CN112038480B - 一种具有瑞士卷结构的压电纤维及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有瑞士卷结构的压电纤维及其制备方法和应用，压电纤维包括压电功能层和包覆在所述压电功能层上的绝缘层，压电功能层由压电复合层按照瑞士卷结构形式、沿垂直于其自身轴心的方向卷绕而成，压电复合层包括依次叠加设置的第一压电层、导电层和第二压电层；在压电功能层外包覆绝缘层，真空加热固结，制成预制棒，热拉伸，制成；以及上述压电纤维在传感器、驱动器和超声传感器装置等领域中的应用；本发明压电纤维，其具有瑞士卷结构，不仅机械性能好，耐久性好，压电效果更好，而且独特的结构使从不同方向收集机械能变得更加可行。
Description
技术领域
本发明属于功能纤维领域，具体涉及一种具有瑞士卷结构的压电纤维及其制备方法和应用。
背景技术
压电纤维因具有较高的压电应变常数和厚度机电耦合系数、低的机械品质因数和声阻抗等优异性能，在传感器、驱动器、超声传感器装置以及汽车、航空等领域有着很大的潜在应用。
目前，压电纤维制造的直接方法主要包括沿ZnO纳米棒或纳米线（NWs），BaTiO3（BTO）纳米结构和Pb（Zr0.52Ti0.48）O3（PZT）NW直接生长或湿挤压压电陶瓷材料金属丝/超细纤维。例如，通过在铜线上沉积ZnO纳米棒来报道压电纤维；通过将PNN-PZT粉末和有机溶剂与50μmPt纤芯的混合物一起挤出，展示了Pb（Nb，Ni）O3-Pb（Zr，Ti）O3（PNN-PZT）压电陶瓷纤维；
又如中国专利CN101358388B，其公开了一种PZT压电纤维的制备方法，具体步骤如下：
(1)PZT溶胶制备：将质量比例为110∶56∶44的醋酸铅、硝酸锆、钛酸四丁酯分别在有机溶剂中进行超声溶解，并加入适量的稳定剂，将三者的前驱体溶液混合，在80℃低温加热和超声振荡条件下，在其中加入体积比为1∶0.5～1∶3的水和醋酸调节溶液水解度，调整溶胶的浓度为0.3mol/l，并在磁力搅拌下使混合物混合均匀，获得所述的溶胶；
(2)溶胶-粉末混合体系的制备：将溶胶和PZT粉末按质量比为1∶1～1∶9混合，在80℃低温加热和均匀搅拌下，再利用研钵研磨数分钟，或用轧膜机进行轧制，使得混合物充分混合均匀，并具有合适的可塑性；
(3)PZT压电纤维的制备：将上述(2)所得可塑性混合物置于合适的预热模具中，在一定压力和60℃低温加热下，在挤出机上进行纤维素坯的制备，将纤维素坯放置在平板玻璃上室温干燥，排除纤维表面的吸附水；
(4)PZT压电纤维的热处理：将室温干燥后的纤维，在低温干燥箱中进行干燥，然后进行热处理，得到PZT压电纤维。
但是，现已有的技术所制造的压电发生器通常具有较差的机械可靠性，频繁而剧烈的机械运动可能会损坏纤维结构，例如连续弯曲会导致压电层破裂，甚至从纤维芯上剥落，且压电效果不显著，这使其不适用于真正的可穿戴应用。因此，制备出压电效果好，机械性能好，耐久性好，且适用于可穿戴应用的压电纤维具有极佳的现实意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中的不足，提供一种新型的压电纤维，其具有瑞士卷结构，不仅机械性能好，耐久性好，压电效果更好，而且独特的结构使从不同方向收集机械能变得更加可行。
本发明同时还提供了一种上述压电纤维的制备方法。
本发明同时还提供了一种上述压电纤维在传感器、驱动器和超声传感器装置中的应用，以及在汽车、航空等领域也有着很大的潜在应用。
为解决以上技术问题，本发明采取的一种技术方案如下：
一种压电纤维，所述压电纤维包括压电功能层和包覆在所述压电功能层上的绝缘层，所述压电功能层由压电复合层按照瑞士卷结构形式、沿垂直于其自身轴心的方向卷绕而成，所述压电复合层包括依次叠加设置的第一压电层、导电层和第二压电层。
根据本发明的一些优选且具体的方面，所述第一压电层的厚度、所述导电层的厚度和所述第二压电层的厚度分别独立地为100-300μm。
根据本发明的一些优选且具体的方面，所述第一压电层的厚度、所述导电层的厚度和所述第二压电层的厚度相同。
根据本发明的一些优选方面，所述第一压电层、所述第二压电层分别独立地由选自聚偏氟乙烯（PVDF）、聚偏氟乙烯三氟乙烯(P(VDF-TrFE))、钙钛矿陶瓷（BTO或PZT）纳米粒子浸渍的聚偏氟乙烯和碳纳米管（CNT）浸渍的聚偏氟乙烯中的一种或多种的组合制成。
