1-3型正交异性水泥基压电复合材料的性能及其机理研究

针对目前土木工程领域中所使用的智能材料普遍不具备测定特定方向应力和应力波的能力，不能分辨不同方向的损伤信号问题，本项目采用切割-浇注和排列-浇注相结合的方法，通过对复合材料的结构、尺寸和性能等进行优化设计，制备与混凝土结构相容性好，且具有定位能力的1-3型正交异性水泥基压电复合材料。研究压电相的长宽比、体积分数、构造方位和水泥基体的水灰比、水化龄期等对复合材料正交异性特性的影响，确定最佳工艺参数；建立复合材料的形状、尺寸与谐振频率和频带宽之间的相关性；探讨复合材料的响应值与偏角之间的关系及变化规律，研究压电复合材料的正交异性特性，基于此进行信号源精确定位实验；运用压电材料的基本理论，建立复合材料的力电耦合方程，揭示其正交异性机理；将压电复合材料用于实际混凝土结构健康监测中，分析其区分来自不同方向损伤信号的能力，进而对损伤源进行定位及识别研究，为促进土木工程结构的智能化发展提供理论依据。

针对目前土木工程领域中所使用的智能材料普遍不具备测定特定方向应力和应力波的能力，不能分辨不同方向的损伤信号问题，本项目采用切割-浇注和排列-浇注相结合的方法，通过对复合材料的结构、尺寸和性能等进行优化设计，制备了与混凝土结构相容性好的1-3型正交异性水泥基压电复合材料。研究了基体配合比、压电陶瓷体积分数、压电相长宽比、柱高、电极宽度以及电极数目对1-3型正交异性水泥基压电复合材料性能的影响及正交异性机理，结果表明，随着基体中水泥质量分数和压电陶瓷体积分数的增加，压电应变常数和正交方向上接收到的信号幅值逐渐增大，正交异性显著；随着压电相长宽比的增大，压电应变常数和正交方向上接收到的信号幅值逐渐增大，当压电相长宽比大于2时，压电复合材料表现出明显的正交异性；压电陶瓷柱高对1-3型正交异性压电复合材料的压电应变常数的影响较小，随着压电陶瓷柱高的增加，压电应变常数和正交方向上接收到的信号幅值都没有明显的变化；随着电极宽度的增加，压电应变常数和正交方向上接收到的信号幅值缓慢减小；随着电极数目的增加，压电应变常数和正交方向上接收到的信号幅值也逐渐增大，当电极数目大于2时，压电复合材料表现明显的正交异性。研究了1-3型正交异性水泥基压电复合材料的平面信号响应及信号衰减，结果表明，在0°~360°方向范围内，压电陶瓷和1-3型压电复合材料在平面内接收到的信号幅值保持不变，显示各向同性，而1-3型正交异性水泥基压电复合材料在平面内接收到的信幅值呈“余弦”曲线变化趋势，显示各向异性；随着测试距离的增加，1-3型正交异性水泥基压电复合材料在平面内接收到的信号幅值逐渐减小。以1-3型正交异性水泥基压电复合材料为压电元件，采用环氧树脂、水泥和钨粉的混合物作为匹配层，环氧树脂和水泥的混合物作为背衬层，制备了正交异性压电传感器，并对其性能进行了研究，结果表明，该传感器具有明显的正交异性、较高的灵敏度和较宽的带宽，非常适合于混凝土结构的损伤源识别和定位。