CN103794713A - 一种驻极体压电电缆及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种驻极体压电电缆及其应用。所述驻极体压电电缆包括依次同轴设置的第一电极芯、压电驻极体层、聚合物绝缘层、第二电极层以及屏蔽层。本发明还提供了所述压电电缆在交通轴传感器、压电电缆开关和接触式传声器中的应用。该驻极体压电电缆具有压电信号强，电压响应灵敏度更高，机械强度高，线性输出良好的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种含有压电驻极体薄膜的压电电缆，尤其是涉及一种采用自屏蔽同轴结构的驻极体压电电缆。
背景技术
压电传感器是利用压电材料受力后产生的压电效应制成的传感器，已经广泛用于声学、医疗、工业、交通、安防等众多领域，正逐步改变人们的生活和工作方式，成为社会发展的趋势。压电材料在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷。压电材料可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料，现有技术通常采用极化聚偏氟乙烯（PVDF）、聚二氟乙烯和聚三氟乙烯共聚物作为压电材料。
传统压电传感器是平板薄膜型，近年来随应用需求，出现了压电电缆。压电电缆采用同轴设计，当压电电缆被压缩或拉伸时，会发生压电效应，从而产生正比于压力的电荷或者电压信号，以提供工作电压。
近年来有多篇文献公开了封闭的外层和多孔或者穿孔的中间层组成的多层系统。多孔压电驻极体是带有过剩电荷的孔洞结构聚合物薄膜材料/结构。多孔压电驻极体薄膜具有优越的压电性能，其厚度方向的压电系数通常达到数百pC/N，与压电陶瓷的压电系数相当甚至更高，是一种新型的机电传感材料/结构。
现有技术中，压电电缆存在着信号强度弱等技术问题，所以亟需开发一种压电信号强度高，灵敏性好的压电电缆。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：将多空腔的压电驻极体材料应用于驻极体压电电缆中，从而提供一种压电信号更强，电压响应灵敏度更高，机械强度高，线性输出良好，单位长度阻抗低的压电电缆。
为了解决上述技术问题，本发明通过如下技术方案实现的：
一种驻极体压电电缆，该压电电缆包括依次同轴设置的第一电极芯、压电驻极体层、聚合物绝缘层、第二电极层以及屏蔽层。
其中，所述压电驻极体层的材料为聚偏氟乙烯（PVDF）、氟化乙丙稀共聚物(FEP)、可溶性聚四氟乙烯(PFA)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚酞亚胺(PI)和聚对苯二甲酸乙二酯(PET)，优选聚偏氟乙烯（PVDF）。
其中，压电驻极体层包括具有凹坑的第一聚合物膜层，结合在第一聚合物膜层的具有凹坑的表面上的至少一个第二聚合物膜层，在第一聚合物膜层与第二聚合物膜层之间形成的空腔，其中凹坑的形成是通过将聚合物溶液涂覆在具有凸起的模板上实现的。
也就是说，本发明的压电驻极体包括第一聚合物膜层，结合在第一聚合物膜层上的至少一个第二聚合物膜层，以及在第一聚合物膜层与第二聚合物膜层之间形成的空腔，其中所述空腔是通过第一聚合物膜层的凹坑与第二聚合膜层围成的，所述凹坑的形成是通过将聚合物溶液涂覆在具有凸起的模板上实现的。
其中，空腔的长度和/或宽度大于等于1微米小于10微米，深度为大于0.5微米小于10微米，空腔间距为0.5到50微米。
其中，所述聚合物绝缘层所用的材料是聚甲基丙烯酸甲酯或聚丙烯。
其中，所述第一电极芯和第二电极层所用材料分别独立的选自金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨、钒、铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金中的任意一种。
其中，所述屏蔽层所用材料是铜或铝。
其中，所述驻极体压电电缆还包括护套层。
其中，所述护套层的材料为聚氨酯、聚乙烯或聚氯乙烯。
其中，所述压电驻极体层的厚度为4mm~5mm，第一电极芯直径为420μm~2.76mm，第二电极层厚度为20μm~500μm，聚合物绝缘层3厚度为10μm~1mm。
一种所述压电电缆在交通轴传感器上的应用。
其中，所述压电驻极体层的厚度为200μm~500μm，第一电极芯直径为420μm~1.38mm，第二电极层厚度为20μm~50μm，聚合物绝缘层3厚度为10μm~100μm。
