CN115161803A - 一种测量应力应变的柔性压电纤维及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于检测材料制备技术领域，具体涉及一种测量应力应变的柔性压电纤维及其制备方法。该柔性压电纤维包括，热塑性弹性体、第一热塑性材料和第二热塑性材料；所述热塑性弹性体设置在所述第一热塑性材料和第二热塑性材料之间。本发明提供的柔性压电纤维在测量应力应变时，检测精度较高，应力应变响应快。在柔性压电纤维中加入热塑性弹性体可以提高柔性压电纤维的弹性，第一热塑性材料和第二热塑性材料可以起到保护及塑形等作用。

Description

一种测量应力应变的柔性压电纤维及其制备方法
技术领域
本发明属于检测材料制备技术领域，具体涉及一种测量应力应变的柔性压电纤维及其制备方法。
背景技术
结构健康监测技术在保障结构安全性、降低维护成本、延长结构服役寿命等方面意义重大。传感器是结构健康监测的关键技术，现有硬质传感器因粘结耦合到待测结构会出现检测结果可靠性差、附加质量重、体积大等诸多局限，难以在实际工程结构中全面应用。新型柔性传感技术利用聚合物等柔性材料，结合新型制备工艺，可将整个传感网络直接制备于待测结构，灵活布置在复杂的形廓位置，具有检测灵敏度高、重量轻、柔性好、可设计等优点。
应变传感器是根据测量物体变形产生的应变而发展起来的一种传感器，它可以将机械构件上的应变情况转换为电信号的传感元件。新型柔性应变传感器与传统的应变传感器相比，具有良好的柔韧性，可自由弯曲或者可伸缩等优点。柔性应变传感器主要分为压电式柔性应变传感器、压阻式柔性应变传感器和电容性柔性应变感应器。其中，压电式柔性传感器将压电材料独特的机电耦合特性与柔性电子技术进行交叉融合，有望进一步丰富柔性电子材料的功能衍生，成为一个新兴的研究热点。
压电式柔性传感器是基于压电效应的柔性应变传感器，当有力作用于压电材料时，传感器就有电荷输出，具有压电效应的材料在受力变形时，会在两端面间出现电压，材料内部会发生极化现象，从而外表面产生正负相反的电荷，在材料极化方向上施加电场，会产生形变，除去电场后，形变会消失，材料恢复正常。压电材料的种类有很多，如有机柔性压电材料、有机无机复合柔性压电材料和全无机柔性压电材料。有机柔性压电材料中应用最广泛的是PVDF及其共聚物，纯的PVDF压电性能较低，无法满足许多实际要求，需要进一步提升其压电性能。有机无机复合柔性压电材料一般采用在柔性聚合物中掺杂填料、模板法或冷冻铸造等方法，但是这些方法工序较为复杂，成本高，且测试精度有待进一步提高。全无机柔性压电材料一般采用生产-腐蚀法、激光剥离法、模板牺牲法、直接制备法和机械减薄法等，这些方法也存在工序繁琐、成本高、测试精度有待进一步提高等问题。因此，提供一种适用于大规模生产、成本低且精度高的压电材料的制备方法十分重要。此外，现有技术中的压电材料不能兼具压电性能、柔性和机械稳定性。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的用于压电式柔性传感器的压电材料的精度有待进一步提高、工艺复杂、成本高，不利于大规模应用等缺陷，从而提供一种测量应力应变的柔性压电纤维及其制备方法。
为此，本发明提供了以下技术方案。
本发明提供了一种测量应力应变的柔性压电纤维,包括，热塑性弹性体、第一热塑性材料和第二热塑性材料；所述热塑性弹性体设置在所述第一热塑性材料和第二热塑性材料之间；
所述第一热塑性材料的玻璃化转变温度高于所述热塑性弹性体，且两者玻璃化转变温度的差值不高于50℃；
所述第二热塑性材料的玻璃化转变温度高于所述热塑性弹性体，且两者玻璃化转变温度的差值不高于50℃。
所述测量应力应变的柔性压电纤维，满足(1)-(3)中的至少一种，
(1)所述热塑性弹性体为SEBS、SBS和TPE中的至少一种；