根据本发明的一些优选方面，所述压电复合层为将所述第一压电层、所述导电层和所述第二压电层依次叠加在一起，然后在加热状态下使所述第一压电层和所述第二压电层分别发生软化而制成。根据本发明的一个具体方面，所述加热状态的温度为85-105℃。本发明中，在压电复合层的制备过程中，加热的目的是为了使得所述第一压电层和所述第二压电层能够软化进而较好的附着在导电层表面，以实现三者之间的紧密结合，避免在后期卷绕过程中发生分离现象，确保更优的压电效果以及机械性能等。
根据本发明的一些优选且具体的方面，所述导电层的材料为选自碳载聚乙烯（CPE）、碳浸渍低密度聚乙烯（C-LDPE）和石墨烯中的一种或多种的组合。
根据本发明的一些优选且具体的方面，所述绝缘层的材料为选自聚碳酸酯（PC）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）中的一种或多种的组合。
根据本发明的一些优选方面，所述压电纤维通过如下方法制成：在所述压电功能层外包覆所述绝缘层，真空加热固结，制成预制棒，然后将所述预制棒经过热拉伸，制成。
根据本发明的一些具体方面，所述绝缘层的厚度为500-700μm。根据本发明的一个具体方面，所述绝缘层的厚度约为600μm。
本发明提供的又一技术方案：一种上述所述的压电纤维的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
（1）将所述第一压电层、所述导电层和所述第二压电层依次叠加在一起，然后在加热状态下使所述第一压电层和所述第二压电层分别发生软化，制成所述压电复合层；
（2）将所述压电复合层按照瑞士卷结构形式、沿垂直于其自身轴心的方向卷绕制成所述压电功能层，在所述压电功能层外包覆所述绝缘层，真空加热固结，制成预制棒；
（3）将所述预制棒经过热拉伸，制成所述压电纤维。
根据本发明的一些优选方面，步骤（1）中，所述加热状态的温度为85-105℃。
根据本发明的一些优选方面，步骤（2）中，在制成所述压电功能层的过程中，所述压电复合层卷绕的层数大于5层。
根据本发明的一些优选方面，步骤（2）中，所述真空加热固结的温度为110-120℃。根据本发明，真空加热固结有利于除去残留的气体并形成高质量的界面，确保更优的压电效果以及机械性能等。
根据本发明的一些具体方面，所述预制棒的直径为10-100mm，也可以为10-50mm，也可以为20-40mm。
根据本发明的一些优选方面，步骤（3）中，所述热拉伸通过三温区加热拉伸炉进行，三温区的加热温度依次为：135-145℃、210-230℃、110-130℃。
本发明提供的又一技术方案：一种上述所述的压电纤维在传感器、驱动器和超声传感器装置中的应用。
由于以上技术方案的采用，本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明创新地将压电纤维制成具有瑞士卷结构的形式，不仅大大增加了有效表面积并减小了层厚度，以使得电压和电流大大提高，这样的纤维可以产生更多的电能；而且其柔韧性和均匀性也比现有层状或核壳结构的压电纤维好，从而为新颖的设备功能特性提供了机会（例如可穿戴设备），同时此种独特的结构使从不同方向收集机械能变得更加可行，获得更好的压电效果，从而可更复杂的功能，并实现了真正的多功能纤维。
附图说明
图1为本发明实施例1的压电纤维的横截面结构示意图；
其中，1、第一压电层；2、导电层；3、第二压电层；4、绝缘层。
具体实施方式
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明；应理解，这些实施例是用于说明本发明的基本原理、主要特征和优点，而本发明不受以下实施例的范围限制；实施例中采用的实施条件可以根据具体要求做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
下述中，如无特殊说明，所有的原料基本来自于商购或者通过本领域的常规方法制备而得。下述实施例中，聚偏氟乙烯(PVDF)购自东岳神舟，型号DS206；碳粉购自东凯，型号1000-98；低密度聚乙烯（LDPE）购自燕山石化，型号1I50A；聚二甲基硅氧烷（PDMS）购自忠奥，型号ZA-201；钙钛矿陶瓷（BTO）纳米粒子购自南京宏德纳米，型号HDLZ01。
