壓阻/壓電夾層材料、夾層式傳感器及制備、使用方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測用的壓阻/壓電夾層材料、夾層式傳感器及制備、使用方法。一種壓阻/壓電夾層材料包括：韌性基片，5?50個自組裝薄膜壓阻感知功能層雙層——頂/底電極層，壓電感知彈性夾芯功能層：由納米ZnO/PDMS或PVDF/PDMS制成，且可包括不銹鋼彈簧。經(jīng)整體封裝后，獲得一種粘貼在工程結(jié)構(gòu)表面或內(nèi)嵌的夾層式傳感器，其具有柔韌性好、涵蓋全交通頻域的壓阻/壓電感知靈敏度高、線性度好、穩(wěn)定度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，且不會影響結(jié)構(gòu)本身的基本功能。
【專利說明】
壓阻/壓電夾層材料、夾層式傳感器及制備、使用方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測用的壓阻/壓電夾層材料、夾層式傳感器及制備、使用方法。【背景技術(shù)】
[0002]隨著國民經(jīng)濟(jì)的突飛猛進(jìn)和建筑行業(yè)的蓬勃發(fā)展，大型土木工程結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施，諸如大跨度橋梁、隧道、超高層建筑等隨處可見。它們的服役期限長達(dá)幾十年，有的甚至達(dá)上百年。然而，這些處于暴露環(huán)境中的大型結(jié)構(gòu)(橋梁、隧道，體育場館和高層建筑等)在服役過程中，在材料變異、荷載變化、自然災(zāi)害、人為因素等的影響下，使結(jié)構(gòu)的耐久性降低，導(dǎo)致其在達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命之前就已經(jīng)破壞。所以，為了提高這些常處于關(guān)鍵樞紐區(qū)的結(jié)構(gòu)的耐久性和防震減災(zāi)能力，對這些結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位進(jìn)行監(jiān)測和評估，并根據(jù)評估結(jié)果做出保養(yǎng)維修，已成為工程研究人員不容忽視的責(zé)任。
[0003]傳感器是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此一直以來人們都在研究應(yīng)用到大型結(jié)構(gòu) (諸如橋梁、隧道、體育場館和高層建筑等)監(jiān)測系統(tǒng)中的各類先進(jìn)傳感器。光纖傳感器具有耐腐蝕、體積小、重量輕的優(yōu)勢，但光纖本身脆性大，可通過表面包裹保護(hù)層，而保護(hù)層又會影響傳感性能，且不能有效測單點(diǎn)應(yīng)變;金屬電阻應(yīng)變片由于成本低廉受到廣泛青睞，但該應(yīng)變片具有阻值小，靈敏度偏低，系統(tǒng)能耗大的缺陷。在水泥基材料中摻加導(dǎo)電炭黑、碳纖維、鎳粉、碳納米管(CNT)、氧化石墨烯(G0)、石墨烯(GnP)等導(dǎo)電填料而制成的壓阻型傳感器，相應(yīng)的電學(xué)性能隨所受應(yīng)力的變化而變化，對(準(zhǔn))靜態(tài)信號敏感，但是對(準(zhǔn))動態(tài)信號不敏感;將壓電陶瓷(如鋯鈦酸鉛PZT)片埋入到水泥基體中制成各類壓電型傳感器，輸出電信號隨應(yīng)力的變化而變化，利用材料的壓電效應(yīng)，對(準(zhǔn))動態(tài)信號敏感，但是對(準(zhǔn))靜態(tài)信號不敏感，而且韌性差，而且不適合粘貼在大型結(jié)構(gòu)上，只能作為埋入式傳感器使用，易受到路基沉降等的影響。與此同時，處于偏遠(yuǎn)山區(qū)的橋梁、隧涵等常無法外接供電設(shè)施，若能將行車(人)振動能量有效轉(zhuǎn)化成電能并收集，并反哺給相應(yīng)無線傳感監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用，實(shí)現(xiàn)自供能，在當(dāng)今節(jié)能環(huán)保時代具有重要意義。