(2)所述第一热塑性材料是玻璃化转变温度为100-300℃的热塑性聚合物；优选地，所述第一热塑性材料聚乙烯亚胺、聚碳酸酯、聚偏二氟乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种；
(3)所述第二热塑性材料是玻璃化转变温度为100-300℃的热塑性聚合物；优选地，所述第二热塑性材料为聚乙烯亚胺、聚碳酸酯、聚偏二氟乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种。
SEBS(Styrene-Ethylene-Butylene-Styrene Block Copolymer)是氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物为基材共混改性而成的材料。SBS是以苯乙烯、丁二烯为单体的三嵌段共聚物。TPE是苯乙烯系热塑性弹性体。
聚乙烯亚胺固体材料(PEI)，聚碳酸酯(PC)、聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
所述柔性压电纤维的横截面为四方形；
优选地，所述四方形的各个边长均为0.5-5mm；
优选地，所述四边形为矩形、正方形或棱形。
所述第一热塑性材料和/或所述第二热塑性材料内设置有通孔；
所述通孔内设置有导电介质；
优选地，所述导电介质的材质为铜。
第一热塑性材料和/或第二热塑性材料内设置有通孔，通孔的个数可以是一个，也可以是多个，比如第一热塑性材料、第二热塑性材料上可以各设置有两个、三个、四个等多个通孔。对通孔的形状不做具体限定，只要能填充导电介质即可，通孔的形状可以是但不限于长方体、圆柱体等；导电介质可以是液态，也可以是固体，只要能填充到通孔中即可，对其形状和形态不对具体限定，其中形态是指气态、液态和固态，导电介质可以是铜液，也可以是铜丝，不做具体限定。
本发明还提供了上述测量应力应变的柔性压电纤维的制备方法，其特征在于，所述制备方法为拉丝方法。
所述制备方法，包括以下步骤，
热塑性弹性体、第一热塑性材料和第二热塑性材料制成预制棒；
加热预制棒，拉丝。
所述加热的具体步骤包括，对所述预制棒进行第一加热、第二加热和第三加热。
所述第一加热的温度为100-150℃；
所述第二加热的温度为150-250℃；
所述第三加热的温度为140-400℃。
进一步地，在得到所述预制棒前还包括将导电介质放置于所述第一热塑性材料和/或所述第二热塑性材料通孔的步骤。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的测量应力应变的柔性压电纤维，该柔性压电纤维包括，热塑性弹性体、第一热塑性材料和第二热塑性材料；所述热塑性弹性体设置在所述第一热塑性材料和第二热塑性材料之间。本发明提供的柔性压电纤维在测量应力应变时，检测精度较高，应力应变响应快。在柔性压电纤维中加入热塑性弹性体可以提高柔性压电纤维的弹性，第一热塑性材料和第二热塑性材料可以起到保护及塑形等作用。
通过控制第一热塑性材料和第二热塑性材料和热塑性弹性体的玻璃化转变温度的差值在50℃内，可以保证纤维在拉丝过程中不变形，保持良好的截面形状，形成稳定的柔性纤维材料。热塑性弹性体弹性好，可以增加纤维的应力应变响应。
进一步地，本发明提供的柔性压电纤维柔性好，变形性好，可以根据需求对其形状进行调整，同时还能兼具较好的压电性能、柔性和机械稳定性等性能，且该纤维的原料易得，成本低。
2.本发明提供的测量应力应变的柔性压电纤维的制备方法，该方法制得的压电纤维的均一性好，在测量应力应变时，检测精度高，工艺简单。拉丝塔拉丝方法一般为电缆的制备方法，本发明创造性地将拉丝塔拉丝方法用于制备柔性压电纤维，制得的柔性压电纤维在检测应力应变时，可随时观测丝径的变化，操作简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1制备SEBS热塑性弹性体时用到的模具的结构示意图；
