臺灣博碩士論文加值系統

本研究探討含爐石與飛灰的0-3型水泥壓電複合材料，考慮養護天數與極化電場作用，觀察材料的顯微結構與壓電特性，並長期觀察極化後的壓電特性。壓電陶瓷PZT在水泥壓電複合材料中作為介質，體積含量固定50%，剩餘50%體積含量為基體。試體基體分別為水泥、爐石水泥與飛灰水泥，基體配比為爐石與飛灰各別取代水泥10%、20%、30%、40%與50%的體積含量。以80MPa的應力壓製試體，壓製後的試體放置在90℃的水槽內養護7天、28天與56天後，在溫度150℃油槽內極化30分鐘，極化電場分別為0.5kV/mm、1kV/mm 及1.5kV/mm。
實驗結果顯示，PP試體的表面孔隙會隨爐石取代量增加而變小，小於20%飛灰取代量也有相同現象；但飛灰取代量大於20%後，則會變大。在小於20%取代量的爐石試體與飛灰試體比較下，水化產物的發展程度差異不是很大，但取代量大於20%後，爐石試體的水化產物比飛灰試體豐富。另外，PP試體極化前的電容C、相對介電常數 與介電損失D均隨爐石與飛灰取代量增加而增加；除了SL 50試體，其他試體均隨養護天數增加而降低；爐石與飛灰在相同取代量時，除了SL 50養護7天試體，SL試體均高於FA試體。PP試體極化前的介電損失D會隨爐石與飛灰的取代量增加而提高，導致激發時間延長；但隨養護天數增加，可有效縮短。然而極化前的介電損失最好小於0.73，水泥壓電複合材料較容易極化成功。另外，0-3型水泥壓電複合材料極化後的壓電性質會隨著極化後齡期而產生波動，但隨著極化後齡期的延長，波動有逐漸減小的趨勢，且在60天後趨於穩定。另外，0-3型水泥壓電複合材料的壓電性質受養護天數的影響較小，但提高極化電場均可使壓電應變常數 提升約23.4%~54.7%，壓電電壓常數 提升約36.9%~74.7%，機電耦合常數 提升約1.3%~3.6%，且可使電容C與相對介電常數 降低。另外，PP試體添加20%爐石可使壓電應變常數 提升約21.93%，添加20%飛灰也可提升約20.37%。兩者分別擁有最佳的壓電應變常數，有利於製作成致動器與感測器。PP試體添加20%爐石可使壓電電壓常數 提升約15.41%，添加20%的飛灰也可提升約14.91%。兩者分別擁有最佳的壓電電壓常數，有利於製作成致動器與感測器。PP試體添加爐石或20%以下的飛灰可有效提升電容C與相對介電常數 ，有利於製作成電容器。PP試體添加爐石可提升機電耦合常數 約0.99%~1.37%，添加飛灰也是相同，可提升約2.21%~10.9%，提升效果比爐石好，兩者皆可使機械能與電能之間的轉換效率提高。

In this study, 0-3 cement piezoelectric composites containing slag and fly ash are investigated. Cement piezoelectric composites consist of 50% PZT as inclusion and 50% cement binder as matrix by volume. Cement is replaced by slag or fly ash from 10% to 50% in the binder. Specimen was formed by a compressive stress of 80MPa, cured in the water with 90℃ for 7 days, 28 days and 56 days, respectively, and then polarized in 150℃ silicon oil bath for 30 minutes, in which three poling fields with 0.5kV/mm, 1kV/mm and 1.5kV/mm are applied. We examine microstructure and piezoelectric properties of the composite affected by curing time and poling field.
Experimental results show that surface pores of PP composite gradually reduce with increasing slag, but only with fly ash less than 20% have the similar trend. The differences of hydration products for slag and fly ash less than 20% are small. When the replacement is greater than 20%, hydration products of slag are richer than those of fly ash. For cement piezoelectric composites prior to the polarization, the increase of slag and fly ash replacement induces high capacitance, relative dielectric constant and dielectric loss, compared with PP composite. However, increasing curing time will diminish capacitance, relative dielectric constant and dielectric loss except for SL50. Low dielectric loss of specimen shortened trigger time of polarization. Specimen with dielectric loss less than 0.73 is easy to polarize successfully. Piezoelectric properties of specimen will be found after the polarization. The values of piezoelectric properties except for electromechanical coupling factor have high fluctuation at early age, for example less than 30 days, and gradually become steady after 60 days. It seems that curing time has less efficient to piezoelectric properties. To increase piezoelectric properties, poling voltage is more effective. While voltage increases from 0.5 to 1.5 kV/mm, the enhancement for piezoelectric strain constant, piezoelectric voltage constant and electromechanical coupling factor is 23.4%~54.7%, 36.9%~74.7% and 1.3%~3.6%, respectively. On the contrary, capacitance and relative dielectric constant reduce with poling voltage. 20% replacement of slag and fly ash is the optimum contents to increase piezoelectric strain constant of 21.93% and 20.37%, respectively. Similarly, piezoelectric voltage constant for slag and fly ash also has 15.41% and 14.91% increment in turn. Fly ash is a better replacement than slag to increase electromechanical coupling factor.

摘 要 I
Abstract III
誌 謝 V
目 錄 VI
表目錄 IX
圖目錄 XI
符號說明 XXIII
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 2
1.3 研究方法 3
1.4 研究流程 4
第二章 文獻回顧 5
2.1 水泥 5
2.1.1 水泥的水化反應 5
2.1.2 水泥的微觀結構 8
2.2 卜作嵐材料 10
2.2.1 卜作嵐材料的生產及特性 11
2.2.2 卜作嵐反應 12
2.2.3 卜作嵐材料取代水泥的相關研究 13
2.3 掃描式電子顯微鏡 (SEM) 16
2.4 X光繞射儀 (XRD) 20
2.5 壓電材料 23
2.5.1 壓電材料種類 23
2.5.2 壓電材料特性 24
2.5.3 壓電特性參數 26
2.6 水泥基壓電複合材料 27
2.7 0-3型水泥基壓電複合材料 28
2.7.1 壓電陶瓷含量的影響 28
2.7.2 壓電陶瓷粒徑的影響 32
2.7.3 試體製程的影響 34
2.7.4 極化條件的影響 37
2.7.5 添加填充物的影響 44
2.7.6 極化後齡期的影響 50
第三章 實驗計畫 54
3.1 實驗目的 54
3.2 實驗材料 54
3.3 實驗變數 59
3.3.1 固定條件 59
3.3.2 變數條件 59
3.4 實驗設備 60
3.5 試體製作 68
3.6 養護及研磨 72
3.7 微觀試體製作 74
3.8 極化技術 75
3.9 壓電性質量測與計算 77
第四章 結果與討論 81
4.1 微觀結構 82
4.1.1 光學顯微鏡(OM)觀測結果 82
4.1.2 掃描式電子顯微鏡(SEM)觀測結果 89
4.1.3 X光繞射(XRD)觀測結果 111
4.2 極化前後的電性 121
4.3 激發時間 123
4.4 阻抗頻譜 125
4.5 養護天數 147
4.6 極化電場 182
4.7 基體配比 221
第五章 結論與建議 236
5.1 結論 236
5.2 建議 237
參考文獻 238
附錄A 242
附錄B 302
口試照片 362
作者簡歷 363

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