压阻/压电夹层材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种工程结构监测用的压阻/压电夹层材料、夹层式传感器及制备、使用方法。一种压阻/压电夹层材料包括：韧性基片，5‑50个自组装薄膜压阻感知功能层双层——顶/底电极层，压电感知弹性夹芯功能层：由纳米ZnO/PDMS或PVDF/PDMS制成，且可包括不锈钢弹簧。经整体封装后，获得一种粘贴在工程结构表面或内嵌的夹层式传感器，其具有柔韧性好、涵盖全交通频域的压阻/压电感知灵敏度高、线性度好、稳定度高等诸多优点，且不会影响结构本身的基本功能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种工程结构监测用的压阻/压电夹层材料、夹层式传感器及制备、使用方法。
技术介绍
随着国民经济的突飞猛进和建筑行业的蓬勃发展，大型土木工程结构和基础设施，诸如大跨度桥梁、隧道、超高层建筑等随处可见。它们的服役期限长达几十年，有的甚至达上百年。然而，这些处于暴露环境中的大型结构(桥梁、隧道，体育场馆和高层建筑等)在服役过程中，在材料变异、荷载变化、自然灾害、人为因素等的影响下，使结构的耐久性降低，导致其在达到设计使用寿命之前就已经破坏。所以，为了提高这些常处于关键枢纽区的结构的耐久性和防震减灾能力，对这些结构的关键部位进行监测和评估，并根据评估结果做出保养维修，已成为工程研究人员不容忽视的责任。传感器是结构健康监测系统的基础，因此一直以来人们都在研究应用到大型结构(诸如桥梁、隧道、体育场馆和高层建筑等)监测系统中的各类先进传感器。光纤传感器具有耐腐蚀、体积小、重量轻的优势，但光纤本身脆性大，可通过表面包裹保护层，而保护层又会影响传感性能，且不能有效测单点应变；金属电阻应变片由于成本低廉受到广泛青睐，但该应变片具有阻值小，灵敏度偏低，系统能耗大的缺陷。在水泥基材料中掺加导电炭黑、碳纤维、镍粉、碳纳米管(CNT)、氧化石墨烯(GO)、石墨烯(GnP)等导电填料而制成的压阻型传感器，相应的电学性能随所受应力的变化而变化，对(准)静态信号敏感，但是对(准)动态信号不敏感；将压电陶瓷(如锆钛酸铅PZT)片埋入到水泥基体中制成各类压电型传感器，输出电信号随应力的变化而变化，利用材料的压电效应，对(准)动态信号敏感，但是对(准)静态信号不敏感，而且韧性差，而且不适合粘贴在大型结构上，只能作为埋入式传感器使用，易受到路基沉降等的影响。与此同时，处于偏远山区的桥梁、隧涵等常无法外接供电设施，若能将行车(人)振动能量有效转化成电能并收集，并反哺给相应无线传感监测网络系统用，实现自供能，在当今节能环保时代具有重要意义。中国专利ZL.201210417696.9首次公开了一种将微/纳米导电材料(如CNT)与微/纳米压电陶瓷粉体(如PZT)有效混合形成的0-3型水泥基压阻/压电复合材料及其传感器。该本征传感器既可以有效监测(准)动态应力/应变信号，又可以监测(准)静态信号，还具有振动俘能能力，在自供能型结构健康监测系统中具有较好的发展前景。然而该传感器(俘能器)制作时仍需要采用专门的压制成型，高温煅烧，被银、高压极化等复杂工艺，且制成的传感器偏刚性，韧性不够高，进而封装外壳与内部核心传感器件易产生变形错位，导致在实际使
用时仍有一些无法克服的缺陷，亟待进一步优化与改进。氧化锌ZnO作为II-VI族的氧化物，是一种重要的半导体材料，在压电、热电、光电等领域具有优异的性能。与此同时，由于纳米ZnO的晶体结构是匹配位的，晶体的结构不具有对称性，进而纳米ZnO不需要专门的高温煅烧、高压极化工艺就能拥有良好的压电特性，环保性佳。聚偏氟乙烯(PVDF)化学稳定性高、柔韧性强、压电系数较高、介电系数低等诸多优点，常用作压电薄膜在相关传感领域广泛应用。