一种所述压电电缆在压电电缆开关中的应用。
所述压电驻极体层的厚度为200μm~600μm，第一电极芯直径为420μm~2.25mm，第二电极层厚度为20μm~200μm，聚合物绝缘层3厚度为10μm~350μm。
一种所述压电电缆在接触式传声器中的应用。
本发明的有益效果如下：
本发明驻极体压电电缆，采用自屏蔽同轴结构。第一电极芯外部包有一层压电驻极体薄膜层，优选为PVDF层，其中PVDF层是具有多空腔的驻极体薄膜，其是经过精加工后形成0.5μm～50μm的空腔间隙的PVDF驻极体薄膜。当电缆受到压力或被拉伸，由于使用压电常数较高的驻极体薄膜，便会产生较强的压电信号。压电电缆具有高机械强度和良好的线性输出，电压响应灵敏度好等特性。
附图说明
图1是本发明驻极体压电电缆的结构示意图；
图2是本发明驻极体压电电缆的剖面结构示意图。
其中图中符号表示如下：
1-第一电极芯，2-压电驻极体层，3-聚合物绝缘层，4-第二电极层，5-屏蔽层。
具体实施方式
本发明具有压电效应的压电电缆，采用自屏蔽同轴结构。该压电电缆包括依次同轴设置的第一电极芯、压电驻极体层、聚合物绝缘层、第二电极层以及屏蔽层。由于压电驻极体层采用了多空腔的压电驻极体材料，当电缆受到压力或被拉伸，产生正比于压力的压电信号，通过第一电极芯和第二电极层输出。
如图1和2所示，一种驻极体压电电缆，该压电电缆依次包括同轴的第一电极芯1、压电驻极体层2、聚合物绝缘层3、第二电极层4以及屏蔽层5。
压电驻极体层可以是各种压电驻极体材料薄膜形成的，优选是由具有多空腔结构的压电驻极体薄膜形成，所述的压电驻极体薄膜结构包括具有凹坑的第一聚合物膜层，结合在第一聚合物膜层的具有凹坑的表面上的至少一个第二聚合物膜层，在第一聚合物膜层与第二聚合物膜层之间形成的空腔。其中制备该压电驻极体的材料可以是常规的方法，也可以通过如下方法制备：（1）将聚合物溶液涂覆在具有凸起的模板上，之后进行干燥；干燥后将模板移除得到具有凹坑的第一聚合物膜；以及（2）将步骤（1）干燥后的至少一个第一聚合物膜与第二聚合物膜结合形成空腔。
能够起到绝缘作用的高分子材料均可应用于本发明用作聚合物绝缘层3，优选聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚丙烯（PP）。
第一电极芯1和第二电极层4所用材料分别独立的选自金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨、钒、铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金中的任意一种。屏蔽层5所用材料是铜或铝
下面详细说明本发明具有压电效应的压电电缆的制备方法。
a．制备压电驻极体薄膜；
b．将步骤a制备压电驻极体薄膜环包在第一电极芯上形成压电驻极体层2；
c．在步骤b压电驻极体层2上旋转涂覆聚合物绝缘层3；
d．将第二电极金属射频溅镀到步骤c的聚合物绝缘层3上，形成第二电极层4；以及
e．在步骤d的第二电极层4上包绕屏蔽层材料，形成屏蔽层5，从而得到驻极体压电电缆。
在实际生产中，优选在步骤e后还包括将护套层材料环包在屏蔽层的外部的步骤。
其中，制备压电驻极体薄膜的方法如下：
（1）将压电驻极体薄膜材料用溶剂进行溶解，至全部溶解后待用；
（2）将步骤（1）得到驻极体薄膜材料的溶液通过旋转涂覆均匀地直接涂覆在具有凸起软模板上；涂覆完毕后进行干燥，之后将软模板移除，得到第一聚合物膜；
（3）将步骤（1）得到驻极体薄膜材料的溶液通过旋转涂覆均匀地直接涂覆在没有凸起软模板上，涂覆完毕后进行干燥，得到光滑的聚合物膜；以及
（4）将步骤（3）得到光滑聚合物膜放置在步骤（2）制备的第一聚合物膜上进行层合，形成了空腔，从而制备得到了压电驻极体薄膜物理结构；
对驻极体压电电缆进行极化的方式可以是多种的，可以对制备前的压电驻极体材料进行极化，具体来说是将制备好的带有空腔的驻极体薄膜进行极化使空腔内上下表面分布相反电荷，从而形成具有压电性能的压电驻极体薄膜。也可以对压电驻极体薄膜不进行极化，而是通过制备好的压电电缆进行极化。
在实际应用中，第一电极芯1和第二电极层4分别连接到探测器上，当电缆受到压力或被拉伸，第一电极芯1和第二电极层4产生正比于压力的电场，这样通过探测器就可以测出正比于压力的压电信号。本发明能够应用的探测器是常规市售探测器，包括：信号接收模块，用于接收第一电极芯1和第二电极层4间产生的正比于压力的电压信号；数据处理模块，将接受的电压信号进行数据处理；以及显示模块，将数据处理模块处理后的结果显示到屏幕上或直接发出指令。
