CN114812375A - 一种pvdf基碳纤维复合压电传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PVDF基碳纤维复合压电传感器及其制备方法，其中，复合压电传感器的组成包括正极碳纤维（CFRP）织物层、负极碳纤维织物层、介电层、聚偏氟乙烯（PVDF）压电聚合物层；制备方法包括热融冷却形成以PVDF为基质的碳纤维复合体、交变电场接触极化增强压电特性形成PVDF基碳纤维复合压电体、组装形成传感器。本发明的传感器及及其制备方法融合了碳纤维材料、介电材料及压电材料三者的特性和优势，具有力学性能稳定、灵敏度高、韧性强、抗冲击、耐久性好、制作简便等优点，无需额外安装电极，即可用于平面和复杂曲面应变、变形等动态响应的长期监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种PVDF基碳纤维复合压电传感器及其制备方法，属于传感设备技术领域。
背景技术
结构在荷载或环境作用下的振动、应变、变形等响应能有效反映结构的服役性能和损伤情况。通过结构响应监测和健康状态分析，获得结构损伤和老化的信息，可提供结构损伤或退化的早期预警以及维护加固的参考依据，有效避免灾害和事故的发生。因此，对结构的响应进行监测尤为重要，其中能长期稳定获取结构有效响应的传感设备是关键。传感器是由灵敏元件或内部转换元件组成，按照自身的转化规律将振动、应力应变、温度等外部被测参量(非电量)转换可测量电信号的器件或装置。作为与计算机和通讯技术并称的三大现代信息技术，其在科技、生产及生活领域中发挥着重要作用。
然而，在复杂结构较长的服役过程中，目前的接触式传感器往往只能监测某点信息、面域监测潜力不足，且存在长期力学性能稳定性差、韧性不足、抗冲击性能差和服役寿命短等问题。因此，有必要开发服役寿命长、耐久性好、韧性较高、可测试局部面域的新型传感器，实现结构服役性能的长期连续监测，保障结构长期服役安全。
压电材料受到荷载作用时两端面间会出现成比例的电压，被广泛应用于传感器领域。聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜是一种新型高分子压电材料，其厚度一般为微米级。与传统压电陶瓷和石英晶体两种压电材料相比，PVDF压电薄膜具有柔韧性好、耐腐蚀性好、声阻抗易匹配、频响范围宽等优点，而且易于制成不同厚度和较大面积的传感元件，应用前景良好。但是，目前PVDF薄膜制作传感器时需要在表面附着外接金属电极，制备方法繁琐且造价高，影响整体性能且使用过程薄膜易破损。此外，PVDF薄膜存在厚度较小、抗剪能力差、强度低、变形大、响应速度慢、灵敏度差等不足，无法在工程中直接使用。因此，亟需开发一种力学性能稳定、灵敏度高、韧性强、抗冲击、耐久性好、制作简便的新型PVDF压电传感器。
目前，PVDF压电薄膜传感器及制备方法包括：申请号为202110652589.3公开了一种复合柔性传感器及其制备方法，其复合柔性传感器包括依次设置的导电织物层、第一PDMS封装层、PDMS微通道层、PVDF压电薄膜层和第二PDMS封装层，通过三种传感单元同时对一种应变行为进行表征，所用材料的强度和耐久性均不高且没有保护层，无法直接运用于工程领域。申请号200510119116.8公开了聚偏氟乙烯压电薄膜传感器及其制备方法，由聚偏氟乙烯材料制成侧面带耳状电极的长方形基片薄膜、基片薄膜上的镀锌或和铝层组成，基片薄膜沿电极侧的两边粘结成圆周状形成聚偏氟乙烯压电薄膜传感器，需设置电极并带镀层，适用于电子白板传感器。申请号为20182163705.8公开了一种基于PVDF压电薄膜的管道微应变压力传感器，由自下而上依次为聚酰亚胺保护膜、不锈钢传感器紧固带、粘贴于两者间的PVDF压电薄膜、弹性阻隔带、金属屏蔽网组成，但经裁切工序后易发生短路，需检测处理，制作工艺要求很高。