[0004]中國專利ZL.201210417696.9首次公開了一種將微/納米導(dǎo)電材料(如CNT)與微/ 納米壓電陶瓷粉體(如PZT)有效混合形成的0-3型水泥基壓阻/壓電復(fù)合材料及其傳感器。 該本征傳感器既可以有效監(jiān)測(準(zhǔn))動態(tài)應(yīng)力/應(yīng)變信號，又可以監(jiān)測(準(zhǔn))靜態(tài)信號，還具有振動俘能能力，在自供能型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中具有較好的發(fā)展前景。然而該傳感器(俘能器)制作時仍需要采用專門的壓制成型，高溫煅燒，被銀、高壓極化等復(fù)雜工藝，且制成的傳感器偏剛性，韌性不夠高，進(jìn)而封裝外殼與內(nèi)部核心傳感器件易產(chǎn)生變形錯位，導(dǎo)致在實(shí)際使用時仍有一些無法克服的缺陷，亟待進(jìn)一步優(yōu)化與改進(jìn)。
[0005]氧化鋅ZnO作為I1-VI族的氧化物，是一種重要的半導(dǎo)體材料，在壓電、熱電、光電等領(lǐng)域具有優(yōu)異的性能。與此同時，由于納米Zn0的晶體結(jié)構(gòu)是匹配位的，晶體的結(jié)構(gòu)不具有對稱性，進(jìn)而納米ZnO不需要專門的高溫煅燒、高壓極化工藝就能擁有良好的壓電特性， 環(huán)保性佳。聚偏氟乙烯(PVDF)化學(xué)穩(wěn)定性高、柔韌性強(qiáng)、壓電系數(shù)較高、介電系數(shù)低等諸多優(yōu)點(diǎn)，常用作壓電薄膜在相關(guān)傳感領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明為克服上述缺陷，提供一種壓阻/壓電夾層材料、夾層式傳感器及制備、使用方法。
[0007]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種壓阻/壓電夾層材料，包括:
[0009]韌性基片，
[0010]5-50個自組裝薄膜壓阻感知功能層雙層一一頂/底電極層，[0〇11 ] 壓電感知彈性夾芯功能層:由納米ZnO/PDMS或PVDF/PDMS制成，且可包括不銹鋼彈簧。
[0012] —種所述壓阻/壓電夾層材料的制備方法，包括如下步驟:[〇〇13](1)自組裝薄膜壓阻感知功能層(頂/底電極層)的制備
[0014]①納米導(dǎo)電材料表面引入帶負(fù)電荷的官能團(tuán)
[0015]采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的共價氧化法處理表面光滑、水溶性很差的納米導(dǎo)電材料，在其表面引入羧基、羥基等帶負(fù)電荷的官能團(tuán)，然后經(jīng)洗滌、抽濾、真空干燥得帶負(fù)電荷官能團(tuán)的納米導(dǎo)電材料；
[0016]其中由于G0自身表面含有諸多帶負(fù)電荷的官能團(tuán)如羥基、醚基、羧基等，G0或G0接枝碳納米纖維(G0+NCF)不用進(jìn)一步處理；[〇〇17]②納米導(dǎo)電材料表面引入帶正電荷的官能團(tuán)
[0018]采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方法，利用自由基引發(fā)劑/有機(jī)溶劑體系將納米導(dǎo)電材料表面在絕水條件下轉(zhuǎn)化成帶腈基官能團(tuán)，然后采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的氧化-還原體系將腈基化納米導(dǎo)電材料表面進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成帶正電荷的氨基官能團(tuán)，經(jīng)洗滌、抽濾、真空干燥得帶正電荷官能團(tuán)的納米導(dǎo)電材料；
[0019]③柔性基片表面帶負(fù)電處理
[0020]采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的臭氧或其它氧化處理方法使柔性基片表面帶上負(fù)電荷；
[0021]④取步驟①、②中所得的表面帶負(fù)電荷、正電荷官能團(tuán)的納米導(dǎo)電材料各1份，分別加入50-500份水中，并分別用醋酸或氨水調(diào)節(jié)pH值，經(jīng)l-50kJ/mL超聲能量的超聲波分散處理后分別制成帶負(fù)電荷、正電荷的納米導(dǎo)電材料分散液；[〇〇22]⑤將步驟③經(jīng)帶負(fù)電處理的柔性基片依次浸漬步驟④帶正電荷的納米導(dǎo)電材料分散液、清洗、晾干、浸漬帶負(fù)電荷的納米導(dǎo)電材料分散液、清洗、晾干，形成1個帶正/負(fù)電荷納米導(dǎo)電材料薄膜雙層。
[0023]⑥重復(fù)步驟⑤，形成所需個數(shù)的帶正/負(fù)電荷納米導(dǎo)電材料薄膜雙層；
[0024]⑦采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的熱退化方法處理由步驟⑥所得薄膜雙層，最終獲得自組裝薄膜壓阻感知功能層；
