基于压电纤维的一种新型压电传感器的开发研究

论文总字数：24399字

摘 要

当今土木工程混凝土使用越来越广泛，然而其耐久性问题越来越引人关注。传统压电材料PZT传感器用于混凝土监测的技术虽有较多成果，但它具有含铅有污染，且信号不够灵敏稳定等缺点，而新型无铅BZT压电陶瓷纤维本身无铅且拥有更大的压电系数，为制备出无铅环保且更灵敏的传感器提供了可能性。本课题中，通过改变前体溶液配方、调节纺丝电压、控制纺丝温湿度等工艺手段来对BZT压电陶瓷纤维性能进行优化；利用性能优良的纤维进行传感器的制作，并结合电化学工作站对传感器进行了标定；研究了不同电极对传感器性能的影响以及传感器的耐温耐碱能力。研究发现，喷镀铂电极的传感器性能优于手工涂刷银电极；温度对传感器输出信号有一定影响，传感器存在一个最佳工作温度；传感器对碱溶液的腐蚀有抵抗作用；将传感器置于白水泥净浆中，监测白水泥水化硬化过程，并得到了符合理论分析结果的曲线。水化初期传感器信号稳定在初始值附近，随着水化的不断进行，浆体内部应力增大，传感器输出信号逐渐增大。因此有望利用该传感器对水泥水化硬化进行监测。

关键词：BZT陶瓷纤维，压电效应，静电纺丝，水泥水化，传感器

Development of a new sensor based on BZT piezoelectric ceramic fiber

Abstract

The use of civil engineering concrete is becoming more and more extensive, however, its durability is of attention. There are many achievements of traditional PZT sensor for monitoring of concrete, but it still has lead pollution problem, and the signal is not stable and sensitive enough. New BZT pressure piezoelectric ceramic fiber is lead-free and has greater piezoelectric coefficient. It is possible to make environmentally friendly lead-free and more sensitive sensor. In this investigation, precursor solution formula, voltage regulation and spinning, temperature and humidity and other factors are considered to optimize the performance of fiber. Sensor made of this fiber exhibited excellent performance. Electrochemical workstation is used to calibrate the sensor. The influence of different electrodes on the performance of the sensor and the temperature resistance of the sensor were conducted. Placing the sensor in the white Portland cement to monitor the hydration and hardening process of white Portland cement and the monitored results show that the development of voltage meets the theoretical hydration process of cement.

KEY WORDS: BZT ceramic fiber, piezoelectric effect, electrostatic spinning, cement hydration, sensor

目 录

摘要 ……………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract …………………………………………………………………………… Ⅱ

1. 绪论 ………………………………………………………………………1

1.1 引言 ………………………………………………………………………1

1.2 压电材料 ……………………………………………………………………2

1.2.1 压电效应及其产生机理 …………………………………………2

1.2.2 单向压电材料与压电复合材料 ……………………………………3

1.3 压电陶瓷纤维的研究现状 ………………………………………4

1.4 压电材料在土木工程材料中的应用 ………………………………………5

1.5 研究目的及主要研究内容 …………………………………………………5

1. BZT无铅压电陶瓷纤维制备 ………………………………………………7

2.1 静电纺丝法 ………………………………………………………………7

2.2 实验药品与设备 …………………………………………………………7

2.3 纤维制备过程 ……………………………………………………………8

2.4 纤维性能参数 ……………………………………………………………9

1. BZT无铅压电陶瓷纤维传感器制备与标定 ………………………………12

3.1 BZT压电陶瓷纤维传感器制备过程 ………………………………………12

3.2 传感器的标定 …………………………………………………………13

3.3 传感器性能分析 …………………………………………………………14

3.3.1 不同电极对传感器性能影响 ……………………………………15

3.3.2 传感器耐碱能力测试 ……………………………………………16

3.3.3 传感器耐温能力测试 ……………………………………………18

3.4 传感器优化 ………………………………………………………………19

1. BZT无铅压电陶瓷纤维传感器应用初步研究 ……………………………20

4.1 传感器对于水泥水化硬化过程的监测 ………………………………20

4.2 传感器监测结果分析 ……………………………………………………23

1. 结论与展望 …………………………………………………25

5.1 结论 ………………………………………………………………………25

5.2 展望 ………………………………………………………………………25

致谢 ………………………………………………………………………………27参考文献（References） …………………………………………………………28

1. 绪 论

1.1 引言

混凝土是当代最主要的土木工程材料之一，自二十世纪以来，混凝土已经被应用于一系列复杂多样的民用、工业建筑、大型结构工程如桥梁隧道、超高层建筑、大跨结构建筑物如火车站、航站楼以及大体量结构如重力坝、核电站等，混凝土具有原材料丰富，价格低廉，生产工艺简单的特点，它的广泛使用极大地便利了人们的生活，促进了生产力的发展。

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