根据上述原理，本发明具有压电效应的压电电缆可以用作交通轴传感器，用作压电电缆开关检测存在/占有率，用作接触式传声器监测生命特征及周界安全。例如用作交通轴传感器，当轮胎经过电缆时，产生与施加到传感器上的压力成正比的电压信号，且输出周期与轮胎停留在传感器上的时间相同，每当一个轮胎经过传感器时，传感器会产生一个新的电子脉冲。在车道上安装两条传感器，轮胎经过第一个传感器时启动电子时钟，轮胎经过第二个传感器时启动电子时钟停止时钟，得到了时间周期；已知传感器之间的距离，这样就得到了车速。
综合考虑机械强度、线性输出、电压响应灵敏度、单位长度阻抗，当本发明电缆用作交通轴传感器时，选用压电驻极体层的厚度为4mm~5mm，第一电极芯直径为420μm~2.76mm，第二电极层厚度为20μm~500μm，聚合物绝缘层3厚度为10μm~1mm。当本发明电缆用作压电电缆开关时，选用压电驻极体层的厚度为200μm~500μm，第一电极芯直径为420μm~1.38mm，第二电极层厚度为20μm~50μm，聚合物绝缘层3厚度为10μm~100μm。当本发明电缆用作接触式传声器时，选用压电驻极体层的厚度为200μm~600μm，第一电极芯直径为420μm~2.25mm，第二电极层厚度为20μm~200μm，聚合物绝缘层3厚度为10μm~350μm。
实施例
下面通过具体的实施例来阐述本发明的方法的实施，本领域技术人员应当理解的是，这不应被理解为对本发明权利要求范围的限制。
d33的测定：YE2730A压电陶瓷常数(d33）测量仪，江苏联能电子技术有限公司制造。
实施例1用作交通轴传感器的电缆的制备
a.压电驻极体层用薄膜的制备：
将10g的PVDF放入1000mL烧杯中，用100mL量筒量取80ml的二甲基甲酰胺（DMF）加入到烧杯中溶解PVDF（11.7wt%），后将烧杯用保鲜膜封住，超声处理30min，PVDF全部溶解，后待用。
将上述配好的PVDF溶液通过旋转涂覆均匀地直接涂覆在具有长方体凸起的制备的PDMS软模板（该模板的凸起长方体的高度为9微米，底面是边长为9微米的正方形，凸起之间的间隔为0.5微米）上，控制涂覆使干燥后PVDF膜的厚度为100微米，涂覆完毕后将其置于真空干燥器中在80℃进行干燥1小时。干燥后，将PDMS软模板移除。得到具有凹坑阵列的PVDF膜，之后在凹坑膜表面再通过旋转涂覆一层PVDF膜，以调整凹坑的深度，以使干燥后凹坑深度与PDMS软模板上凸起高度一致达到100微米；之后将整个膜在真空干燥器中在80℃进行干燥0.5小时得到第一聚合物膜a1。
将上述配好的PVDF溶液通过旋转涂覆直接均匀涂覆在无图案的PDMS基板上，控制涂覆使干燥后PVDF膜的厚度为50微米，涂覆完毕后将其置于真空干燥器中在80℃进行干燥0.5小时，得到厚度为50微米的光滑PVDF膜。
按照上述制备第一聚合物膜a1相同方法，再制备44块与上述第一聚合物膜a1相同的第一聚合物薄膜a2-a45，将第一聚合物膜a1没有凹坑的表面与第一聚合物膜a2具有凹坑的表面在150℃温度下层合，后依次按照这种方式将上述所有的45块第一聚合物膜在150℃温度下层合，形成了在一侧具有凹坑结构共由45层第一聚合膜组成的第一聚合物膜层。
将上述得到的厚度为50微米的光滑PVDF膜放置在上述制备的第一聚合物膜层上在150℃温度下进行层合，层合后的薄膜厚度为4.55mm，形成了空腔，在垂直于层合面的截面上，该空腔的高度为9微米，宽度为9微米。空腔之间横向和纵向的间隔均为0.5微米，从而制备得到了压电驻极体层物理结构。
在上述的压电驻极体层上施加高压电场，使PVDF极化形成β相结构。所施加电压强度由膜的厚度决定，平均是60V/μm，施加时间为1小时。极化后的压电驻极体层就具有了压电性能。
b．选用纯度99.5%，直径1.5mm的工业铝作为第一电极芯1。将步骤a制备PVDF压电驻极体层环包在第一电极芯上形成压电驻极体层2；
c．在步骤b压电驻极体层2上旋转涂覆厚度500μm的聚丙烯层3；
d．将金属铝射频溅镀到步骤c的聚丙烯层3上，形成厚度为200μm的第二电极层4；以及
e．用直径为100μm的铜网在步骤d制成的第二电极层4外面进行包绕，形成屏蔽层，在该屏蔽层外环包聚氨酯形成护套层，得到驻极体压电电缆1#。对该压电电缆的压电常数，电容、整体尺寸和开路电压进行测定。其中输出电压的测定：采用线性电动机对样品实施弯曲力，按照3.56%s-1的应变率达到应变0.12%，测试输出电压值。具体测定结果见表1.
