CN114577374B - 一种pvdf基压电传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种PVDF基压电传感器及其制备方法，该传感器包括BT‑BFO/PVDF复合压电薄膜、两片导电银胶带、两片塑封膜、冷压端子和屏蔽导线，所述BT‑BFO/PVDF复合压电薄膜由BT‑BFO纳米材料和PVDF材料制成，所述两片导电银胶带上分别具有引脚部，所述两片导电银胶带分别贴附于BT‑BFO/PVDF复合压电薄膜的上、下两侧，所述两片塑封膜分别贴附于两片导电银胶带的上、下两侧，所述两片导电银胶带的引脚部分别连接一所述冷压端子，两个所述冷压端子分别连接所述屏蔽导线。该传感器介电常数高，介电损耗低，工作温度高。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种PVDF基压电传感器及其制备方法。
背景技术
压电材料在土木工程领域作为一种新兴的技术材料，就目前的研究现状而言，利用压电材料进行损伤识别主要有两种方法：波动法和机械阻抗法。MIT Suru等将PVDF压电薄膜贴于刻有缺口的受静载或冲击作用的试件表面。试验表明，与完整试件相比，压电传感器的输出发生了变化，特别是在缺口附近区域电压值明显增大。Shawn等人将6片压电陶瓷贴于试件的两端分别作为激励器和传感器，通过分析振动波在试件中的传播，找出了损伤部位，并对损伤程度进行了估计。压电智能材料因其独特的性能，有着广阔的应用前景，越来越多地被重视，也取得了大量的研究成果。但是目前的压电智能材料距离工程实用还有相当的距离，具体表现在：PZT压电陶瓷的易脆特性，在实际工程中往往会出现30%以上的损坏率。PVDF存在介电常数小、介电损耗大、电容小和易受环境因素（如温度）影响等缺点。因此，考虑将无机材料与PVDF聚合物相结合，从而获得具备工作温度高、介电损耗小的传感器，具有较大的工程应用价值。
目前利用PVDF压电薄膜的研究有：李焰等在PVDF压电薄膜的冲击加载与卸载响应试验研究中发现，PVDF压电薄膜在高应力下的冲击压缩应力—电荷曲线具有很大的非线性性，当使用其标定曲线延伸段时，可能会带来很大的误差，且PVDF具有明显的滞后效应；郭伟国针对施加力与不同温度这两个要素对PVDF压电薄膜进行了研究，研究后结果表明PVDF压电薄膜的温度比较容易影响到它的压电特性，在不一样的施加力的情况下，PVDF压电薄膜也拥有不一样的压电特性。这些研究表明现有传统PVDF传感器具有较低介电常数、介电损耗大、电容小和工作温度低和响应不灵敏等缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种PVDF基压电传感器及其制备方法，该传感器介电常数高，介电损耗低，工作温度高。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种PVDF基压电传感器，包括BT-BFO/PVDF复合压电薄膜、两片导电银胶带、两片塑封膜、冷压端子和屏蔽导线，所述BT-BFO/PVDF复合压电薄膜由BT-BFO纳米材料和PVDF材料制成，所述两片导电银胶带上分别具有引脚部，所述两片导电银胶带分别贴附于BT-BFO/PVDF复合压电薄膜的上、下两侧，所述两片塑封膜分别贴附于两片导电银胶带的上、下两侧，所述两片导电银胶带的引脚部分别连接一所述冷压端子，两个所述冷压端子分别连接所述屏蔽导线。
进一步地，将所述PVDF基压电传感器应用于装配式混凝土结构中灌浆套筒的密实度监测，其实现方法为：在套筒的出浆口和注浆口旁侧分别布设一个所述PVDF基压电传感器，靠近出浆口的传感器作为激励器，靠近注浆口的传感器作为接收器，所述接收器连接数据采集卡的接收端，所述数据采集卡的激励端连接电压放大器的输入端，所述电压放大器的输出端连接所述激励器，所述数据采集卡连接计算机；
