[00128175]水泥基压电复合材料频率响应规律及作用机制

本项目属于土木建筑学科的建筑材料领域。 高铁、隧道、桥梁、岛礁等大型混凝土基础设施和重大工程,不可避免地受到环境荷载、疲劳和腐蚀作用以及材料老化等多重因素的不利影响,进而导致结构损伤、抗力衰减乃至灾难性事故。及时准确地获取这些重大混凝土工程的劣化信息,对于有效评估和保障其服役性能,具有重要的社会经济意义。 通过预置传感装置等关键环节形成的混凝土结构智能化系统,可实现重大基础设施的实时监测和状态预报,是解决土木工程的安全性、耐久性、灵活性和自适应性有效途径之一。但是,目前常用的传感器多从其他领域移植而来,与混凝土材料之间存在明显的不相容性,而水泥基压电复合材料因与混凝土材料具有力学性能相似、变形行为一致等优点,被认为是解决前述材料不相容性的潜在方案之一,受到国内外建筑材料专家学者的广泛关注。然而,水泥基压电复合材料具有压电、逆压电、铁电、热电等多种作用,展现出复杂而显著的频率响应特征,使得其对混凝土结构的损伤劣化信息提取与传输过程变得尤为复杂,严重阻滞了此类新型复合材料的设计方法与技术应用。因此,水泥基压电复合材料信息产生及其传输特性的研究成为国际上尚待解决的热点和难点问题。本项目基于大量的实验研究和模型计算,揭示了水泥基压电复合材料构效关系及影响规律,进一步阐析其频率响应特性及其影响机制,最终形成此类新型复合材料的设计思想。主要科学发现如下： 1、建立了水泥基压电复合材料电偶极矩跨尺度模型及一阶分布方程表达,获得了此类复合材料微观电场分布与材料宏观电学参数之间的关联,阐析了水泥基压电复合材料位阻效应的形成机制及其影响规律;充分考虑水泥基压电复合材料的位阻效应形成机制及其影响规律,提出了化学作用与颗粒形态的水泥基压电复合材料的解析表达式;进一步实验测试结果验证了计算方法的合理性与有效性。 2、系统研究了不同压电陶瓷材料、不同掺量、不同制备工艺对水泥基压电复合材料的频率响应特性及其影响规律,揭示了机电耦合作用下水泥基压电复合材料基频共振效应及其形成机制;提出复参数等效电学模型,有效解决了经典等效电学模型（Van Dyke Model）在基频共振区理论计算电学参数不收敛的难题,成功获得水泥基压电材料弹性模量、介电常数、声阻抗等多个关键参数;进一步通过实验测试与模型计算相结合方式,建立了此类复合材料性能指标和电学参数之间对应关系,为水泥基压电复合材料设计提供了参数指标。 3、形成了以压电性能、介电性能和力学性能为主要指标的材料设计理念,系统研究了制备工艺、极化参数、材料组分等对水泥基压电复合材料性能的影响规律,建立了完整的技术实现方法,解决了水泥基压电复合材料不易极化的难题;获得了与混凝土材料界面完全相容、材料性能高度匹配的新型传感材料;构建了高耐久性,高灵敏度,宽频响范围的内置式水泥基压电传感系统,探明了水泥基压电传感系统在混凝土结构智能化应用中的工作状态,掌握了水泥基压电传感系统的作用机理与影响规律。 同行引用及评价： 国家自然科学基金杰出青年基金获得者、浙江大学陈伟球教授在＜Composites Science and Technology＞104（2014）：183-189论文中对成果（1）评价为：潜在的新型机电传感材料（prospective novel kind of electromechanical transducer materials）;美国三大科技媒体之一《Vertical News》（Technology ＆ Business Journal,Atlanta： Nov 4, 2008. pg. 352）对成果（2）做了专题报道：全新的见解（new insights）;中国科学院院士蒋民华教授在全国第一届水泥基材料微观结构及耐久性大会上对成果（3）被评价：首次报到（first reported）。 本项目的研究历时16年,取得了系统创新性成果,在《Composites Science and Technology》、《Cement and Concrete Research》、《Cement and Concrete Composites》等国际建筑材料工程主流期刊发表SCI论文32篇,他引共计853次,其中SCI他引657次。研究成果受到多个国内外同行专家、专业科技媒体的高度评价;有关成果已成功应用于多个工程实践,取得了良好的社会效益和经济效益。