实施例2用作交通轴传感器的电缆的制备
a.压电驻极体层用薄膜的制备：
将10g的PVDF放入1000mL烧杯中，用100mL量筒量取80ml的二甲基甲酰胺（DMF）加入到烧杯中溶解PVDF（11.7wt%），后将烧杯用保鲜膜封住，超声处理30min，PVDF全部溶解，后待用。
将上述配好的PVDF溶液通过旋转涂覆均匀地直接涂覆在具有长方体凸起的制备的PDMS软模板（该模板的凸起长方体的高度为0.5微米，底面是边长为1微米的正方形，凸起之间的间隔为15微米）上，控制涂覆使干燥后PVDF膜的厚度为100微米，涂覆完毕后将其置于真空干燥器中在80℃进行干燥1小时。干燥后，将PDMS软模板移除。得到具有凹坑阵列的PVDF膜，之后在凹坑膜表面再通过旋转涂覆一层PVDF膜，以调整凹坑的深度，以使干燥后凹坑深度与PDMS软模板上凸起高度一致达到100微米；之后将整个膜在真空干燥器中在80℃进行干燥0.5小时得到第一聚合物膜a1。
将上述配好的PVDF溶液通过旋转涂覆直接均匀涂覆在无图案的PDMS基板上，控制涂覆使干燥后PVDF膜的厚度为50微米，涂覆完毕后将其置于真空干燥器中在80℃进行干燥0.5小时，得到厚度为50微米的光滑PVDF膜。
按照上述制备第一聚合物膜a1相同方法，再制备39块与上述第一聚合物膜a1相同的第一聚合物薄膜a2-a45，将第一聚合物膜a1没有凹坑的表面与第一聚合物膜a2具有凹坑的表面在150℃温度下层合，后依次按照这种方式将上述所有的40块第一聚合物膜在150℃温度下层合，形成了在一侧具有凹坑结构共由40层第一聚合膜组成的第一聚合物膜层。
将上述得到的厚度为50微米的光滑PVDF膜放置在上述制备好的第一聚合物膜层上在150℃温度下进行层合，层合后的薄膜厚度为4.05mm，形成了空腔，在垂直于层合面的截面上，该空腔的高度为0.5微米，宽度为1微米。空腔之间横向和纵向的间隔均为0.5微米，从而制备得到了压电驻极体层物理结构。
在上述的压电驻极体层上施加高压电场，使PVDF极化形成β相结构。所施加电压强度由膜的厚度决定，平均是60V/μm，施加时间为1小时。极化后的压电驻极体层就具有了压电性能。
b．选用纯度99.5%，直径420μm的工业铜作为第一电极芯1。将步骤a制备PVDF压电驻极体层环包在第一电极芯上形成压电驻极体层2；
c．在步骤b压电驻极体层2上旋转涂覆一个厚度1mm的聚丙烯层3；
d．将金属铜射频溅镀到步骤c的聚丙烯层3上，形成厚度为500μm的第二电极层4；以及
e．用直径为100μm的铜网在步骤d制成的第二电极层4外面进行包绕，形成屏蔽层，形成屏蔽层，在该屏蔽层外环包聚氨酯形成护套层，得到驻极体压电电缆2#。对该压电电缆的压电常数，电容、整体尺寸和开路电压进行测定。其中输出电压的测定：采用线性电动机对样品实施弯曲力，按照3.56%s-1的应变率达到应变0.12%，测试输出电压值。具体测定结果见表1.