申请号为201610710933.9公开了一种PVDF纳米纤维/石墨烯/弹性纤维压电传感器及其制备方法，弹性纤维浸入氧化石墨烯分散液后取出烘干，还原烘干得到表面包覆石墨烯的弹性纤维，并置于聚偏氟乙烯PVDF纺丝液静电纺丝得到PVDF纳米纤维/石墨烯/弹性纤维压电传感器；上述传感器由弹性纤维、PVDF纳米纤维及两者中间的石墨烯组成，其制备方法主要涉及氧化石墨烯分散液自然包覆弹性纤维、包覆氧化石墨烯的还原、弹性纤维置于聚偏氟乙烯PVDF纺丝液内的静电纺丝，适用于医疗、智能穿戴领域。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种PVDF基碳纤维复合压电传感器及其制备方法，融合了碳纤维材料、介电材料及压电材料三者的特性和优势，具有力学性能稳定、灵敏度高、韧性强、抗冲击、耐久性好、制作简便等优点。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种PVDF基碳纤维复合压电传感器，所述复合压电传感器包括正极碳纤维织物层、负极碳纤维织物层、介电层以及第一至第四聚偏氟乙烯压电聚合物层，所述正极碳纤维织物层的上、下表面分别设有第一和第二聚偏氟乙烯压电聚合物层，所述负极碳纤维织物层的上、下表面分别设有第三和第四聚偏氟乙烯压电聚合物层，所述介电层设置于第二聚偏氟乙烯压电聚合物层和第三聚偏氟乙烯压电聚合物层之间，第一至第四聚偏氟乙烯压电聚合物层作为基质将正极碳纤维织物层、负极碳纤维织物层以及介电层融为一个整体；
所述第一至第四聚偏氟乙烯压电聚合物层的材质均为聚偏氟乙烯薄膜；
所述介电层为热熔系数高于聚偏氟乙烯薄膜，且弹性模量和强度与碳纤维相同的绝缘体；
所述正极碳纤维织物层和负极碳纤维织物层的面积相同，所述介电层的面积大于所述正极碳纤维织物层的面积。
作为本发明传感器的一种优选方案，所述介电层的材质为凯夫拉织物。
作为本发明传感器的一种优选方案，所述正极碳纤维织物层、负极碳纤维织物层分别作为所述复合压电传感器的外接正、负电极。
作为本发明传感器的一种优选方案，所述正极碳纤维织物层、负极碳纤维织物层均由微米级碳纤维交叉编制而成。
一种所述的PVDF基碳纤维复合压电传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，根据复合压电传感器的监测面积确定聚偏氟乙烯薄膜的面积，从上到下布置四层面积相同的聚偏氟乙烯薄膜，第一和第二层聚偏氟乙烯薄膜之间布置正极碳纤维织物层，第二和第三层聚偏氟乙烯薄膜之间布置介电层，第三和第四层聚偏氟乙烯薄膜之间布置负极碳纤维织物层，正极碳纤维织物层和负极碳纤维织物层的面积相同，且大于聚偏氟乙烯薄膜的面积，介电层的面积大于正极碳纤维织物层的面积；
步骤2，采用热熔冷却方法使得聚偏氟乙烯薄膜形成聚偏氟乙烯压电聚合物层，从而将正极碳纤维织物层、负极碳纤维织物层以及介电层融为一个整体，得到初步的复合压电传感器；
步骤3，将步骤2得到的初步的复合压电传感器通过交变电场接触极化，形成强压电特性，得到最终的复合压电传感器。
作为本发明方法的一种优选方案，所述步骤2中，热熔冷却的过程为：采用热压机施加7kPa压力，并保持环境温度200℃持续加热4小时，撤去压力和温度，自然冷却至室温，从而形成聚偏氟乙烯压电聚合物层。
作为本发明方法的一种优选方案，所述步骤3中，极化过程包括：将正极碳纤维织物层与交流电源的极化上电极相连，将负极碳纤维织物层与交流电源的极化下电极相连，将初步的复合压电传感器置于恒温液槽中的绝缘玻纤板之间，将恒温液槽内充满硅油使得初步的复合压电传感器完全浸入，加热硅油并保持温度为75℃，可控交流电源在两电极上施加幅值为2000V、频率为0.2Hz的交流高压进行极化，极化时间保持20min，之后进行降温，待降到常温后撤去极化电场，即完成极化过程。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明融合了碳纤维材料、介电材料及压电材料三者的特性和优势，可用于平面和复杂曲面应变、变形等动态响应的长期监测，也可，预先埋置于结构内部，具有广泛的应用范围。
