1. 研究目的与意义（文献综述）

近年来，随着中国经济发展的需要和工程技术的创新，一系列基础设施，如大跨径桥梁、高速公路、超高层建筑得到了快速发展，对于促进国家经济快速发展，提高人民生活水平，缩小我国与发达国家的差距上有着无可比拟的作用。但大型土木工程结构和重要基础设施在其生命周期中，由于外部荷载作用、环境因素、疲劳效应、腐蚀效应和材料老化等灾变因素的耦合作用以及各种不可确定因素，如突发性的地震，车、船的碰撞、爆炸等事件的影响，结构不可避免地产生累积损伤，从而抵抗外力的能力下降，甚至引发灾难性的突发事故^[1]，怎么实时检测建筑的质量、保障建筑物的安全成为了人们讨论的热点话题，随之引出了压电陶瓷传感器在水泥混凝土中的应用、水泥基压电材料的应用，基本满足了工业上的需求，但检测精度仍有待提升，如压电陶瓷传感器在水泥混凝土中的应用，因压电陶瓷相与水泥混凝土相接触不够牢靠导致压电相与混凝土胶凝材料相脱离，失去检测功能，在水泥基压电材料中，因水泥基压电材料与水泥混凝土中的胶凝材料接触较为紧密，不易脱落解决了传感器脱落的问题^[2,3]，但随之而来的因胶凝材料不具压电性能阻隔压电相材料进行极化使传感器的压电性能大大降低，所以亟待需求一种材料能够兼顾水泥基压电材料与水泥混凝土结合牢靠与压电陶瓷压电性能好的优点^[2]。

研究发现压电复合材料中压电增强相夹杂与基体会发生复杂的机电耦合（机电耦合系数意思是压电振子在振动过程中，将机械能转变为电能，或将电能转变为机械能，这种表示能量相互变换的程度用机电耦合系数表示。可通过选取合适的压电增强相和基体的组分与体积分数，使复合材料的压电性能高于单相压电介质材料，从而提高材料的压电性能^[3]。

硅酸二钙(c₂s)在普通硅酸盐水泥中的含量约为10~40%，c₂s一共有五种晶型(α，αh’，αl’，β，γ)，γ-c₂s是五种晶型中水化活性较差的一种，因此在水泥熟料的生产工艺中，一般采用在500℃以上急速冷却的制度，使得c₂s的晶型转变来不及完成，以较高水化活性β-c₂s的晶型保留下来而避免γ-c₂s在水泥熟料中生成^[4]，然而γ-c₂s并不是没有化学活性，研究发现其在有水参与的情况下能够与co₂快速发生反应，生成碳酸钙和二氧化硅胶体，γ-c₂s的碳化速率达到甚至超过β-c₂s和c₃s，并且γ-c₂s碳化后得到了强度超过100mpa的材料，远超过β-c₂s和c₃s^[5]。在当今全球倡导水泥工业低碳发展以及水泥基压电材料力学性能和压电性能受到限制问题突出的背景下，提升γ-c₂s本身的强固碳能力以及将γ-c₂s应用到水泥基压电材料中改善材料力学性能以及压电性能能有效的缓解温室效应也能促进水泥基压电材料的发展。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容及目标

γ-c₂s有很大的应用潜力，其碳化既可以提高混凝土表面的致密性，又可以很大程度上弥补因替代部分水泥而导致的强度降低，同时γ-c₂s基压电材料大量在水泥混凝土中的应用能够大量吸收空气中二氧化碳减缓温室效应。基于这一特征，本课题研究目标是制备出一种具有良好压电性能、力学性能以及能够对空气中二氧化碳起到固定作用的水泥基压电材料，具体内容包括压电相种类及掺量、增强相种类及掺量、养护方法及养护制度、颗粒级配、成型工艺以及极化工艺等方面对材料压电性及力学性能的影响，不同的原料配比以及碳化工艺对材料固碳能力的影响。提升材料压电性能和力学性能主要的阻碍是压电相压电性受水泥基材料的限制以及引入过多的压电相会降低材料的力学性能，而材料固碳能力主要依赖γ-c₂s的百分含量以及材料整体微观结构。本课题从初始原料选择、原料配比、颗粒级配、养护制度、成型和极化制度入手，拟采用控制自变量法结合sem、背散射等微观测试手段以及劈裂强度、压电应变系数d33等宏观性能测试，寻求最佳原料配比以及相关工艺参数，解决材料压电性能与力学性能、固碳能力相互制约的难题。

2.2 技术方案

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需要的相关知识，清楚实验目的及意义，完成开题报告。

第4-14周:进行实验与相关测试，对测试结果进行分析。

第14周：根据各种资料，完成论文修改与编写。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] roy p k,ponraj b, varma k b r. dielectric, ferroelectric and piezoelectric propertiesof (ba 0.98#8722;x sr x ca 0.02 ) (ti 0.95 zr 0.05 )o 3, lead-free ceramics[j].ceramics international, 2017.

[2] chen t, zhangt, zhou j, et al. ferroelectric and piezoelectric properties of [(ba 1#8722;3 x /2bi x ) 0.85 ca 0.15 ](ti 0.90 zr 0.10 )o 3, lead-free piezoelectricceramics[j]. materials research bulletin, 2012, 47(4):1104-1106.

[3] 张添乐, 黄曦, 郑凯,等. 极化电压对聚丙烯压电驻极体膜压电性能的影响 [j]. 物理学报, 2014,63(15):157703-157703.