实施例3用作交通轴传感器的电缆的制备
a.压电驻极体层用薄膜的制备：
将10g的PVDF放入1000mL烧杯中，用100mL量筒量取80ml的二甲基甲酰胺（DMF）加入到烧杯中溶解PVDF（11.7wt%），后将烧杯用保鲜膜封住，超声处理30min，PVDF全部溶解，后待用。
将上述配好的PVDF溶液通过旋转涂覆均匀地直接涂覆在具有长方体凸起的制备的PDMS软模板（该模板的凸起长方体的高度为5微米，底面是边长为5微米的正方形，凸起之间的间隔为50微米）上，控制涂覆使干燥后PVDF膜的厚度为100微米，涂覆完毕后将其置于真空干燥器中在80℃进行干燥1小时。干燥后，将PDMS软模板移除。得到具有凹坑阵列的PVDF膜，之后在凹坑膜表面再通过旋转涂覆一层PVDF膜，以调整凹坑的深度，以使干燥后凹坑深度与PDMS软模板上凸起高度一致达到100微米；之后将整个膜在真空干燥器中在80℃进行干燥0.5小时得到第一聚合物膜a1。
将上述配好的PVDF溶液通过旋转涂覆直接均匀涂覆在无图案的PDMS基板上，控制涂覆使干燥后PVDF膜的厚度为100微米，涂覆完毕后将其置于真空干燥器中在80℃进行干燥0.5小时，得到厚度为100微米的光滑PVDF膜。
按照上述制备第一聚合物膜a1相同方法，再制备48块与上述第一聚合物膜a1相同的第一聚合物薄膜a2-a45，将第一聚合物膜a1没有凹坑的表面与第一聚合物膜a2具有凹坑的表面在150℃温度下层合，后依次按照这种方式将上述所有的49块第一聚合物膜在150℃温度下层合，形成了在一侧具有凹坑结构共由49层第一聚合膜组成的第一聚合物膜层。
将上述得到的厚度为100微米的光滑PVDF膜放置在上述制备好的第一聚合物膜层上在150℃温度下进行层合，层合后的薄膜厚度为5mm，形成了空腔，在垂直于层合面的截面上，该空腔的高度为5微米，宽度为5微米。空腔之间横向和纵向的间隔均为50微米，从而制备得到了压电驻极体层物理结构。
在上述的压电驻极体层上施加高压电场，使PVDF极化形成β相结构。所施加电压强度由膜的厚度决定，平均是60V/μm，施加时间为1小时。极化后的压电驻极体层就具有了压电性能。
b．选用纯度99.5％，直径2.76mm的工业铝作为第一电极芯1。将步骤a制备PVDF压电驻极体层环包在第一电极芯上形成压电驻极体层2；
c．在步骤b压电驻极体层2上旋转涂覆一个厚度10μm的聚丙烯层3；
d．将金属铝射频溅镀到步骤c的聚丙烯层3上，形成厚度为20μm的第二电极层4；以及
e．用直径为100μm的铜网在步骤d制成的第二电极层4外面进行包绕，形成屏蔽层，在该屏蔽层外环包聚氨酯形成护套层，得到驻极体压电电缆3#。对该压电电缆的压电常数，电容、整体尺寸和开路电压进行测定。其中输出电压的测定：采用线性电动机对样品实施弯曲力，按照3.56%s-1的应变率达到应变0.12%，测试输出电压值。具体测定结果见表1.
实施例4用作压电电缆开关的电缆的制备
a.压电驻极体层用薄膜的制备：
将2g的PVDF放入150mL烧杯中，用20mL量筒量取15ml的二甲基甲酰胺（DMF）加入到烧杯中溶解PVDF（11.7wt%），后将烧杯用保鲜膜封住，超声处理30min，PVDF全部溶解，后待用。
将上述配好的PVDF溶液通过旋转涂覆均匀地直接涂覆在具有长方体凸起的制备的PDMS软模板（该模板的凸起长方体的高度为8微米，底面是边长为8微米的正方形，凸起之间的间隔为30微米）上，控制涂覆使干燥后PVDF膜的厚度为100微米，涂覆完毕后将其置于真空干燥器中在80℃进行干燥1小时。干燥后，将PDMS软模板移除。得到具有凹坑阵列的PVDF膜，之后在凹坑膜表面再通过旋转涂覆一层PVDF膜，以调整凹坑的深度，以使干燥后凹坑深度与PDMS软模板上凸起高度一致达到100微米；之后将整个膜在真空干燥器中在80℃进行干燥0.5小时得到第一聚合物膜。
将上述配好的PVDF溶液通过旋转涂覆直接均匀涂覆在无图案的PDMS基板上，控制涂覆使干燥后PVDF膜的厚度为100微米，涂覆完毕后将其置于真空干燥器中在80℃进行干燥0.5小时，得到厚度为100微米的光滑PVDF膜。
将上述得到的厚度为100微米的光滑PVDF膜放置在上述制备好的第一聚合物膜上在150℃温度下进行层合，层合后的薄膜厚度为200微米，形成了空腔，在垂直于层合面的截面上，该空腔的高度为8微米，宽度为8微米。空腔之间横向和纵向的间隔均为30微米，从而制备得到了压电驻极体层物理结构。
在上述的压电驻极体层上施加高压电场，使PVDF极化形成β相结构。所施加电压强度由膜的厚度决定，平均是60V/μm，施加时间为1小时。极化后的压电驻极体层就具有了压电性能。
b．选用纯度99.5%，直径420μm的工业钼作为第一电极芯1。将步骤a制备PVDF压电驻极体层环包在第一电极芯上形成压电驻极体层2；
c．在步骤b压电驻极体层2上旋转涂覆厚度10μm的聚丙烯层3；
d．将金属钼射频溅镀到步骤c的聚丙烯层3上，形成厚度为20μm的第二电极层4；以及
e．用直径为500μm的铜网在步骤d制成的第二电极层4外面进行包绕，形成屏蔽层，在该屏蔽层外环包聚氨酯形成护套层，得到驻极体压电电缆4#。对该压电电缆的压电常数，电容、整体尺寸和开路电压进行测定。其中输出电压的测定：采用线性电动机对样品实施弯曲力，按照3.56%s-1的应变率达到应变0.12％，测试输出电压值。具体测定结果见表1.
