纳米压电陶瓷水泥基复合材料微观结构及压电机理研究

新型CNTs/PZT/水泥纳米压电复合材料可以作为传感元件埋置在土木工程结构中，通过检测超声波在结构中的传播规律，达到对土木工程结构中的内部缺陷进行即时检测的目的。CNTs/PZT/水泥纳米压电复合材料以硅酸盐水泥为基体，纳米PZT压电陶瓷为功能相，纳米碳管为水泥基体的电性能和力学性能的增强相。本项目将以制备新型CNTs/PZT/水泥纳米压电复合材料为目的，研究纳米碳管及纳米压电陶瓷颗粒的晶体学特征、表面电性以及表面能，探讨纳米相的表面改性技术、纳米相在基体内的分散性及与基体的结合性；研究纳米碳管及纳米压电陶瓷颗粒对水泥水化过程及水化产物微结构形成的影响，揭示复合材料的微观结构形成过程的演变规律；研究探讨CNTs/PZT/水泥纳米压电复合材料的压电机理，解决目前水泥基压电复合材料的难以极化、压电响应不高，性能不稳定的关键技术难题，为高性能水泥基压电复合材料的制备提供科学依据。

本项目研究了一种新型的水泥基压电复合材料，该材料不仅具有良好的压电性能，而且与混凝土结构材料有优良的阻抗匹配关系，有望作为传感元件埋置在土木工程结构中，对其内部缺陷进行即时检测。项目通过对CNTs/PZT/水泥纳米压电复合材料体系的系统研究，分析了各相组成性能及形态对复合材料性能的影响和作用机理，了解了复合材料微观结构形成过程及与性能的关系规律，初步得到了复合材料的压电响应机制。主要内容及结论如下：.分析总结了不同锆钛酸铅压电陶瓷（PZT）相及水泥基体材料的各相性能与形态与复合材料极化性和压电性能的关系。研究了水泥基体水化过程中微结构变化及其与陶瓷相界面对复合材料性能的影响。探讨了压电陶瓷相粒度的作用机制。利用溶胶-凝胶法制备得到了纳米PZT粉体。对纳米相的晶体学特征进行了表征，研究了合成条件与其结晶度的关系，探讨了纳米PZT的分散性及与水泥基体的界面结合性对复合材料的压电及介电性能的影响。PZT纳米陶瓷相在基体中的网状分布特点以及PZT颗粒间的良好连通性使复合材料具有优良的压电性能。以碳黑为压电增强相，研究了碳黑/PZT/水泥复合材料的老化和极化行为的实质。模拟并推导了含碳黑复合材料的临界阈值关系。以纳米碳管为力学和电学增强相，制备了纳米碳管/PZT/水泥压电复合材料。研究了针对碳纳米管的不同处理方法、分散方法和含量对压电复合材料的压电、介电性和微观结构的关系。研究了CNTs在水泥基体中分散性的影响。研究了不同纳米碳管与水泥及压电相界面关系。利用Fenton/UV法处理的CNTs表面非晶杂质去除彻底，且表面官能团对纳米碳管与水泥的界面结合有利。CNTs的最佳加入量为0.10wt％时。过量的CNTs会破坏水泥基体的绝缘性，使复合材料无法极化，降低复合材料的压电性能。.综上所述，本项目通过对水泥基压电复合材料的微观结构和压电机理的研究，初步了解了材料各相的作用机制，并在此指导下，提高了复合材料的极化效率和压电性能，为高性能水泥基压电复合材料的制备提供科学依据。