一种镁渣压电复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及压电复合材料技术领域，更具体地说，是涉及一种镁渣压电复合材料及其制备方法。

背景技术

压电复合材料是具有压电性的高分子压电材料，无需拉伸等处理，即可获得在任何方向上都显示出相同的压电性。这一特征在混凝土的结构性检测过程中起到十分重要的作用。而今高层建筑和超高层建筑的不断出现，对压电复合材料力学性能的要求也逐渐提高。应用于混凝土行业的压电复合材料一般为水泥基压电材料，应用较为广泛，但目前对于实践要求来说，就存在力学性能、压电性能和热稳定性能较差，高损耗、压电相力学性能与基体不匹配等问题。

中国专利CN114656256A公开了一种利用含钛矿物制备的压电复合材料及其方法，该发明提供一种以含钛高炉渣、高钛渣、氧化铅和钠盐为原料，一步两段式焙烧制备压电复合材料的方法。压电复合材料与混凝土的融合性较好，力学性能和压电性能优异，但是该发明具有焙烧过程，不仅增加了燃烧能源成本，一步两段式焙烧过程也增加了生产时间成本。

发明内容

有鉴于此，为解决上述常用复合材料力学性能和压电性能无法兼备的问题，本发明的目的在于提供一种镁渣压电复合材料及其制备方法，本发明提供的镁渣压电复合材料选择镁渣作为复合材料的主要原材料，通过混合压制成型、碳化处理所得，产品具有良好的力学性能、压电性能、体积稳定性和耐久性，同时实现对镁渣的高效、低成本再利用。

本发明提供了一种镁渣压电复合材料，由包括以下组分的原料制备而成：

镁渣20重量份～60重量份；

聚苯乙烯5重量份～65重量份；

玻璃陶瓷20重量份～55重量份；

水10重量份～25重量份；

流变调节剂0.05重量份～0.5重量份。

优选的，所述镁渣的粒径为5μm～65μm。

优选的，所述聚苯乙烯选自通用级聚苯乙烯、发泡级聚苯乙烯和抗冲击级聚苯乙烯中的一种或多种；所述聚苯乙烯的粒径为10μm～100μm。

优选的，所述聚苯乙烯由10wt％～55wt％的通用级聚苯乙烯、15wt％～50wt％的发泡级聚苯乙烯和55wt％～90wt％的抗冲击级聚苯乙烯组成，

或，

由10wt％～45wt％的通用级聚苯乙烯和55wt％～90wt％的抗冲击级聚苯乙烯组成，

或，

由15wt％～50wt％的发泡级聚苯乙烯和50wt％～85wt％的抗冲击级聚苯乙烯组成，

或，

由50wt％～80wt％的通用级聚苯乙烯和20wt％～50wt％的发泡级聚苯乙烯组成；

或，

为抗冲击级聚苯乙烯。

优选的，所述玻璃陶瓷为SrTiO

优选的，所述流变调节剂选自壳聚糖、甲壳素和几丁质中的一种或多种。

本发明还提供了一种上述技术方案所述的镁渣压电复合材料的制备方法，包括以下步骤：

a)将镁渣、聚苯乙烯、玻璃陶瓷混合均匀得到混合料A；将流变调节剂、水混合均匀得到混合料B；

b)将混合料B加入到混合料A中并搅拌至固液不分层，得到湿料；

c)将湿料压制成型得到坯体；

d)将坯体放入碳化装置中进行碳化生成镁渣压电复合材料。

优选的，步骤a)中所述混合均匀的条件还可使用球磨机：使用球磨机的衬板材质包括但不限于铬铸铁、中铬合金钢、多元低合金刚，研磨球的材质包括但不限于铸造钢球、高铬铸铁、陶瓷，以充填率为40％～50％，球磨机筒体转速为18r/min～20r/min，研磨混合时间为0.5～3h进行干磨。

优选的，步骤c)中所述压制成型条件为：压强为10MPa～50MPa，保压时间为30s～180s。

优选的，步骤d)中所述碳化的条件为：在浓度大于5％的CO

本发明提供了一种镁渣压电复合材料，由包括以下组分的原料制备而成：镁渣20重量份～60重量份；聚苯乙烯5重量份～65重量份；玻璃陶瓷20重量份～55重量份；水10重量份～25重量份；流变调节剂0.05重量份～0.5重量份。与现有技术相比，本发明提供的镁渣压电复合材料选择镁渣作为复合材料的主要原材料，配合其他特定含量的特定组分，实现整体较好的相互作用，产品具有良好的力学性能、压电性能、体积稳定性和耐久性，同时实现对镁渣的高效、低成本再利用。

