CN111129282B - 一种压电陶瓷智能结构及其嵌入金属基体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种压电陶瓷智能结构及其嵌入金属基体的方法，其中一种压电陶瓷智能结构，包括压电陶瓷球形壳体，所述压电陶瓷球形壳体的中部设有作为内部电极的球形金属内芯，所述压电陶瓷球形壳体的外表面设有作为外部电极的金属镀层，所述压电陶瓷球形壳体的外表面进行电极分割形成等距排布的压力传感器阵列，所述压电陶瓷球形壳体内设有用于内部电极引出的引线通道。本发明的加工具有球形金属内芯的压电陶瓷球形阵列结构，压电陶瓷相较于压电纤维具有较高的压电常数与杨氏模量，反应速度较快。本结构空间指向性均匀可360°聚焦感知信号，可同时作为信号接收器与发生器。
Description
技术领域
本发明属于金属内部智能结构制造技术领域，涉及一种压电陶瓷智能结构及其嵌入金属基体的方法。
背景技术
智能材料结构是将控制器、驱动器和传感器进行复合装联，具有感知外界或内部状态与性能的变化并根据变化的具体特征对引起变化的原因进行辨识能力，从而采取最优或近优控制策略以作出合理响应自我检测自我修复的一类结构。
随着科技的发展，在航空航天、原子能等高尖端科技领域中，对于材料的性能提出了更高的要求。智能材料成为了未来研究的热点课题，发展和应用前景非常广阔。研究与应用体现在航空航天的埋入式光纤传感器、混凝土及聚合物中的埋入式光纤、压电传感器，还有少部分金属基智能材料与结构的研究与发展。1979年，美国国家航空航天局NASA，首次将光纤传感器埋入聚合物基复合材料中；1991年美国德州的C.E.Lee等人将光纤传感器埋入到熔融铝块中。2004年，日本的Toshimichi等将FBG传感器埋入碳纤维增强复合材料CFRP中，2011年，张义福等基于超声波金属焊接快速成型法将FBG传感器埋入至6061铝基体，证实了超声波金属焊接制备金属基光纤智能复合材料的可行性；英国的Mon等人采用超声固结的方法将FBG传感器阵列埋入铝合金基体中；2016年，马来西亚的Ramy等将光纤布拉格光栅阵列埋入复合材料蜂窝夹芯板。
现有金属基智能复合材料的加工主要是通过快速成型法。大都基于粉末冶金、金属熔覆或者铸造技术，通过3D打印、烧结、热压等技术进行加工。压电材料是智能结构中广泛用作传感元件和驱动元件的功能材料。关于压电金属复合材料智能结构，一般采用粘贴或焊接组合的方式，而不是在金属基体加工时同步加工将压电陶瓷结构嵌入金属内部。
专利申请号为200510075352.4的发明专利申请公开了一种具有金属芯的压电陶瓷纤维结构。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。其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。但在实际使用过程中这种结构存在一定的迟滞现象。
发明内容
本发明提供了一种具有较高的压电常数与杨氏模量，反应速度较快，空间指向性均匀，可360°聚焦感知信号，可同时作为信号接收器与发生器，可在高温环境中持续工作的压电陶瓷智能结构。
本发明还提供了一种净化熔体，细化晶粒，均匀化组织，有利于的得到高性能的材料，同时为材料凝固创造了更好的条件的压电陶瓷智能结构嵌入金属基体的方法。
本发明采用的技术方案是：
一种压电陶瓷智能结构，其特征在于：包括压电陶瓷球形壳体，所述压电陶瓷球形壳体的中部设有作为内部电极的球形金属内芯，所述压电陶瓷球形壳体的外表面设有作为外部电极的金属镀层，所述压电陶瓷球形壳体的外表面进行电极分割形成等距排布的压力传感器阵列，所述压电陶瓷球形壳体内设有用于内部电极引出的引线通道。
