CN102110772A - 压电陶瓷纤维智能夹层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电陶瓷纤维智能夹层的制备方法，步骤为：将含金属芯的压电陶瓷纤维固定在柔性电路板上，并将其金属芯电极和外层涂布电极分别与柔性电路板上的电路连接；按照柔性电路板的形状，裁取双面胶膜，再将所得的双面胶膜粘贴到柔性电路板上；按照所得的双面胶膜的形状裁取聚酰亚胺薄膜，再将其粘贴到双面胶膜的外表面上；加热聚酰亚胺薄膜使其表面平整，再在其表面施加压力0.5-3小时，得到压电陶瓷纤维智能夹层。本发明的方法可以保证压电陶瓷纤维的安全、方便接线、安装的功能。克服了压电纤维使用过程中易折断、引线难的缺点，避免胶水厚度对压电纤维性能的影响。封装工艺简单，材料成本低廉，为压电纤维广泛应用提供了方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电陶瓷纤维智能夹层的制备方法，尤其涉及一种涂布金属电极的含金属芯的压电陶瓷纤维智能夹层的制备方法。
背景技术
自2O世纪后期以来，由于世界各地发生的航空事故所引起的灾难性后果，使得来源于仿生原理的结构健康监测技术得以提出并迅速发展起来。该技术研究在结构中安装或集成传感器／激励器、控制器以及信号处理器等功能单元来实现对结构健康状态的在线监测。在众多的传感器和激励器中，压电元件由于具有正逆压电效应，既可作为驱动器也可以作为传感器，因此，得到很多研究学者的关注并大量采用。在安装时，传统的方法是将压电元件逐个粘贴与分别连线，这样的做法会引起各压电元件存在性能差异，且稳定性、电气特性以及使用寿命等方面难以控制。为此，美国斯坦福大学率先进行了分布式传感器系统的研制，将这种分布式传感器系统叫做智能夹层(smart layer)。
按激励和传感方式的不同，智能夹层可大致分为两类：(1)自激诊断；(2)他激诊断。自激诊断系统主要由激励和传感元件组成，激励元件在结构中产生主动激励，传感元件则对该主动激励予以响应。压电智能夹层即为自激诊断系统，激励和传感均采用压电元件，但是传统的压电功能器件以块状和片状居多，由于体积较大不易与基体结构集成，当埋入基体结构时，对结构的强度和可靠性影响很大，也会改变结构的很多性能，甚至影响结构的使用，缩短结构的使用寿命。他激诊断系统仅由传感元件组成，传感元件仅对外部激励予以响应。他激诊断系统一般采用法布里-珀罗(Fabry-Perot，F-P)光纤传感器和光纤Bragg光栅(fiber Bragggrating，FBG)传感器。但是由于光纤仅可以作为传感器，制作的智能夹层只能够对外部激励予以相应，而不能产生主动激励。使用过程中需要对结构另行施加激励，从而增加了系统的复杂性。
申请号为200510075352.4的中国发明专利申请公开了一种具有金属芯的压电陶瓷纤维。一方面，这种压电纤维几何形状和尺寸均能够很好的满足智能结构提出的易于集成的要求。埋入基体结构时，对结构的强度和可靠性影响小，不会改变结构的性能和结构的使用。另一方面，其特有的结构特点是在压电陶瓷纤维的中心放置一根金属芯，在压电陶瓷纤维的外表面涂布一层金属，将金属芯和外层涂布金属分别作为两个电极使用。这样单根压电纤维就可以用作传感器或者驱动器。
发明内容
1、 技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种压电陶瓷纤维智能夹层的制备方法所述的压电陶瓷纤维为含金属芯的压电陶瓷纤维。
2、技术方案：为了解决上述的技术问题，本发明的压电陶瓷纤维智能夹层的制备方法包括下列步骤：
步骤一：将含金属芯的压电陶瓷纤维固定在柔性电路板上，再采用焊接或粘接的方法将含金属芯的压电陶瓷纤维的金属芯电极和外层涂布电极分别与柔性电路板上的电路连接；所述的柔性电路板既可以采用已制作好的柔性电路板，也可以根据待使用的压电纤维数量、长度、排布方式等条件确定线路布置形式，并以聚酰亚胺薄膜为基体材料，制作柔性电路板；
步骤二：按照柔性电路板的形状，裁取双面胶膜，再将所得的双面胶膜粘贴到柔性电路板上；在粘贴时，要保证双面胶膜不能覆盖柔性电路板与外接端子连接的电路部分；
步骤三：按照所得的双面胶膜的形状裁取聚酰亚胺薄膜，再将其粘贴到双面胶膜的外表面上；