图2是本发明实施例1中预制棒的结构示意图；
图3是本发明实施例1中预制棒放入拉丝塔的示意图；
图4是柔性压电纤维在不同应力(以g为单位)作用下，柔性压电纤维的反射系数与传输时间的关系图；
图5是柔性压电纤维在不同应变下，柔性压电纤维的反射系数与传输时间的关系图。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。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试剂产品。
在以下实施例中用到的热塑性弹性体SEBS的厂家和型号为美国科腾，G1657；TPE的厂家及型号为德国胶宝，TC5MFA。
实施例1
本实施例提供了一种测量应力应变的柔性压电纤维，包括热塑性弹性体、第一热塑性材料、第二热塑性材料和铜丝；
其中，热塑性弹性体为SEBS，第一热塑性材料和第二热塑性材料均为PC板，柔性压电纤维的横截面为长方形，长方形的长宽分别为2.0mm和0.8mm；两个PC板上均设置有一个通孔，通孔内放置有铜丝，铜丝的直径为0.1mm。
本实施例还提供了上述测量应力应变的柔性压电纤维的制备方法，包括以下步骤，见图1-图3，
(1)本实施例SEBS的原料为颗粒状，采用图1所述的模具，将SEBS颗粒熔融，固化，制成特定尺寸的SEBS热塑性弹性体，第一热塑性材料和第二热塑性材料均为PC板，SEBS热塑性弹性体的尺寸与PC板相同，均为长方体；其中，模具是尺寸为320×40×30mm的不锈钢空心容器，空心的尺寸为300×20×20mm，SEBS长方体和PC板长方体的尺寸同模具中的空心。
(2)按照图2所示，沿拉丝方向，PC板均设置有一个通孔，将SEBS置于两个PC板之间，同时将铜丝置于PC板的通孔中，得到预制棒；其中，通孔的孔径为2mm。
(3)如图3所示，将预制棒放入拉丝塔中，拉丝塔自上至下依次设置有第一加热区、第二加热区和第三加热区，第一加热区的温度为100℃，第二加热区的温度为180℃，第三加热区的温度为140℃，加热预制棒，对预制棒进行第一加热、第二加热和第三加热，待预制棒软化后，通过牵引装置将细化的预制棒进行拉丝处理，得到横截面形状为长方形的柔性压电纤维，长方形的长宽分别为2.0mm和0.8mm。在本实施例中不对牵引装置的牵引速度进行限定，牵引速度是根据预制棒的拉丝情况进行调整的，只要能得到满足尺寸要求的柔性压电纤维，并保证拉丝过程不出现断裂即可。
实施例2
本实施例提供了一种测量应力应变的柔性压电纤维，包括热塑性弹性体、第一热塑性材料、第二热塑性材料和铜丝；
其中，热塑性弹性体为TPE，第一热塑性材料为和第二热塑性材料均为PEI，柔性压电纤维的横截面为长方形，长方形的长宽分别为2.0mm和0.8mm；两个PEI上均设置有一个通孔，通孔内放置有铜丝，铜丝的直径为0.1mm。
本实施例还提供了上述测量应力应变的柔性压电纤维的制备方法，包括以下步骤，
(1)热塑性弹性体为TPE，第一热塑性材料和第二热塑性材料均为PEI，TPE和PEI的尺寸同实施例1，沿拉丝方向，两个PEI上均设置有一个通孔，通孔的直径为2mm，将TPE置于第一热塑性材料和第二热塑性材料之间，同时将铜丝置于第一热塑性材料和第二热塑性材料的通孔中，得到预制棒。
(2)将预制棒放入拉丝塔中，拉丝塔自上至下依次设置有第一加热区、第二加热区和第三加热区，第一加热区的温度为150℃，第二加热区的温度为250℃，第三加热区的温度为180℃，加热预制棒，对预制棒进行第一加热、第二加热和第三加热，待预制棒软化后，通过牵引装置将细化的预制棒进行拉丝处理，得到横截面形状为长方形的柔性压电纤维，长方形的长宽分别为2.0mm和0.8mm。在本实施例中不对牵引装置的牵引速度进行限定，牵引速度是根据预制棒的拉丝情况进行调整的，只要能得到满足尺寸要求的柔性压电纤维，并保证拉丝过程不出现断裂即可。