进一步，所述金属镀层外表面喷涂有耐高温绝缘漆层，采用水性无机耐热材料，纯无机聚合物高温溶液，材料采用高电阻无机晶体材料精加工而成，可耐受600℃高温。
进一步，所述压电陶瓷球形壳体的压电陶瓷可采用通过Ce和Sr改性后的Bi4Ti2.92Nb0.08O12.04，环境友好，居里温度在600℃以上，d33可达到29pC/N。
进一步，所述球形金属内芯采用铂金材料，耐高温且不易氧化并且在烧结时不会压电陶瓷组成成分发生化学反应。
进一步，所述金属镀层采用银镀层，银熔点较高，附着性好，导电性能较好。
一种压电陶瓷智能结构嵌入金属基体的方法，可应用但不限于金属基，其步骤包括：
(1)将压电陶瓷材料制成粘土状混合物，并与作为内部电极的球形金属内芯一同放置于模具中加压烧结形成压电陶瓷球形外壳，压电陶瓷球形外壳内留有将内部电极引出的引线通道；
(2)将压电陶瓷球形外壳表面进行电极分割，接着进行银浆印刷或涂覆于压电陶瓷球形外壳表面，形成作为外部电极的金属镀层，极化后外部喷涂耐高温绝缘漆层，从而制成压电陶瓷智能结构；
(3)在惰性气体氩气氛围中通过高频电磁悬浮装置对预热过的铝合金进行继续加热使其由固态转变半熔融状态，电磁力进行快速搅拌使其成为均匀半固态金属；
(4)在固相率达到50％左右时打开超声驻波悬浮装置，调节参数使其到达指定位置，关闭电磁悬浮装置，由高频电磁装置悬浮状态转换至超声悬浮状态继续悬浮，液态金属随着温度下降开始向固态缓慢转变；
(5)通过微型夹具将压电陶瓷智能结构缓慢放置到指定位置，一段时间后在固相率达到80％左右时将夹具取出，降温凝固，等待下一步金属材料加工。
进一步，步骤(1)中将压电陶瓷材料制成粘土状混合物的步骤包括：按照压电陶瓷材料的组成按比例通过电子天平称量后，称取原料，并通过球磨混合配料；将配料烘干后研磨24小时将粉末在1000℃煅烧3小时，再次研磨48小时筛选后得到颗粒均匀的粉末，添加有机溶剂，制成粘土砖混合物，并对其充分混合成浆状，在80℃-130℃下保温挥发去除有机溶剂得到粘土状混合物。
进一步，步骤(1)中加压干燥后在800-1200℃下烧结30-60min。
进一步，步骤(2)中的电极分割过程包括：在需分割的压电陶瓷球形外壳表面分界线处做一涂层作为分割线的方法进行电极分割，分割后得到多个排列紧密的阵列，阵列单元间隙大于等于1mm。
进一步，步骤(3)中的铝合金为7075铝合金其成分包括：硅Si:0.40％、铁Fe:0.50％、铜Cu:1.2-2.0％、锰Mn:0.30％、镁Mg:2.1-2.9％、铬Cr:0.18-0.28％、锌Zn:5.1-6.15％、钛Ti:0.20％、铝Al:余量、其他杂质0.15％，其液相线温度630℃左右，固一液两相区间温度为477-635℃。
本发明的一种压电陶瓷智能结构有益效果：加工具有球形金属内芯的压电陶瓷球形阵列结构，压电陶瓷相较于压电纤维具有较高的压电常数与杨氏模量，反应速度快，空间指向性均匀可360°聚焦感知信号，可同时作为信号接收器与发生器。
本发明的一种压电陶瓷智能结构嵌入金属基体的方法的有益效果：
1、在金属基体加工过程中，电磁场和声场的复合作用，净化熔体，细化晶粒，均匀化组织，使熔体内部浓度场和温度场的差别减少，降低了温度梯度，减少了成分偏析，有效的抑制了树枝晶的生长方式，促进晶粒细化圆整化，改善晶粒形貌，降低熔体中的含气量,减少熔体内的氧化物夹杂。且半固态状态温度较低有利于智能结构的嵌入。