碳浸渍低密度聚乙烯（C-LDPE）是通过超声、搅拌等工艺，将碳分散在低密度聚乙烯中，借助于模具制备成膜；聚偏氟乙烯可以通过挤塑的方法加工成膜；将钙钛矿陶瓷（BTO）纳米粒子利用超声波进行分散，制成悬浮液，用磁力搅拌器将PVDF在丙酮（购自印川，型号yc-10）中溶胀10分钟。然后，用磁激振器将两种悬浮液混合在一起，在100℃加热1h，借助于静电纺制成钙钛矿陶瓷（BTO）纳米粒子浸渍的PVDF膜。
实施例1
本例提供一种压电纤维，其横截面示意图如图1所示，所述压电纤维包括压电功能层和包覆在所述压电功能层上的绝缘层4，所述压电功能层由压电复合层按照瑞士卷结构形式、沿垂直于其自身轴心的方向卷绕而成，所述压电复合层包括依次叠加设置的第一压电层1、导电层2和第二压电层3；
其中，所述第一压电层1、所述第二压电层3分别由聚偏氟乙烯(PVDF)制成，所述导电层2由碳浸渍低密度聚乙烯（C-LDPE）制成，第一压电层1、导电层2和第二压电层3的厚度均为300μm；绝缘层4由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成，厚度为6000μm。
本例压电纤维的制备方法为，将第一压电层1、导电层2、第二压电层3依次叠放在一起，加热到100℃，使第一压电层1、第二压电层3稍稍软化后附着在导电层2上，制成压电复合层，然后将压电复合层沿垂直于其自身轴心的方向卷绕为30层的瑞士卷结构，剪去多余材料，制成压电功能层，用由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的绝缘层4进行封层，然后在115℃的真空炉中固结20分钟，制成预制棒；
将制备的预制棒放入三温区加热拉伸炉，进行热拉伸，然后卷绕成卷（例如在某个轴上缠绕上很多圈，便于存放、使用等），得到具有瑞士卷结构的压电纤维。其中送料速度为2mm/min，三温区的加热温度依次为：140℃、220℃、120℃，卷绕速度为1800mm/min，压电纤维直径约为1mm。
将得到的压电纤维按照如下方法进行检测，具体测试方法如下：
（1）将制备好的压电纤维在80℃的硅油浴中，在5kV电压下极化24小时；
（2）将压电纤维固定在长10cm、宽5cm、厚1mm的聚酰亚胺(PI)基材上，制成压电发生器。将PI基板的一端固定，而另一端通过微定位工作台水平位移，从而弯曲压电发生器，产生电压和电流；
（3）当发电机的运动端偏移至10mm时，压电发生器产生弯曲，相应的开路电压增加到3V，短路电流为18nA；
（4）将压电发生器连续进行3天的弯曲释放测试（GB/T 1449-2005，下述相同）评估其机械稳定性，测得输出电压和电流的幅度在25920个弯曲释放周期中显示出很高的稳定性。
实施例2
本例提供一种压电纤维，所述压电纤维包括压电功能层和包覆在所述压电功能层上的绝缘层，所述压电功能层由压电复合层按照瑞士卷结构形式、沿垂直于其自身轴心的方向卷绕而成，所述压电复合层包括依次叠加设置的第一压电层、导电层和第二压电层；
其中，所述第一压电层、所述第二压电层分别由聚偏氟乙烯(PVDF)制成，所述导电层由碳浸渍低密度聚乙烯（C-LDPE）制成，第一压电层、导电层和第二压电层的厚度均为150μm；绝缘层由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成，厚度为6000μm。
本例压电纤维的制备方法为，将第一压电层、导电层、第二压电层依次叠放在一起，加热到100℃，使第一压电层、第二压电层稍稍软化后附着在导电层上，制成压电复合层，然后将压电复合层沿垂直于其自身轴心的方向卷绕为60层的瑞士卷结构，剪去多余材料，制成压电功能层，用由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的绝缘层进行封层，然后在115℃的真空炉中固结20分钟，制成预制棒；
将制备的预制棒放入三温区加热拉伸炉，进行热拉伸，然后卷绕成卷，得到具有瑞士卷结构的压电纤维。其中送料速度为2 mm/min，三温区的加热温度依次为：140℃、220℃、120℃，卷绕速度为1800mm/min，压电纤维直径约为1mm。