待试件养护设定天数后，按如下方法进行套筒灌浆密实度检测：计算机控制数据采集卡产生一个电压信号，信号经过电压放大器后将信号放大，放大后的信号对激励器进行激励产生应力波，应力波在套筒内部发生衰减，衰减后的信号被接收器接收，接收的信号被数据采集卡所采集并在计算机上显示。
进一步地，两个PVDF基压电传感器在套筒上的安装位置从周向来看相差180°，即一个位于套筒的正面，另一个位于套筒的背面。
进一步地，所述PVDF基压电传感器的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备BT-BFO纳米材料；
（2）制备主要由BT-BFO纳米材料和PVDF材料混合组成的BT-BFO/PVDF纺丝液；
（3）制备BT-BFO/PVDF复合压电薄膜；
（4）制备基于BT-BFO/PVDF复合压电薄膜的BT-BFO/PVDF复合压电传感器。
进一步地，所述步骤（1）的具体方法为：通过固相法制备xBaTiO3-(1-x)BiFeO3，按化学计量配比称量各组分，加入球磨罐中，加入无水乙醇球磨混合；然后，将混合好的浆料放进烘箱干燥，干燥后的粉末经过筛网筛选后放入氧化铝坩埚中压实，再放入马弗炉中保温，温度控制在850-950℃；合成后的粉体经过研钵的初步破碎后，过筛网；将获得的较细的xBaTiO3-(1-x)BiFeO3粉末放入球磨罐中，加入无水乙醇进行二次球磨；球磨后的浆料放入烘箱干燥，干燥后的粉末经过筛网，获得BT-BFO纳米材料。
进一步地，所述xBaTiO3-(1-x)BiFeO3中，x=0.2 0.3, 0.4, 0.5。
进一步地，所述步骤（2）的具体方法为：将PVDF粉末和制备的BT-BFO粉末倒入等比例制备的N,N-二甲基甲酰胺DMF与99.7%丙酮的混合溶液中，先将该溶液在室温下搅拌设定时间，后经过超声处理获得均匀的BT-BFO/PVDF纺丝液。
进一步地，所述步骤（3）的具体方法为：将获得的BT-BFO/PVDF纺丝液加入注射器中，并将其置于注射泵中；注射器两端设置一个硅胶管以使溶液能够流到针头，在针头施加正电压以形成泰勒锥，喷射获得稳定的液体射流；采用接地的旋转滚筒作为纳米纤维的收集器，进而得到BT-BFO/PVDF复合压电薄膜。
进一步地，所述步骤（4）的具体方法为：将导电银胶带通过模切机切成具有引脚部的预设图样，再将导电银胶带贴附在塑封膜上；将沉积在收集器上的BT-BFO/PVDF复合压电薄膜取下，按照所需规格通过模切机裁剪成相应大小，然后设置在上、下两侧的两片导电银胶带中；采用三明治结构通过塑封膜将复合压电薄膜包裹，并用塑封机进行塑封；导电银胶带的引脚部透过塑封膜上的开孔连接冷压端子，并通过冷压端子连接导线，从而制备得到BT-BFO/PVDF复合压电传感器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：提供了一种PVDF基压电传感器及其制备方法，本发明将BaTiO3-BiFeO3（BT-BFO）与柔性的聚偏氟乙烯共聚物P（VDF-TrFE）进行原位复合，由于N-BT具有优异的压电性能表现d33~400pC/N，BFO具有较大的自发极化强度和较高居里温度830℃，将其与PVDF进行原位复合，得到具有较高残余极化和介电常数、响应灵敏、较低的介电损耗和较高的工作温度等优点的新型PVDF基压电传感器，拓宽了无铅化压电传感器的应用。
附图说明
图1是本发明实施例的BT-BFO/PVDF复合压电传感器的二维结构示意图；
图2是本发明实施例的BT-BFO/PVDF复合压电传感器的三维结构示意图；
图3是本发明实施例中传感器布设位置示意图；
图4是本发明实施例中激励器-接收器布设状态示意图；
图5是本发明实施例中检测装置连接示意图；
