳米压电等材料、新型压电复合材料等快速涌现，并在军事、农业、航空航天、海洋众多领域都展现出了良好的应用前景。压电材料以其良好的传感和驱动双重功能特性，在智能材料领域占据重要的地位，随着现代高新技术材料的发展，压电材料必将是未来世界智能材料的重要研究方向。
1.1 压电效应
1.1.1 电极化与介电常数
电极化与介电常数是表征压电体电行为的两个主要参量。因此，在了解压电效应之前，首先了解电极化。在电磁学中，当给电介质施加一个电场时，由于电介质内部正负电荷的相对位移，会产生电偶极子，此现象称为电极化。施加的这种电场可以是外电场，也可能是嵌入电介质内部的自由电荷所产生的电场，由电极化产生的电偶极子称为感应电偶极子，其电偶极矩称为感应电偶极矩。介质在电场（E）的作用下，感生的电极化可用极化强度（P）来表示，即介质表面的电荷面密度或单位体积内的电偶极矩和，如图1.1所示。
图1.1 电介质的极化
在低频时，各向同性电介质内P与E呈线性关系（如不做特殊说明，本书以后均采用MKSQ单位制）：
（1.1）
式中，为真空介电常数；α为电极化率。
在各向异性电介质内Pi可表示为
（1.2）
式中，αij为电极化率，是二阶张量。若（X，Y，Z）方向用（1，2，3）表示，则在各向异性电介质中，当电场E1作用在（1）方向时，在（1，2，3）方向上出现的极化强度分量为
（1.3）
当电场作用在（1，2，3）方向时，极化强度P（P1，P2，P3）与E（E1，E2，E3）之间的关系为
（1.4）
式（1.4）可写成如下形式矩阵：
（1.5）
在各向同性的电介质内，电位移D和电场E的关系为
（1.6）
式中，ε为介电常数。
在各向异性的电介质内，电位移D和电场E的关系为
（1.7）
式中，为介电常数，是二阶张量；i为电位移分量的方向；j为电场分量的方向。同理可得
（1.9）
各向异性的电介质内，D与E，P之间的关系可由式（1.2）和式（1.6）得出：
（1.10）
即
（1.11）
其矩阵形式为
（1.12）
介电常数是表征压电体介电或极化性质的物理量。介电常数的大小反映了材料的极化强度对外电场的响应大小，即介电常数越大，同样大小的电场所引发的极化强度就越大。
式（1.7）中的介电常数（εij）和式（1.2）中的电极化率（αij）都是二阶张量。在恒定静电场中，它们是对称张量，可以从电场中静电自由能密度的变化，直接获得本征对称的充分条件。
由麦克斯韦方程可得出，静电自由能密度的微分式为
（1.13）
而静电自由能F为
（1.14）
则
（1.15）
式中，U为内能。考虑F是E的函数，对F的二次交叉导数相等，即
（1.16）
因此。
各种晶体的介电常数数目与晶体的对称性有关，不同晶系的晶体对称性不一样，各向异性也就不同，反映在介电性质上就是它们的独立介电常数的数目不同。完全各向异性体的独立介电常数有6个，完全各向同性体的独立介电常数只有1个，而且有压电效应晶体的对称性介于完全各向异性体和完全各向同性体之间，可以预料它们的独立介电常数的数目是1～6个。具有压电效应晶体的各种独立常数的数目见表1.1。
表1.1 具有压电效应晶体的各种独立常数的数目
1.1.2 弹性常数
在外力作用下，物体的大小和形状都要发生变化，称为形变。如果外力撤消后，物体不能恢复原形状，这种性质就称为塑性；如果外力撤消后，物体能够恢复原状，则这种性质称为弹性。完全弹性或塑性的物体是不存在的，物体的弹性有一定的限度，称为弹性限度，超过该限度就称为塑性。与压电有关的问题都属于弹性范围内的问题。
表征物体弹性行为的主要参数为弹性常数，它是反映物体应力和应变关系的宏观物理量。对于压电体来说，在弹性限度范围内，其应力（T）和应变（S）的关系服从胡克定律，即
（1.17）
（1.18）
式中，s为弹性柔顺常数，表示物体在单位应力作用下发生的应变；c为弹性刚度常数，表示使物体产生单位形变所需的应力。对于各向异性的弹性体，可表示为
（1.19）
（1.20）
式中，sijkl和cijkl为四阶张量；Sij和Tij为二阶对称张量。
在各向异性的弹性体内，Sij和Tij的独立分量只有6个，弹性柔顺常数sijkl和弹性刚度常数cijkl可简化为只有36个分量，其中独立分量最多为21个，则式（1.19）、式（1.20）可分别扩展为
（1.21）
（1.22）
表示为矩阵形式则为
（1.23）
1.1.3 压电效应与压电常数
压电体具有压电效应，其反映了压电体介电性质和弹性性质之间的耦合作用，其耦合关系用压电系数表征。根据耦合原理的不同，压电效应分为正压电效应和逆压电效应两种。
晶体的正压电效应如图1.2所示。当晶体不受外力作用时，正负电荷的中心重合，整个晶体的总电偶极矩等于零，因而晶体表面没有电荷。当沿某一方向对晶体施加机械力时，晶体就会发生变形而导致正负中心不重合，也就是电偶极矩发生了变化，从而引起晶体表面的荷电现象。图1.2（b）和图1.2（c）分别为晶体受压缩及拉伸时荷电的情况，在这两种情况下，晶体表面带电的符号相反，所以这种没有电场作用，由机械力的作用使电介质晶体产生极化并形成晶体表面电荷的现象，即由“压力产生“电的现象称为正压电效应。与上述情况相反，将具有压电效应的电介质晶体置于电场中，电场作用会引起晶体内部正负电荷中心的位移，这一极化位移又导致晶体发生形变，这种由“电产生“机械形变的现象称为逆压电效应，如图1.3所示。
图1.2 正压电效应机理示意图
晶体是否具有压电性，是由晶体结构的对称性所决定的。具有对称中心的晶体永远不可能具有压电性，因为在这样的晶体中，正负电荷中心的对称式排列不会因形变而受到破坏。因此，仅仅由机械力的作用并不能使它们的正负电荷中心之间发生不对称的相对位移，也就不可能使之产生极化，压电效应只能出现于构造上不存在对称中心的异极晶体中。压电陶瓷体内则具有类似铁磁材料“磁畴