水泥聚合物基压电/导电智能阻尼复合材料的制备、性能及阻尼机理

A kind of cement polymer based piezoelectric/conductive intelligent damping composite, which has superior damping property as well as mechanics matching ability with concrete, will be developed in this project.This research will provide new material for improving the damping abilities and safety of concrete engineering structure.Cement, polymer, piezoelectric and conductive mateials will be chosen as raw materials to fabricate the composite with compouding technique. The composition and distribution of matrix, piezoelectric phase and conductive phase in the composite system will be optimally designed.The influences of different composition on viscoelastic damping property, piezoelectric property and conductive property of the composite will be studied so as to determine the optimal system constitution of the damping composite.The equivalent mechanical-electrical model will be built and energy transfer mechanisms among different compositions will also be determined by studying the damping effect of kinds of composition in the composite system.The coupling damping effect mechanism between the composite and concrete will be disclosed, which can provide theory basis for the practical application of this kind of damping composite in concrete engineering structure. The research of this project can provide not only new material for damping technique of civil engineering structure but also abundant theoretical evidence for intelligent development of civil engineering structure.

为有效改善混凝土工程结构的减振、降噪能力，保障结构的安全性，本项目拟研制一种阻尼效果突出，与混凝土材料间力学性能匹配良好的水泥聚合物基压电/导电智能阻尼复合材料。通过复掺工艺，将水泥、高分子聚合物材料、不同类型的压电材料及碳系导电材料融合于阻尼复合材料体系中，并优化设计基体相、压电相及导电相在系统中的组成与分布；研究各组成相对阻尼复合材料的粘弹阻尼特性、压电性能及导电性能的影响规律，确定最佳的阻尼复合材料系统构成；研究各组成相在阻尼复合材料体系中发挥的阻尼机制，建立等效的力-电一体化模型，明确阻尼复合材料体系中各组成相间的能量转换机理，为制备高效的阻尼复合材料提供理论依据；揭示阻尼复合材料与混凝土材料间的耦合阻尼作用机理，为其在混凝土工程结构中的实际应用奠定理论基础。本项目研究不仅能为土木工程结构的减振、降噪技术提供新材料，而且亦有望为结构的智能化发展提供更加丰富的理论依据。

在解决混凝土工程振动问题的众多技术中，阻尼技术在实现结构减振、降噪，提高结构安全性等方面发挥了巨大的作用。本项目针对混凝土工程特点，将压电材料、导电材料及聚合物材料与传统水泥材料相结合，开展了一种新型智能阻尼复合材料的设计、制备与性能研究。项目执行过程中主要开展了聚合物基压电阻尼复合材料、水泥/环氧树脂基压电阻尼复合材料，水泥聚合物基压电智能阻尼复合材料的封装组成设计，压电阻尼复合材料在混凝土结构减振控制中的应用可行性研究等。本项目研究结果表明，对于2-2型聚合物基压电阻尼复合材料，其在低温时具有非常高的储能模量，随着温度升高逐渐降低，当温度大于60℃时，储能模量趋近于0；当压电陶瓷体积分数为50%时，其最大损耗因子tanδmax达到0.712，相比于纯环氧树脂提高了66%；在玻璃化转变温度下，其阻尼因子随陶瓷片宽厚比的增大不断减小，当陶瓷片宽厚比为13.3%时，tanδmax最大为0.728，相比纯环氧树脂提高了0.3左右。对于1-3型聚合物基压电阻尼复合材料，随着陶瓷体积含量增大，其储能模量和损耗模量均随之增大，当压电陶瓷体积含量为21.2%时，tanδmax达到最大值 0.550，相对纯环氧树脂提高了28%左右，当压电陶瓷体积含量为21.2%时，复合材料的阻尼温域ΔT和25℃损耗因子也相对较大。不同压电陶瓷柱宽厚比的1-3型压电阻尼复合材料的tanδmax和ΔT均大于纯环氧树脂，当宽厚比为13.3%时，复合材料的tanδmax和ΔT分别为0.576和21.44℃，相对于环氧树脂提高了34%和27%。掺碳纳米管和碳纤维的压电阻尼复合材料，由于焦耳效应，复合材料的阻尼性能得到了明显提高，当碳纳米管掺量为1%时，复合材料的tanδmax提高较为明显，tanδmax值达到0.615，当碳纤维含量达到8%时，复合材料的tanδmax达到0.701。对于2-2型水泥/聚合物基压电阻尼复合材料，随着压电陶瓷体积分数和形状参数的变化，阻尼损耗因子的变化规律不明显，其原因可能是电路不匹配导致焦耳效应没有充分发挥作用。对于1-3型水泥/聚合物基压电阻尼复合材料，随着石墨和碳纤维导电相含量的增大，复合材料的tan δmax 和玻璃态转变温度Tg呈下降趋势。本项目研究的科学意义在于为土木工程结构的减振、降噪提供一种全新的技术，对发展混凝土工程结构减振、降噪新材料做出了积极贡献。