2、整个加工凝固成型过程均处于微重力状态，在加热加工样品时其重力与样品受到的其他不接触作用力平衡，这过程中样品与其他物体完全无接触更智能更可控无容器污染。有利于的得到高性能的材料，同时为材料凝固创造了更好的条件。克服比重不同而产生凝聚、上浮或下沉，难以均匀分布等重力环境下加工制造固有缺点。
3、通过复合铸造法在金属内部加工使金属基体与智能结构结合更紧密，同时实现金属基体任意位置内智能结构嵌入。
4、内部球形阵列智能结构不仅可以作为传感器使用，也可以作为驱动器使用主动发出声波进行金属基体健康情况检测；可以在360°范围内接收信号，同时还可以聚焦声波；其内部含有金属芯作为电极，不再需要其他电极；可以检测轴向径向的振动，是基于轴向与径向的全方位收缩运动模式检测。
附图说明
图1为本发明的压电陶瓷智能结构的剖面结构示意图。
图2为本发明的压电陶瓷智能结构的横截面极化方向结构示意图。
图3为本发明的压电陶瓷智能结构的外部电极的分割结构示意图。
图4为本发明的压电陶瓷智能结构嵌入金属基体的方法的流程示意图。
图5为本发明的压电陶瓷智能结构嵌入金属基体的加工示意图。
图6为本发明的压电陶瓷智能结构嵌入金属基体的过程示意图。
图7为本发明的压电陶瓷智能结构嵌入金属基体的加工时频感应器的磁力线的示意图。
图中：1-电磁悬浮感应线圈、2-热电偶、3-位置传感器、4-悬浮铝合金、5-封闭氩气环境箱、6-超声发射端、7-压电陶瓷智能结构、8-微型夹具、9-超声反射端、10-球形金属内芯、11-金属镀层、12-压电陶瓷球形壳体、13-引线通道。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
实施例一
参见图1-3，本实施例提供了一种压电陶瓷智能结构，包括压电陶瓷球形壳体12，所述压电陶瓷球形壳体12的中部设有作为内部电极的球形金属内芯10，所述压电陶瓷球形壳体12的外表面设有作为外部电极的金属镀层11，所述压电陶瓷球形壳体12内设有用于内部电极引出的引线通道13。所述压电陶瓷球形壳体12的外表面进行电极分割形成等距排布的压力传感器阵列。
本实施例还可以在所述金属镀层11外表面喷涂有耐高温绝缘漆层，采用水性无机耐热材料，纯无机聚合物高温溶液，颜料采用高电阻无机晶体材料精加工而成，可耐受600℃高温。
本实施例所述压电陶瓷球形壳体12的压电陶瓷选择一种居里温度较高，能满足实际使用要求的材料，而且还具有较好的压电性能，能作为驱动器和传感器使用，在高温环境中持续工作。可选择环境友好的高温无铅铋层状压电陶瓷材料、钙钛矿结构高温压电陶瓷材料或钨青铜结构高温压电陶瓷材料等。
本实施例所述球形金属内芯10采用铂金材料，铂金具有很高的熔点，为1773℃，化学性稳定，耐高温且不易氧化并且在烧结时不会压电陶瓷组成成分发生化学反应。
本实施例所述金属镀层11采用银镀层，银熔点较高，附着性好，导电性能较好。
本实施例所述压电陶瓷智能结构的压电陶瓷整体成形，通过电极分割技术在球外部实现传感器阵列分割，极化后形成压力传感器阵列，球内部为全电极，各阵列等距排布。将调制好粘度的压电陶瓷浆料经过保温去除添加剂等工序后与球形金属内芯混合施加压力后放置在球形模具中进行干燥去除有机溶剂，高温烧结后得到含有金属内芯的球状含有内芯的压电陶瓷结构，在压电陶瓷球壳体上留有圆柱通道，便于将内部电极引出。
本发明所述压电陶瓷智能结构与传统金属芯压电纤维相比，是具有金属内芯的压电陶瓷球形阵列结构，压电陶瓷相较于压电纤维具有较高的压电常数与杨氏模量，反应速度快，空间指向性均匀可360°聚焦感知信号，可同时作为信号接收器与发生器。
实施例二
参见图4-7，本实施例提供了一种压电陶瓷智能结构嵌入金属基体的方法，其步骤包括：