实施例3
本实施例提供了一种测量应力应变的柔性压电纤维，包括热塑性弹性体、第一热塑性材料、第二热塑性材料和铜丝；
其中，热塑性弹性体为SEBS，第一热塑性材料和第二热塑性材料均为PVDF，柔性压电纤维的横截面为长方形，长方形的长宽分别为3.0mm和1.2mm；两个PVDF上均设置有一个通孔，通孔内放置有铜丝，铜丝的直径为0.1mm。
本实施例还提供了上述测量应力应变的柔性压电纤维的制备方法，包括以下步骤，
(1)热塑性弹性体为SEBS，第一热塑性材料和第二热塑性材料均为PVDF，SEBS和PVDF的尺寸同实施例1，沿拉丝方向，两个PVDF上均设置有一个通孔，通孔的直径为2mm，将SEBS置于第一热塑性材料和第二热塑性材料之间，将铜丝置于第一热塑性材料和第二热塑性材料的通孔中，得到预制棒。
(2)将预制棒放入拉丝塔中，拉丝塔自上至下依次设置有第一加热区、第二加热区和第三加热区，第一加热区的温度为100℃，第二加热区的温度为180℃，第三加热区的温度为150℃，加热预制棒，对预制棒进行第一加热、第二加热和第三加热，待预制棒软化后，通过牵引装置将细化的预制棒进行拉丝处理，得到横截面形状为长方形的柔性压电纤维，长方形的长宽分别为3.0mm和1.2mm。在本实施例中不对牵引装置的牵引速度进行限定，牵引速度是根据预制棒的拉丝情况进行调整的，只要能得到满足尺寸要求的柔性压电纤维，并保证拉丝过程不出现断裂即可。
试验例
本试验例提供了实施例1制得的柔性压电纤维的性能测试及测试结果，具体如下，
(1)柔性压电纤维应力的测试方法
采用矢量网络分析仪进行纤维的应力测试，具体为，信号测试装置是矢量网络分析仪(VNA，3656B主机)、AV3112 N型校准套件、N型测试电缆，首先设置扫描频率，开始频率：100kHz，结束频率：8.5GHz；(即8.4GHz扫频范围，根据测试分辨率与扫频范围的关系，见公式1，可知对应测试分辨率约为1.26cm，说明应力测试精度高)。扫频间隔：3MHz；扫频点数：1600pts；校准完仪器后，将柔性压电纤维的两个铜线焊接到仪器的端口上进行信号测试。在待测柔性压电纤维某个位置上放置标准砝码，砝码的质量依次为6g、10g、15g、25g、100g，测试结果如图4所示。
其中，测试分辨率与扫频范围的关系式为：
Figure BDA0003723948930000091
L是测试分辨率；c是光速；ε是SEBS介电常数，具体值为2.1；ωmax是结束频率；ωmin是开始频率。
本试验检测的原理是：铜丝是两个电极，电极之间的距离随着压力而变化。当两个电极之间的距离增加，局部阻抗会增加，导致正反射；当距离减小时会发生负反射，频域反射仪通常用于检测沿连续传输线的阻抗变化，信号在阻抗变化发生的每个点都有部分反射，我们选择使用连接到被测纤维的矢量网络分析仪(VNA)来执行频域反射测量。
图4是柔性压电纤维在不同应力(以g为单位)作用下，柔性压电纤维的反射系数与传输时间的关系图。如图4中a所示，靠左处信号不甚平坦，这是由于接口处连接接触不良导致的信号扰动造成的，后端相对平坦，其平坦度由柔性压电纤维拉制均匀性决定的。图4中b为a中圆框处的放大图，通过图4中b可知，压电纤维受到不同应力作用时，传输时间在20ns附近反射系数变化明显，根据公式2可以得知，在离压电纤维与矢量网络分析仪连接处2m左右的位置出现了应力扰动。图4中c为b中圆框处(出现应力扰动的附近位置)的放大图，该结果表明，随着应力增大，柔性压电纤维受到不同应力作用时，反射系数呈现良好的线性增大，且响应快、变化显著，说明本发明提供的柔性压电纤维在进行应力测试时，精度高，响应快。
