一种带有中间电极的柔性压电传感/驱动两用器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种带有中间电极的柔性压电传感/驱动两用器件及其制备方法。该柔性压电传感/驱动两用器件包括带有中间电极的柔性压电功能材料层、侧向引出电极和柔性绝缘封装层；其器件结构由上至下具体布局为：上柔性绝缘封装层、柔性压电功能材料层、左右侧向引出电极、下柔性绝缘封装层。该柔性压电功能材料由沿纵、横阵列布置的微米压电陶瓷柱、柔性中间电极以及聚合物粘接剂组成。该传感/驱动两用器件的制备方法主要包括对压电功能材料的制备方法、侧向引出电极制备与装配方法以及两用器件封装方法。本发明专利技术的带有中间电极的柔性压电功能材料，垂直中间电极方向对压电陶瓷柱进行极化，在传感与驱动时有效采用压电陶瓷柱d

【技术实现步骤摘要】
一种带有中间电极的柔性压电传感/驱动两用器件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种带有中间电极的柔性压电传感/驱动两用器件及其制备方法，该压电传感/驱动两用器件用于板状结构损伤监测及板状结构振动抑制。

技术介绍

[0002]压电材料是近年来发展起来的新型智能材料，在光学、电子、航空航天、机械制造、生物工程和机器人等领域得到了广泛的应用，传统压电陶瓷传感器一般体积较大且对电噪声敏感并且柔度低不易贴附曲面结构，而柔性压电陶瓷/聚合物复合材料继承了压电陶瓷高压电性 ，低铁电或热释电和较高居里点等优点，同时由于柔性聚合物相的加入，柔性压电陶瓷/聚合物复合材料的密度、声阻抗和介电常数都有所降低，并且具有一定的柔度。柔性压电陶瓷/聚合物复合材料因具有压电效应，既能作为驱动器，又能作为传感器，且灵敏度高，响应速度快，适合做高频激励，因此被越来越多地应用于结构健康监测。
[0003]在现有的柔性压电陶瓷/聚合物复合材料中，以美国NASA 中心研发了Macro Fiber Composite（MFC）与麻省理工大学研制了Active Fiber Composite (AFC)为典型代表，其主要为压电陶瓷纤维/环氧树脂两相复合材料，材料只在环氧树脂粘接排列方向具有一定柔性，采用压电效应较低d
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实现电能与机械能转换，而且采用叉指电极存在电场分布不均现象（在叉指电极下方的压电材料无电场），造成传感与驱动效率低，难以满足大型柔性结构件健康监测和大应变主动振动抑制要求。
[0004]因此本专利阐述了一种带有中间电极的柔性压电传感/驱动两用器件及其制备方法。该柔性压电功能材料中带有中间柔性电极，微米压电陶瓷柱与中间电极直接接触，能够有效的解决已有压电纤维复合材料叉指电极存在的电场“死区”问题，极大地增强传感/驱动灵敏度。该柔性压电功能材料作为压电功能元件具有柔性大、响应快、灵敏度高、驱动性能好等特点。该柔性压电功能材料制备的压电传感/驱动两用器件整体结构紧凑、柔韧性好、性能稳定，既能很好地与曲面结构耦合作为应力/应变传感器，亦可输入激励信号进行主动振动抑制或结构智能控制驱动器。
[0005]本专利阐述的压电传感/驱动两用器件作为传感器时，通过激励源对待测结构件施加一定规律的激励导波，导波通过被测结构被传感器接受，传感器中柔性压电功能材料将检测的导波信号转换成电信号传递到信号处理系统，实现结构的损伤检测，可检测的信号频率范围可从数Hz至数十kHz。压电传感/驱动两用器件作为驱动器时，将驱动器贴附或嵌入被测对象，当被控制的对象出现非正常振动时，对该驱动器施加激励电压，驱动器根据压电材料的逆压电效应将电能转化为机械能，产生机械变形或机械压力施加于被测结构，达到振动抑制的目的。带有中间电极的柔性压电功能材料及其传感/驱动两用器件克服了压电陶瓷的脆性、PVDF压电薄膜的温度限制，并解决传统MFC电场“死区”问题，有强烈的应用需求。
[0006]公开号CN105405963B的专利技术专利公布了一种梯度柔性压电功能材料及其制备方
法。该制备方法制备的柔性压电功能材料不能解决电场“死区”问题，驱动性能不佳。公开号CN107565013A的专利技术专利公布了一种纵向梯度短纤维柔性压电功能材料及其制备方法。该制备方法步骤繁琐，实际制备困难，对设备要求高，不能有效的进行过程控制，效率过低，不易批量自动化生产。