步骤四：加热聚酰亚胺薄膜使其表面平整，再在其表面施加压力0.5-3小时，得到压电陶瓷纤维智能夹层；本步骤中，对聚酰亚胺薄膜表面施加压力实际上是粘贴在一起的柔性电路板、双面胶膜和聚酰亚胺薄膜之间结合更加紧密。
由于柔性电路板基材的空间限制，含金属芯的压电陶瓷纤维直径一般0.2mm-0.5mm之间，含金属芯的压电陶瓷纤维可以是一根，也可以是多根，排布方式可以是平行排布、成一定角度排布等。所述的柔性电路板基材为聚酰亚胺薄膜。双面胶膜的厚度之所以需要根据压电纤维的直径选择，是因为当双面胶膜的厚度大于压电纤维直径时，压电纤维与柔性电路板直径容易出现间隙，影响压电纤维的传感性能；而当双面胶膜的厚度小于压电纤维直径时，制作的智能夹层表面又会出现鼓包，影响其平整性以及对压电纤维的保护能力。因此这里选择双面胶膜的厚度略小于纤维直径，在0.18mm-0.48mm之间，这样可以保证压电纤维与柔性电路板表面完全贴合，又可以保证封装后的智能夹层表面平整性。同理，为了使制作的智能夹层厚度较小、柔韧性好，所选择的聚酰亚胺薄膜厚度较小，在0.05mm-0.1mm之间。选择的双面胶膜为柔性胶膜。
本发明的压电陶瓷纤维智能夹层的制备方法，为了使封装后的元件表面平整，采用三层铺层设计，并且根据压电纤维的排列方式、柔性电路板的尺寸，将中间层的双面胶膜切割成一定的尺寸和形状，铺放后可以在对应压电纤维的地方形成间隙，使压电纤维处于形成的间隙中，从而避免封装后智能夹层在压电纤维放置处形成凸起。
3、有益效果：本发明的压电陶瓷纤维智能夹层的制备方法可以保证压电陶瓷纤维的安全、方便接线、方便安装的功能。克服了压电纤维使用过程中易折断、引线难的缺点，避免了粘贴过程中胶水厚度对压电纤维性能的影响。同时封装工艺简单，材料成本低廉，为压电纤维广泛应用提供了方便。
具体实施方式
实施例一：本实施例包括下列步骤：
步骤一：选择封装三根长度为18mm，直径为0.2mm的含金属芯的压电陶瓷纤维，并呈等边三角形形式排布，每根压电纤维独立引线，共引出六个电极。为避免压电纤维电极之间互相接触，将其排布在边长为20mm的等腰三角形上，且三角形的一边平行于柔性电路板的边缘，两者相距15mm。。据此确定线路布置形式，并以30mm×35mm的聚酰亚胺薄膜为基体材料，用丝网印刷的方法制作出柔性电路板；将制备好的含金属芯的压电陶瓷纤维放置到步骤一所述柔性电路板上边长为20mm的等腰三角形上，用导电胶粘接的方式将压电纤维的外层涂布电极和金属芯电极分别与柔性电路板上对应的线路连接；
步骤二： 选择厚度为0.18mm，边长为30mm的双面胶膜，并在其内部切出一个边长为20.4mm的三角形形成第一部分，再将切出的三角形胶膜切成边长为19.6mm形成第二部分，将上述两部分的胶膜分别粘贴到柔性电路板上，并使三根压电纤维分别处于两部分胶膜形成的三角形环的三边中；
步骤三：将聚酰亚胺薄膜裁剪成30mm×30mm的大小，覆盖到双面胶膜的表面上；
步骤四：用电烙铁轻轻熨平后，施加3MPa的压强，半小时后取出，得到压电陶瓷纤维智能夹层。
实施例二：
步骤一：选择封装三根长度为18mm，直径为0.2mm的含金属芯的压电陶瓷纤维，并呈等边三角形形式排布，每根压电纤维独立引线，共引出六个电极。为避免压电纤维电极之间互相接触，将其排布在边长为20mm的等腰三角形上，且三角形一边平行于柔性电路板短边，两者相距15mm。据此确定线路布置形式，并以30mm×35mm的聚酰亚胺薄膜为基体材料，用丝网印刷的方法制作柔性电路板；将制备好的含金属芯的压电陶瓷纤维放置到柔性电路板上边长为20mm的等腰三角形上，用焊锡焊接的方法将压电纤维的外层涂布电极和金属芯电极分别与柔性电路板上对应的线路连接；
步骤二：选择厚度为0.28mm，边长为30mm的双面胶膜，并在其内部切出一个边长为20.4mm的三角形形成第一部分，再将切出的三角形胶膜切成边长为19.6mm形成第二部分，将两部分胶膜分别粘贴到柔性电路板上，并使三根压电纤维分别处于两部分胶膜形成的三角形环的三边中；
步骤三：将聚酰亚胺薄膜裁剪成30mm×30mm的大小，覆盖到步骤二双面胶膜的表面上；
步骤四：用电烙铁轻轻熨平后，施加3MPa的压强，半小时后取出，得到压电陶瓷纤维智能夹层。
实施例三：