Figure BDA0003723948930000101
其中，Z是出现应力扰动与压电纤维与矢量网络分析仪连接处之间的距离；t是时间；VF是速度因子0.69；c是光速。
(2)柔性压电纤维应变的测试方法
采用矢量网络分析仪进行纤维的应变测试，具体为，将柔性压电纤维的一端固定在夹具上，另一端固定在位移平台上，测试时不断移动位移平台，采用矢量网络分析仪进行测试，测试方法同应力测试方法，测试结果见图5。
图5是柔性压电纤维在不同应变(应变分别为0、2.5％、3.75％、5％和6.25％)下，纤维的反射系数与传输时间的关系图。从图5中可以看出，在传输时间在21.5ns左右的位置(见图5中的圆框处)，反射系数出现了明显的位移，发生了形变，说明在21.5ns附近，纤维受到不同应变时变化波动大，反应灵敏，将该本发明柔性压电纤维用于应变测试时，响应快、精度高、测试时间短。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种测量应力应变的柔性压电纤维，其特征在于，包括，热塑性弹性体、第一热塑性材料和第二热塑性材料；所述热塑性弹性体设置在所述第一热塑性材料和第二热塑性材料之间；
所述第一热塑性材料的玻璃化转变温度高于所述热塑性弹性体，且两者玻璃化转变温度的差值不高于50℃；
所述第二热塑性材料的玻璃化转变温度高于所述热塑性弹性体，且两者玻璃化转变温度的差值不高于50℃。
2.根据权利要求1所述的测量应力应变的柔性压电纤维，其特征在于，满足(1)-(3)中的至少一种，
(1)所述热塑性弹性体为SEBS、SBS和TPE中的至少一种；
(2)所述第一热塑性材料是玻璃化转变温度为100-300℃的热塑性聚合物；优选地，所述第一热塑性材料聚乙烯亚胺、聚碳酸酯、聚偏二氟乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种；
(3)所述第二热塑性材料是玻璃化转变温度为100-300℃的热塑性聚合物；优选地，所述第二热塑性材料为聚乙烯亚胺、聚碳酸酯、聚偏二氟乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的测量应力应变的柔性压电纤维，其特征在于，柔性压电纤维的横截面为四方形；
优选地，所述四方形的各个边长均为0.5-5mm；
优选地，所述四边形为矩形、正方形或棱形。
4.根据权利要求1-3任一项所述的测量应力应变的柔性压电纤维，其特征在于，所述第一热塑性材料和/或所述第二热塑性材料内设置有通孔；
优选地，所述通孔内设置有导电介质；
优选地，所述导电介质的材质为铜。
5.权利要求1-4任一项所述的测量应力应变的柔性压电纤维的制备方法，其特征在于，所述制备方法为拉丝方法。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
热塑性弹性体、第一热塑性材料和第二热塑性材料制成预制棒；
加热预制棒，拉丝。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述加热的具体步骤包括，对所述预制棒进行第一加热、第二加热和第三加热。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述第一加热的温度为100-150℃；
所述第二加热的温度为150-250℃；
所述第三加热的温度为140-400℃。
9.根据权利要求5-8任一项所述的制备方法，其特征在于，在得到所述预制棒前还包括将导电介质放置于所述第一热塑性材料和/或所述第二热塑性材料通孔的步骤。
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