实施例5用作压电电缆开关的电缆的制备
a.压电驻极体层用薄膜的制备：
将6g的PVDF放入500mL烧杯中，用50mL量筒量取45ml的二甲基甲酰胺（DMF）加入到烧杯中溶解PVDF（11.7wt%），后将烧杯用保鲜膜封住，超声处理30min，PVDF全部溶解，后待用。
将上述配好的PVDF溶液通过旋转涂覆均匀地直接涂覆在具有长方体凸起的制备的PDMS软模板（该模板的凸起长方体的高度为3微米，底面是边长为3微米的正方形，凸起之间的间隔为5微米）上，控制涂覆使干燥后PVDF膜的厚度为100微米，涂覆完毕后将其置于真空干燥器中在80℃进行干燥1小时。干燥后，将PDMS软模板移除。得到具有凹坑阵列的PVDF膜，之后在凹坑膜表面再通过旋转涂覆一层PVDF膜，以调整凹坑的深度，以使干燥后凹坑深度与PDMS软模板上凸起高度一致达到100微米；之后将整个膜在真空干燥器中在80℃进行干燥0.5小时得到第一聚合物膜a。
将上述配好的PVDF溶液通过旋转涂覆直接均匀涂覆在无图案的PDMS基板上，控制涂覆使干燥后PVDF膜的厚度为100微米，涂覆完毕后将其置于真空干燥器中在80℃进行干燥0.5小时，得到厚度为100微米的光滑PVDF膜。
按照上述制备第一聚合物膜a1相同方法，再制备2块与上述第一聚合物膜a1相同的第一聚合物薄膜a2-a3，将第一聚合物膜a1没有凹坑的表面与第一聚合物膜a2具有凹坑的表面在150℃温度下层合，后依次按照这种方式将上述所有的3块第一聚合物膜在150℃温度下层合，形成了在一侧具有凹坑结构共由3层第一聚合膜组成的第一聚合物膜层。
将上述得到的厚度为100微米的光滑PVDF膜放置在上述制备好的第一聚合物膜层上在150℃温度下进行层合，层合后的薄膜厚度为500微米，形成了空腔，在垂直于层合面的截面上，该空腔的高度为3微米，宽度为3微米。空腔之间横向和纵向的间隔均为5微米，从而制备得到了压电驻极体层物理结构。
在上述的压电驻极体层上施加高压电场，使PVDF极化形成β相结构。所施加电压强度由膜的厚度决定，平均是60V/μm，施加时间为1小时。极化后的压电驻极体层就具有了压电性能。
b．选用纯度99.5％，直径1.38mm的工业铝作为第一电极芯1。将步骤a制备PVDF压电驻极体层环包在第一电极芯上形成压电驻极体层2；
c．在步骤b压电驻极体层2上旋转涂覆厚度100μm的聚丙烯层3；
d．将金属铝射频溅镀到步骤c的聚丙烯层3上，形成厚度为50μm的第二电极层4；以及
e．用直径为200μm的铜网在步骤d制成的第二电极层4外面进行包绕，形成屏蔽层，在该屏蔽层外环包聚氨酯形成护套层，得到驻极体压电电缆5#。对该压电电缆的压电常数，电容、整体尺寸和开路电压进行测定。其中输出电压的测定：采用线性电动机对样品实施弯曲力，按照3.56%s-1的应变率达到应变0.12％，测试输出电压值。具体测定结果见表1。
实施例6用作接触式传声器电缆的制备
a.压电驻极体层用薄膜的制备：
将6g的PVDF放入500mL烧杯中，用50mL量筒量取45ml的二甲基甲酰胺（DMF）加入到烧杯中溶解PVDF（11.7wt%），后将烧杯用保鲜膜封住，超声处理30min，PVDF全部溶解，后待用。
将上述配好的PVDF溶液通过旋转涂覆均匀地直接涂覆在具有长方体凸起的制备的PDMS软模板（该模板的凸起长方体的高度为8微米，底面是边长为7微米的正方形，凸起之间的间隔为15微米）上，控制涂覆使干燥后PVDF膜的厚度为100微米，涂覆完毕后将其置于真空干燥器中在80℃进行干燥1小时。干燥后，将PDMS软模板移除。得到具有凹坑阵列的PVDF膜，之后在凹坑膜表面再通过旋转涂覆一层PVDF膜，以调整凹坑的深度，以使干燥后凹坑深度与PDMS软模板上凸起高度一致达到100微米；之后将整个膜在真空干燥器中在80℃进行干燥0.5小时得到第一聚合物膜a。
