CN114459509A - 传感器及其制备方法、传感装置 - Google Patents

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CN114459509A CN202210002178.4A CN202210002178A CN114459509A CN 114459509 A CN114459509 A CN 114459509A CN 202210002178 A CN202210002178 A CN 202210002178A CN 114459509 A CN114459509 A CN 114459509A
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Abstract

本发明公开了传感器及其制备方法、传感装置。该传感器包括高分子基体和碳化层，其中，所述碳化层是通过对所述高分子基体的部分表面进行原位碳化形成的。由此，该碳化层可以感知应变或温度变化，进而产生电阻信号，通过对电阻信号进行处理即可对高分子材料的服役情况进行实时检测和监测。

Description

传感器及其制备方法、传感装置
技术领域
本申请涉及传感器领域，具体地，涉及传感器及其制备方法、传感装置。
背景技术
高分子材料(如碳纤维增强聚醚醚酮等)具有优良的机械性能、热稳定性、摩擦性能、耐化学腐蚀性、抗疲劳性能和抗辐射性能等，可以适应恶劣复杂的服役环境，因此，在军工、航空航天和载运工具(包括车辆、船舶、集装箱等)等诸多领域都有广泛的应用，已经呈现出取代传统金属材料成为飞机和汽车等大型机械设备关键零部件和支承结构主要材料的趋势。因此，如何对服役期的高分子材料部件的服役状况进行有效检测，及时发现并修复/更换损坏的高分子部件，对于维持大型机械设备的系统健康以及可持续运行具有重大意义。但目前尚未发现可实时检测和监测高分子材料部件的服役情况的有效案例。
发明内容
本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：
如前所述，目前还未发现可以实时检测和监测高分子材料部件的服役情况的有效案例，为了至少在一定程度上解决上述问题的至少之一，发明人通过大量研究发现，可以对高分子材料的部分表面进行原位碳化形成碳化层，而该碳化层可以感知高分子部件的应变或温度变化进而产生电阻信号，通过对该电阻信号进行处理可以了解高分子材料部件是否出现损伤，进而实现实时检测和监测高分子材料的服役情况的目的。
有鉴于此，在本发明的一方面，本发明提出了一种传感器，该传感器包括高分子基体和碳化层，其中，所述碳化层是通过对所述高分子基体的部分表面进行原位碳化形成的。由此，该碳化层可以感知应变或温度变化，进而产生电阻信号，通过对电阻信号进行处理即可对高分子材料的服役情况进行实时检测和监测。
根据本发明的实施例，所述碳化层包括至少一个子碳化层。
根据本发明的实施例，所述子碳化层的形状为矩形、圆形、椭圆形或菱形。由此，子碳化层可以有效感知应变或温度变化，并转化为电阻信号。
根据本发明的实施例，所述高分子基体的材质包括碳纤维增强聚醚醚酮、聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、酚醛树脂、聚苯乙烯、环氧树脂中的至少之一。由此，高分子基体具有优异的性能，并且能够通过原位碳化形成碳化层。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备前面所述的传感器的方法，该方法包括：提供高分子基体；对所述高分子基体的部分表面进行原位碳化，形成碳化层。由此，可以通过简便的工艺形成碳化层，并且，形成的碳化层可以有效感知并反馈应变或温度变化，总的来说，利用该方法形成的传感器可以用于实时检测和监测高分子材料的服役情况。
根据本发明的实施例，在对所述高分子基体的所述部分表面进行原位碳化之前，进一步包括：在所述高分子基体的所述部分表面形成氧化石墨烯层或金属层。
根据本发明的实施例，所述原位碳化的方式为激光辐照或X射线辐照。
根据本发明的实施例，所述激光辐照的激光为紫外纳秒激光，功率为5W-10W，重复频率为40kHz-100kHz，扫描速度为20-110mm/s，离焦量为2-10mm。由此，在上述条件下，可以对高分子材料进行原位碳化，并形成能够感知应变或温度变化的碳化层。
根据本发明的实施例，所述X射线辐照的能量密度大于0.83J/mm2，由此，可以采用该能量密度范围的X射线能够在高分子材料的表面形成碳化层，有利于碳化层的形成。