2、本发明中的碳纤维织物层具有导电特性，直接作为电传感器电极，无制备外接电极过程，避免PVDF基质损坏；同时其轻质高强的力学性能，作为复合压电传感器结构层起保护作用，并增强了复合压电传感器力学性能稳定性、韧性、抗冲击能力、耐久性等，具有长期稳定服役能力。
3、本发明继承了PVDF压电薄膜柔韧性好、耐腐蚀性好、声阻抗易匹配、频响范围宽等优点，并得到碳纤维优良性能的改善，性能优越。
4、本发明可根据监测需要制成不同厚度和较大面积的传感元件，能够实现面域监测，应用前景良好。
5、本发明制备方法可操作性强，造价便宜，安装方便，具有良好的经济效益。
附图说明
图1是本发明一种PVDF基碳纤维复合压电传感器的构造侧视图；
图2是本发明一种PVDF基碳纤维复合压电传感器的正剖面图；
图3是本发明各组成部分组装布置图；
图4是本发明交变电场接触极化示意图。
其中，1-正极碳纤维织物层；2-负极碳纤维织物层；3-聚偏氟乙烯压电聚合物；4-介电层；5-碳纤维束；6-聚偏氟乙烯薄膜；7-交流电源；8-极化上电极；9-极化下电极；10-恒温液槽；11-绝缘玻纤板；12-硅油。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
一种PVDF基碳纤维复合压电传感器，包括正极碳纤维(CFRP)织物层1、负极碳纤维织物层2、聚偏氟乙烯(PVDF)压电聚合物3、介电层4，如图1所示。
复合压电传感器为层叠结构，由碳纤维、介电材料、PVDF三种材料组成，正极碳纤维(CFRP)织物层1和负极碳纤维织物层2作为结构层分别位于整体上部和下部，介电层4居于整体中间，聚偏氟乙烯(PVDF)压电聚合物3是经热熔冷却成为基质，将复合压电传感器各组成部分融合为整体，且具有压电特性，能够有效感知结构面域的应变、变形等动态响应，如图2所示。
正极碳纤维织物层1和负极碳纤维织物层2，由微米级碳纤维束5交叉编制而成，如图2所示，厚度在几百微米内以控制复合压电传感器的整体厚度、保证柔韧性、方便曲面监测应用，设置在复合压电传感器的上部和下部可直接作为电传感器外接正负电极，无制备外接电极过程，避免PVDF基质损坏，同时其轻质高强的力学性能，作为复合压电传感器的结构层起增强复合压电传感器力学性能稳定性、韧性、抗冲击能力、耐久性。
PVDF压电聚合物3是PVDF膜6在7kPa压力作用下200℃持续加热4小时，然后再自然冷却至室温固化成型。
介电层位于复合压电传感器中间，是热熔系数高于PVDF膜、弹性模量和强度与碳纤维相近的绝缘体，可选择凯夫拉织物，能防止PVDF压电聚合物3被电压击穿、复合压电传感器短路。
本发明的制备方法：将一层90μm厚凯夫拉织物作为介电层4布置在两层180μm厚由碳纤维束5交叉编制而成的碳纤维织物之间，碳纤维织物分别作为正极碳纤维织物层1和负极碳纤维织物层2，再将四层80μm厚PVDF薄膜6间隔布置于正极碳纤维织物层1、介电层4和负极碳纤维织物层2之间，如图3所示。
组装前，对正极碳纤维织物层1、负极碳纤维织物层2、PVDF薄膜6和介电层4的尺寸和布置进行检查；PVDF薄膜6的面积根据复合压电传感器监测面积确定，正极碳纤维织物层1和负极碳纤维织物层2比PVDF薄膜6多伸出10mm，方便导线连接；介电层4大于正极碳纤维织物层1和负极碳纤维织物层2，将两碳纤维层完全隔开，防止发生短路且便于传感器固定。
组装时，采用热压机施加7kPa压力，并保持环境温度200℃持续加热4小时，通过加热熔化PVDF薄膜6，然后在撤去压力和温度，自然冷却至室温形成PVDF压电聚合物3，实现复合压电传感器的组装。