[0025](2)壓電感知彈性夾芯功能層的制備[〇〇26]將聚二甲基硅氧烷PDMS主劑與壓電功能相ZnO納米粉體或PVDF粉體在超聲波輔助分散條件下充分混勻，添加PDMS固化劑后進(jìn)一步攪拌混勻，然后采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的手工涂覆法、噴涂法或旋噴法將混合漿料涂敷到步驟(1)所制得的自組裝薄膜壓阻感知功能層頂/底電極內(nèi)層或/及不銹鋼彈簧表面，在混合漿料仍保持半流動態(tài)狀態(tài)下，相向粘接起來，然后在真空條件下凝結(jié)硬化，最終形成壓電感知彈性夾芯功能層。
[0027]所述步驟①中在引入官能團(tuán)之前用鹽酸冷凝回流法處理納米導(dǎo)電材料以去除可能的雜質(zhì)；所述步驟②中在引入官能團(tuán)處理之前用鹽酸冷凝回流法、重結(jié)晶法分別處理納米導(dǎo)電材料、自由基引發(fā)劑以去除可能的雜質(zhì)。[0〇28]所述步驟⑤中依次浸漬步驟④帶正電荷的納米導(dǎo)電材料分散液10-60min、清洗3-15min、瞭干10-60min、浸漬帶負(fù)電荷的納米導(dǎo)電材料分散液10-60min、清洗3-15min、瞭干 10_60min〇
[0029] 所述納米導(dǎo)電材料為CNT、G0、G0接枝碳纖維、GO接枝碳納米纖維、GnP中的一種或幾種的混合。其中所述CNT可由電弧法、濺射法、化學(xué)氣相沉積法(CVD )、催化裂解法等方法合成或購買;所述G0可由Brodie法，Staudenmaier法、Hummers法或改進(jìn)Hummers法合成或購買;所述G0接枝碳納米纖維可由常規(guī)化學(xué)接枝方法合成;所述GnP可由機(jī)械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法、CVD來合成或購買。
[0030]所述共價氧化法的氧化劑為濃硫酸與濃硝酸混合酸、FeS〇4與H202混合氧化劑(并結(jié)合紫外光UV照射或臭氧處理)或KMn〇4與雙氧水H2〇2混合氧化劑中的一種。
[0031]所述自由基引發(fā)劑/有機(jī)溶劑體系為偶氮二異丁腈AIBN、偶氮二異庚腈ABVN、過氧化環(huán)己酮、過氧化二苯甲酰BP0或叔丁基過氧化氫與甲苯、苯或氯仿組合中的一種或幾種的混合。[〇〇32]所述氧化-還原體系為氯化鎳-A1粉-四氫呋喃THF體系、鉑/炭-氫化鋁鋰-THF體系、鉑/炭-硼氫化鈉-THF中的一種。
[0033]所述ZnO納米粉體可由固相合成法、溶膠-凝膠法、電化學(xué)沉積法、水熱合成法、剪切攪拌法來合成或購買獲得。
[0034]納米 ZnO/PVDF: PDMS: PDMS 固化劑的重量配比為1-10:10:1。
[0035] —種采用所述壓阻/壓電夾層材料的夾層式傳感器(俘能器)，包括壓阻/壓電夾層材料層(內(nèi)含頂/底電極)、聚醚或環(huán)氧噴劑形成的封裝層、底/頂電極層上利用導(dǎo)電銀漿引出的導(dǎo)線，上/下兩電極之間通過貫穿封裝層的電磁屏蔽導(dǎo)線相連;優(yōu)選地，所述壓阻/壓電夾層材料層為三明治型結(jié)構(gòu)，頂/底層為韌性基片，最內(nèi)層為壓電感知彈性夾芯功能層，二者之間為自組裝薄膜壓阻感知功能層。傳感器(俘能器)的大小可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整。
[0036] —種所述夾層式傳感器的制備方法，包括以下步驟:壓電感知彈性夾芯功能層外表面用聚醚噴劑噴成絕緣、絕濕的封裝層;在涂覆壓電感知彈性夾芯功能層前，在頂/底電極內(nèi)層分別涂上一層導(dǎo)電銀膠，并用導(dǎo)線引出；上/下兩電極之間通過貫穿封裝層的電磁屏蔽導(dǎo)線相連，最終形成壓阻/壓電夾層式傳感器。
[0037] —種所述夾層式傳感器的使用方法，通過本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的俘能/放電控制電路將結(jié)構(gòu)監(jiān)測間歇期交通車輛碾壓所述傳感器時產(chǎn)生的振動機(jī)械能在逆壓電效應(yīng)下轉(zhuǎn)化成瞬間電能，并有效儲存起來，反哺給相應(yīng)工作期的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，有效實(shí)現(xiàn)自供能。
