[发明专利]一种韧性水泥基压电复合材料、制备方法及应用

说明书

本发明公开一种韧性水泥基压电复合材料、制备方法及应用，该复合材料是通过将一定比例的钙钛矿压电晶体和水泥分散到PVDF基压电材料中制得的。该复合材料不仅压电性能优异，且韧性高，与混凝土材料的相容性好，解决了现有水泥基压电材料脆性大，与混凝土结构整体结合性差的问题。且该复合材料应用于土木工程中混凝土建筑结构的传感器的制备，所制备的传感器的灵敏度、传感精度高，降低了安全隐患。

技术领域

本发明属于功能复合材料技术领域，具体涉及一种土木工程传感器用的韧性水泥基压电复合材料及制备方法。

背景技术

水泥基压电复合材料是指具有压电效应的功能体粉末均匀分散于三维连续的水泥基体中形成的复合材料。它与混凝土有良好的相容性，且制备简单、结构均匀、组成可控、成本低，其主要用于大型结构和基础设施（如桥梁、超高层建筑、大跨空间结构、大型水坝、核电站、海洋采油平台及港口设施等）的长期安全检测与监控，同时也可在线检测公路桥梁上通过车辆的车速和载重等，保证公路桥梁的使用寿命、运营经济性和交通安全。目前，传统的水泥压电材料，尽管其界面及声阻抗与混凝土主体结构的匹配性较好，但是由于采用的材料均为无机非金属材料，压电材料的脆性大，导致过载后压电性能不高，灵敏度低，传感精度差，容易产生虚假信号，导致安全隐患。

发明内容

本发明的目的是提供一种韧性水泥基压电复合材料，该复合材料不仅压电性能优异，且韧性高，与混凝土材料的相容性好，解决了现有水泥基压电材料脆性大，与混凝土结构整体结合性差的问题。

本发明的另一目的还提供该韧性水泥基压电复合材料的制备方法，该制备方法操作简单，用料来源广泛，易于推广应用。

本发明还提供了该韧性水泥基压电复合材料的应用，该复合材料用于土木工程中混凝土建筑结构的传感器的制备，所制备的传感器的灵敏度、传感精度高，降低了安全隐患。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种韧性水泥基压电复合材料，包括以下质量百分比的组分：有机-无机金属卤化物钙钛矿10-70%，PVDF 5-60%，水泥10-50%。

进一步，所述水泥为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥中的一种或多种。因此，本发明的韧性水泥基压电复合材料可以由39.4wt%的有机-无机金属卤化物钙钛矿、15.15wt%的PVDF、45.45wt%的硅酸盐水泥组成；还可以由42.86wt%的有机-无机金属卤化物钙钛矿、28.57wt%的PVDF、28.57wt%的硫铝酸盐水泥组成；还可以由50wt%的有机-无机金属卤化物钙钛矿、30wt%的PVDF、20wt%的普通硅酸盐水泥组成。

进一步，所述有机-无机金属卤化物钙钛矿为ABX₃一系列材料，其中，A为甲胺、乙胺或双氨基阳离子，X为Cl、Br或I。

上述韧性水泥基压电复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将PVDF溶于DMAc、DMSO、DMF中的一种或多种混合溶剂中，搅拌均匀，形成PVDF溶液，向PVDF溶液中加入有机-无机金属卤化物钙钛矿和水泥，搅拌均匀，浇筑成型；

（2）将浇筑成型的复合材料置于步骤（1）所用溶剂的水溶液中固化成型，成型后将溶剂水洗除净；

（3）将步骤（2）获得的复合材料浸入水中或相对湿度95%以上的环境中养护3-28天，自然干燥，即得本发明韧性水泥基压电复合材料。

进一步，步骤（1）中搅拌温度为20-70℃。

进一步，步骤（2）中用于固化成型的溶液中溶剂的质量浓度为：0＜溶剂的质量浓度≤30%，用于固化成型的溶液的温度为：0＜溶液的温度≤40℃。

进一步，步骤（2）固化成型时间为12-48h。