压电陶瓷颗粒粒度对水泥基压电复合材料性能的影响

压电陶瓷颗粒粒度对水泥基压电复合材料性能的影响黄世峰∗, 李雪, 常钧, 王守德, 程新（济南大学材料学院，济南，250022）摘要：以铌锂锆钛酸铅[0.08Pb(Li1/4Nb3/4)O3·0.47PbTiO3·0.45PbZrO3][简称PLN]为功能体，硫铝酸盐水泥为基体制备了0-3型水泥基压电复合材料，重点讨论了PLN颗粒粒度对水泥基压电复合材料的压电性能、介电性能和铁电性能的影响，结果表明：在PLN含量和制备工艺相同的条件下，当PLN粒度小于约50µm时，随着PLN颗粒粒度的增大，复合材料的压电应变常数d33、压电电压常数g33、介电常数εr和介电损耗tgδ急剧增大，但当PLN颗粒粒度超过100µm时，其值几乎不受PLN粒度的影响；PLN颗粒粒度对平面机电耦合系数K p 的影响较小；随着粒度的增大，剩余极化强度P r和矫顽电场强度E c均增大。

关键词：压电陶瓷；水泥基压电复合材料；压电性能；机电耦合性能；颗粒粒度中图分类号：TB332；TU525文献标示码：AEffect of Piezoelectric Ceramic Particle Size on Cement BasedPiezoelectric compositeHuang Shifeng, Li Xue, Chang Jun , Cheng Xin(School of Material Science and Engineering ,Jinan University,Jinan 250022,China) Abstract:The sulphoaluminate cement and a piezoelectric creamic, 0.08Pb(LiNb3/4)1/4O3·0.47PbTiO3·0.45PbZrO3[PLN], were used to fabricate 0-3 cement based piezoelectric composites. The dependence of PLN particle size on piezoelectric and dielectric properties of the composites were discussed. The results show that under the condition with the same PLN content and fabricating technics, when PLN particle size is less than 50µm, the piezoelectric and dielectric properties of the composites increase rapidly as PLN particle size increases. When PLN particle size is larger than 100µm, the value of d33, g33, εr and tgδ is nearly independent of the PLN particle size. The PLN particle size has little effect on the planar mechanical coupling K p. The coercive field E c and remanent polarization P r of the composites increase as the PLN particle size increases.Key words: piezoelectric ceramic; cement based piezoelectric composites; piezoelectric properties;dielectric constant; electromechanical coupling coefficient; particle size∗基金项目：国家自然科学基金（50672032）；山东省自然科学基金基金（Y2005F08）。

作者简介：黄世峰（1969～），男，副教授。

0 引言为保障土木工程结构和重要基础设施的安全性、完整性、适用性与耐久性，采用智能材料对其实施在线健康监测已成为世界范围内土木工程领域的前沿研究方向。

然而，由于各国对应用于土木工程领域中的智能材料研究起步较晚，目前所用的智能材料一般都是沿用了在其它领域已使用比较成熟的材料，如光导纤维、压电陶瓷和记忆合金等。

这些材料与土木工程领域中最主要的结构材料——混凝土往往存在着非常明显的相容性问题，如变形协调性、界面粘结性、刚度及声阻抗匹配等问题，这样就会使智能材料产生虚假信号，影响传感精度，甚至会导致错误的判断。

因此，研制开发与混凝土具有良好相容性的智能材料已成为重大工程结构健康监测领域的关键课题之一[1-4]。

以水泥为基体制备的水泥基压电复合材料，可有效解决传统的智能材料与混凝土结构材料之间的相容性问题。

该复合材料与压电陶瓷相比，具有更低的密度和声阻抗，从而使其与混凝土有着更好的声阻抗匹配特性；它可以象一个大骨料一样埋在混凝土中，与混凝土具有等同的收缩及相近的热膨胀系数；耐久性好，强度高；响应速度快，传感精度高；制备工艺简单，造价低，非常适合于监测混凝土的损伤、变形和内部应力变化等情况，因此，研究与开发水泥基压电复合材料及其传感器对于推动各类土木工程结构向智能化方向发展有着广泛的工程应用意义[5-7]。

压电复合材料的性能不仅与各相的连接类型有关，而且还与材料的组分及特性密切相关。

复合材料的压电性能主要取决于压电陶瓷功能体，而压电陶瓷功能体的粒度对复合材料的压电性能有很大影响，因此为使复合材料的性能达到最佳值，研究粒度对水泥基压电复合材料性能的影响是十分必要的。

1实验过程1.1 试样制备本实验选择了10种不同平均粒径的PLN颗粒，其平均粒径分别为1.45，2.34，9.03，27.17，35.97，43.46，58.43，68.51，107.08，294.07µm。