将上述配好的PVDF溶液通过旋转涂覆直接均匀涂覆在无图案的PDMS基板上，控制涂覆使干燥后PVDF膜的厚度为100微米，涂覆完毕后将其置于真空干燥器中在80℃进行干燥0.5小时，得到厚度为100微米的光滑PVDF膜。
按照上述制备第一聚合物膜a1相同方法，再制备3块与上述第一聚合物膜a1相同的第一聚合物薄膜a2-a4，将第一聚合物膜a1没有凹坑的表面与第一聚合物膜a2具有凹坑的表面在150℃温度下层合，后依次按照这种方式将上述所有的4块第一聚合物膜在150℃温度下层合，形成了在一侧具有凹坑结构共由4层第一聚合膜组成的第一聚合物膜层。
将上述得到的厚度为100微米的光滑PVDF膜放置在上述制备好的第一聚合物膜层上在150℃温度下进行层合，层合后的薄膜厚度为600微米，形成了空腔，在垂直于层合面的截面上，该空腔的高度为8微米，宽度为7微米。空腔之间横向和纵向的间隔均为15微米，从而制备得到了压电驻极体层物理结构。
在上述的压电驻极体层上施加高压电场，使PVDF极化形成β相结构。所施加电压强度由膜的厚度决定，平均是60V/μm，施加时间为1小时。极化后的压电驻极体层就具有了压电性能。
b．选用纯度99.5％，直径2.25mm的工业铝作为第一电极芯1。将步骤a制备PVDF压电驻极体层环包在第一电极芯上形成压电驻极体层2；
c．在步骤b压电驻极体层2上旋转涂覆厚度350μm的聚丙烯层3；
d．将金属铝射频溅镀到步骤c的聚丙烯层3上，形成厚度为200μm的第二电极层4；以及
e．用直径为200μm的铜网在步骤d制成的第二电极层4外面进行包绕，形成屏蔽层，在该屏蔽层外环包聚氨酯形成护套层，得到驻极体压电电缆6#。对该压电电缆的压电常数，电容、整体尺寸和开路电压进行测定。其中输出电压的测定：采用线性电动机对样品实施弯曲力，按照3.56%s-1的应变率达到应变0.12%，测试输出电压值。具体测定结果见表1。
实施例7使用普通PVDF制备的压电电缆
a.将1g的PVDF放入100mL烧杯中，用10mL量筒量取8ml的二甲基乙酰胺（DMF）加入到烧杯中溶解PVDF（11.7wt％），后将烧杯用保鲜膜封住，超声30min，PVDF全部溶解，之后待用。
将上述配好的PVDF溶液通过旋转涂覆直接均匀涂覆在无图案的PDMS基板上，控制涂覆使干燥后PVDF膜的厚度为4.55mm，涂覆完毕后将其置于真空干燥器中在80℃进行干燥0.5小时，得到厚度为4.55mm的光滑PVDF膜。
在上述的PVDF膜施加高压电场，使PVDF极化形成β相结构。所施加电压强度由膜的厚度决定，平均是60V/μm，施加时间为1小时。极化后的PVDF膜就具有了压电性能。
b．选用纯度99.5%，直径1.5mm的工业铝作为第一电极芯1。将步骤a制备PVDF膜环包在第一电极芯上形成压电PVDF层；
c．在步骤b压电PVDF层上旋转涂覆厚度500μm的聚丙烯层3；
d．将金属铝射频溅镀到步骤c的聚丙烯层3上，形成厚度为200μm的第二电极层4；以及
e．用直径为100μm的铜网在步骤d制成的第二电极层4外面进行包绕，形成屏蔽层，在该屏蔽层外环包聚氨酯形成护套层，得到驻极体压电电缆7#。对该压电电缆的压电常数，电容、整体尺寸和开路电压进行测定。其中输出电压的测定：采用线性电动机对样品实施弯曲力，按照3.56%s-1的应变率达到应变0.12％，测试输出电压值。具体测定结果见表1。
表1实施例1-7制备得到电缆样品的参数测定结果
| 实施例 | 压电常数(pC/N) | 电容(Pf/m) | 整体尺寸(直径mm) | 电压输出KV/strain(％) |
| 1 | 165 | 800 | 18.00 | 9 |
| 2 | 150 | 950 | 19.52 | 6 |
| 3 | 170 | 650 | 21.82 | 11 |
| 4 | 120 | 1750 | 10.88 | 1.5 |
| 5 | 138 | 1450 | 12.68 | 3.5 |
| 6 | 140 | 1350 | 14.55 | 4 |