将得到的压电纤维按照如下方法进行检测，具体测试方法如下：
（1）将制备好的压电纤维在80℃的硅油浴中，在5kV电压下极化24小时；
（2）将压电纤维固定在长10cm、宽5cm、厚1mm的聚酰亚胺(PI)基材上，制成压电发生器。将PI基板的一端固定，而另一端通过微定位工作台水平位移，从而弯曲压电发生器，产生电压和电流；
（3）当发电机的运动端偏移至10mm时，压电发生器产生弯曲，相应的开路电压增加到6V，短路电流为36nA；
（4）将压电发生器连续进行3天的弯曲释放测试评估其机械稳定性，测得输出电压和电流的幅度在25920个弯曲释放周期中显示出很高的稳定性。
实施例3
本例提供一种压电纤维，所述压电纤维包括压电功能层和包覆在所述压电功能层上的绝缘层，所述压电功能层由压电复合层按照瑞士卷结构形式、沿垂直于其自身轴心的方向卷绕而成，所述压电复合层包括依次叠加设置的第一压电层、导电层和第二压电层；
其中，所述第一压电层、所述第二压电层分别由聚偏氟乙烯(PVDF)制成，所述导电层由碳浸渍低密度聚乙烯（C-LDPE）制成，第一压电层、导电层和第二压电层的厚度均为100μm；绝缘层由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成，厚度为6000μm。
本例压电纤维的制备方法为，将第一压电层、导电层、第二压电层依次叠放在一起，加热到100℃，使第一压电层、第二压电层稍稍软化后附着在导电层上，制成压电复合层，然后将压电复合层沿垂直于其自身轴心的方向卷绕为90层的瑞士卷结构，剪去多余材料，制成压电功能层，用由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的绝缘层进行封层，然后在115℃的真空炉中固结20分钟，制成预制棒；
将制备的预制棒放入三温区加热拉伸炉，进行热拉伸，然后卷绕成卷，得到具有瑞士卷结构的压电纤维。其中送料速度为2mm/min，三温区的加热温度依次为：140℃、220℃、120℃，卷绕速度为1800mm/min，压电纤维直径约为1mm。
将得到的压电纤维按照如下方法进行检测，具体测试方法如下：
（1）将制备好的压电纤维在80℃的硅油浴中，在5kV电压下极化24小时；
（2）将压电纤维固定在长10cm、宽5cm、厚1mm的聚酰亚胺(PI)基材上，制成压电发生器。将PI基板的一端固定，而另一端通过微定位工作台水平位移，从而弯曲压电发生器，产生电压和电流；
（3）当发电机的运动端偏移至10mm时，压电发生器产生弯曲，相应的开路电压增加到8V，短路电流48nA；
（4）将压电发生器连续进行3天的弯曲释放测试评估其机械稳定性，测得输出电压和电流的幅度在25920个弯曲释放周期中显示出很高的稳定性。
实施例4
本例提供一种压电纤维，所述压电纤维包括压电功能层和包覆在所述压电功能层上的绝缘层，所述压电功能层由压电复合层按照瑞士卷结构形式、沿垂直于其自身轴心的方向卷绕而成，所述压电复合层包括依次叠加设置的第一压电层、导电层和第二压电层；
其中，所述第一压电层、所述第二压电层分别由钙钛矿陶瓷（BTO）纳米粒子浸渍的PVDF制成，所述导电层由碳浸渍低密度聚乙烯（C-LDPE）制成，第一压电层、导电层和第二压电层的厚度均为100μm；绝缘层由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成，厚度为6000μm。
本例压电纤维的制备方法为，将第一压电层、导电层、第二压电层依次叠放在一起，加热到100℃，使第一压电层、第二压电层稍稍软化后附着在导电层上，制成压电复合层，然后将压电复合层沿垂直于其自身轴心的方向卷绕为90层的瑞士卷结构，剪去多余材料，制成压电功能层，用由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的绝缘层进行封层，然后在115℃的真空炉中固结20分钟，制成预制棒；
将制备的预制棒放入三温区加热拉伸炉，进行热拉伸，然后卷绕成卷，得到具有瑞士卷结构的压电纤维。其中送料速度为2mm/min，三温区的加热温度依次为：140℃、220℃、120℃，卷绕速度为1800mm/min，压电纤维直径约为1mm。
将得到的压电纤维按照如下方法进行检测，具体测试方法如下：
（1）将制备好的压电纤维在80℃的硅油浴中，在5kV电压下极化24小时；