图6是本发明实施例中灌浆套筒密实度监测数据图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1、2所示，本实施例提供了一种PVDF基压电传感器，包括BT-BFO/PVDF复合压电薄膜1、两片导电银胶带2、两片塑封膜3、冷压端子4和屏蔽导线5，所述BT-BFO/PVDF复合压电薄膜1由BT-BFO纳米材料和PVDF材料制成，所述两片导电银胶带2上分别具有引脚部，所述两片导电银胶带2分别贴附于BT-BFO/PVDF复合压电薄膜1的上、下两侧，所述两片塑封膜3分别贴附于两片导电银胶带2的上、下两侧，所述两片导电银胶带2的引脚部分别连接一所述冷压端子4，两个所述冷压端子4分别连接所述屏蔽导线5。
本实施例还提供了所述PVDF基压电传感器的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备BT-BFO纳米材料。
所述步骤（1）的具体方法为：通过固相法制备xBaTiO3-(1-x)BiFeO3（x=0.2 0.3,0.4, 0.5），按化学计量配比称量各组分，加入球磨罐中，加入无水乙醇球磨混合，球磨时间为24h；然后，将混合好的浆料放进烘箱干燥，干燥后的粉末经过200目的筛网筛选后放入氧化铝坩埚中压实，再放入马弗炉中保温，温度控制在850-950℃，保温2h；合成后的粉体经过研钵的初步破碎后，过200目筛网；将获得的较细的xBaTiO3-(1-x)BiFeO3粉末放入球磨罐中，加入无水乙醇进行二次球磨，球磨时间仍为24h；球磨后的浆料放入烘箱干燥，干燥后的粉末经过200目的筛网，获得BT-BFO纳米材料。
（2）制备主要由BT-BFO纳米材料和PVDF材料混合组成的BT-BFO/PVDF纺丝液。
所述步骤（2）的具体方法为：将PVDF(Mw=275000)粉末和制备的BT-BFO粉末倒入等比例制备的N,N-二甲基甲酰胺DMF与99.7%丙酮的混合溶液中，先将该溶液在室温下搅拌设定时间15min，后经过超声处理30min获得均匀的BT-BFO/PVDF纺丝液。
（3）制备BT-BFO/PVDF复合压电薄膜。
所述步骤（3）的具体方法为：将获得的BT-BFO/PVDF纺丝液加入20mL的塑料注射器中，并将其置于注射泵中。注射器两端增加一个硅胶管（塑料管用公母接头连接）以使溶液能够流到针头部位，一个尺寸规格20G的不锈钢中空针头用于静电纺丝喷注PVDF溶液。在针头上施加正电压以形成泰勒锥，通过3ml/h的喷射速率，以获得稳定的液体射流。采用接地的旋转滚筒作为纳米纤维的收集器，以获得均匀的纺丝PVDF纤维。从针头喷出的就是PVDF纳米复合纤维，在收集器上收集后即为BT-BFO/PVDF。该收集器放置在离针尖12cm的地方，保持滚筒速度恒定在1000 rpm。静电纺丝过程中，各参数设置为PVDF的浓度（10%）、BT-BFO的浓度（20wt%）、DMF/丙酮混合溶液比例（1.5）、流速（3ml/h）、电压（18kv）、温度（35℃）。
（4）制备基于BT-BFO/PVDF复合压电薄膜的BT-BFO/PVDF复合压电传感器。
所述步骤（4）的具体方法为：将导电银胶带通过模切机切成具有引脚部的预设图样，再将导电银胶带粘贴在塑封膜上。PVC基底在使用前先在酒精擦拭。将沉积在鼓式收集器上的BT-BFO/PVDF复合压电薄膜取下，按照需要的规格通过模切机裁剪成相应大小并放置在导电胶带中。采用三明治结构通过塑封膜将复合压电薄膜包裹，并用塑封机进行塑封。塑封膜上对应于导电银胶带的引脚部所在位置具有开孔，导电银胶带的引脚部透过塑封膜上的开孔连接冷压端子，并通过冷压端子连接导线，从而制备得到BT-BFO/PVDF复合压电传感器。在本实施例中，塑封膜材质采用PET-PE-EVA，也可以采用别的塑封膜。