| 7 | 32 | 400 | 18.00 | 5×104 |
通过上述数据可以看出，本发明的压电电缆可以用于多种用途，实施例1-3制备的压电电缆可以用做交通轴传感器，实施例4-5制备的压电电缆既可用于压电电缆开关也可以用于接触式传声器。实施例6制备的压电电缆可以用于接触式传声器。具体来说，上述实施例1-3的压电常数均达到了170pC/m~150pC/m范围，电压输出均达到了5KV~11KV范围，电容达到了700Pf/m~1000Pf/m范围，可以用作交通轴传感器。实施例4-6的压电常数均达到了120pC/m~140pC/m范围，开路电压均达到了1KV~4KV范围，电容达到了1200Pf/m~1750Pf/m范围，可用于压电电缆开关也可以用于接触式传声器。通过上表中实施例1-6的数据与实施例7的数据对比发现，实施例1-6制备的压电电缆的各项性能参数明显优于实施例7制备的压电电缆。
Claims (14)
1.一种驻极体压电电缆，其特征在于，该压电电缆包括依次同轴设置的第一电极芯、压电驻极体层、聚合物绝缘层、第二电极层以及屏蔽层。
2.根据权利要求1所述驻极体压电电缆，其中所述压电驻极体层的材料为聚偏氟乙烯（PVDF）、氟化乙丙稀共聚物(FEP)、可溶性聚四氟乙烯(PFA)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚酞亚胺(PI)和聚对苯二甲酸乙二酯(PET)，优选聚偏氟乙烯（PVDF）。
3.根据权利要求1或2所述的驻极体压电电缆，其中压电驻极体层包括具有凹坑的第一聚合物膜层，结合在第一聚合物膜层的具有凹坑的表面上的至少一个第二聚合物膜层，在第一聚合物膜层与第二聚合物膜层之间形成的空腔，其中凹坑的形成是通过将聚合物溶液涂覆在具有凸起的模板上实现的。
4.根据权利要求3所述的驻极体压电电缆，其中空腔的长度和/或宽度大于等于1微米小于10微米，深度为大于0.5微米小于10微米，空腔间距为0.5到50微米。
5.根据权利要求1-4任一项所述的驻极体压电电缆，所述聚合物绝缘层所用的材料是聚甲基丙烯酸甲酯或聚丙烯。
6.根据权利要求1-5任一项所述的驻极体压电电缆，其中所述第一电极芯和第二电极层所用材料分别独立的选自金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨、钒、铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金中的任意一种。
7.根据权利要求1-6任一项所述的驻极体压电电缆，其特征在于，所述屏蔽层的材料是铜或铝。
8.根据权利要求1-7任一项所述的驻极体压电电缆，其特征在于，还包括护套层，优选护套层的材料为聚氨酯、聚乙烯或聚氯乙烯。
9.根据权利要求1-8任一项所述的驻极体压电电缆，其特征在于，所述压电驻极体层的厚度为4mm~5mm，第一电极芯直径为420μm~2.76mm，第二电极层厚度为20μm~500μm，聚合物绝缘层3厚度为10μm~1mm。
10.一种权利要求9所述的压电电缆在交通轴传感器上的应用。
11.根据权利要求1-8任一项所述的驻极体压电电缆，其特征在于，所述压电驻极体层的厚度为200μm~500μm，第一电极芯直径为420μm~1.38mm，第二电极层厚度为20μm~50μm，聚合物绝缘层3厚度为10μm~100μm。
12.一种权利要求11所述的压电电缆在压电电缆开关中的应用。
13.根据权利要求1-8任一项所述的驻极体压电电缆，所述压电驻极体层的厚度为200μm~600μm，第一电极芯直径为420μm~2.25mm，第二电极层厚度为20μm~200μm，聚合物绝缘层3厚度为10μm~350μm。
14.一种权利要求13所述的压电电缆在接触式传声器中的应用。
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