[0038]本發(fā)明所述壓阻/壓電夾層材料層是在柔性基底上采用層層自組裝工藝組裝導(dǎo)電薄膜層用作壓阻感知功能層(同時用作壓電感知彈性夾芯功能層的頂/底電極層)、中間含壓電感知彈性夾芯功能層制成;經(jīng)整體封裝后，獲得一種粘貼在工程結(jié)構(gòu)表面或內(nèi)嵌的夾層式傳感器，其具有柔韌性好、涵蓋全交通頻域的壓阻/壓電感知靈敏度高、線性度好、穩(wěn)定度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，且不會影響結(jié)構(gòu)本身的基本功能，可緊密地粘敷到工程結(jié)構(gòu)表面，相應(yīng)傳感器可設(shè)置在支座與支撐的橋面單元之間或嵌于橋面單元內(nèi)，進(jìn)而利用其壓阻準(zhǔn)靜態(tài)傳感及壓電動態(tài)傳感能力實(shí)現(xiàn)涵蓋全頻域的靜/動態(tài)交通與結(jié)構(gòu)指標(biāo)參數(shù)的檢測能力，并能實(shí)現(xiàn)行車機(jī)械振動能量的有效收集、儲存與各種電路供能。與此同時，該夾層式傳感器可實(shí)現(xiàn)工廠規(guī)?；a(chǎn)，在工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域具有優(yōu)異的應(yīng)用前景?！靖綀D說明】
[0039]圖1-3為本發(fā)明的不同類型傳感器放大示意圖；
[0040]圖4-5為本發(fā)明的實(shí)施例2夾層式傳感器分別對靜態(tài)(準(zhǔn)靜態(tài))荷載、動態(tài)脈沖荷載采集信號結(jié)果圖；[0041 ]圖中所示附圖標(biāo)記為:1.韌性基片;2.自組裝薄膜壓阻感知功能層;3.壓電感知彈性夾芯功能層;4.彈簧;5.封裝層;6.電磁屏蔽導(dǎo)線?！揪唧w實(shí)施方式】 [〇〇42] 實(shí)施例1
[0043]如圖1所示，本發(fā)明所述采用壓阻/壓電夾層材料的夾層式傳感器包括韌性基片1、 自組裝薄膜壓阻感知功能層2(含頂/底電極)、壓電感知彈性夾芯功能層3、封裝層5以及與頂/底電極相連且貫穿封裝層的電磁屏蔽導(dǎo)線6。電磁屏蔽導(dǎo)線6通過屏蔽接頭與電極靜/動態(tài)信號采集系統(tǒng)相連。
[0044]所述壓阻/壓電夾層材料的制備步驟如下:
[0045](l)CNT自組裝薄膜壓阻感知功能層(頂/底電極層)的制備 [〇〇46]①CNT表面引入帶負(fù)電荷的官能團(tuán)[〇〇47] 預(yù)處理純化CNT:稱取一定量經(jīng)CVD方法合成的多壁CNT(直徑20-40nm，長度5-15y m，電導(dǎo)率大于l〇2S/cm)浸漬于2mol/L的鹽酸溶液中(CNT:HC1為5mg:lmL)，將三口瓶置于油浴鍋中加熱至100°C，回流30min。靜置24小時，倒掉上清液，加足量去離子水稀釋至溶液pH 值多6,然后用真空栗連接帶有濾膜的抽濾瓶抽濾。刮掉濾餅上的黑色固體。設(shè)置干燥箱的溫度50 °C，干燥4小時，磨細(xì)、備用。
[0048] 將1份CNT置于1000份強(qiáng)氧化混酸法(濃硫酸:濃硝酸體積比為3:1)中，以10kJ/mL 超聲能量處理CNT懸浮液。之后，足量去離子水稀釋分散液至中性。真空栗抽濾得到濾餅，粉體置于50°C真空干燥箱干燥4小時，得到表面帶負(fù)電荷的CNT。[〇〇49]②CNT表面引入帶正電荷的官能團(tuán)[〇〇5〇] 重結(jié)晶AIBN:稱取一定量的AIBN浸漬在無水乙醇中(AIBN:無水乙醇= 1:10)，將燒杯放在水浴鍋中，50°C水浴加熱使得AIBN溶解，濾去不溶物，濾液用冰鹽浴冷卻，過濾就可得到重結(jié)晶的AIBN，在五氧化二磷存在的條件下減壓干燥備用。[〇〇511將50份多壁CNT超聲分散于80份甲苯中，然后在磁力攪拌條件下，加入3.2份AIBN， 通氮?dú)?5min除氧后，75°C攪拌反應(yīng)5h。反應(yīng)產(chǎn)物用甲苯洗滌4-5遍后，50°C真空干燥過夜， 得到黑色的AIBN改性CNT粉末。[〇〇52] 之后在三口燒瓶中加入30份上述中所制的AIBN改性CNT粉末，3.57份NiCl2 ? 6H20和25份THF，持續(xù)通N2條件下，超聲分散30min，加入A1粉0.27份，反應(yīng)立即發(fā)生并放熱，約 15min后停止放熱，反應(yīng)結(jié)束后，用60份THF稀釋并過濾。得到的固體混合物倒入燒杯中，加入3mol/L稀硫酸，真空抽濾，產(chǎn)物用去離子水洗至pH至中性，50°C真空干燥過夜，得到氨基功能化CNT粉末。[〇〇53] ③柔性基片表面帶負(fù)電處理[〇〇54]制備重鉻酸鉀洗液:由重鉻酸鉀1份、去離子水2份、濃硫酸20份混合而成；[〇〇55]首先將PET基片分別浸入無水乙醇24小時，然后浸沒重鉻酸鉀洗液30-60S，去離子水洗滌2-3遍，自然晾干，使得PET柔性基片表面帶上負(fù)電荷。