技术实现思路

[0007]本专利技术的主要目的在于提供一种既可驱动又可以传感的柔性压电传感/驱动两用器件及其制备方法。其作为传感器时，可实现冲击载荷定位、冲击能量和损伤状态的检测，其作为驱动可用于柔性结构主动振动抑制。该传感器/驱动器具有双向柔性大、响应快、灵敏度高、驱动性能好等特点，具有良好的应用价值。
[0008]为了达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种带有中间电极的柔性压电传感/驱动两用器件及其制备方法其特征在于，该柔性压电功能材料由沿纵、横阵列布置的微米压电陶瓷柱、柔性中间电极以及聚合物粘接剂组成。该柔性压电传感/驱动两用器件包括柔性压电功能材料层、侧向引出电极和柔性绝缘封装层；该传感/驱动两用器件的制备方法包括对柔性压电功能材料的制备方法、侧向引出电极制备与装配方法，以及器件封装方法。
[0009]进一步的：所述的柔性压电传感/驱动两用器件包括压电功能材料层、侧向引出电极和柔性绝缘封装层，其器件结构具体布局为：以柔性压电功能材料为中心，左右侧安装侧向引出电极，上下分别覆盖柔性绝缘封装层。
[0010]进一步的：所述的柔性压电功能材料是由横向、纵向分别阵列布置的微米压电陶瓷柱，通过横向槽与纵向槽灌注不同的聚合物粘接与柔性导电胶形成。具体结构表示为：尺寸一致的微米压电陶瓷柱，沿横向、纵向均匀阵列，纵向缝隙中灌注聚合物粘接剂，横向缝隙中灌注柔性导电胶，形成柔性压电功能材料层。
[0011]进一步的：所述的中间电极为柔性压电功能材料中横向贯通并平行排列的柔性导电胶，中间电极与压电陶瓷柱直接接触，每相邻的两条中间电极在工作或极化时形成一个均匀平行电场。
[0012]进一步的：所述的侧向引出电极为“钉耙状”铜电极，铜电极设有规整排列的“电极钉”，“电极钉”的间距为2倍中间电极间距。“钉耙状”铜电极安装于柔性压电功能材料左右侧面，并将“电极钉”从侧向交错扎入在柔性压电功能材料的中间电极中，保证侧向引出电极与相应的中间电极导通，满足极化时相邻两中间电极间的压电陶瓷柱极化方向相反。
[0013]进一步的：所述的柔性压电功能材料，其中微米压电陶瓷柱为PZT基压电陶瓷，其中聚合物粘结剂为具有较好柔韧性的环氧树脂，其中柔性导电胶为导电性能强、黏合性和柔韧性好的导电银胶。所述的侧向引出电极根据材质为导电性能、柔韧性良好的紫铜。
[0014]进一步的：所述的柔性绝缘封装层材料为具有绝缘性、耐候性以及一定耐高温性的云母薄膜或聚酰亚胺膜，薄膜厚度可以根据传感器的尺寸可选用0.01mm-1.00mm厚度。
[0015]一种带有中间电极的柔性压电传感/驱动两用器件的制备方法，包括以下步骤：S1、压电功能材料一次切割加工：将预制的压电陶瓷块固定于夹具中，设置切割参数，采用陶瓷划片机，对陶瓷块进行一次横向切槽，槽深小于坯体高度，沟槽等距排列。
[0016]S2、压电功能材料一次聚合物粘结剂填充：根据压电传感/驱动两用器件设计要求，配置一定比例的环氧树脂，置于全自动脱泡搅拌机中使之充分混合并消除气泡。填充至
压电陶瓷坯体的切槽内，并将其置于真空干燥箱中，在50℃下真空固化，将表面多余的聚合物研磨掉，得到压电陶瓷片/聚合物坯块。
[0017]S3、压电功能材料二次切割加工：将干燥好的压电陶瓷片/聚合物坯块固定于夹具中，设置切割参数，采用陶瓷划片机，垂直于一次切槽方向对坯体进行二次均匀切槽，槽深小于等于第一次槽深，切槽等距排列。