技术实现思路
本专利技术为克服上述缺陷，提供一种压阻/压电夹层材料、夹层式传感器及制备、使用方法。本专利技术采用如下技术方案：一种压阻/压电夹层材料，包括：韧性基片，5-50个自组装薄膜压阻感知功能层双层——顶/底电极层，压电感知弹性夹芯功能层：由纳米ZnO/PDMS或PVDF/PDMS制成，且可包括不锈钢弹簧。一种所述压阻/压电夹层材料的制备方法，包括如下步骤：(1)自组装薄膜压阻感知功能层(顶/底电极层)的制备①纳米导电材料表面引入带负电荷的官能团采用本领域技术人员熟知的共价氧化法处理表面光滑、水溶性很差的纳米导电材料，在其表面引入羧基、羟基等带负电荷的官能团，然后经洗涤、抽滤、真空干燥得带负电荷官能团的纳米导电材料；其中由于GO自身表面含有诸多带负电荷的官能团如羟基、醚基、羧基等，GO或GO接枝碳纳米纤维(GO+NCF)不用进一步处理；②纳米导电材料表面引入带正电荷的官能团采用本领域技术人员熟知的方法，利用自由基引发剂/有机溶剂体系将纳米导电材料表面在绝水条件下转化成带腈基官能团，然后采用本领域技术人员熟知的氧化-还原体系将腈基化纳米导电材料表面进一步转化成带正电荷的氨基官能团，经洗涤、抽滤、真空干燥得带正电荷官能团的纳米导电材料；③柔性基片表面带负电处理采用本领域技术人员熟知的臭氧或其它氧化处理方法使柔性基片表面带上负电荷；④取步骤①、②中所得的表面带负电荷、正电荷官能团的纳米导电材料各1份，分别加入50-500份水中，并分别用醋酸或氨水调节pH值，经1-50kJ/mL超声能量的超声波分散处
理后分别制成带负电荷、正电荷的纳米导电材料分散液；⑤将步骤③经带负电处理的柔性基片依次浸渍步骤④带正电荷的纳米导电材料分散液、清洗、晾干、浸渍带负电荷的纳米导电材料分散液、清洗、晾干，形成1个带正/负电荷纳米导电材料薄膜双层。⑥重复步骤⑤，形成所需个数的带正/负电荷纳米导电材料薄膜双层；⑦采用本领域技术人员熟悉的热退化方法处理由步骤⑥所得薄膜双层，最终获得自组装薄膜压阻感知功能层；(2)压电感知弹性夹芯功能层的制备将聚二甲基硅氧烷PDMS主剂与压电功能相ZnO纳米粉体或PVDF粉体在超声波辅助分散条件下充分混匀，添加PDMS固化剂后进一步搅拌混匀，然后采用本领域技术人员熟悉的手工涂覆法、喷涂法或旋喷法将混合浆料涂敷到步骤(1)所制得的自组装薄膜压阻感知功能层顶/底电极内层或/及不锈钢弹簧表面，在混合浆料仍保持半流动态状态下，相向粘接起来，然后在真空条件下凝结硬化，最终形成压电感知弹性夹芯功能层。所述步骤①中在引入官能团之前用盐酸冷凝回流法处理纳米导电材料以去除可能的杂质；所述步骤②中在引入官能团处理之前用盐酸冷凝回流法、重结晶法分别处理纳米导电材料、自由基引发剂以去除可能的杂质。所述步骤⑤中依次浸渍步骤④带正电荷的纳米导电材料分散液10-60min、清洗3-15min、晾干10-60min、浸渍带负电荷的纳米导电材料分散液10-60min、清洗3-15min、晾干10-60min。所述纳米导电材料为CNT、GO、GO接枝碳纤维、GO接枝碳纳米纤维、GnP中的一种或几种的混合。其中所述CNT可由电弧法、溅射法、化学气相沉积法(CVD)、催化裂解法等方法合成或购买；所述GO可由Brodie法，Staudenmaier法、Hummers法或改进Hummers法合成或购买；所述GO接枝碳纳米纤维可由常规化学接枝方法合成；所述GnP可由机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法、CVD来合成或购买。