CN105633270A - 一种螺旋管式压电弹簧及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种螺旋管式压电弹簧及其制备方法。该压电弹簧为螺旋管状结构，压电弹簧从内至外包括金属内芯、压电材料层和外电极层。该制备方法首先把金属内芯绕制成螺旋管状结构；然后使用提拉法把螺旋管状内芯从压电前驱体溶液中提出，随后使用温度梯度炉进行热处理，如此反复多次，直到达到所需厚度；最后使用蒸镀法在螺旋管状结构上均匀蒸镀金属外电极，之后经过极化处理，而得到螺旋管式压电弹簧。本发明在较小的外力作用下就可以产生较大的形变，这在进行力的测量或传感时能够获得极高的灵敏度和线性度；同时，在采集一些具有较大运动幅度的机械能并把之转换为电能时，压电弹簧由于能够承受较高的形变量，使得机械能采集装置更易设计和实施。

Description

一种螺旋管式压电弹簧及其制备方法
技术领域
本发明涉及电子压电材料和器件技术领域，具体涉及一种螺旋管式压电弹簧的制备方法。
背景技术
随着电子技术、信息技术和控制技术的快速发展,要求器件小型化和集成化,这对传统的功能材料提出了各种新的要求。压电材料由于其优良的压电性能、热电性能、铁电性能、光电性能和介电性能被广泛地应用于传感器、驱动器和各种精密仪器的控制部分。压电功能的应用已从最初的简单的压电振子、拾音器等发展到能源、信息、军事以及其他高新技术领域。由压电材料制备的传统压电器件的结构多为“三明治”式片状结构，由于性能优良、制备过程简单和生产成本较低等特点而被广泛应用。然而这种片状结构有一个无法克服的缺点是形变量较小，在测试形变量大或者位移量大的场景时，以及采集运动幅度变化量大过程中的机械能并把之转化为电能时，往往受到极大的限制。
发明内容
针对现有技术中压电器件存在的上述问题，本发明提供一种螺旋管式压电弹簧及其制备方法。
本发明提供一种螺旋管式压电弹簧，所述压电弹簧为螺旋管状结构，压电弹簧从内至外包括金属内芯、压电材料层和外电极层，所述金属内芯为螺旋管状结构，所述压电层由金属内芯从压电前驱体溶液中提出并经过温度梯度炉热处理后生成，所述外电极采用真空蒸镀法制备而成，外电极均匀蒸镀在压电弹簧的表面。
本发明还提供一种螺旋管式压电弹簧的制备方法。该制备方法首先把的金属内芯绕制成螺旋管状结构，然后使用提拉法把螺旋管状内芯从压电前驱体溶液中提出，随后使用温度梯度炉进行热处理。如此反复多次，直到达到所需厚度，最后使用蒸镀法在螺旋管状结构上均匀蒸镀金属外电极，之后经过极化处理，而得到螺旋管式压电弹簧。
进一步，压电弹簧的外形是螺旋管状结构，该螺旋管状结构由三层组成，分别是金属内芯、压电材料层和外电极层。其中，金属内芯由含铁或含钛或含铜或镍的金属线材制备而成，并绕制成螺旋管状结构。压电层是由金属内芯从压电前驱体溶液中提出后并经过温度梯度炉热处理后而生成的，并通过反复从压电前驱体溶液中提拉和温度梯度炉热处理过程而达到指定的厚度。
进一步，温度梯度炉是一个管式加热炉，该加热炉的中部加热区温度显著高于两端部加热区的温度，即中部加热区与两端部加热区存在温度梯度。
进一步，螺旋管式压电弹簧的外电极采用真空蒸镀法制备而成，在蒸镀时同时保持压电弹簧沿不同的旋转轴进行旋转，使得外电极均匀蒸镀在压电弹簧的表面。所述螺旋管式压电弹簧的制备方法具体步骤包括：
1)把耐高温的金属内芯绕制成螺旋管状结构，作为制备压电弹簧的金属内芯，之后，制备压电前驱体溶液作为压电层制备的原材料。
2)将制备好的压电前驱体溶液放入烧杯中，将螺旋管式的金属内芯悬挂到事先准备好的电机上，同时，使得螺旋管式的弹簧通过中间温度较高的温度梯度炉。将装有压电前驱体溶液的烧杯放在管式电炉下方，启动电机，使得螺旋管式的弹簧均匀的浸润在压电前驱体溶液中，浸润后，将螺旋管式的弹簧吊起，在温度梯度炉内高温加热，使得压电薄膜均匀的涂布在螺旋管式的金属内芯上。单层压电层涂布完成之后，需要对步骤二反复进行多次，直到达到所需的压电层厚度。
