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研究生:陳景明
研究生(外文):Ching-Ming CHEN
論文名稱:探討添加鋯鈦酸鉛陶瓷瀝青基材料製程與壓電性質
論文名稱(外文):The Pilot Study in Processing and Piezoelectric Properties of PZT Asphalt-Based Composite
指導教授:蘇育民蘇育民引用關係
指導教授(外文):Yu-Min SU
口試委員:蘇育民潘煌鍟李明君侯琮欽廖敏志
口試委員(外文):Yu-Min SUPAN, HUANG-HSINGMing-Gin LeeHou, Tsung-ChinMin-Chih Liao
口試日期:2017-04-11
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄應用科技大學
系所名稱:土木工程與防災科技研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2017
畢業學年度:105
語文別:中文
論文頁數:124
中文關鍵詞:瀝青膠泥壓電性質鋯鈦酸鉛極化
外文關鍵詞:Asphalt BinderThe Piezoelectric PropertiesLead Zirconate TitanatePolarization
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本研究主要目的為探討添加鋯鈦酸鉛陶瓷(PZT)瀝青基材料製程與壓電性質。本研究製程採用體積比將10 % 的瀝青膠泥與90 % PZT混合,利用萬能試驗機以壓力80MPa壓製8分鐘製作試體,試體採用極化電場2.5 kV/mm,分別在溫度攝氏10、20、30、40、與50度中,採用速率3V/s極化5、10、20、40、及60分鐘,並量測試體的壓電性質,包含壓電應變常數d33與機電耦合常數κt。
由試驗結果可知,純PZT試體與瀝青基壓電試體經過極化後,純PZT試體不論在極化溫度20、30、40、50℃中,只要極化時間超過20分鐘,所量測到的壓電應變常數皆400 pC/N左右。純PZT試體經過極化溫度20、30、40、50℃極化後,阻抗與相角皆會在頻率200kHz與450kHz產生阻抗變化,當極化溫度從20℃提升至50℃,機電耦合常數依據溫度提升隨之從64.9%提升至70.7%。而瀝青基壓電試體則是在極化溫度40℃時,壓電應變常數在極化時間達20分鐘後皆約在50 pC/N左右,而在極化溫度50℃時極化20分鐘所得之壓電應變常數約在55 pC/N,且隨極化時間增加有持續升高的趨勢,極化時間增加到60分鐘時,所量測到的壓電應變常數約在65 pC/N左右。而瀝青基壓電材料在極化溫度40℃時約在頻率380 kHz到480 kHz之間會產生阻抗變化,50℃時則是約在頻率400 kHz到500 kHz之間產生阻抗變化。當極化溫度從40℃提升到50℃與極化時間從5分鐘提升到20分鐘以上,所得到的機電耦合常數有上升的趨勢,從24.4%上升到28.6%,而阻抗變化亦會更加明顯。此外必須說明的是,純PZT試體在10℃時,以及瀝青基壓電材料在10與20℃時,試體在極化過程中皆遭到擊穿,而瀝青基壓電材料在30℃時試體通過極化程序後,雖然能量測到壓電應變常數d33但卻無阻抗變化,因此判斷瀝青基壓電材料在30℃極化溫度時極化不完全。

The research objective was to develop the processing of asphalt-based lead zirconate titanate composite and assess the piezoelectric properties. The pilot study was initiated to produce the composite specimens of ten percent of AC-20 binder with ninty percent of PZT by volume. The processing requires compressing the asphalt-based composite with 80MPa and 8 minutes by a MTS device and the polarization procedures involve utilizing poling votage of 2.5 kV/mm to trigger the piezoelectric properties under conditioning temperatures of 10, 20, 30, 40, and 50-°C. The polarization time was set to 5, 10, 20, 40, 60-minutes. Piezoelectric properties including piezoelectric strain constants (d33) and electromechanical coupling factors (κt) were investigated. For 100% PZT specimens, results of piezoelectric strain constants stayed about 400 pC/N after 20 minutes of polarization time and under 20 to 50-°C. A rather clear pattern can be found on impedance and phase angle diagram under the frequency of 200 to 450 kHz. The electromechanical coupling factors were about 64.9 to 70.7-% under 20 to 50-°C, respectively. For asphalt-based PZT composite, results of piezoelectric strain constants were 50 and 55 after 20 minutes of polarization time and under 40 and 50-°C. The electromechanical coupling factors were about 24.4 to 28.6-% under 40 and 50-°C, respectively. It has to be noted that the polarization process cannot be completed for 100% PZT under 10°C, and asphalt-based PZT composte under 10 to 30 °C in this study.
摘要 I
ABSTRACT III
致謝 V
目錄 IV
表目錄 VII
圖目錄 IX
符號說明 XIII
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 研究目的 1
1.3 研究步驟 1
1.4 研究流程 2
第二章 文獻回顧 3
2.1 瀝青材料 3
2.1.1 來源 3
2.1.2 組成成分 5
2.1.3 規範 6
2.2 壓電性質與材料 6
2.2.1 壓電材料特性 6
2.2.2 壓電特性參數 7
2.2.3 壓電材料種類 9
2.2.4 基介分類 9
2.3 相關研究 10
2.3.1 水泥為基底材料壓電複合材料 10
2.3.2 瀝青為基底材料壓電感測器 19
2.4 文獻小結 28
第三章 實驗計畫 30
3.1 試驗材料 30
3.1.1 瀝青膠泥基本物性與電性試驗 30
3.1.2 壓電材料 31
3.2 實驗設備 34
3.3 前導試驗與試體製程 40
3.3.1 材料準備 40
3.3.2 純瀝青膠泥試體製作與材料電性試驗 43
3.3.3 瀝青基壓電試體製程 49
3.3.4 瀝青基壓電試體與純PZT試體性質量測 50
3.3.5 前導試驗與試體製程結論 51
3.4 瀝青基壓電試體與純PZT試體極化過程 52
3.5 阻抗頻譜變化 55
第四章 試驗結果 57
4.1 材料電性試驗 57
4.1.1 瀝青膠泥未極化之電性 57
4.1.2 純PZT極化前電性 59
4.1.3 瀝青基壓電試體極化前之電性 61
4.2 瀝青基壓電試體之試驗參數最佳化 64
4.2.1 決定最佳試驗極化電場 64
4.2.1 決定最佳試驗極化速率 65
4.3 極化結果 67
4.3.1 純PZT極化後之性質 67
4.3.2 瀝青基壓電材料極化後之性質 71
第五章 成果分析 75
5.1 極化前不同材料電性之比較 75
5.1.1 電阻 75
5.1.2 電容 76
5.1.3 介電損失 77
5.2極化後不同材料電性之比較 77
5.2.1 電阻 77
5.2.2 電容 78
5.2.3 介電損失 79
5.2.4 壓電應變常數 79
5.3 極化前後電性之比較 80
5.3.1 電阻 80
5.3.2 電容 81
5.3.3 介電損失 83
5.4 極化溫度與極化時間對於試體的壓電應變常數之影響 84
5.4.1 低溫極化 84
5.4.2 極化溫度與極化時間對於純PZT試體的壓電應變常數之影響 85
5.4.3 極化溫度與極化時間影響瀝青基壓電試體的壓電應變常數 86
5.4.4 極化溫度與極化時間對於試體的壓電應變常數之影響 87
5.5 阻抗變化與機電耦合常數 88
5.5.1 純鋯鈦酸鉛 (PZT) 88
5.5.2 瀝青基壓電材料 92
第六章 結論與建議 98
6.1 結論 98
6.2 建議 100
參考文獻 101
Q&A 102
口試照片 105
作者簡歷 106

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