[0018]S4、压电功能材料二次导电胶填充：采用柔性良好的导电胶，对二次切槽进行填充，再置于真空干燥箱中，在50℃真空环境下固化，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.本发明公开了一种带有中间电极的柔性压电传感/驱动两用器件及其制备方法，该柔性压电功能材料由沿纵、横阵列布置的微米压电陶瓷柱、柔性中间电极以及聚合物粘接剂组成，该柔性压电传感/驱动两用器件包括柔性压电功能材料层、侧向引出电极和柔性绝缘封装层；该传感/驱动两用器件的制备方法包括对柔性压电功能材料的制备方法、侧向引出电极制备与装配方法，以及器件封装方法。2.根据权利要求1所述的一种带有中间电极的柔性压电传感/驱动两用器件及其制备方法，其特征在于:所述的柔性压电传感/驱动两用器件包括压电功能材料层、侧向引出电极和柔性绝缘封装层，其器件结构具体布局为：以柔性压电功能材料为中心，左右侧安装侧向引出电极，上下分别覆盖柔性绝缘封装层。3.根据权利要求1、2所述的一种带有中间电极的柔性压电传感/驱动两用器件及其制备方法，其特征在于:所述的柔性压电功能材料是由横向、纵向分别阵列布置的微米压电陶瓷柱，通过横向槽与纵向槽灌注不同的聚合物粘接与柔性导电胶形成；具体结构表示为：尺寸一致的微米压电陶瓷柱，沿横向、纵向均匀阵列，纵向缝隙中灌注聚合物粘接剂，横向缝隙中灌注柔性导电胶，形成柔性压电功能材料层。4.根据权利要求1、2、3所述的一种带有中间电极的柔性压电传感/驱动两用器件及其制备方法，其特征在于:所述的中间电极为柔性压电功能材料中横向贯通并平行排列的柔性导电胶，中间电极与压电陶瓷柱直接接触，每相邻的两条中间电极在工作或极化时形成一个均匀平行电场。5.根据权利要求1所述的一种带有中间电极的柔性压电传感/驱动两用器件及其制备方法，其特征在于:所述的侧向引出电极为“钉耙状”铜电极，铜电极设有规整排列的“电极钉”，“电极钉”的间距为2倍中间电极间距；“钉耙状”铜电极安装于柔性压电功能材料左右侧面，并将“电极钉”从侧向交错扎入在柔性压电功能材料的中间电极中，保证侧向引出电极与相应的中间电极导通，满足极化时相邻两中间电极间的压电陶瓷柱极化方向相反。6.根据权利要求1、2、3、4、5所述的一种带有中间电极的柔性压电传感/驱动两用器件及其制备方法，其特征在于: 所述的柔性压电功能材料，其中微米压电陶瓷柱为PZT基压电陶瓷，其中聚合物粘结剂为具有较好柔韧性的环氧树脂，其中柔性导电胶为导电性能强、黏合性和柔韧性好的导电银胶；所述的侧向引出电极根据材质为导电性能、柔韧性良好的紫铜。7.根据权利要求1、2所述的一种带有中间电极的柔性压电传感/驱动两用器件及其制备方法，其特征在于: 所述的柔性绝缘封装层材料为具有绝缘性、耐候性以及一定耐高温性的云母薄膜或聚酰亚胺膜，薄膜厚度可以根据传感器的尺寸可选用0.01mm-1.00mm厚度。8.根据权利要求1-7中任一项所述带有中间电极的柔性压电功能材料压电传感/驱动两用器件的制备方法，其特征在于制备方法方法包括以下步骤:S1、压电功能材料一次切割加工：将预制的压电陶瓷块固...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈意平，蒋帅，王送来，欧云，肖俐含，刘翊，周剑，李海江，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：