在本实施例中，可以将所述PVDF基压电传感器应用于装配式混凝土结构中灌浆套筒的密实度监测。其实现方法为：
采用外贴式的方法将制备得到的复合压电传感器与半灌浆套筒（套筒来自北京思达建茂科技发展有限公司，其中套筒的型号为GTB4J-20半灌浆套筒）表面固定。由于PVDF属于柔性材料，为了使其能与找平层充分接触，需要对套筒表面进行打磨和清理。因此，在粘贴传感器之前，先用打磨机对传感器布设位置（布设位置如图3所示）进行打磨，接着用酒精擦拭使其干净，待酒精挥发后，先采用胶水均匀涂抹该位置，后将传感器粘在该位置。在每个套筒上布设两个传感器，其中，靠近出浆口的作为激励器，靠近注浆口的作为接收器，激励器-接收器的布设状态如图4所示。所述接收器连接数据采集卡的接收端，所述数据采集卡的激励端连接电压放大器的输入端，所述电压放大器的输出端连接所述激励器，所述数据采集卡连接计算机。在本实施例中，两个PVDF基压电传感器在套筒上的安装位置从周向来看相差180°，即一个位于套筒的正面，另一个位于套筒的背面，以让波的传播完整地经过套筒内部。
待试件养护28天后，进行套筒灌浆密实度检测试验。试验的设备主要包括：美国国家仪器公司生产的NI USB-6363数据采集卡、西安安泰电子科技有限公司生产的ATA-2022H电压放大器、装有LabVIEW软件的计算机以及测试试件。在实验过程中，通过计算机上的LabVIEW软件控制数据采集卡产生一个电压信号，信号经过电压放大器后将信号放大，放大后的信号对激励器进行激励产生应力波，应力波会在套筒内部发生衰减，衰减后的信号会被接收器所接收，最后信号会被数据采集卡所采集并在计算机上显示。检测装置及连接如图5所示。选用20Hz~800KHz频率范围作为试验的扫频频段。幅值为10V，采集时间为1s，电压放大器的倍数为10倍，采样频率为2MHz。后期采用希尔伯特黄变换法检测钢筋套筒灌浆接头的灌浆密实度，得到CI的定义为：
从图6中可以看出，CI值与灌浆密实度成反比，当密实度为0%，即空套筒时，CI值为1，随着密实度的提高，CI逐渐降低。表1为几种压电材料的参数对比。
由表1可知，采用静电纺丝法制备XBT-(1-X)BFO/PVDF复合压电薄膜，其介电常数远高于市面上售卖的PVDF薄膜；介电损耗也比市面上售卖的PZT和PVDF压电材料低；柔性虽然较纯PVDF薄膜有所降低但仍属于柔性材料；工作温度也比纯纯PVDF薄膜有所升高，能满足水泥水化热下的工作温度，使其不破坏。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
本发明利用BaTiO3-BiFeO3（BT-BFO）与柔性的聚偏氟乙烯共聚物P（VDF-TrFE）进行原位复合，采用静电纺丝法将BT-BFO/P（VDF-TrFE）复合前体物沉积，原位制备复合材料并进行电场极化。静电纺丝过程中的机械拉伸能作用和铁酸铋纳米粒子均能有效地提高P（VDF-TrFE）的β相构成；其次，BT-BFO复合可以有效抑制BFO中杂相的产生，促进晶粒的增长；与此同时，在与P（VDF-TrFE）复合时，BFO晶格中BFO中晶格中FeO6八面体的晶格畸变形成较强的自发极化能促使电荷聚集在杂化纳米颗粒和P（VDF-TrFE）基体之间的界面上，促进了电子在P（VDF-TrFE）体相内的转移，有效的改善了P（VDF-TrFE）压电活性不足的缺点。与此同时，原位静电纺丝法也改善了BFO矫顽电场高难以充分极化的缺陷，又提高了P（VDF-TrFE）β相的比例，从而使BFO/P（VDF-TrFE）复合材料获得了具有较高残余极化和介电常数，较低的介电损耗，拓宽了无铅化压电传感器的设计和应用。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (2)