此外，本发明提供的制备方法工艺简单，无焙烧过程，条件温和、易控，具有广阔的应用前景。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种镁渣压电复合材料，由包括以下组分的原料制备而成：

镁渣20重量份～60重量份；

聚苯乙烯5重量份～65重量份；

玻璃陶瓷20重量份～55重量份；

水10重量份～25重量份；

流变调节剂0.05重量份～0.5重量份。

在本发明中，所述镁渣压电复合材料由包括镁渣、聚苯乙烯、玻璃陶瓷、水和流变调节剂的原料制备而成，优选由镁渣、聚苯乙烯、玻璃陶瓷、水和流变调节剂制备而成。本发明对所述聚苯乙烯、玻璃陶瓷和流变调节剂的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可；镁渣为金属镁在冶炼过程中排放的工业废渣。

在本发明中，所述镁渣的粒径优选为5μm～65μm，更优选为20μm～40μm。本发明选择镁渣作为复合材料的主要原材料，以其特有的性质能够提供一种镁渣压电复合材料，兼具优异的力学性能和压电性能，具有广阔的应用前景。

在本发明中，所述镁渣压电复合材料包括20重量份～60重量份的镁渣，优选为30重量份～40重量份。

在本发明中，所述聚苯乙烯优选选自通用级聚苯乙烯、发泡级聚苯乙烯和抗冲击级聚苯乙烯中的一种或多种；在本发明优选的实施例中，所述聚苯乙烯由10wt％～55wt％的通用级聚苯乙烯、15wt％～50wt％的发泡级聚苯乙烯和55wt％～90wt％的抗冲击级聚苯乙烯组成，优选由15wt％的通用级聚苯乙烯、25wt％的发泡级聚苯乙烯和60wt％的抗冲击级聚苯乙烯组成；

或，

由10wt％～45wt％的通用级聚苯乙烯和55wt％～90wt％的抗冲击级聚苯乙烯组成，优选由20wt％的通用级聚苯乙烯和80wt％的抗冲击级聚苯乙烯组成；

或，

由15wt％～50wt％的发泡级聚苯乙烯和50wt％～85wt％的抗冲击级聚苯乙烯组成；

或，

由50wt％～80wt％的通用级聚苯乙烯和20wt％～50wt％的发泡级聚苯乙烯组成；

或，

为抗冲击级聚苯乙烯。

在本发明中，所述聚苯乙烯的粒径优选为10μm～100μm，更优选为40μm～60μm。

在本发明中，所述镁渣压电复合材料包括5重量份～65重量份的聚苯乙烯，优选为20重量份～35重量份。

在本发明中，所述玻璃陶瓷优选为SrTiO

在本发明中，所述镁渣压电复合材料包括20重量份～55重量份的玻璃陶瓷，优选为25重量份～35重量份。

在本发明中，所述流变调节剂优选选自壳聚糖、甲壳素和几丁质中的一种或多种，更优选为壳聚糖。

在本发明中，所述镁渣压电复合材料包括0.05重量份～0.5重量份的流变调节剂，优选为0.15重量份～0.2重量份。

本发明提供的镁渣压电复合材料选择镁渣作为复合材料的主要原材料，配合其他特定含量的特定组分，实现整体较好的相互作用，产品具有良好的力学性能、压电性能、体积稳定性和耐久性，同时实现对镁渣的高效、低成本再利用。

本发明还提供了一种上述技术方案所述的镁渣压电复合材料的制备方法，包括以下步骤：

a)将镁渣、聚苯乙烯、玻璃陶瓷混合均匀得到混合料A；将流变调节剂、水混合均匀得到混合料B；

b)将混合料B加入到混合料A中并搅拌至固液不分层，得到湿料；

c)将湿料压制成型得到坯体；

d)将坯体放入碳化装置中进行碳化生成镁渣压电复合材料。

本发明首先将镁渣、聚苯乙烯、玻璃陶瓷混合均匀得到混合料A；将流变调节剂、水混合均匀得到混合料B。

在本发明中，所述镁渣、聚苯乙烯、玻璃陶瓷、流变调节剂、水与上述技术方案中的相同，在此不再赘述。

在本发明中，所述混合均匀的条件优选还可使用球磨机：使用球磨机的衬板材质包括但不限于铬铸铁、中铬合金钢、多元低合金刚，研磨球的材质包括但不限于铸造钢球、高铬铸铁、陶瓷，以充填率优选为40％～50％，更优选为45％，球磨机筒体转速优选为18r/min～20r/min，研磨混合时间优选为0.5～3h，更优选为1h，进行干磨。