(1)将压电陶瓷材料制成粘土状混合物，并与作为内部电极的球形金属内芯10一同放置于模具中加压烧结形成压电陶瓷球形外壳12，压电陶瓷球形外壳12内留有将内部电极引出的引线通道13；
具体的，按照压电陶瓷材料的组成按比例通过电子天平称量后，称取原料，并通过球磨混合配料；将配料烘干后研磨24小时将粉末在1000℃煅烧3小时，再次研磨48小时筛选后得到颗粒均匀的粉末，添加有机溶剂，制成粘土砖混合物，并对其充分混合成浆状，在80℃-130℃下保温挥发去除有机溶剂得到粘土状混合物。将混合物与球形金属内芯一同放在模具中继续加压，在80℃下干燥后在1200℃烧结30min。在实际使用过程中压电陶瓷的组成配方有很多种，但分子式都是固定的，优选铋层无铅压电陶瓷，采用通过Ce和Sr改性后的Bi4Ti2.92Nb0.08O12.04，居里温度在600℃以上，d33可达到29pC/N。
(2)将压电陶瓷球形外壳12表面进行电极分割，接着进行银浆印刷或涂覆于压电陶瓷球形外壳12表面，形成作为外部电极的金属镀层11，极化后喷涂耐高温绝缘漆层，从而制成压电陶瓷智能结构；
具体的，在压电陶瓷球形外壳12表面进行电极分割，通过在被银工序前进行贴纸、涂层、或专用分割装置或对压电陶瓷元件直接进行铣削、激光切割等方法均可实现电极分割，采用通过在被银工序前在需分割的陶瓷元件表面分界线处做一涂层(如油漆)作为分割线14的方法进行电极分割。分割后得到多个排列紧密的阵列。在阵列单元间隙大于等于1mm时，之间的相互干涉基本消失，优选阵列单元间隙取1.2mm。采用相同的长方形图案将阵列布满整个球面，见图3，长方形处为被银部分15。压电陶瓷电极方法采用烧银法，将银浆印刷或涂覆压电陶瓷球形外壳12外面，在高温下烧银，银浆还原为银电极。为避免金属基体影响压电陶瓷智能结构使用，在极化后的智能结构外部喷涂一层耐高温绝缘漆，采用水性无机耐热材料，纯无机聚合物高温溶液，颜料采用高电阻无机晶体材料精加工而成。可耐受600℃高温。
(3)在惰性气体氩气氛围中通过高频电磁悬浮装置对预热过的铝合金进行继续加热使其由固态转变半熔融状态，电磁力进行快速搅拌使其成为均匀半固态金属；
本实施例的嵌入过程在悬浮加工平台进行，所述悬浮加工平台包括：封闭氩气环境箱5、高频电磁悬浮加热装置、超声驻波悬浮装置。建立无容器悬浮加工环境，解决半熔融金属糊制造设备和成形设备之间的衔接问题和半熔融金属的运输保存问题。在混合装置中，感应线圈中心线与超声驻波悬浮装置发射端中心在一条直线上，必要时可重复加热。在加工过程中如果需要再次加热，可通过调节超声驻波悬浮装置相关参数移动悬浮金属位置至电磁悬浮加热装置处再次进行加热。
所述高频电磁加热装置包括：热电偶2、位置传感器3、高频感应加热器、PC端、电磁悬浮感应线圈1组成，选择高频电源最大输出功率为66KW，交变电流为70A，输入电压为三相380V，加热线圈选取紫铜管。高频电磁加热方法对固体金属进行悬浮加热和保温。在悬浮加热的同时还能够搅拌快速熔炼。金属样品在感应线圈形成的高频磁场的作用下形成感应电流与高频磁场相互作用形成洛伦兹力使金属样品悬浮。感应电流作用在金属样品上产生焦耳热，导致其熔融。电磁搅拌作用使得熔融金属在洛伦磁力的作用下产生运动改变金属熔体的凝固过程，促进金属固液浆料激烈搅动，产生强烈对流，破碎传统的枝晶,获得晶粒细小，形状圆整的半固态浆料，生产成分组织均匀的合金。半固态加工搅拌法进行加工，又称复合铸造法。半固态金属粘度高易控制，固相粒子之间几乎无结合力，通过很小的加工力就可以达到很大的加功率，克服不同金属基体与其他材料结构的浸润困难问题。同时可利用半熔融糊状金属的高粘性,容易而且均匀地混入异种材和比重差大的结构。另外，半固态金属温度相较于完全液态金属温度较低，保证了压电陶智能结构的稳定性。