1.一种PVDF基压电传感器的制备方法，其特征在于，所述PVDF基压电传感器包括BT-BFO/PVDF复合压电薄膜、两片导电银胶带、两片塑封膜、冷压端子和屏蔽导线，所述BT-BFO/PVDF复合压电薄膜由BT-BFO纳米材料和PVDF材料制成，所述两片导电银胶带上分别具有引脚部，所述两片导电银胶带分别贴附于BT-BFO/PVDF复合压电薄膜的上、下两侧，所述两片塑封膜分别贴附于两片导电银胶带的上、下两侧，所述两片导电银胶带的引脚部分别连接一所述冷压端子，两个所述冷压端子分别连接所述屏蔽导线；
将所述PVDF基压电传感器应用于装配式混凝土结构中灌浆套筒的密实度监测，其实现方法为：在套筒的出浆口和注浆口旁侧分别布设一个所述PVDF基压电传感器，靠近出浆口的传感器作为激励器，靠近注浆口的传感器作为接收器，所述接收器连接数据采集卡的接收端，所述数据采集卡的激励端连接电压放大器的输入端，所述电压放大器的输出端连接所述激励器，所述数据采集卡连接计算机；待试件养护设定天数后，按如下方法进行套筒灌浆密实度检测：计算机控制数据采集卡产生一个电压信号，信号经过电压放大器后将信号放大，放大后的信号对激励器进行激励产生应力波，应力波在套筒内部发生衰减，衰减后的信号被接收器接收，接收的信号被数据采集卡所采集并在计算机上显示；两个PVDF基压电传感器在套筒上的安装位置从周向来看相差180°，即一个位于套筒的正面，另一个位于套筒的背面；
所述PVDF基压电传感器的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备BT-BFO纳米材料；
（2）制备主要由BT-BFO纳米材料和PVDF材料混合组成的BT-BFO/PVDF纺丝液；
（3）制备BT-BFO/PVDF复合压电薄膜；
（4）制备基于BT-BFO/PVDF复合压电薄膜的BT-BFO/PVDF复合压电传感器；
所述步骤（1）的具体方法为：通过固相法制备xBaTiO3-(1-x)BiFeO3，按化学计量配比称量各组分，加入球磨罐中，加入无水乙醇球磨混合；然后，将混合好的浆料放进烘箱干燥，干燥后的粉末经过筛网筛选后放入氧化铝坩埚中压实，再放入马弗炉中保温，温度控制在850-950℃；合成后的粉体经过研钵的初步破碎后，过筛网；将获得的较细的xBaTiO3-(1-x)BiFeO3粉末放入球磨罐中，加入无水乙醇进行二次球磨；球磨后的浆料放入烘箱干燥，干燥后的粉末经过筛网，获得BT-BFO纳米材料；
所述步骤（2）的具体方法为：将PVDF粉末和制备的BT-BFO粉末倒入等比例制备的N,N-二甲基甲酰胺DMF与99.7%丙酮的混合溶液中，先将该溶液在室温下搅拌设定时间，后经过超声处理获得均匀的BT-BFO/PVDF纺丝液；
所述步骤（3）的具体方法为：将获得的BT-BFO/PVDF纺丝液加入注射器中，并将其置于注射泵中；注射器两端设置一个硅胶管以使溶液能够流到针头，在针头施加正电压以形成泰勒锥，喷射获得稳定的液体射流；采用接地的旋转滚筒作为纳米纤维的收集器，进而得到BT-BFO/PVDF复合压电薄膜；
所述步骤（4）的具体方法为：将导电银胶带通过模切机切成具有引脚部的预设图样，再将导电银胶带贴附在塑封膜上；将沉积在收集器上的BT-BFO/PVDF复合压电薄膜取下，按照所需规格通过模切机裁剪成相应大小，然后设置在上、下两侧的两片导电银胶带中；采用三明治结构通过塑封膜将复合压电薄膜包裹，并用塑封机进行塑封；导电银胶带的引脚部透过塑封膜上的开孔连接冷压端子，并通过冷压端子连接导线，从而制备得到BT-BFO/PVDF复合压电传感器。
2.根据权利要求1所述的一种PVDF基压电传感器的制备方法，其特征在于，所述xBaTiO3-(1-x)BiFeO3中，x=0.2, 0.3, 0.4, 0.5。
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