[〇〇56]④取步驟①、②中所得的表面帶負(fù)電荷、正電荷官能團(tuán)的CNT各1份，分別加入50-500份水中，分別用醋酸、氨水調(diào)節(jié)pH值至5.5和8.5，經(jīng)l-50kJ/mL超聲能量的超聲波分散處理后分別制成帶負(fù)電荷、帶正電荷CNT分散液；[〇〇57]⑤將經(jīng)負(fù)電荷處理的TOT柔性基片依次浸漬到帶正電荷CNT分散液15min、清洗 3min、烘干60min(50°C)、帶負(fù)電荷CNT分散液15min、清洗3min、烘干60min(50°C)順序，完成 1個帶正/負(fù)電荷CNT薄膜雙層。[〇〇58]⑥重復(fù)步驟⑤，形成6個帶正/負(fù)電荷的CNT薄膜雙層。[〇〇59]⑦采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的方法熱處理下由步驟⑥獲得的CNT薄膜雙層，最終獲得CNT自組裝薄膜壓阻感知功能層(頂/底電極層)。
[0060](2)Zn0壓電感知彈性夾芯功能層(俘能層)的制備[0061 ]①納米級ZnO粉體的制備
[0062]以硝酸鋅、濃氨水原料(確保原料配比中鋅、氫氧根的原子比為1:2左右)，先硝酸鋅、濃氨水分別溶于去離子水中，然后在l〇_15°C下分別加熱攪拌至完全溶解，然后將兩種溶液混合，可得到氫氧化鋅溶膠，高速剪切攪拌機(jī)10000-1 lOOOrpm的轉(zhuǎn)速下攪拌0.5-1小時，蒸餾水中洗滌3-5次，60°C真空干燥箱干燥4-6小時，得ZnO納米粉體。
[0063]②壓電感知彈性夾芯功能層(俘能層)的制備[〇〇64]將100份PDMS主劑與50份ZnO納米粉體在超聲波輔助分散(超聲能量5kJ/mL)，然后加入10份PDMS固化劑，輔助玻璃棒攪拌混勻，得ZnO/PDMS漿料，再用玻璃棒蘸涂敷到步驟 (1)所制得的CNT自組裝薄膜壓阻感知功能層頂/底電極內(nèi)層，在仍保持半流動態(tài)狀態(tài)下，相向粘接起來形成4個相同高度的棱柱體。轉(zhuǎn)移至真空箱中，設(shè)定真空度、溫度和反應(yīng)時間分別為0.05Pa、40 °C及36小時，得到CNT/ZnO壓電感知彈性夾芯功能層。[〇〇65]將上述所制得CNT/ZnO壓電感知彈性夾芯功能層外表面用聚醚噴劑噴成絕緣、絕濕的封裝層;在涂覆ZnO/PDMS功能層前，在CNT自組裝薄膜壓阻感知功能層頂/底電極內(nèi)層分別涂上一層導(dǎo)電銀膠，并用導(dǎo)線引出；上/下兩電極之間通過貫穿封裝層的電磁屏蔽導(dǎo)線相連，最終形成CNT/ZnO壓阻/壓電夾層式傳感器(俘能器)。該傳感器的規(guī)格可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求調(diào)整。
[0066]用X衍射儀、激光粒度分析儀、掃描電鏡、透射電鏡等表征手段確定剪切攪拌法制備的ZnO粉體平均粒徑為75nm、纖鋅礦型結(jié)晶型、晶體生長完整，沿著[120]方向生長。用LCR 數(shù)字電橋、準(zhǔn)靜態(tài)測量儀、阻抗分析儀測試CNT/ZnO壓阻/壓電夾層式傳感器器件中6個雙層 CNT薄膜直流電阻率為19.53k Q ? cm、10kHz頻率下的交流電阻率為1.94k Q ? cm;ZnO層的壓電應(yīng)變系數(shù)為13.lpC/N;分別結(jié)合Wheatstone電橋技術(shù)及動態(tài)信號采集技術(shù)研究三點(diǎn)彎曲條件下傳感器的電阻率隨經(jīng)受靜態(tài)應(yīng)變變化的靈敏度為26.3、線性度為3.5%，其電荷量隨動態(tài)應(yīng)變變化的靈敏度為15.4、線性度為2.7%。
[0067]對于交通荷載頻率小于1Hz的，一般可認(rèn)為是靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)的荷載，如高速公路入口收費(fèi)站、地鎊、停車區(qū)域監(jiān)控等，這時通過測試中國專利ZL201210417696.9所提出電橋的不平衡輸出電壓(AU)獲得具有相同阻值的CNT/ZnO壓阻/壓電夾層式傳感器的電導(dǎo)參數(shù)變特征，再通過本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的環(huán)境因素引起的噪聲信號剔除技術(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)準(zhǔn)靜態(tài)參數(shù)的準(zhǔn)確提取;而對于頻率大于1Hz的動態(tài)交通荷載(包括周期循環(huán)、脈沖、隨機(jī)荷載形式)，如高速公路、跨江(海)大橋上快速行駛車輛的車型識別、車速、車流量及相應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形的檢測等。