（2）将压电纤维固定在长10cm、宽5cm、厚1mm的聚酰亚胺(PI)基材上，制成压电发生器。将PI基板的一端固定，而另一端通过微定位工作台水平位移，从而弯曲压电发生器，产生电压和电流；
（3）当发电机的运动端偏移至10mm时，压电发生器产生弯曲，相应的开路电压增加到9V，短路电流为53nA；
（4）将压电发生器连续进行3天的弯曲释放测试评估其机械稳定性，测得输出电压和电流的幅度在25920个弯曲释放周期中显示出很高的稳定性。
由上述实施例可知，本发明的具有瑞士卷结构的压电纤维，大大增加了有效表面积并减小了层厚度，使得电压和电流大大提高，且随着卷绕层数的增加，压电效果明显增加。当压电层采用钙钛矿陶瓷（BTO或PZT）纳米粒子或CNT浸渍的PVDF聚合物时，压电效果也有增加；同时本发明独特的结构使从不同方向收集机械能变得更加可行，相对于现有只能从一个或有限的几个方向收集机械能，本发明能够获得更好的压电效果，从而可更复杂的功能，并实现了真正的多功能纤维，例如可用于可穿戴设备等。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种压电纤维，其特征在于，所述压电纤维包括压电功能层和包覆在所述压电功能层上的绝缘层，所述压电功能层由压电复合层按照瑞士卷结构形式、沿垂直于其自身轴心的方向卷绕而成，所述压电复合层包括依次叠加设置的第一压电层、导电层和第二压电层；
所述第一压电层、所述第二压电层分别独立地由选自聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯三氟乙烯、钙钛矿陶瓷纳米粒子浸渍的聚偏氟乙烯和碳纳米管浸渍的聚偏氟乙烯中的一种或多种的组合制成；
所述导电层的材料为选自碳载聚乙烯、碳浸渍低密度聚乙烯和石墨烯中的一种或多种的组合。
2.根据权利要求1所述的压电纤维，其特征在于，所述第一压电层的厚度、所述导电层的厚度和所述第二压电层的厚度分别独立地为100-300μm。
3.根据权利要求1或2所述的压电纤维，其特征在于，所述第一压电层的厚度、所述导电层的厚度和所述第二压电层的厚度相同。
4.根据权利要求1所述的压电纤维，其特征在于，所述压电复合层为将所述第一压电层、所述导电层和所述第二压电层依次叠加在一起，然后在加热状态下使所述第一压电层和所述第二压电层分别发生软化而制成。
5.根据权利要求1所述的压电纤维，其特征在于，所述绝缘层的材料为选自聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷和聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或多种的组合。
6.根据权利要求1所述的压电纤维，其特征在于，所述压电纤维通过如下方法制成：在所述压电功能层外包覆所述绝缘层，真空加热固结，制成预制棒，然后将所述预制棒经过热拉伸，制成。
7.一种权利要求1-6中任一项所述的压电纤维的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
（1）将所述第一压电层、所述导电层和所述第二压电层依次叠加在一起，然后在加热状态下使所述第一压电层和所述第二压电层分别发生软化，制成所述压电复合层；
（2）将所述压电复合层按照瑞士卷结构形式、沿垂直于其自身轴心的方向卷绕制成所述压电功能层，在所述压电功能层外包覆所述绝缘层，真空加热固结，制成预制棒；
（3）将所述预制棒经过热拉伸，制成所述压电纤维。
8.根据权利要求7所述的压电纤维的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述加热状态的温度为85-105℃；和/或，步骤（2）中，在制成所述压电功能层的过程中，所述压电复合层卷绕的层数大于5层；和/或，步骤（2）中，所述真空加热固结的温度为110-120℃；和/或，步骤（3）中，所述热拉伸通过三温区加热拉伸炉进行，三温区的加热温度依次为：135-145℃、210-230℃、110-130℃。
9.一种权利要求1-6中任一项所述的压电纤维在传感器、驱动器中的应用。
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