无铅BNBT压电陶瓷/波特兰水泥复合材料的力学、声学及老化压电性能研究：面向结构健康监测应用的1-3和2-2连通性设计优化

为解决传统压电陶瓷与混凝土结构兼容性差的问题，研究人员开发了1-3和2-2连通性的无铅BNBT陶瓷/波特兰水泥(PC)复合材料。通过调控BNBT含量（40-70 vol.%）和连通性类型，发现2-2连通性复合材料表现出更高的抗压强度（178 MPa）和压电系数（d33=115 pC/N），且40 vol.% BNBT的复合材料与混凝土声阻抗匹配良好。研究为结构健康监测(SHM)传感器提供了环境友好型高性能材料解决方案。

　　

随着城市化进程加速，工程结构健康监测(SHM)需求日益增长，而传统铅基压电陶瓷(如PZT)因环境毒性、与混凝土声阻抗不匹配等问题，限制了其在SHM中的应用。如何开发兼具高传感性能和环境兼容性的材料成为关键挑战。无铅铋钠钛酸盐-钛酸钡(BNBT)陶瓷因其优异的压电性能备受关注，但其与水泥基体的复合设计规律尚不明确。

为突破这一瓶颈，泰国Rajamangala科技大学的Ruamporn Potong团队在《Materials Research Bulletin》发表研究，系统探究了1-3和2-2连通性0.94Bi_0.5Na_0.5TiO₃-0.06BaTiO₃(BNBT)/波特兰水泥(PC)复合材料的性能。研究采用固态反应法合成BNBT陶瓷，通过切割-填充技术制备不同连通性复合材料，结合SEM、XRD、超声阻抗分析等手段，系统表征了微观结构、力学性能、压电响应及老化稳定性。

3.1 微观结构与相表征

通过SEM和EDX分析证实，BNBT陶瓷与水泥水化产物界面结合良好，XRD显示复合材料中BNBT钙钛矿相与水泥水化产物共存。2-2连通性复合材料因双向陶瓷排列展现出更致密的结构。

3.2 力学性能

抗压强度随BNBT含量增加而提升，2-2连通性复合材料在70 vol.% BNBT时达178 MPa，显著高于1-3连通性（160 MPa）和普通混凝土（22.2-41.2 MPa）。

3.3 声阻抗特性

40 vol.% BNBT的复合材料声阻抗(Z_c≈11×10⁶ kg/m²s)与混凝土(6.9-11.23×10⁶ kg/m²s)最佳匹配，有利于SHM信号传输。

3.4 介电与压电性能

介电常数(ε₃₃)和压电系数(d₃₃)均符合并联模型预测，2-2连通性复合材料在70 vol.% BNBT时d₃₃达115 pC/N。尽管压电电压系数(g₃₃)随BNBT含量增加而降低，但1-3连通性复合材料始终高于纯BNBT陶瓷（26.07 vs. 15×10^-3 Vm/N）。

老化性能研究

60天老化后，复合材料的d₃₃和K_t值下降幅度小于纯BNBT陶瓷，归因于水泥水化持续改善界面结合。值得注意的是，g₃₃值在老化期间始终高于纯陶瓷，凸显复合材料设计优势。

该研究首次系统揭示了1-3和2-2连通性无铅BNBT/PC复合材料的性能调控规律，2-2连通性设计在抗压强度（提升30%）、压电性能（d₃₃>100 pC/N）和声阻抗匹配方面的优势，为开发长寿命SHM传感器提供了理论依据。未来研究可拓展环境适应性评估，推动这类环保材料在智能基础设施中的实际应用。