3)将制备好压电层的螺旋管式压电弹簧固定到旋转台上，通过热蒸发镀膜设备进行外电极制备，在电极制备的过程中，保证螺旋管式压电弹簧均匀旋转，同时通过改变不同的旋转方向来使得电极均匀的涂布在螺旋管式压电弹簧上。
4)外加电场，对制备的螺旋管式压电弹簧进行极化处理，使压电弹簧表现出压电性能。
5)将制备好的螺旋管式压电弹簧，加上测试引线，进行螺旋管式压电弹簧电学性能的测试和分析。
本发明的有益效果如下：
本发明的螺旋管式压电弹簧及其制备方法，采用螺旋管式金属作为压电弹簧的内芯和内电极，通过提拉法制备压电层，通过旋转镀膜法制备外电极，最后通过极化处理而等到一种具有螺旋管状结构的压电器件。该压电器件在较小的外力作用下就可以产生较大的形变，这在进行力的测量或传感时能够实现极高的灵敏度和线性度；同时，在采集一些具有较大运动幅度的机械能并把之转换为电能时，压电弹簧由于能够承受较高的形变量，使得机械能采集装置更易设计和实施。
附图说明
图1是本发明中螺旋管式压电弹簧的结构示意图；
图2是螺旋管式压电弹簧的压电层制备装置示意图；
图3是温度梯度炉的温度设定图；
图4是制备本发明的螺旋管式压电弹簧的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术装置作进一步的说明：
第一步：如图1所示，螺旋管式压电弹簧的设计模型，该压电弹簧模型由1的螺旋管状弹簧金属内芯4、压电层7、金属外电极8组成。其中，金属内芯4由含铁或含钛或含铜或镍的金属线材制备而成，并绕制成螺旋管状结构；压电层7是由金属内芯4从压电前驱体溶液中提出后并经过温度梯度炉热处理后而生成的，并通过反复从压电前驱体溶液中提拉和温度梯度炉热处理过程而达到指定的厚度；螺旋管式压电弹簧的金属外电极8采用真空蒸镀法制备而成，在蒸镀时同时保持压电弹簧沿不同的旋转轴进行旋转，使得金属外电极8均匀蒸镀在压电弹簧的表面。
第二步：螺旋管式压电弹簧的压电层制备装置的设计，如图2所示，制备螺旋管式压电弹簧的实验平台由固定墙体1、支架2、电机3、螺旋管状弹簧金属内芯4、温度梯度炉5、装有压电前驱体溶液的烧杯6组成。其中温度梯度炉5的温度设定如图3所示。温度梯度炉5是一个管式加热炉，该加热炉的中部加热区温度显著高于两端部加热区的温度，即中部加热区与两端部加热区存在温度梯度。
第三步：如图4所示，制备的螺旋管式压电弹簧的流程图。首先制备压电前驱体溶液和螺旋管式金属内芯。之后，搭建好压电弹簧制备的提拉装置，启动电机，进行提拉螺旋管式弹簧，在进行热处理制备单层压电层，之后冷却。根据实验需要的压电层厚度重复进行以上的提拉和热处理、冷却操作，直到得到厚度合适的压电层。压电层制备好之后，利用热蒸发法进行外电极的均匀涂布。此时，螺旋式压电弹簧制备成型，要想得到压电弹簧的压电性能，需要通过外加电场的方式，通过极化处理，来获取压电弹簧的压电性能。以上就是整个螺旋管式压电弹簧的制备过程。
螺旋管式压电弹簧的制备方法具体步骤包括：
1)把的金属内芯绕制成螺旋管状结构，作为制备压电弹簧的金属内芯，之后，制备压电前驱体溶液作为压电层制备的原材料。
2)将制备好的压电前驱体溶液放入烧杯中，将螺旋管式的金属内芯悬挂到事先准备好的电机上，同时，使得螺旋管式的弹簧通过中间温度较高的温度梯度炉。将装有压电前驱体溶液放入烧杯放在管式电炉下面，启动电机，使得螺旋管式的弹簧均匀的浸润在压电前驱体溶液中，浸润后，将螺旋管式的弹簧吊起，在温度梯度炉内高温加热，使得压电薄膜均匀的涂布在螺旋管式的金属内芯上。单层压电层涂布完成之后，需要对步骤二反复进行多次，直到达到所需的压电层厚度。
