静动态三维微裂纹扩展传感器制备方法、传感器及设备技术

本发明专利技术属于传感器技术领域，提供了一种静动态三维微裂纹扩展传感器制备方法、传感器及设备。其中，该制备方法包括配制压阻/压电感知功能材料分散料，并将其附着至纤维布基体表面，得到压阻/压电感知纤维布；预拉伸处理压阻/压电感知纤维布，得到压阻/压电感知三维微裂纹纤维布；微波烧蚀压阻/压电感知三维微裂纹纤维布，除去纤维布基体，得到压阻/压电感知三维微裂纹功能骨架；在压阻/压电感知三维微裂纹功能骨架两面分别涂覆导电层，进而形成电极；对表面形成电极的压阻/压电感知三维微裂纹功能骨架进行极化处理；封装压阻/压电感知三维微裂纹功能骨架，得到静动态三维微裂纹扩展传感器。展传感器。展传感器。

【技术实现步骤摘要】
静动态三维微裂纹扩展传感器制备方法、传感器及设备


[0001]本专利技术属于传感器
，尤其涉及一种静动态三维微裂纹扩展传感器制备方法、传感器及设备。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]传感器是实现结构健康监测的关键环节，将压阻材料(如石墨、炭黑、碳纤维、碳纳米管、石墨烯)、压电陶瓷(如钛酸铅、氧化锌、锆钛酸铅)等导电/压电材料掺入水泥混凝土中制成本征感知块材，水泥基压电感知块材则需要经过混合、压制、极化等一系列处理，并埋置或嵌入各类结构体系，操作复杂不适应实际施工。同时，随着传感功能材料的发展，电阻应变片(丝)、压电陶瓷、疲劳寿命丝、形状记忆合金、光纤光栅等相继出现，但面向工程领域的这些传感器件要么需埋入结构体系、埋入工艺复杂、成活率低，要么造价高、寿命短，要么抗干扰能力差、耐腐蚀性差，要么与混凝土相容性差，进而影响结构力学性能。
[0004]与上述本征感知块材相比，柔性感知薄膜可提前制备省去了现场制作环节，而且能很好的贴敷在结构表面及内部，适应各类特殊尺寸、形状结构的要求，且粘贴在结构上对传感材料本身性能影响很小。
[0005]柔性感知薄膜传感器根据工作原理的不同，可以分为四种类型:压阻式、电容式、压电式和摩擦起电式。由于电容式传感器的初始电容很小，易受测量电路与周围导体构成的随机寄生电容的影响，使其工作时稳定性差。摩擦起电式传感器在实际应用中有严格的封装要求，要注意防水和防潮处理。另外，摩擦电式传感器摩擦起电效应会随着工作时间的增加而下降，机械稳定性较差。而压阻式传感器和压电式传感器工艺简单、成本低廉、传感性能稳定，因此在结构健康监测领域相对于电容式传感器和摩擦电式传感器更为适用。
[0006]但压阻式薄膜传感器仅能检测结构静态信号，但不能感知结构的变形状态，对应变速率也不敏感。而压电式传感薄膜虽响应迅速，但仅适用于检测动态信号，如瞬态力变化、变形速率等，不能反映最终的应变状态。因此，单一模式的压阻式传感薄膜或压电式传感薄膜在结构静/动态信号检测过程中会造成信息丢失，为解决这些不足而提出了静/动态双模式传感器。
[0007]中国专利CN105953821B首次公开了一种压阻/压电夹层式传感器，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)和压电感知弹性夹芯功能层；其中，由压电感知弹性夹芯功能层纳米ZnO/PDMS或PVDF/PDMS制成，能对静态信号和动态信号实现有效监测，但锌片的柔性差，当工作面为异形时粘贴效果不理想，而且封装弹性体与导电层在外力作用下机械稳定性不足，导电层易于与弹性体分离失去作用。同时该类传感器薄膜较厚、灵敏度较差，难以同时具备高灵敏度和高柔性。

