一种具有瑞士卷结构的压电纤维及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种具有瑞士卷结构的压电纤维及其制备方法和应用，压电纤维包括压电功能层和包覆在所述压电功能层上的绝缘层，压电功能层由压电复合层按照瑞士卷结构形式、沿垂直于其自身轴心的方向卷绕而成，压电复合层包括依次叠加设置的第一压电层、导电层和第二压电层；在压电功能层外包覆绝缘层，真空加热固结，制成预制棒，热拉伸，制成；以及上述压电纤维在传感器、驱动器和超声传感器装置等领域中的应用；本发明专利技术压电纤维，其具有瑞士卷结构，不仅机械性能好，耐久性好，压电效果更好，而且独特的结构使从不同方向收集机械能变得更加可行。

【技术实现步骤摘要】
一种具有瑞士卷结构的压电纤维及其制备方法和应用
本专利技术属于功能纤维领域，具体涉及一种具有瑞士卷结构的压电纤维及其制备方法和应用。
技术介绍
压电纤维因具有较高的压电应变常数和厚度机电耦合系数、低的机械品质因数和声阻抗等优异性能，在传感器、驱动器、超声传感器装置以及汽车、航空等领域有着很大的潜在应用。目前，压电纤维制造的直接方法主要包括沿ZnO纳米棒或纳米线（NWs），BaTiO3（BTO）纳米结构和Pb（Zr0.52Ti0.48）O3（PZT）NW直接生长或湿挤压压电陶瓷材料金属丝/超细纤维。例如，通过在铜线上沉积ZnO纳米棒来报道压电纤维；通过将PNN-PZT粉末和有机溶剂与50μmPt纤芯的混合物一起挤出，展示了Pb（Nb，Ni）O3-Pb（Zr，Ti）O3（PNN-PZT）压电陶瓷纤维；又如中国专利CN101358388B，其公开了一种PZT压电纤维的制备方法，具体步骤如下：(1)PZT溶胶制备：将质量比例为110∶56∶44的醋酸铅、硝酸锆、钛酸四丁酯分别在有机溶剂中进行超声溶解，并加入适量的稳定剂，将三者的前驱体溶液混合，在80℃低温加热和超声振荡条件下，在其中加入体积比为1∶0.5～1∶3的水和醋酸调节溶液水解度，调整溶胶的浓度为0.3mol/l，并在磁力搅拌下使混合物混合均匀，获得所述的溶胶；(2)溶胶-粉末混合体系的制备：将溶胶和PZT粉末按质量比为1∶1～1∶9混合，在80℃低温加热和均匀搅拌下，再利用研钵研磨数分钟，或用轧膜机进行轧制，使得混合物充分混合均匀，并具有合适的可塑性；(3)PZT压电纤维的制备：将上述(2)所得可塑性混合物置于合适的预热模具中，在一定压力和60℃低温加热下，在挤出机上进行纤维素坯的制备，将纤维素坯放置在平板玻璃上室温干燥，排除纤维表面的吸附水；(4)PZT压电纤维的热处理：将室温干燥后的纤维，在低温干燥箱中进行干燥，然后进行热处理，得到PZT压电纤维。但是，现已有的技术所制造的压电发生器通常具有较差的机械可靠性，频繁而剧烈的机械运动可能会损坏纤维结构，例如连续弯曲会导致压电层破裂，甚至从纤维芯上剥落，且压电效果不显著，这使其不适用于真正的可穿戴应用。因此，制备出压电效果好，机械性能好，耐久性好，且适用于可穿戴应用的压电纤维具有极佳的现实意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术中的不足，提供一种新型的压电纤维，其具有瑞士卷结构，不仅机械性能好，耐久性好，压电效果更好，而且独特的结构使从不同方向收集机械能变得更加可行。本专利技术同时还提供了一种上述压电纤维的制备方法。本专利技术同时还提供了一种上述压电纤维在传感器、驱动器和超声传感器装置中的应用，以及在汽车、航空等领域也有着很大的潜在应用。为解决以上技术问题，本专利技术采取的一种技术方案如下：一种压电纤维，所述压电纤维包括压电功能层和包覆在所述压电功能层上的绝缘层，所述压电功能层由压电复合层按照瑞士卷结构形式、沿垂直于其自身轴心的方向卷绕而成，所述压电复合层包括依次叠加设置的第一压电层、导电层和第二压电层。根据本专利技术的一些优选且具体的方面，所述第一压电层的厚度、所述导电层的厚度和所述第二压电层的厚度分别独立地为100-300μm。根据本专利技术的一些优选且具体的方面，所述第一压电层的厚度、所述导电层的厚度和所述第二压电层的厚度相同。根据本专利技术的一些优选方面，所述第一压电层、所述第二压电层分别独立地由选自聚偏氟乙烯（PVDF）、聚偏氟乙烯三氟乙烯(P(VDF-TrFE))、钙钛矿陶瓷（BTO或PZT）纳米粒子浸渍的聚偏氟乙烯和碳纳米管（CNT）浸渍的聚偏氟乙烯中的一种或多种的组合制成。根据本专利技术的一些优选方面，所述压电复合层为将所述第一压电层、所述导电层和所述第二压电层依次叠加在一起，然后在加热状态下使所述第一压电层和所述第二压电层分别发生软化而制成。根据本专利技术的一个具体方面，所述加热状态的温度为85-105℃。本专利技术中，在压电复合层的制备过程中，加热的目的是为了使得所述第一压电层和所述第二压电层能够软化进而较好的附着在导电层表面，以实现三者之间的紧密结合，避免在后期卷绕过程中发生分离现象，确保更优的压电效果以及机械性能等。根据本专利技术的一些优选且具体的方面，所述导电层的材料为选自碳载聚乙烯（CPE）、碳浸渍低密度聚乙烯（C-LDPE）和石墨烯中的一种或多种的组合。根据本专利技术的一些优选且具体的方面，所述绝缘层的材料为选自聚碳酸酯（PC）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）中的一种或多种的组合。根据本专利技术的一些优选方面，所述压电纤维通过如下方法制成：在所述压电功能层外包覆所述绝缘层，真空加热固结，制成预制棒，然后将所述预制棒经过热拉伸，制成。根据本专利技术的一些具体方面，所述绝缘层的厚度为500-700μm。根据本专利技术的一个具体方面，所述绝缘层的厚度约为600μm。本专利技术提供的又一技术方案：一种上述所述的压电纤维的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：（1）将所述第一压电层、所述导电层和所述第二压电层依次叠加在一起，然后在加热状态下使所述第一压电层和所述第二压电层分别发生软化，制成所述压电复合层；（2）将所述压电复合层按照瑞士卷结构形式、沿垂直于其自身轴心的方向卷绕制成所述压电功能层，在所述压电功能层外包覆所述绝缘层，真空加热固结，制成预制棒；（3）将所述预制棒经过热拉伸，制成所述压电纤维。根据本专利技术的一些优选方面，步骤（1）中，所述加热状态的温度为85-105℃。根据本专利技术的一些优选方面，步骤（2）中，在制成所述压电功能层的过程中，所述压电复合层卷绕的层数大于5层。根据本专利技术的一些优选方面，步骤（2）中，所述真空加热固结的温度为110-120℃。根据本专利技术，真空加热固结有利于除去残留的气体并形成高质量的界面，确保更优的压电效果以及机械性能等。根据本专利技术的一些具体方面，所述预制棒的直径为10-100mm，也可以为10-50mm，也可以为20-40mm。根据本专利技术的一些优选方面，步骤（3）中，所述热拉伸通过三温区加热拉伸炉进行，三温区的加热温度依次为：135-145℃、210-230℃、110-130℃。本专利技术提供的又一技术方案：一种上述所述的压电纤维在传感器、驱动器和超声传感器装置中的应用。由于以上技术方案的采用，本专利技术与现有技术相比具有如下优点：本专利技术创新地将压电纤维制成具有瑞士卷结构的形式，不仅大大增加了有效表面积并减小了层厚度，以使得电压和电流大大提高，这样的纤维可以产生更多的电能；而且其柔韧性和均匀性也比现有层状或核壳结构的压电纤维好，从而为新颖的设备功能特性提供了机会（例如可穿戴设备），同时此种独特的结构使从不同方向收集机械能变得更加可行，获得更好的压电效果，从而可更复杂的功能，并实现了真正的多功能纤维。附图说明图1为本专利技术实施例1的压电纤维的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压电纤维，其特征在于，所述压电纤维包括压电功能层和包覆在所述压电功能层上的绝缘层，所述压电功能层由压电复合层按照瑞士卷结构形式、沿垂直于其自身轴心的方向卷绕而成，所述压电复合层包括依次叠加设置的第一压电层、导电层和第二压电层。/n