其部分粒度及形貌分别如图1和图2所示。

试样制备如下：首先将PLN和水泥球磨混合，研磨介质为无水乙醇，干燥后过筛备用。

按一定的水灰比加入一定量的水，采用压制成型法压制成φ15mm×1mm的圆片，成型压力为80MPa，在标准养护箱内（20℃，100％RH）养护3d 后，用丙酮擦洗试样表面，然后在圆片两面薄薄地均匀地涂上低温导电银浆，在干燥箱内烘干1h，干燥温度为80℃。

所有的试样均在硅油中进行极化，其极化条件均相同，即极化电压为4KV/mm，极化温度为80℃，极化时间为30min。

在每种压电复合材料中，PLN质量分数均为80％。

1.2 性能测试极化后的水泥基压电复合材料在室温放置24h后，用ZJ-3A型准静态测量仪测量压电应变常数d33。

用PH4294A精密阻抗测试仪测量谐振频率和反谐振频率及相应的阻抗∣Z∣，计算出机电耦合系数K p和K t，同时测量出试样的电容C，计算出机械品质因数Q m，再计算出压电电压常数g33，测试频率为1kHz。

(a)2.34 µm(b) 180.2µm图1不同平均粒径的PLN颗粒粒度分布Fig.1 Particle size distribution of PLN powders(a)2.34µm（b）294.07µm图2 不同平均粒径PLN颗粒的SEM照片Fig.2 SEM micrograph of PLN powders with differentaverage particle size2结果与分析2.1 PLN粒度对压电常数的影响复合材料的压电常数与PLN粒度的关系如图3所示。

由图3（a）可以清楚地看出，随着PLN粒度的增大，压电应变常数d33随之增大。

当PLN粒度小于约50µm时，d33值随PLN粒度的增大急剧增大；当PLN粒度大于100µm 时，d 33值几乎不受PLN 粒度的影响。

一方面这是由于随着PLN 粒度的减小，PLN 颗粒的表面积与体积的比率增加，导致颗粒表面层有很低的压电性或没有压电性的缘故。

另一方面，由Newnham 等人[8]根据颗粒尺寸与样品厚度之间的相互关系，给出的串联和并联的简单模型（见图4）可解释上述有关实验结果。

当PLN 颗粒粒径远小于试样厚度时，水泥基体与PLN 颗粒之间的联结方式可看作是串联式。

此时水泥将PLN 颗粒紧紧包裹起来，极化时电场大部分作用在水泥基体上，从而使PLN 颗粒无法达到饱和极化状态；当PLN 颗粒粒径与试样厚度相当时，水泥基体与PLN 颗粒之间的联结方式可看作是并联式。

此时，PLN 颗粒与颗粒之间相互接触，有些较大颗粒甚至贯穿了整个试样，极化时加在复合材料上的电场强度，不再象串联型的那样绝大部分作用在了水泥基体上，而是大部分能作用在PLN 颗粒上，所以复合材料可以获得较高的压电性能。

图5给出了具有小颗粒（2.34µm ）和大颗粒（294.07µm ）的复合材料的断口形貌。

由图可看出，在具有大颗粒的复合材料中，PLN 压电陶瓷颗粒与颗粒之间彼此相连，而在具有小颗粒的复合材料中，压电陶瓷颗粒均匀地分散于水泥基体中，且被水泥紧密包裹。

与大颗粒相比，较小颗粒的形貌更类似于球形，且更统一，而大颗粒则规则性较差。

大颗粒的尺寸和形貌使它们在水泥基体中相互接触的几率更大，因而由它们构成的复合材料更象1-3型和3-3型复合材料，这与Newnham 等人给出的串联和并联的简单模型非常吻合。

但是并非PLN 颗粒粒径越大越好，粒径太大，颗粒不易紧密堆积，复合材料结构松散，这样会使压电复合材料的综合性能降低。

1112223d 33/p C ·N -1P L N P a rtic le s iz e /μm（a ）Piezoelectric strain factor d 331222223P L N P a rtic le siz e /μmg 33/m V m N -1(b) Piezoelectric voltage factor g 33图3 PLN 颗粒粒度对复合材料压电性能的影响 Fig.3 Effect of PLN particle size on piezoelectricproperties of the composites图4 复合材料的两种理想化的简单模型 Fig.4 Simple model of piezoelectric compositesPhase1—PLN Phase2—Cement(a) 2.34µm(b) 294.07µm图5 具有不同PLN 颗粒粒度的复合材料的SEM 断面照片Fig.5 SEM micrograph of the composites withdifferent PLN particle size图3（b ）还给出压电电压常数g 33与PLN粒度的关系，由图可以看出，随PLN 粒度的变化，压电电压常数g 33呈现出与压电应变常数d 33相似的变化规律，g 33值在22～31×10-3Vm/N 之间。