在本发明的又一方面，本发明提出了一种传感装置，该传感装置包括前面所述的传感器。由此，该传感装置具有前面所述的传感装置所具有的全部特征以及优点，在此不再赘述。总的来说，该传感装置可以感知应变或温度变化，实现对高分子材料部件服役情况的实时检测和监测。
根据本发明的实施例，所述传感装置进一步包括测量单元和中控设备，其中，所述传感器包括高分子基体和一个碳化层，所述碳化层通过第一导线与所述测量单元的正极连接，所述碳化层通过第二导线与所述测量单元的负极进行连接，所述测量单元通过USB连接器或网线与所述中控设备进行连接。由此，碳化层感知应变或温度变化，进而产生电阻信号，测量单元对电阻信号进行读取，并将电阻信号转化为电信号，之后，测量单元将电信号反馈给中控设备，中控设备对电信号进行处理并显示处理后的电信号数据或波形。
根据本发明的实施例，所述传感装置进一步包括多路复用器、测量单元和中控设备，其中，所述传感器包括高分子基体和碳化层，所述碳化层包括多个子碳化层，多个所述子碳化层均通过第一导线与所述多路复用器的正极进行连接，且多个所述子碳化层均通过第二导线与所述多路复用器的负极进行连接，所述多路复用器分别与所述测量单元的正极和负极进行连接，所述测量单元通过USB连接器或网线与所述中控设备进行连接。由此，多个子碳化层分别感知应变或温度变化，进而，多个子碳化层分别产生电阻信号，测量单元通过多路复用器对多个子碳化层的电阻信号依次进行读取，同时测量单元将多个子碳化层的电阻信号转化为多个子电信号，之后，测量单元将多个子电信号反馈给中控设备，中控设备对多个子电信号进行处理并显示每个处理后的子电信号数据或波形。
附图说明
本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1显示了本发明一个实施例的传感器的结构示意图；
图2显示了本发明另一个实施例的传感器的结构示意图；
图3显示了本发明一个实施例的传感装置的结构示意图；
图4显示了本发明另一个实施例的传感装置的结构示意图；
图5显示了本发明一个实施例中处理后的电信号随时间的变化曲线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例。需要说明的是，下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
在本发明的一方面，本发明提出了一种传感器，参考图1和图2，传感器100包括高分子基体110和碳化层120。
根据本发明的实施例，高分子基体100的材质包括碳纤维增强聚醚醚酮、聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、酚醛树脂、聚苯乙烯、环氧树脂等中的至少之一，即高分子基体可以由上述材料中的一种或多种构成。上述高分子材料形成的高分子基体具有优良的机械性能、热稳定性、耐化学腐蚀性、抗疲劳性能和抗辐射性能等，可以适应恶劣复杂的服役环境，能够应用于军工、航空航天和载运工具等诸多领域，进而使得基于上述高分子基体的传感器也能够应用于上述诸多领域中大型机械设备的高分子部件服役情况的实时检测和监测。
根据本发明的实施例，碳化层120是通过对高分子基体110的部分表面进行原位碳化形成的。由此，通过表面原位碳化形成的碳化层能够与高分子基体牢固结合，并且，原位碳化形成的碳化层对于应力(应变)或温度变化较为敏感，能够迅速且准确地根据其感知到的应力(应变)或温度变化产生相应的电阻信号，之后，通过对电阻信号进行转换或处理即可得知高分子部件的服役情况，从而能够及时发现高分子部件的裂纹或其他损伤，并及时修复或更换损坏的高分子部件，进而有利于维持大型机械设备的系统健康以及可持续运行。
下面对传感器中碳化层能够实现对应力(应变)或温度变化的反馈的原理进行说明：在高分子材料的部分表面原位形成的碳化层具有本征电阻值，记为原始电阻值，当发生应变(受力)或温度变化时，碳化层的电阻也会产生变化(应变变大或温度升高会导致碳化层的电阻变大)，一般情况下(正常情况下)，当撤除载荷(应力)或者热源时，碳化层所处位置处的应变或温度会回落到正常状态，碳化层的电阻也会回落到原始电阻值，当碳化层的电阻值不能够恢复到正常值(特别是撤除载荷或热源后，碳化层的电阻值高于原始电阻值的30％及以上)的时候，认为高分子材料出现不良，有裂纹或其他损伤，之后可以通过进一步分析来判断是需要修复受损部位还是需要对高分子部件进行更换。
本发明中，碳化层的电阻值小于5KΩ即可用于感知和反馈应变或温度变化。而根据本发明的实施例，碳化层的电阻值均满足上述要求，且电阻值均较小，能够用于感知和反馈应变或温度变化。根据本发明的一些具体实施例，对于碳纤维增强聚醚醚酮基体的部分表面进行碳化之后得到的碳化层的电阻值不超过100Ω，该碳化层能够很好地感知和反馈应变或温度变化。