為了有效測定CNT/ZnO壓阻/壓電夾層式傳感器壓電效應(yīng)產(chǎn)生的微弱電荷量，并防止電荷泄漏，這時可通過屏蔽接頭連接到中國專利 ZL201210417696.9電路來測試本發(fā)明CNT/ZnO壓阻/壓電夾層式傳感器的對動態(tài)信號敏感的壓電參數(shù)變化情況，再通過本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的信號傳感與噪聲信號剔除技術(shù)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)動態(tài)感知信號的準(zhǔn)確提取。[〇〇68] 上述CNT/ZnO壓阻/壓電夾層式傳感器還可通過本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的俘能/放電控制電路將結(jié)構(gòu)監(jiān)測間歇期交通車輛碾壓上述傳感器時產(chǎn)生的振動機(jī)械能在逆壓電效應(yīng)下轉(zhuǎn)化成瞬間電能，并有效儲存起來，反哺給相應(yīng)工作期的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，有效實(shí)現(xiàn)自供能。[〇〇69] 實(shí)施例2[〇〇7〇]如圖2所示，韌性基片為圓盤形，壓電感知彈性夾芯功能層3附著在彈簧4外表面。 其中CNT/ZnO傳感器的壓電感知彈性夾芯功能層是將實(shí)施例1中步驟(2)所制得的ZnO/PDMS 漿料旋噴到步驟(1)所制得的CNT自組裝薄膜壓阻感知功能層頂/底電極內(nèi)層以及四個長度、剛度相等的不銹鋼彈簧表面;并在ZnO/PDMS漿料仍保持半流動態(tài)狀態(tài)下，將夾層不銹鋼彈簧四角對稱布置于相向粘接的CNT頂/底電極之間；最后轉(zhuǎn)移至真空箱中，設(shè)定真空度、溫度和反應(yīng)時間的分別為0.〇5Pa、40 °C及36小時，得到CNT/ZnO壓電感知彈性夾芯功能層。
[0071]另外，參照實(shí)施例1步驟(1)⑥:重復(fù)步驟⑤，形成9個帶正/負(fù)電荷的CNT薄膜雙層。 [〇〇72]其它同實(shí)施例1。[〇〇73]用LCR數(shù)字電橋、準(zhǔn)靜態(tài)測量儀、阻抗分析儀測試CNT/ZnO壓阻/壓電夾層式傳感器中9個雙層CNT薄膜直流電阻率為7.97kQ ?cnulOkHz頻率下的交流電阻率為0.28kQ ?〇!!; ZnO層的壓電應(yīng)變系數(shù)為10.4pC/N;分別結(jié)合Wheatstone電橋技術(shù)及動態(tài)信號采集技術(shù)研究三點(diǎn)彎曲條件下傳感器的電阻率隨經(jīng)受靜態(tài)應(yīng)變變化的靈敏度為17.8、線性度為4.8%， 其電荷量隨脈沖應(yīng)變變化的靈敏度為29.5、線性度為1.9%。該CNT/ZnO壓阻/壓電夾層式傳感器對靜態(tài)(準(zhǔn)靜態(tài))荷載/位移、動態(tài)脈沖荷載采集信號典型結(jié)果分別如圖4、5所示。
[0074]實(shí)施例3
[0075]壓阻/壓電夾層式傳感器制備過程及結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1。不同的是:所用的納米導(dǎo)電材料為G0(厚度3-5納米片層，面積平均2.7wii2,電導(dǎo)率大于2S/cm);壓電感知彈性夾芯功能層為聚偏氟乙烯(PVDF)粉體超聲輔助溶于N-甲基吡咯烷酮制成的漿體，然后與PDMS及PDMS 固化劑混合而成。
[0076]用LCR數(shù)字電橋、準(zhǔn)靜態(tài)測量儀、阻抗分析儀測試G0/PVDF壓阻/壓電夾層式傳感器中6個雙層G0薄膜直流電阻率為398.4kQ ?cnulOkHz頻率下的交流電阻率為15.2kQ ?〇!!;PVDF/roMS層的壓電應(yīng)變系數(shù)為21.5pC/N;分別結(jié)合Wheatstone電橋技術(shù)及動態(tài)信號采集技術(shù)研究軸向荷載條件下該傳感器的電阻率隨經(jīng)受靜態(tài)應(yīng)變變化的靈敏度為27.6、線性度為4.1 %，其電荷量隨動態(tài)應(yīng)變變化的靈敏度為22.3、線性度為2.3%。。