【技术特征摘要】
1.一种压电纤维，其特征在于，所述压电纤维包括压电功能层和包覆在所述压电功能层上的绝缘层，所述压电功能层由压电复合层按照瑞士卷结构形式、沿垂直于其自身轴心的方向卷绕而成，所述压电复合层包括依次叠加设置的第一压电层、导电层和第二压电层。


2.根据权利要求1所述的压电纤维，其特征在于，所述第一压电层的厚度、所述导电层的厚度和所述第二压电层的厚度分别独立地为100-300μm。


3.根据权利要求1或2所述的压电纤维，其特征在于，所述第一压电层的厚度、所述导电层的厚度和所述第二压电层的厚度相同。


4.根据权利要求1所述的压电纤维，其特征在于，所述第一压电层、所述第二压电层分别独立地由选自聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯三氟乙烯、钙钛矿陶瓷纳米粒子浸渍的聚偏氟乙烯和碳纳米管浸渍的聚偏氟乙烯中的一种或多种的组合制成。


5.根据权利要求4所述的压电纤维，其特征在于，所述压电复合层为将所述第一压电层、所述导电层和所述第二压电层依次叠加在一起，然后在加热状态下使所述第一压电层和所述第二压电层分别发生软化而制成。


6.根据权利要求1所述的压电纤维，其特征在于，所述导电层的材料为选自碳载聚乙烯、碳浸渍低密度聚乙烯和石墨烯中的一种或多种的组合；和/或，所述绝缘层的材料为选自聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷和聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宇清，王玉婷，胡静，杨欣，李冉冉，方剑，潘志娟，
申请(专利权)人：南通纺织丝绸产业技术研究院，苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32