根据本发明的实施例，参考图1和图2，碳化层120可以包括至少一个子碳化层121。根据本发明的一些实施例，参考图1，碳化层120可以仅包括一个子碳化层，即仅在高分子基体的部分表面形成一个碳化层。根据本发明的另一些实施例，参考图2，碳化层120可以包括多个子碳化层121，以碳化层120包括6个子碳化层121为例进行说明，多个子碳化层121可以形成阵列分布，进而可以通过对各个子碳化层反馈的多个电阻信号进行转换和处理来得到高分子部件不同部位的服役情况，后续可以对不同部位的损伤进行修复或对高分子部件进行更换以维持机械设备的系统健康及可持续运行。需要说明的是，子碳化层还可以为其他数量，例如2个、3个、4个、5个或更多个，实际应用中，可以根据高分子部件的具体尺寸、应力集中部位的数量、高温点的数量等进行具体设置。
根据本发明的实施例，子碳化层121的形状可以为矩形、圆形、椭圆形或菱形等，由此，上述形状的子碳化层均可以感知应力(应变)或温度变化并进行有效反馈。需要说明的是，碳化层或子碳化层的具体形状并不限于上述列举出的形状，本领域技术人员还可以根据实际所需测量区域的表面形状进行相应的调整和设置，只要形成的碳化层或子碳化层能够有效感知应力(应变)或温度变化即可。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备前面所述的传感器的方法，该方法包括以下步骤：
S100：提供高分子基体。
在步骤S100中，提供高分子基体。对于高分子基体的具体材质已在前面作了详细介绍，在此不再赘述。
S200：对高分子基体的部分表面进行原位碳化，形成碳化层。
在步骤S200中，对高分子基体的部分表面进行原位碳化，形成碳化层。
根据本发明的一些实施例，在对高分子基体的部分表面进行原位碳化之前，还可以预先在高分子基体的部分表面形成氧化石墨烯层。由此，在对高分子基体的部分表面进行原位碳化时，同时也会对氧化石墨烯层进行碳化，形成复合的碳化层，即该碳化层既包括对高分子基体的部分表面碳化形成的层结构，又包括对氧化石墨烯层进行碳化得到的石墨烯层，可以进一步提高碳化层的导电性，进而提高碳化层感知和反馈应力(应变)或温度变化的性能。根据本发明的一些具体实施例，在对高分子基体的部分表面进行原位碳化之前，可以预先在高分子基体的部分表面涂覆氧化石墨烯溶液，并进行干燥处理，得到氧化石墨烯层，由此，可以利用简便的方法形成氧化石墨烯层，通过后续对高分子基体的部分表面和氧化石墨烯层的碳化处理可以形成导电性良好的碳化层。需要说明的是，本发明中对氧化石墨烯溶液的浓度、干燥处理的具体条件等不做特别限定，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择和设置，只要能够形成氧化石墨烯层即可。
根据本发明的另一些实施例，在对高分子基体的部分表面进行原位碳化之前，还可以预先在高分子基体的部分表面形成金属层，由此，在对高分子基体的部分表面进行原位碳化时，也可以同时对高分子基体和金属层进行碳化，得到复合的碳化层，即碳化层既包括对高分子基体进行碳化得到的层结构，又包括对金属层进行碳化得到的层结构，进而有利于提高碳化层的导电性。根据本发明的一些具体实施例，可以将金属粉末平铺于高分子基体的部分表面，例如，可以将金粉末铺于高分子基体的表面上，使用刮刀将金粉末铺平，以形成金属层。
需要说明的是，本发明中，在高分子基体的部分表面预先形成氧化石墨烯层或者预先形成金属层的技术方案，仅是针对表面直接原位碳化后得到的碳化层的导电性相对较差的高分子基体材料进行的进一步改进。也即是说，如果高分子基体表面直接碳化后得到的碳化层的导电性不满足使用需求，则可以采用预先在高分子基体的部分表面形成氧化石墨烯层或形成金属层，再通过后续的原位碳化形成复合的碳化层，进而提高碳化层的导电性；而在高分子基体表面通过直接原位碳化后得到的碳化层的导电性满足使用需求的情况下，则不需要在对高分子基体的部分表面进行原位碳化之前预先形成氧化石墨烯层或金属层。
根据本发明的一些实施例，对高分子基体的部分表面进行原位碳化的方式可以为激光辐照。由此，可以利用激光辐照对高分子基体进行精准的原位碳化，且能够形成有效感知应力(应变)或温度变化并进行反馈的碳化层。
根据本发明的一些具体实施例，激光辐照可以采用紫外光、可见光、红外光，脉宽可以为毫秒、纳秒、皮秒、飞秒等，由此，能够对高分子基体的部分表面进行精准的碳化。根据本发明的一些具体实施例，激光辐照的激光为紫外纳秒激光，激光器的功率可以为5W-10W，例如可以为5W、6W、7W、8W、9W、10W等，重复频率可以为40kHz-100kHz，例如可以为40kHz、50kHz、60kHz、70kHz、80kHz、90kHz、100kHz等，扫描速度可以为20-110mm/s，例如可以为20mm/s、40mm/s、50mm/s、70mm/s、90mm/s、110mm/s等，离焦量可以为2-10mm，例如可以为2mm、3mm、5mm、8mm、10mm等，由此，可以进一步提高对高分子基体表面的碳化效果。