所述超声波悬浮装置包括超声波发生器、超声换能器、变幅杆、超声波发射段6、超声波反射端9等。超声驻波悬浮装置将电能转换为声能，由变幅杆发出经反射端反射后形成声压节点，可将任意材质的物体悬浮。
本实施例中选用金属基体不限于铝合金材料，也可应用于其他较低熔点金属或合金材料。优选的选用铝合金材料7075在液相线温度630℃左右，铝合金固--液两相区间温度为477-635℃。主要成分为硅Si:0.40％、铁Fe:0.50％、铜Cu:1.2-2.0％、锰Mn:0.30％、镁Mg:2.1-2.9％、铬Cr:0.18-0.28％、锌Zn:5.1-6.15％、钛Ti:0.20％、铝Al:余量、其他杂质0.15％。
具体的，通过抽气装置抽掉封闭氩气环境箱5中的空气然后充入氩气惰性气体，在氩气氛围中对加工金属7075铝合金金属样本进行预加热。打开高频电源，通过高频电磁悬浮熔炼装置对金属材料(也包括合金，以下统称为金属)加热，控制加热速度，使其达到部分融化状态。同时在外加磁场的作用下促进金属固液浆料搅动，传统的晶枝组织转变为非晶枝的搅拌组织。在金属固相率达到低于50％时，提前打开超声悬浮装置并根据位置传感器反馈调节好驻波悬浮相关参数，慢慢调小高频电源功率直至关闭高频电磁悬浮装置，操作将金属材料由电磁悬浮状态转变为超声驻波悬浮状态。
(4)在固相率达到50％左右时打开超声驻波悬浮装置，调节参数使其到达指定位置，关闭电磁悬浮装置，由高频电磁装置悬浮状态转换至超声悬浮状态继续悬浮，液态金属随着温度下降开始向固态缓慢转变；控制金属在固液共存状态下稳定悬浮，金属样本固相率控制在50％-75％的范围内，温度相较于完全液态时低不易使压电陶瓷结构损害，半固态浆料还具有良好的触变性，半固态金属温度缓慢降低，逐步向固体状态转变。
(5)通过微型夹具8将压电陶瓷智能结构缓慢放置到指定位置，一段时间后在固相率达到80％左右时将夹具取出，降温凝固，等待下一步金属材料加工。由于在微重力环境下进行且半固态金属中存在固相金属阻碍结构运动，保证结构位置不移动。当然也可以是在普通环境下对金属进行半固态加工，加热后通过机械搅拌法或电磁搅拌法等方法搅拌。
本实施例压电陶瓷智能结构导入方法为：在微重力环境下通过高频电磁悬浮装置对金属基体进行悬浮加热与电磁搅拌，使其达到半固态状态。移动位置由高频电磁悬浮装置转变为超声驻波悬浮装置悬浮。通过微型夹具将加工完成的压电陶瓷智能结构在外部涂抹一层耐高温绝缘漆后放入指定位置。在金属基体半固态状态下嵌入金属基体任意位置，随金属基体生成而嵌入。整体过程在微重力环境下进行，不会因为重力而造成智能结构的下沉。
本发明在金属基体加工过程中，通过电磁场和声场的复合作用，净化熔体，细化晶粒，均匀化组织，使熔体内部浓度场和温度场的差别减少，降低了温度梯度，减少了成分偏析，有效的抑制了树枝晶的生长方式，促进晶粒细化圆整化，改善晶粒形貌，降低熔体中的含气量，减少熔体内的氧化物夹杂。且半固态状态温度较低有利于智能结构的嵌入。整个加工凝固成型过程均处于微重力状态，在加热加工样品时其重力与样品受到的其他不接触作用力平衡，这过程中样品与其他物体完全无接触更智能更可控无容器污染。有利于的得到高性能的材料，同时为材料凝固创造了更好的条件。克服比重不同而产生凝聚、上浮或下沉，难以均匀分布等重力环境下加工制造固有缺点。通过复合铸造法在金属内部加工使金属基体与智能结构结合更紧密，同时实现金属基体任意位置内智能结构嵌入。内部球形阵列智能结构不仅可以作为传感器使用，也可以作为驱动器使用主动发出声波进行金属基体健康情况检测；可以在360°范围内接收信号，同时还可以聚焦声波；其内部含有金属芯作为电极，不再需要其他电极；可以检测轴向径向的振动，是基于轴向与径向的全方位收缩运动模式检测。