在本发明中，所述球磨机可通过调节改变充填率、筒体转速、研磨混合时间等参数更精准控制各制备材料的粒径尺寸，还可以在机器运转过程中使各材料混合更加充分，分散更均匀。

之后，本发明将混合料B加入到混合料A中并搅拌至固液不分层，得到湿料；再将湿料压制成型得到坯体。

在本发明中，所述压制成型条件优选为：压强优选为10MPa～50MPa，保压时间优选为30s～180s，更优选为110s～130s。

最后，本发明将坯体放入碳化装置中进行碳化生成镁渣压电复合材料。

在本发明中，所述碳化的条件优选为：在浓度优选大于5％，更优选为90％的CO

本发明提供的制备方法将各原料混匀制成湿料，经预制成型后在富含CO

本发明具有如下有益效果：

本发明采用镁渣碳化硬化形成压电复合材料基底，粉料预混压制成型模式不仅可控程度高，能够提高压电相在基体内的均匀分散程度，而且生产速度快、能耗低。

镁渣矿物属于介稳的高温型结构，结构中存在活性的阳离子，所以镁渣本身具有很高的水化活性，水化后生成水化硅酸钙凝胶，与流变调节剂一起还能够显著改善镁渣固液分层问题，促进钙离子溶出从而促进碳化反应；从而镁渣中含有的大量的硅酸二钙和少量的氧化镁、游离氧化钙，可在合适的碳化环境下与二氧化碳反应，生成致密的碳化产物，能够显著增加成品材料的力学性能和耐久性，另外，镁渣和聚丙乙烯、SrTiO

本发明提供了一种镁渣压电复合材料，由包括以下组分的原料制备而成：镁渣20重量份～60重量份；聚苯乙烯5重量份～65重量份；玻璃陶瓷20重量份～55重量份；水10重量份～25重量份；流变调节剂0.05重量份～0.5重量份。与现有技术相比，本发明提供的镁渣压电复合材料选择镁渣作为复合材料的主要原材料，配合其他特定含量的特定组分，实现整体较好的相互作用，产品具有良好的力学性能、压电性能、体积稳定性和耐久性，同时实现对镁渣的高效、低成本再利用。

此外，本发明提供的制备方法工艺简单，无焙烧过程，条件温和、易控，具有广阔的应用前景。

为了进一步说明本发明，下面通过以下实施例进行详细说明。本发明以下实施例、对比例中所用原料均为市售，其中，玻璃陶瓷为SrTiO

实施例1

本实施例中镁渣压电复合材料的原料为：按重量份计，镁渣30份，聚苯乙烯35份，玻璃陶瓷25份，水15份，流变调节剂0.15份。镁渣的粒径为30μm。聚苯乙烯的粒径尺寸为50μm。聚苯乙烯包括以下三种不同类型，按一定质量比混合而成：通用级聚苯乙烯15％，发泡级聚苯乙烯25％，抗冲击级聚苯乙烯60％。

制备方法：首先将镁渣粉碎后与聚苯乙烯及玻璃陶瓷在充填率为45％的搪瓷球磨机里以20r/min的转速干磨1h充分混合后取出得到混合料A，然后与水、流变调节剂按比例混合的混合料B进行混合，搅拌至无固液分层，得到湿料，将湿料置于不锈钢碳化模具中以50MPa的压强，保压时间120s，压制成型得到坯体，将制得的坯体立即放入碳化装置中在纯度为90％的CO

经测试，本实施例制得的镁渣压电复合材料技术指标为：24h抗压强度为46.50MPa，压电应变常数d33为95.20pC/N，压电电压常数g33为72.18(mv)m/N，相对介电常数E33为134.33，介质损耗tanδ为0.41，表明该材料的力学性能和压电性能优异。