根据本发明的另一些实施例，对高分子基体的部分表面进行原位碳化的方式也可以为X射线辐照，由此，也可以在高分子基体的部分表面精准形成碳化层。根据本发明的一些具体实施例，X射线辐照的能量密度大于0.83J/mm2，由此，X射线的能量密度较高，不仅能够实现精准碳化，还能够进一步提高对高分子基体表面的碳化效果。
对于碳化层或子碳化层的形状或数量已在前面作了说明，在此不再赘述。本领域技术人员可以采用激光辐照或X射线辐照的方式在高分子材料基体的部分表面形成一定形状的碳化层或者多个子碳化层。
在本发明的又一方面，本发明提出了一种传感装置，参考图3和图4，传感装置1000包括前面所述的传感器100。由此，该传感装置具有前面所述的传感器的全部特征以及优点。
根据本发明的一些实施例，参考图3，传感装置1000不仅包括传感器100，传感装置1000还包括测量单元200和中控设备300，其中，传感器100包括高分子基体110和一个碳化层120，碳化层120通过第一导线L1与测量单元200的正极连接，碳化层120通过第二导线L2与测量单元200的负极进行连接，并且，测量单元200通过USB连接器或网线与中控设备300的USB接口或网线接口进行连接。传感器100的碳化层120感知应变(应力)或温度变化，并且，碳化层120产生电阻信号，测量单元200对电阻信号进行读取，并将电阻信号转化为电信号，之后，测量单元200将电信号反馈给中控设备300，中控设备300对电信号进行处理并显示处理后的电信号数据或波形，通过处理后的电信号数据或波形，可以判断高分子部件的服役状况，能够及时发现高分子部件的裂纹等损伤，进而可以及时采取相应措施，修复损伤部位或对高分子部件进行更换，以维持机械设备的系统健康及可持续运行。
根据本发明一些实施例，处理后的电信号数据或波形图可以参考图5。
根据本发明的另一些实施例，参考图4，传感装置1000不仅包括传感器100，还包括多路复用器400、测量单元200和中控设备300，其中，传感器100包括高分子基体110和碳化层120，碳化层120包括多个子碳化层121，图4中以碳化层120包括4个子碳化层121为例，为便于说明，图4中分别将多个子碳化层命名为子碳化层121-1、121-2、121-3、121-4，多个子碳化层121均通过第一导线L1与多路复用器400的正极进行连接，且多个子碳化层121均通过第二导线L2与多路复用器400的负极进行连接，多路复用器400分别与测量单元200的正极和负极进行连接，并且，测量单元200通过USB连接器或网线与中控设备的USB接口或网线接口进行连接。多个子碳化层121-1、121-2、121-3和121-4分别感知应变或温度变化，进而，多个子碳化层121-1、121-2、121-3和121-4分别产生电阻信号，测量单元200通过多路复用器400对多个子碳化层121-1、121-2、121-3和121-4的电阻信号依次进行读取，同时测量单元200将多个子碳化层121-1、121-2、121-3和121-4的电阻信号转化为多个子电信号，之后，测量单元200将多个子电信号反馈给中控设备300，之后，中控设备300对多个子电信号进行处理并显示每个处理后的子电信号数据或波形，由此，通过每个处理后的子电信号数据或波形，可以判断对应的子碳化层所在位置的高分子部件是否存在裂纹等损伤，进而可以判断是否需要对相应高分子部件进行修复或更换，以更好的维持机械设备的系统健康及良好运行。
本发明中，对于导线(包括第一导线和第二导线)与碳化层(或子碳化层)之间的接触没有特殊要求，接触稳固即可。另外，本发明中的测量单元可以为源表等具有数据转换功能的器件或设备，USB连接器可以为数据线等，中控设备可以为电脑等含有CPU(中央处理器)或单片机的设备。
需要说明的是，对于设置有多个子碳化层的情况，子碳化层应该覆盖所有易失效点(高温点或应力集中部位)，即子碳化层的数量设置应该以易失效部位的数量为依据，同时子碳化层的数量应该小于或等于测量单元和多路复用器的最大通道数；而子碳化层的排列方式则以便于布线为原则，避免出现子碳化层之间的相互干扰。
下面通过具体的实施例对本发明的方案进行说明。
实施例1
高分子基体采用的材质为碳纤维增强聚醚醚酮(CFR-PEEK)，采用紫外纳秒激光对CFR-PEEK基体的部分表面进行辐照处理，所使用的紫外纳秒激光的波长为355nm，脉宽为25ns，激光器的输出功率为5.5W，重复频率40kHz，扫描速度60mm/s，离焦量2mm，在CFR-PEEK基体的部分表面形成碳化层，得到传感器样品。