[0077]實(shí)施例4
[0078]壓阻/壓電夾層式傳感器制備過程及結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1。不同的是:所用的納米導(dǎo)電材料為G0接枝納米碳纖維(等效直徑570nm，等效長度為2 ? 85mi，電導(dǎo)率大于3 ? 6S/cm) 〇 [〇〇79]用LCR數(shù)字電橋、準(zhǔn)靜態(tài)測量儀、阻抗分析儀測試G0+NCF/Zn0壓阻/壓電夾層式傳感器中6個雙層60+從^薄膜直流電阻率為96.251^〇*〇11、10紐2頻率下的交流電阻率為7.51^ Q ? cm;ZnO層的壓電應(yīng)變系數(shù)為13.5pC/N;分別結(jié)合Wheatstone電橋技術(shù)及動態(tài)信號采集技術(shù)研究三點(diǎn)彎曲條件下該傳感器的電阻率隨經(jīng)受靜態(tài)應(yīng)變變化的靈敏度為23.7、線性度為2.9%，其電荷量隨動態(tài)應(yīng)變變化的靈敏度為14.7、線性度為3.1%。
[0080]實(shí)施例5
[0081]如圖3所示，韌性基片為圓盤形，壓電感知彈性夾芯功能層3夾在彈簧4與自組裝薄膜壓阻感知功能層2之間。壓阻/壓電夾層式傳感器制備過程及結(jié)構(gòu)同實(shí)施例2。不同的是: 所用的納米導(dǎo)電材料為GnP(厚度2-4納米片層，面積平均2.1M12,電導(dǎo)率大于104S/cm)。 PVDF/PDMS壓電感知夾芯圓環(huán)形功能層位于GnP自組裝薄膜壓阻感知功能層電極與四個長度、剛度相等的不銹鋼彈簧之間，圓環(huán)寬度超過彈簧直徑l-2cm。[〇〇82]用LCR數(shù)字電橋、準(zhǔn)靜態(tài)測量儀、阻抗分析儀測試GnP/PVDF壓阻/壓電夾層式傳感器中6個雙層GnP薄膜直流電阻率為1.93kQ ? cm、10kHz頻率下的交流電阻率為0.067kQ ? cm; PVDF/PDMS層的壓電應(yīng)變系數(shù)為20.4pC/N;分別結(jié)合Wheatstone電橋技術(shù)及動態(tài)信號采集技術(shù)研究三點(diǎn)彎曲條件下該傳感器的電阻率隨經(jīng)受靜態(tài)應(yīng)變變化的靈敏度為12.8、線性度為1.4%，其電荷量隨動態(tài)應(yīng)變變化的靈敏度為26.2、線性度為1.9%。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種壓阻/壓電夾層材料，其特征在于，包括:初性基片，5-50個自組裝薄膜壓阻感知功能層雙層一一頂/底電極層，壓電感知彈性夾芯功能層:由納米ZnO/PDMS或PVDF/PDMS制成，且可包括不銹鋼彈簧。2.—種如權(quán)利要求1所述壓阻/壓電夾層材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟:(1)自組裝薄膜壓阻感知功能層的制備①納米導(dǎo)電材料表面引入帶負(fù)電荷的官能團(tuán)采用共價氧化法處理納米導(dǎo)電材料，在其表面引入帶負(fù)電荷的官能團(tuán)，然后經(jīng)洗滌、抽 濾、真空干燥得帶負(fù)電荷官能團(tuán)的納米導(dǎo)電材料；②納米導(dǎo)電材料表面引入帶正電荷的官能團(tuán)利用自由基引發(fā)劑/有機(jī)溶劑體系將納米導(dǎo)電材料表面在絕水條件下轉(zhuǎn)化成帶腈基官 能團(tuán)，然后采用氧化-還原體系將腈基化納米導(dǎo)電材料表面進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成帶正電荷的氨基 官能團(tuán)，經(jīng)洗滌、抽濾、真空干燥得帶正電荷官能團(tuán)的納米導(dǎo)電材料；③柔性基片表面帶負(fù)電處理采用臭氧或其它氧化處理方法使柔性基片表面帶上負(fù)電荷；④取步驟①、②中所得的表面帶負(fù)電荷、正電荷官能團(tuán)的納米導(dǎo)電材料各1份，分別加 入50-500份水中，并分別用醋酸、氨水調(diào)節(jié)pH值，經(jīng)l-50kJ/mL超聲能量的超聲波分散處理 后分別制成帶負(fù)電荷、正電荷的納米導(dǎo)電材料分散液；⑤將步驟③經(jīng)帶負(fù)電處理的柔性基片依次浸漬步驟④帶正電荷的納米導(dǎo)電材料分散 液、清洗、晾干、浸漬帶負(fù)電荷的納米導(dǎo)電材料分散液、清洗、晾干，形成1個帶正/負(fù)電荷納 米導(dǎo)電材料薄膜雙層；⑥重復(fù)步驟⑤，形成所需個數(shù)的帶正/負(fù)電荷納米導(dǎo)電材料薄膜雙層；⑦采用熱退化方法處理由步驟⑥所得薄膜雙層，最終獲得自組裝薄膜壓阻感知功能 層；(2)壓電感知彈性夾芯功能層的制備將聚二甲基硅氧烷PDMS主劑與壓電功能相氧化鋅ZnO納米粉體或PVDF粉體在超聲波輔 助分散條件下充分混勻，添加PDMS固化劑后進(jìn)一步攪拌混勻，然后采用手工涂覆法、噴涂法 或旋噴法將混合漿料涂敷到步驟(1)所制得的自組裝薄膜壓阻感知功能層頂/底電極內(nèi)層 或/及不銹鋼彈簧表面，在混合漿料仍保持半流動態(tài)狀態(tài)下，相向粘接起來，然后在真空條 件下凝結(jié)硬化，最終形成壓電感知彈性夾芯功能層。