技术实现思路

[0008]为了解决上述
技术介绍
中存在的技术问题，本专利技术提供一种静动态三维微裂纹扩展传感器制备方法、传感器及设备，其适用于结构监测，且具有高柔性、快速而灵敏感知静动态信号的特点。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0010]本专利技术的第一个方面提供了一种静动态三维微裂纹扩展传感器制备方法，其包括：
[0011]配制压阻/压电感知功能材料分散料，并将其附着至纤维布基体表面，得到压阻/压电感知纤维布；
[0012]预拉伸处理压阻/压电感知纤维布，得到压阻/压电感知三维微裂纹纤维布；
[0013]微波烧蚀压阻/压电感知三维微裂纹纤维布，除去纤维布基体，得到压阻/压电感知三维微裂纹功能骨架；
[0014]在压阻/压电感知三维微裂纹功能骨架两面分别涂覆导电层，进而形成电极；
[0015]对表面形成电极的压阻/压电感知三维微裂纹功能骨架进行极化处理；
[0016]用弹性体封装压阻/压电感知三维微裂纹功能骨架，得到静动态三维微裂纹扩展传感器。
[0017]作为一种实施方式，在对表面形成电极的压阻/压电感知三维微裂纹功能骨架进行极化处理的过程中，采用一块设定厚度且面积与涂覆银浆面积相等的导体叠覆在压阻/压电感知三维微裂纹功能骨架上面，一同放置在极化装置点接触电极与底部电极之间进行极化处理。
[0018]作为一种实施方式，配制压阻/压电感知功能材料分散料的过程为：
[0019]配制压电功能材料前驱液；
[0020]利用超声表面活性剂方法，将具有压阻功能的材料混溶分散于压电功能材料前驱液中，得到压阻/压电感知功能材料分散料。
[0021]作为一种实施方式，在压阻/压电感知三维微裂纹功能骨架两面涂覆的导电层为导电银浆。
[0022]作为一种实施方式，所述压阻功能材料为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。
[0023]作为一种实施方式，所述压电功能材料为PZT前驱体/粉体、纳米ZnO前驱体/粉体或氮化铝粉体。
[0024]作为一种实施方式，所述纤维布基体为合成纤维面料或棉布。
[0025]作为一种实施方式，在压阻/压电感知三维微裂纹功能骨架两面分别涂覆导电层之前还包括：
[0026]清洗压阻/压电感知三维微裂纹功能骨架。
[0027]作为一种实施方式，对表面形成电极的压阻/压电感知三维微裂纹功能骨架进行极化处理之后，还包括：
[0028]去除压阻/压电感知三维微裂纹功能骨架表面的硅油。
[0029]本专利技术的第二个方面提供了一种静动态三维微裂纹扩展传感器，其采用如上述所述的静动态三维微裂纹扩展传感器制备方法制备得到。
[0030]本专利技术的第三个方面提供了一种结构监测设备，其包括上述所述的静动态三维微裂纹扩展传感器。
[0031]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0032](1)本专利技术提供了一种静动态三维微裂纹扩展传感器制备方法，其将压阻/压电感知功能材料分散料附着在柔性纤维布上；经预拉伸产生三维环状微裂纹，经微波烧蚀制成三维卷曲管状骨架；再经涂覆电极、极化、弹性体封装后，获得的一种粘贴在结构表面或内部的裂纹传感器，使得静动态三维微裂纹扩展传感器具有压阻压电双模灵敏度高和有较高压电系数的特点，具有三维裂纹感知能力、柔韧性好、尺寸可灵活调整、静/动态传感稳定性好等诸多优点；而且贴敷在结构上不会影响结构及材料的性能，可紧密地粘敷到结构表面，进而实现了涵盖全频域的结构静/动态性能指标参数的快速而稳定监测。
[0033](2)本专利技术中将压阻/压电感知功能材料分散料附着在柔性纤维基体上，利用纤维布纤维结构形成骨架结构，并通过微波烧蚀除去柔性纤维布基体，弹性体可穿过骨架缝隙与骨架相互交织，保证传感器在外力作用时有足够的机械稳定性，避免了由于传感功能层与柔性纤维布基体间或与弹性体间由于力学性能等的差异，发生分离导致传感器的机械稳定性差的问题，同时除去柔性纤维布基体有利于灵敏度的提高；较小的预拉伸应变即可产生三维微裂纹，使得最终的传感器在较小的外界扰动下即能做出反应，众多三本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种静动态三维微裂纹扩展传感器制备方法，其特征在于，包括：配制压阻/压电感知功能材料分散料，并将其附着至纤维布基体表面，得到压阻/压电感知纤维布；预拉伸处理压阻/压电感知纤维布，产生三维微裂纹，得到压阻/压电感知三维微裂纹纤维布；微波烧蚀压阻/压电感知三维微裂纹纤维布，除去纤维布基体，形成三维卷曲骨架，得到压阻/压电感知三维微裂纹功能骨架；在压阻/压电感知三维微裂纹功能骨架两面分别涂覆导电层，进而形成电极；对表面形成电极的压阻/压电感知三维微裂纹功能骨架进行极化处理；用弹性体封装压阻/压电感知三维微裂纹功能骨架，得到静动态三维微裂纹扩展传感器。2.如权利要求1所述的静动态三维微裂纹扩展传感器制备方法，其特征在于，在对表面形成电极的压阻/压电感知三维微裂纹功能骨架进行极化处理的过程中，采用一块设定厚度且面积与涂覆银浆面积相等的导体叠覆在压阻/压电感知三维微裂纹功能骨架上面，一同放置在极化装置点接触电极与底部电极之间进行极化处理。3.如权利要求1所述的静动态三维微裂纹扩展传感器制备方法，其特征在于，配制压阻/压电感知功能材料分散料的过程为：配制压电功能材料前驱液；利用超声表面活性剂方法，将具有压阻功能的材料混溶分散于压电功能材料前驱液中，得到压阻/压电感知功能材料分散料。...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗健林，周晓阳，聂华荣，高乙博，李治庆，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：