Claims (9)
1.一种压电陶瓷智能结构嵌入金属基体的方法，所述的压电陶瓷智能结构，包括压电陶瓷球形壳体，所述压电陶瓷球形壳体的中部设有作为内部电极的球形金属内芯，所述压电陶瓷球形壳体的外表面设有作为外部电极的金属镀层，所述压电陶瓷球形壳体的外表面进行电极分割形成等距排布的压力传感器阵列，所述压电陶瓷球形壳体内设有用于内部电极引出的引线通道；其特征是所述的方法步骤包括：
(1)将压电陶瓷材料制成粘土状混合物，并与作为内部电极的球形金属内芯一同放置于模具中加压烧结形成压电陶瓷球形外壳，压电陶瓷球形外壳内留有将内部电极引出的引线通道；
(2)将压电陶瓷球形外壳表面进行电极分割，接着进行银浆印刷或涂覆于压电陶瓷球形外壳表面，形成作为外部电极的金属镀层，极化后喷涂耐高温绝缘漆层，从而制成压电陶瓷智能结构；
(3)在惰性气体氩气氛围中通过高频电磁悬浮装置对预热过的铝合金进行继续加热使其由固态转变半熔融状态，电磁力进行快速搅拌使其成为均匀半固态金属；
(4)在固相率达到50％时打开超声驻波悬浮装置，调节参数使其到达指定位置，关闭电磁悬浮装置，由高频电磁装置悬浮状态转换至超声悬浮状态继续悬浮，液态金属随着温度下降开始向固态缓慢转变；
(5)通过微型夹具将压电陶瓷智能结构缓慢放置到指定位置，一段时间后在固相率达到80％时将夹具取出，降温凝固，等待下一步金属材料加工。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述金属镀层外表面喷涂有耐高温绝缘漆层。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述压电陶瓷球形壳体的压电陶瓷为高温压电陶瓷材料。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述球形金属内芯采用铂金材料。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述金属镀层采用银镀层。
6.如权利要求1所述的压电陶瓷智能结构嵌入金属基体的方法，其特征在于：步骤(1)中将压电陶瓷材料制成粘土状混合物的步骤包括：按照压电陶瓷材料的组成按比例通过电子天平称量后，称取原料，并通过球磨混合配料；将配料烘干后研磨24小时将粉末在1000℃煅烧3小时，再次研磨48小时筛选后得到颗粒均匀的粉末，添加有机溶剂，制成粘土砖混合物，并对其充分混合成浆状，在80℃-130℃下保温挥发去除有机溶剂得到粘土状混合物。
7.如权利要求1所述的压电陶瓷智能结构嵌入金属基体的方法，其特征在于：步骤(1)中加压干燥后在800-1200℃下烧结30-60min。
8.如权利要求1所述的压电陶瓷智能结构嵌入金属基体的方法，其特征在于：步骤(2)中的电极分割过程包括：在需分割的压电陶瓷球形外壳表面分界线处做一涂层作为分割线的方法进行电极分割，分割后得到多个排列紧密的阵列，阵列单元间隙大于等于1mm。
9.如权利要求1所述的压电陶瓷智能结构嵌入金属基体的方法，其特征在于：步骤(3)至步骤(5)整个过程金属基体均处于微重力状态下进行加工；智能结构在金属基体半固态状态下嵌入。
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