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓阻/壓電夾層材料的制備方法，其特征在于，所述步驟①中 在引入官能團(tuán)之前用鹽酸冷凝回流法處理納米導(dǎo)電材料以去除可能的雜質(zhì);所述步驟②中 在引入官能團(tuán)處理之前用鹽酸冷凝回流法、重結(jié)晶法分別處理納米導(dǎo)電材料、自由基引發(fā) 劑以去除可能的雜質(zhì)。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓阻/壓電夾層材料的制備方法，其特征在于，所述步驟⑤中 依次浸漬步驟④帶正電荷的納米導(dǎo)電材料分散液10_60min、清洗3-15min、瞭干10-60min、 浸漬帶負(fù)電荷的納米導(dǎo)電材料分散液l〇-6〇min、清洗3-15min、瞭干10-60min。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓阻/壓電夾層材料的制備方法，其特征在于，所述納米導(dǎo)電 材料為CNT、GO、GO接枝碳纖維、GO接枝碳納米纖維、GnP中的一種或幾種的混合;所述共價氧化法的氧化劑為濃硫酸與濃硝酸混合酸、FeS〇4與雙氧水H2O2混合氧化劑或KMn〇4與H2O2混合 氧化劑中的一種。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓阻/壓電夾層材料的制備方法，其特征在于，所述自由基引 發(fā)劑/有機(jī)溶劑體系為偶氮二異丁腈AIBN、偶氮二異庚腈ABVN、過氧化環(huán)己酮、過氧化二苯 甲酰BPO或叔丁基過氧化氫與甲苯、苯或氯仿組合中的一種或幾種的混合;所述氧化-還原 體系為氯化鎳-A1粉-四氫呋喃THF體系、鉑/炭-氫化鋁鋰-THF體系、鉑/炭-硼氫化鈉-THF中 的一種。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓阻/壓電夾層材料的制備方法，其特征在于，納米ZnO/PVDF: PDMS: PDMS固化劑的重量配比為1 -10:10:1。8.—種采用如權(quán)利要求1所述壓阻/壓電夾層材料的夾層式傳感器，其特征在于，包括 壓阻/壓電夾層材料層、聚醚或環(huán)氧噴劑形成的封裝層、底/頂電極層上利用導(dǎo)電銀漿引出 的導(dǎo)線，上/下兩電極之間通過貫穿封裝層的電磁屏蔽導(dǎo)線相連;優(yōu)選地，所述壓阻/壓電夾 層材料層為三明治型結(jié)構(gòu)，頂/底層為韌性基片，最內(nèi)層為壓電感知彈性夾芯功能層，二者 之間為自組裝薄膜壓阻感知功能層。9.一種如權(quán)利要求8所述夾層式傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:壓電 感知彈性夾芯功能層外表面用聚醚噴劑噴成絕緣、絕濕的封裝層;在涂覆壓電感知彈性夾 芯功能層前，在頂/底電極內(nèi)層分別涂上一層導(dǎo)電銀膠，并用導(dǎo)線引出；上/下兩電極之間通 過貫穿封裝層的電磁屏蔽導(dǎo)線相連，最終形成壓阻/壓電夾層式傳感器。10.—種如權(quán)利要求8所述夾層式傳感器的使用方法，其特征在于，通過俘能/放電控制 電路將結(jié)構(gòu)監(jiān)測間歇期交通車輛碾壓所述傳感器時產(chǎn)生的振動機(jī)械能在逆壓電效應(yīng)下轉(zhuǎn) 化成瞬間電能，并有效儲存起來，反哺給相應(yīng)工作期的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，有效實(shí)現(xiàn)自供能。
【文檔編號】G01D5/12GK105953821SQ201610473869
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月24日
【發(fā)明人】羅健林, 李秋義, 趙鐵軍, 王旭, 吳曉平
【申請人】青島理工大學(xué)