步骤一：选择封装三根长度为18mm，直径为0.2mm的含金属芯的压电陶瓷纤维。三根压电纤维成等边三角形形式排布，每根压电纤维独立引线，共引出六个电极。为避免压电纤维电极之间互相接触，将其排布在边长为20mm的等腰三角形上，且三角形一边平行于柔性电路板短边，两者相距15mm。据此确定线路布置形式，画出电路布置图，制作得到柔性电路板；将制备好的压电纤维放置到柔性电路板上边长为20mm的等腰三角形上，用导电胶粘接的方式将压电纤维的外层涂布电极和金属芯电极分别与柔性电路板上对应的线路连接；
步骤二：选择厚度为0.4mm，边长为30mm的双面胶膜，并在其内部切出一个边长为20.4mm的三角形形成第一部分，再将切出的三角形胶膜切成边长为19.6mm表成第二部分，将两部分胶膜分别粘贴到柔性电路板上，并使三根压电纤维分别处于两部分胶膜形成的三角形环的三边中；
步骤三：将聚酰亚胺薄膜裁剪成30mm×30mm，覆盖到双面胶膜的另一面上；
步骤四：用电烙铁轻轻熨平后，施加3MPa的压强，半小时后取出，得到压电陶瓷纤维智能夹层。
实施例四：
步骤一：选择封装一根长度为20mm，直径为0.4mm的含金属芯的压电陶瓷纤维。从压电纤维的一端分别端引出两个电极。据此确定线路布置形式，并以30mm×4mm的聚酰亚胺薄膜为基体材料，用丝网印刷的方法制作柔性电路板；将制备好的压电纤维放置到柔性电路板上，保证压电纤维中轴线与柔性电路板长中轴线重合。用导电胶粘接的方式将压电纤维的外层涂布电极和金属芯电极分别与柔性电路板上对应的线路连接；
步骤二：选择两片厚度为0.38mm，长宽分别为25mm和1.8mm的双面胶膜，将两部分胶膜分别粘贴到柔性电路板上，并使两片胶膜相距0.4mm；
步骤三：将聚酰亚胺薄膜裁剪成25mm×4mm，覆盖到双面胶膜的表面上；
步骤四：用电烙铁轻轻熨平聚酰亚胺薄膜后，施加3MPa的压强，半小时后取出，得到压电陶瓷纤维智能夹层。
实施例五：
步骤一：选择封装四根长度为20mm，直径为0.2mm的含金属芯的压电陶瓷纤维，纤维呈平行分布，间距为3.8mm。从各压电纤维的一端分别端引出两个电极。据此确定线路布置形式，并以30mm×4mm的聚酰亚胺薄膜为基体材料，用丝网印刷的方法制作柔性电路板；将制备好的压电纤维放置到柔性电路板上，保证压电纤维处于两个外接电极中间。用导电胶粘接的方式将压电纤维的外层涂布电极和金属芯电极分别与柔性电路板上对应的线路连接；
步骤二：选择两片厚度为0.18mm，长宽分别为25mm和1.9mm的双面胶膜，将两部分胶膜分别粘贴到柔性电路板上，并使两片胶膜相距0.2mm；
步骤三：步骤三：将聚酰亚胺薄膜裁剪成25mm×16mm，覆盖到双面胶膜的表面上；
步骤四：用电烙铁轻轻熨平后，施加3MPa的压强，半小时后取出，得到压电陶瓷纤维智能夹层。
Claims (6)
1.一种压电陶瓷纤维智能夹层的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一：将含金属芯的压电陶瓷纤维固定在柔性电路板上，并将含金属芯的压电陶瓷纤维的金属芯电极和外层涂布电极分别与柔性电路板上的电路连接；
步骤二：按照柔性电路板的形状，裁取双面胶膜，再将所得的双面胶膜粘贴到柔性电路板上；
步骤三：按照所得的双面胶膜的形状裁取聚酰亚胺薄膜，再将其粘贴到双面胶膜的外表面上；
步骤四：加热聚酰亚胺薄膜使其表面平整，再在其表面施加压力0.5-3小时，得到压电陶瓷纤维智能夹层。
2.如权利要求1所述的压电陶瓷纤维智能夹层的制备方法，其特征在于，所述的含金属芯的压电陶瓷纤维直径为0.2mm-0.5mm。
3.如权利要求1所述的压电陶瓷纤维智能夹层的制备方法，其特征在于，所述的柔性电路板基材为聚酰亚胺薄膜。
4.如权利要求1所述的压电陶瓷纤维智能夹层的制备方法，其特征在于，所述的双面胶膜的厚度小于含金属芯的压电陶瓷纤维的直径。
5.如权利要求4所述的压电陶瓷纤维智能夹层的制备方法，其特征在于，所述的双面胶膜的厚度为0.18mm-0.48mm。
6.如权利要求1或4所述的压电陶瓷纤维智能夹层的制备方法，其特征在于，所述的双面胶膜为柔性胶膜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20110629 |