实施例2
高分子基体采用的材质为聚醚醚酮(PEEK)，采用紫外纳秒激光对PEEK基体的部分表面进行辐照处理，所使用的紫外纳秒激光的波长为355nm，脉宽为25ns，激光器的输出功率为5.5W，重复频率40kHz，扫描速度60mm/s，离焦量2mm，在PEEK基体的部分表面形成碳化层，得到传感器样品。
测量实施例1和实施例2中的传感器样品的方阻，其中，实施例1中的样品的最小方阻为1.6ohm/sq，实施例2中的样品的最小方阻为3ohm/sq。对高分子基体进行原位碳化形成碳化层得到的传感器，其方阻均较小，可以用于感知并反馈高分子基体一些关键部位(应力集中点、高温点等易失效的部位)的应力(应变)或温度变化，进而实现对高分子部件服役状况的实时检测和监测，维持高分子部件所属机械设备的系统健康及可持续运行。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“另一个实施例”、“一些实施例”、“另一些实施例”、“一些具体实施例”、“另一些具体实施例”等的描述意指结合该示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对的是相同的示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同示例以及不同示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的示例，可以理解的是，上述示例不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述示例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种传感器，其特征在于，包括高分子基体和碳化层，
其中，所述碳化层是通过对所述高分子基体的部分表面进行原位碳化形成的。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述碳化层包括至少一个子碳化层。
3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述子碳化层的形状为矩形、圆形、椭圆形或菱形。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的传感器，其特征在于，所述高分子基体的材质包括碳纤维增强聚醚醚酮、聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、酚醛树脂、聚苯乙烯、环氧树脂中的至少之一。
5.一种制备权利要求1-4中任一项所述的传感器的方法，其特征在于，包括：
提供高分子基体，
对所述高分子基体的部分表面进行原位碳化，形成碳化层。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在对所述高分子基体的所述部分表面进行原位碳化之前，进一步包括：
在所述高分子基体的所述部分表面形成氧化石墨烯层或金属层。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述原位碳化的方式为激光辐照或X射线辐照；
优选的，所述激光辐照的激光为紫外纳秒激光，功率为5W-10W，重复频率为40kHz-100kHz，扫描速度为20-110mm/s，离焦量为2-10mm；
优选的，所述X射线辐照的能量密度大于0.83J/mm2。
8.一种传感装置，其特征在于，包括权利要求1-4中任一项所述的传感器。
9.根据权利要求8所述的传感装置，其特征在于，进一步包括测量单元和中控设备，其中，所述传感器包括高分子基体和一个碳化层，所述碳化层通过第一导线与所述测量单元的正极连接，所述碳化层通过第二导线与所述测量单元的负极进行连接，所述测量单元通过USB连接器或网线与所述中控设备进行连接。
10.根据权利要求8所述的传感装置，其特征在于，进一步包括多路复用器、测量单元和中控设备，
其中，所述传感器包括高分子基体和碳化层，所述碳化层包括多个子碳化层，多个所述子碳化层均通过第一导线与所述多路复用器的正极进行连接，且多个所述子碳化层均通过第二导线与所述多路复用器的负极进行连接，所述多路复用器分别与所述测量单元的正极和负极进行连接，所述测量单元通过USB连接器或网线与所述中控设备进行连接。
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