实施例2

本实施例中镁渣压电复合材料的原料为：按重量份计，镁渣40份，聚苯乙烯25份，玻璃陶瓷30份，水20份，流变调节剂0.2份。镁渣的粒径为30μm。聚苯乙烯的粒径尺寸为50μm。聚苯乙烯包括以下两种不同类型，按一定质量比混合而成：通用级聚苯乙烯20％，抗冲击级聚苯乙烯80％。

制备方法：首先将镁渣粉碎后与聚苯乙烯及玻璃陶瓷在充填率为45％的搪瓷球磨机里以20r/min的转速干磨1h充分混合后取出得到混合料A，然后与水、流变调节剂按比例混合的混合料B进行混合，搅拌至无固液分层，得到湿料，将湿料置于不锈钢碳化模具中以50MPa的压强，保压时间120s，压制成型得到坯体，将制得的坯体立即放入碳化装置中在纯度为90％的CO

经测试，本实施例制得的镁渣压电复合材料技术指标为：24h抗压强度为50.20MPa，压电应变常数d33为92.30pC/N，压电电压常数g33为70.05(mv)m/N，相对介电常数E33为136.00，介质损耗tanδ为0.35，表明该材料的力学性能和压电性能优异。

实施例3

本实施例中镁渣压电复合材料的原料为：按重量份计，镁渣35份，聚苯乙烯20份，玻璃陶瓷35份，水20份，流变调节剂0.2份。镁渣的粒径为30μm。聚苯乙烯的粒径尺寸为50μm。聚苯乙烯由抗冲击级聚苯乙烯一种类型组成。

制备方法：首先将镁渣粉碎后与聚苯乙烯及玻璃陶瓷在充填率为45％的搪瓷球磨机里以20r/min的转速干磨1h充分混合后取出得到混合料A，然后与水、流变调节剂按比例混合的混合料B进行混合，搅拌至无固液分层，得到湿料，将湿料置于不锈钢碳化模具中以50MPa的压强，保压时间120s，压制成型得到坯体，将制得的坯体立即放入碳化装置中在纯度为90％的CO

经测试，本实施例制得的镁渣压电复合材料技术指标为：24h抗压强度为53.50MPa，压电应变常数d33为90.05pC/N，压电电压常数g33为70.00(mv)m/N，相对介电常数E33为130.80，介质损耗tanδ为0.38，表明该材料的力学性能和压电性能优异。

对比例1

本对比例与实施例1相比，仅减少了原料镁渣的重量分数，其他原料和制备方法与实施例1无差别。

本对比例中镁渣压电复合材料的原料为：按重量份计，镁渣5份，聚苯乙烯35份，玻璃陶瓷25份，水15份，流变调节剂0.15份。镁渣的粒径为30μm。聚苯乙烯的粒径尺寸为50m。聚苯乙烯包括以下三种不同类型，按一定质量比混合而成：通用级聚苯乙烯15％，发泡级聚苯乙烯25％，抗冲击级聚苯乙烯60％。

制备方法：首先将镁渣粉碎后与聚苯乙烯及玻璃陶瓷在充填率为45％的搪瓷球磨机里以20r/min的转速干磨1h充分混合后取出得到混合料A，然后与水、流变调节剂按比例混合的混合料B进行混合，搅拌至无固液分层，得到湿料，将湿料置于不锈钢碳化模具中以50MPa的压强，保压时间120s，压制成型得到坯体，将制得的坯体立即放入碳化装置中在纯度为90％的CO

经测试，本对比例制得的镁渣压电复合材料技术指标为：24h抗压强度为21.05MPa，压电应变常数d33为58.50pC/N，压电电压常数g33为42.00(mv)m/N，相对介电常数E33为58.50，介质损耗tanδ为0.49。

对比例2

本对比例与实施例1相比，仅未添加原料玻璃陶瓷，其他原料和制备方法与实施例1无差别。

本对比例中镁渣压电复合材料的原料为：按重量份计，镁渣30份，聚苯乙烯35份，水15份，流变调节剂0.15份。镁渣的粒径为30μm。聚苯乙烯的粒径尺寸为50μm。聚苯乙烯包括以下三种不同类型，按一定质量比混合而成：通用级聚苯乙烯15％，发泡级聚苯乙烯25％，抗冲击级聚苯乙烯60％。

制备方法：首先将镁渣粉碎后与聚苯乙烯在充填率为45％的搪瓷球磨机里以20r/min的转速干磨1h充分混合后取出得到混合料A，然后与水、流变调节剂按比例混合的混合料B进行混合，搅拌至无固液分层，得到湿料，将湿料置于不锈钢碳化模具中以50MPa的压强，保压时间120s，压制成型得到坯体，将制得的坯体立即放入碳化装置中在纯度为90％的CO