3)将制备好压电层的螺旋管式压电弹簧固定到旋转台上，通过热蒸发镀膜镀膜设备进行外电极制备，在电极制备的过程中，保证螺旋管式压电弹簧均匀旋转，同时通过改变不同的旋转方向来使得电极均匀的涂布在螺旋管式压电弹簧上。
4)外加电场，对制备的螺旋管式压电弹簧进行极化处理，使压电弹簧表现出压电性能。
5)将制备好的螺旋管式压电弹簧，加上测试引线，进行螺旋管式压电弹簧电学性能的测试和分析。
综上所述，本发明的螺旋式压电弹簧及其制备方法，首先把金属内芯绕制成螺旋管状结构，然后使用提拉法把螺旋管状内芯从压电前驱体溶液中提出，随后使用温度梯度炉进行热处理。如此反复多次，直到达到所需厚度，接着使用蒸镀法在螺旋管状结构上均匀蒸镀金属外电极，最后经过极化处理而得到螺旋管式压电弹簧。由本发明所制备的压电弹簧由三层组成，分别是金属内芯、压电材料层和外电极层，该压电弹簧具有形变量大和传感灵敏度高等特点。

Claims (7)

1.一种螺旋管式压电弹簧，其特征在于，所述压电弹簧为螺旋管状结构，压电弹簧从内至外包括金属内芯、压电材料层和外电极层，所述金属内芯为螺旋管状结构，所述压电层由金属内芯从压电前驱体溶液中提出并经过温度梯度炉热处理后生成，所述外电极采用真空蒸镀法制备而成，外电极均匀蒸镀在压电弹簧的表面。
2.一种如权利要求1所述的螺旋管式压电弹簧的制备方法，其特征在于，该制备方法首先把金属内芯绕制成螺旋管状结构；然后使用提拉法把螺旋管状内芯从压电前驱体溶液中提出，随后使用温度梯度炉进行热处理，如此反复多次，直到达到所需厚度；最后使用蒸镀法在螺旋管状结构上均匀蒸镀金属外电极，之后经过极化处理，而得到螺旋管式压电弹簧。
3.如权利要求2所述的螺旋管式压电弹簧的制备方法，其特征在于，该制备方法具体包括如下步骤：
步骤一：把耐高温的金属内芯绕制成螺旋管状结构，作为制备压电弹簧的金属内芯，之后，制备压电前驱体溶液作为压电层制备的原材料；
步骤二：将制备好的压电前驱体溶液放入烧杯中，将螺旋管式的金属内芯悬挂到事先准备好的电机上，同时，使得螺旋管式的弹簧通过中间温度较高的温度梯度炉；将装有压电前驱体溶液的烧杯放在管式电炉下方，启动电机，使得螺旋管式的弹簧均匀的浸润在压电前驱体溶液中，浸润后，将螺旋管式的弹簧吊起，在温度梯度炉内高温加热，使得压电薄膜均匀的涂布在螺旋管式的金属内芯上；单层压电层涂布完成之后，需要对步骤二反复进行多次，直到达到所需的压电层厚度；
步骤三：将制备好压电层的螺旋管式压电弹簧固定到旋转台上，通过热蒸发镀膜设备进行外电极制备，在电极制备的过程中，保证螺旋管式压电弹簧均匀旋转，同时通过改变不同的旋转方向来使得电极均匀地涂布在螺旋管式压电弹簧上；
步骤四：外加电场，对制备的螺旋管式压电弹簧进行极化处理，使压电弹簧表现出压电性能；
步骤五：将制备好的螺旋管式压电弹簧，加上测试引线，进行螺旋管式压电弹簧电学性能的测试和分析。
4.如权利要求2所述的螺旋管式压电弹簧的制备方法，其特征在于，金属内芯由含铁或含钛或含铜或镍的金属线材制备而成，并绕制成螺旋管状结构。
5.如权利要求2所述的螺旋管式压电弹簧的制备方法，其特征在于，压电层是由金属内芯从压电前驱体溶液中提出后并经过温度梯度炉热处理后生成，并通过反复从压电前驱体溶液中提拉和温度梯度炉热处理过程而达到指定的厚度。
6.如权利要求2所述的螺旋管式压电弹簧的制备方法，其特征在于，温度梯度炉是一个管式加热炉，该加热炉的中部加热区温度显著高于两端部加热区的温度，即中部加热区与两端部加热区存在温度梯度。
7.如权利要求2所述的螺旋管式压电弹簧的制备方法，其特征在于，螺旋管式压电弹簧的外电极采用真空蒸镀法制备而成，在蒸镀时同时保持压电弹簧沿不同的旋转轴进行旋转，使得外电极均匀蒸镀在压电弹簧的表面。
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