所述共价氧化法的氧化剂为浓硫酸与浓硝酸混合酸、FeSO4与H2O2混合氧化剂(并结合紫外光UV照射或臭氧处理)或KMnO4与双氧水H2O2混合氧化剂中的一种。所述自由基引发剂/有机溶剂体系为偶氮二异丁腈AIBN、偶氮二异庚腈ABVN、过氧化环己酮、过氧化二苯甲酰BPO或叔丁基过氧化氢与甲苯、苯或氯仿组合中的一种或几种的混合。所述氧化-还原体系为氯化镍-Al粉-四氢呋喃THF体系、铂/炭-氢化铝锂-THF体系、铂/炭-硼氢化钠-THF中的一种。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压阻/压电夹层材料，其特征在于，包括：韧性基片，5‑50个自组装薄膜压阻感知功能层双层——顶/底电极层，压电感知弹性夹芯功能层：由纳米ZnO/PDMS或PVDF/PDMS制成，且可包括不锈钢弹簧。

【技术特征摘要】
1.一种压阻/压电夹层材料，其特征在于，包括：韧性基片，5-50个自组装薄膜压阻感知功能层双层——顶/底电极层，压电感知弹性夹芯功能层：由纳米ZnO/PDMS或PVDF/PDMS制成，且可包括不锈钢弹簧。2.一种如权利要求1所述压阻/压电夹层材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)自组装薄膜压阻感知功能层的制备①纳米导电材料表面引入带负电荷的官能团采用共价氧化法处理纳米导电材料，在其表面引入带负电荷的官能团，然后经洗涤、抽滤、真空干燥得带负电荷官能团的纳米导电材料；②纳米导电材料表面引入带正电荷的官能团利用自由基引发剂/有机溶剂体系将纳米导电材料表面在绝水条件下转化成带腈基官能团，然后采用氧化-还原体系将腈基化纳米导电材料表面进一步转化成带正电荷的氨基官能团，经洗涤、抽滤、真空干燥得带正电荷官能团的纳米导电材料；③柔性基片表面带负电处理采用臭氧或其它氧化处理方法使柔性基片表面带上负电荷；④取步骤①、②中所得的表面带负电荷、正电荷官能团的纳米导电材料各1份，分别加入50-500份水中，并分别用醋酸、氨水调节pH值，经1-50kJ/mL超声能量的超声波分散处理后分别制成带负电荷、正电荷的纳米导电材料分散液；⑤将步骤③经带负电处理的柔性基片依次浸渍步骤④带正电荷的纳米导电材料分散液、清洗、晾干、浸渍带负电荷的纳米导电材料分散液、清洗、晾干，形成1个带正/负电荷纳米导电材料薄膜双层；⑥重复步骤⑤，形成所需个数的带正/负电荷纳米导电材料薄膜双层；⑦采用热退化方法处理由步骤⑥所得薄膜双层，最终获得自组装薄膜压阻感知功能层；(2)压电感知弹性夹芯功能层的制备将聚二甲基硅氧烷PDMS主剂与压电功能相氧化锌ZnO纳米粉体或PVDF粉体在超声波辅助分散条件下充分混匀，添加PDMS固化剂后进一步搅拌混匀，然后采用手工涂覆法、喷涂法或旋喷法将混合浆料涂敷到步骤(1)所制得的自组装薄膜压阻感知功能层顶/底电极内层或/及不锈钢弹簧表面，在混合浆料仍保持半流动态状态下，相向粘接起来，然后在真空条件下凝结硬化，最终形成压电感知弹性夹芯功能层。3.根据权利要求2所述的压阻/压电夹层材料的制备方法，其特征在于，所述步骤①中在
\t引入官能团之前用盐酸冷凝回流法处理纳米导电材料以去除可能的杂质；所述步骤②中在引入官能团处理之前用盐酸冷凝回流法、重结晶法分别处理纳米导电材料、自...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗健林，李秋义，赵铁军，王旭，吴晓平，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东;37