经测试，本对比例制得的镁渣压电复合材料技术指标为：24h抗压强度为25.00MPa，压电应变常数d33为62.00pC/N，压电电压常数g33为42.50(mv)m/N，相对介电常数E33为48.50，介质损耗tanδ为0.65。

对比例3

本对比例与实施例1相比，仅未添加原料聚丙乙烯，其他原料和制备方法与实施例1无差别。

本对比例中镁渣压电复合材料的原料为：按重量份计，镁渣30份，玻璃陶瓷25份，水15份，流变调节剂0.15份。镁渣的粒径为30μm。

制备方法：首先将镁渣粉碎后与玻璃陶瓷在充填率为45％的搪瓷球磨机里以20r/min的转速干磨1h充分混合后取出得到混合料A，然后与水、流变调节剂按比例混合的混合料B进行混合，搅拌至无固液分层，得到湿料，将湿料置于不锈钢碳化模具中压制成型得到坯体，将制得的坯体立即放入碳化装置中在纯度为90％的CO

经测试，本对比例制得的镁渣压电复合材料技术指标为：24h抗压强度为32.00MPa，压电应变常数d33为65.80pC/N，压电电压常数g33为58.50(mv)m/N，相对介电常数E33为105.00，介质损耗tanδ为0.75。

对比例4

本对比例与实施例1相比，仅未添加原料流变调节剂，其他原料和制备方法与实施例1无差别。

本对比例中镁渣压电复合材料的原料为：按重量份计，镁渣30份，聚苯乙烯35份，玻璃陶瓷25份，水15份。镁渣的粒径为30μm。聚苯乙烯的粒径尺寸为50μm。聚苯乙烯包括以下三种不同类型，按一定质量比混合而成：通用级聚苯乙烯15％，发泡级聚苯乙烯25％，抗冲击级聚苯乙烯60％。

制备方法：首先将镁渣粉碎后与聚苯乙烯及玻璃陶瓷在充填率为45％的搪瓷球磨机里以20r/min的转速干磨1h充分混合后取出得到混合料A，然后与水进行混合，搅拌至无固液分层，得到湿料，将湿料置于不锈钢碳化模具中压制成型得到坯体，将制得的坯体立即放入碳化装置中在纯度为90％的CO

经测试，本对比例制得的镁渣压电复合材料技术指标为：24h抗压强度为42.20MPa，压电应变常数d33为69.00pC/N，压电电压常数g33为55.50(mv)m/N，相对介电常数E33为108.50，介质损耗tanδ为0.45。

对本发明实施例1～3以及对比例1～4制备的压电复合材料的力学性能和压电性能进行检测，结果如下表1所示。

表1本发明实施例1～3以及对比例1～4制备的压电复合材料的力学性能和压电性能数据

由实施例1、实施例2、实施例3制备的镁渣压电复合材料的力学性能和压电性能明显优于对比例1制备的镁渣压电复合材料可知，减少镁渣份数会降低压电复合材料中硅酸二钙、氧化镁、游离氧化钙和导电金属镁的含量，碳化反应不充分，致密碳化物产量减少，大幅降低压电复合材料的力学性能和压电性能。由实施例1制备的镁渣压电复合材料的力学性能和压电性能明显优于对比例2可知，由于玻璃陶瓷具有高介电常数、低介电损耗、热稳定性好等特性。去除玻璃陶瓷的添加，压电复合材料体积稳定性不足，会增加介质损耗，降低压电性能。同时，由实施例1制备的镁渣压电复合材料的力学性能和压电性能明显优于对比例3、对比例4可知，控制聚苯乙烯和流变调节剂按重量分数的添加也会对压电复合材料的关键性能指数起到重要影响作用。聚苯乙烯具有良好的尺寸稳定性，收缩率低，能够保证复合材料的体积稳定性。作为一种无定形的聚合物，聚苯乙烯还可以与流变调节剂一起显著改善镁渣固液分层问题。因此，去除聚苯乙烯或者流变调剂的添加都会让镁渣和其他材料的结合不充分，混合不均匀，导致压电复合材料内部因受力不均匀而降低力学性能。同时材料分布不均也会让压电性能大打折扣。

所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。