组装完成后，通过交变电场接触极化提高PVDF压电聚合物3中β相晶体比例，增强复合压电传感器压电特性，并可有效消除空间电荷和游离带电粒子对极化强度的影响，提高极化强度的一致性和稳定性，如图4所示；将复合压电传感器的正极碳纤维织物层1和负极碳纤维织物层2分别与交流电源7的极化上电极8和极化下电极9相连，然后置于恒温液槽10中的绝缘玻纤板11之间，将恒温液槽10内充满硅油12并保证复合压电传感器完全浸入，硅油12作为绝缘介质能避免电极边缘产生飞弧；通过恒温液槽10加热硅油12并保持温度为75℃，可控高压源在两电极上施加幅值为2000V、频率为0.2Hz的交流高压，保持20min后，对复合压电传感器进行降温，待降到常温后方撤去极化电场，即完成极化过程。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (7)
1.一种PVDF基碳纤维复合压电传感器，其特征在于，所述复合压电传感器包括正极碳纤维织物层、负极碳纤维织物层、介电层以及第一至第四聚偏氟乙烯压电聚合物层，所述正极碳纤维织物层的上、下表面分别设有第一和第二聚偏氟乙烯压电聚合物层，所述负极碳纤维织物层的上、下表面分别设有第三和第四聚偏氟乙烯压电聚合物层，所述介电层设置于第二聚偏氟乙烯压电聚合物层和第三聚偏氟乙烯压电聚合物层之间，第一至第四聚偏氟乙烯压电聚合物层作为基质将正极碳纤维织物层、负极碳纤维织物层以及介电层融为一个整体；
所述第一至第四聚偏氟乙烯压电聚合物层的材质均为聚偏氟乙烯薄膜；
所述介电层为热熔系数高于聚偏氟乙烯薄膜，且弹性模量和强度与碳纤维相同的绝缘体；
所述正极碳纤维织物层和负极碳纤维织物层的面积相同，所述介电层的面积大于所述正极碳纤维织物层的面积。
2.根据权利要求1所述的一种PVDF基碳纤维复合压电传感器，其特征在于，所述介电层的材质为凯夫拉织物。
3.根据权利要求1所述的一种PVDF基碳纤维复合压电传感器，其特征在于，所述正极碳纤维织物层、负极碳纤维织物层分别作为所述复合压电传感器的外接正、负电极。
4.根据权利要求1所述的一种PVDF基碳纤维复合压电传感器，其特征在于，所述正极碳纤维织物层、负极碳纤维织物层均由微米级碳纤维交叉编制而成。
5.一种权利要求1-4任一项所述的PVDF基碳纤维复合压电传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，根据复合压电传感器的监测面积确定聚偏氟乙烯薄膜的面积，从上到下布置四层面积相同的聚偏氟乙烯薄膜，第一和第二层聚偏氟乙烯薄膜之间布置正极碳纤维织物层，第二和第三层聚偏氟乙烯薄膜之间布置介电层，第三和第四层聚偏氟乙烯薄膜之间布置负极碳纤维织物层，正极碳纤维织物层和负极碳纤维织物层的面积相同，且大于聚偏氟乙烯薄膜的面积，介电层的面积大于正极碳纤维织物层的面积；
步骤2，采用热熔冷却方法使得聚偏氟乙烯薄膜形成聚偏氟乙烯压电聚合物层，从而将正极碳纤维织物层、负极碳纤维织物层以及介电层融为一个整体，得到初步的复合压电传感器；
步骤3，将步骤2得到的初步的复合压电传感器通过交变电场接触极化，形成强压电特性，得到最终的复合压电传感器。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，热熔冷却的过程为：采用热压机施加7kPa压力，并保持环境温度200℃持续加热4小时，撤去压力和温度，自然冷却至室温，从而形成聚偏氟乙烯压电聚合物层。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，极化过程包括：将正极碳纤维织物层与交流电源的极化上电极相连，将负极碳纤维织物层与交流电源的极化下电极相连，将初步的复合压电传感器置于恒温液槽中的绝缘玻纤板之间，将恒温液槽内充满硅油使得初步的复合压电传感器完全浸入，加热硅油并保持温度为75℃，可控交流电源在两电极上施加幅值为2000V、频率为0.2Hz的交流高压进行极化，极化时间保持20min，之后进行降温，待降到常温后撤去极化电场，即完成极化过程。
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