一种基于玻璃晶体对压力响应实现压力传感的方法及其应用技术

技术编号:35939451 阅读:26 留言:0更新日期:2022-12-14 10:27
本发明专利技术公开了一种基于玻璃晶体对压力响应实现压力传感的方法及其应用,属于对压力敏感的相变材料技术领域。该方法包括:(1)对晶体材料样品升温至超过相变温度点,使其处于高温塑晶相状态;(2)对高温塑晶相状态的样品进行快冷淬火,使其温度低于相变温度,以获得玻璃晶体或过冷塑晶;(3)施加外加压力作用到玻璃晶体(或过冷塑晶),使其发生相变至晶体,根据其光学和/或电学性质的变化,实现对压力传感的目的。该方法可应用于安防报警技术和制备变色玻璃中。色玻璃中。

【技术实现步骤摘要】
一种基于玻璃晶体对压力响应实现压力传感的方法及其应用


[0001]本专利技术涉及对压力敏感的相变材料
,具体涉及一种基于玻璃晶体对压力响应实现压力传感的方法及其应用。

技术介绍

[0002]晶体和玻璃是两种常见的固体物质,他们分别体现了固体的有序性和无序性。晶体是由大量结构单元(分子、原子、离子等)按照一定规律有序排列的结构,形成长程有序的晶格,而且格点上结构单元的取向均为有序状态,具有典型的晶体学对称性。而构成玻璃的结构单元的取向是随机的,同时没有构成长程有序的晶格,没有明确的对称性。因此,在用玻璃和晶体来描述物质属性时,通常认为他们是相悖的。然而,玻璃晶体作为一种全新的凝聚态物质,却同时兼具了晶体和玻璃的特性。其体现在,构成这类物质的结构单元的质心保持了晶格对称性;但格点上结构单元的取向却是随机的,不具有对称性。
[0003]玻璃晶体通常可通过对塑晶进行淬火处理得到,类似于对熔融液进行过冷处理可得到玻璃一样。这里提到的塑晶,是一种无序度非常接近于液体的固体。与晶体相比,虽然其质心位置依然保持有长程有序的晶格,但格点上的结构单元的取向完全无序,处于动态旋转状态,因此又被称为旋转无序晶体。一般情况下,随着温度的降低,塑晶会转变为常规晶体,取向变为有序,导致晶体对称性破缺形成新的晶体结构。由于塑晶的无序自由度在系统总自由度的占比接近维持固体刚性的极限,因此在塑晶到晶体相变过程中会释放材料中存储的绝大多数热。与此同时,这一相变过程对压力极为敏感。基于这些特征,近年来,申请人团队在对塑晶材料的压卡效应的研究中取得了突破性进展,在一些塑晶中,由压力驱动的熵变高达到几百J kg
‑1k
‑1,为下一代固态制冷技术提供了一种极具前景的方案。
[0004]然而,申请人团队在研究某些塑晶材料的压卡效应时发现,其压卡效应具有不可逆的特性。即在升温过程中,这类材料可发生由有序晶体相到塑晶相的转变,但是在降温过程,在远低于相变点的温度,依旧未能发生可逆相变。如前文所述,导致这一结果的原因,是因为在对高温塑晶进行快速冷却处理时,其最终会转变为玻璃晶体,而非常规的有序晶体。在介于相变温度(晶体到塑晶)和玻璃化转变温度之间时,其处于过冷塑晶相,并且随着温度的降低,过冷塑晶中结构单元的旋转逐渐变慢。除了热效应之外,申请人团队发现,相比于晶体,玻璃晶体和过冷塑晶在光学性质,以及电学性质等方面,均表现出显著差异,具有对压力多物理响应的特点。图1展示了具有玻璃晶体相的塑晶材料的相变过程及其物理性质变化示意图。
[0005]与其类似,二氧化钒(VO2)作为一种众所周知的金属

绝缘体相变材料,其特点是电导率的剧烈变化,以及光学吸收和介电等物理性质的变化。根据这些特性,研究者们将VO2应用于光电开关、存储材料、超级电容器以及红外探测等领域。除了金属到绝缘体的转变,VO2同时伴随着结构相变,以及较大的相变应变。因此,金属到绝缘体的转变,不仅可以通过温度驱动,还可以通过应变、压力、化学掺杂以及强光或静电场驱动。这些多功能特性,使得VO2成为人们开发多种功能、智能响应设备的重要候选材料。然而,室温下,压力驱动其
发生相变所需的临界压力场过高,严重限制其进一步发展和应用。然而,玻璃晶体以及过冷塑晶的热力学亚稳性,意味着他们对外界压力仍具有极高的敏感性。根据玻璃晶体/过冷塑晶对小压力的多物理响应,有望利用这类材料实现一种压力传感器技术和应用。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种基于玻璃晶体对压力响应实现压力传感的方法及其应用,根据玻璃晶体/过冷塑晶对小压力的多物理响应来实现压力传感,并应用于具体领域中。
[0007]为实现上述目的,本专利技术所采用的技术方案如下:
[0008]一种基于玻璃晶体对压力响应实现压力传感的方法,该方法包括如下步骤:
[0009](1)对晶体材料样品进行升温,升至超过相变温度点,使其处于高温塑晶相状态;
[0010](2)对高温塑晶相状态的样品进行快冷淬火,使其温度低于相变温度,以获得玻璃晶体或过冷塑晶;无论是过冷塑晶还是玻璃晶体,外观呈显透明状,对可见光的透光率极高,电导率也极大;
[0011](3)施加外加压力作用到玻璃晶体(或过冷塑晶)时,其会发生相变至晶体,而晶体的外观呈不透明白色状,透光率低,电导率小,因此根据其光学和/或电学性质的变化,可实现对压力作用的响应和反馈,实现对压力传感的目的。
[0012]上述步骤(1)中,所述晶体材料样品为2

氨基
‑2‑
甲基

1,3

丙二醇(CH3)C(CH2)(CH2OH)2(AMP)、间碳硼烷C2B
10
H
12
、1

氰基金刚烷C
11
H
15
N(CAN)、金刚烷酮C
10
H
14
O(AON)和五氯硝基苯C6C
l5
NO2(PCNB)中的一种或多种;该晶体材料样品经步骤(1)处理后能够处于塑晶相状态。
[0013]当步骤(1)晶体材料样品选择为2

氨基
‑2‑
甲基

1,3

丙二醇(AMP)时,经步骤(1)

(2)处理后,其在室温时为过冷塑晶态,颜色为透明状,此状态下对波长范围200nm

800nm光的透射率达95%以上;此状态可长期稳定保存于室温条件下长达半年以上。
[0014]上述步骤(3)中,当对过冷塑晶态的2

氨基
‑2‑
甲基

1,3

丙二醇(AMP)进行针刺,其会迅速发生过冷塑晶相到有序晶体的转变;此时,有序晶体的颜色呈现白色不透明,对波长范围200nm

800nm光的透射率降至10%以下。
[0015]上述步骤(3)中,施加压力的方式为施加等静压或针刺加压。
[0016]上述实现压力传感的方法可应用于安防报警技术中,具体为:将所述晶体材料样品经步骤(1)

(2)处理后得到过冷塑晶或玻璃晶体,将其制备于被保护物品的外壳表面,过冷塑晶相的状态透明,并不影响外界对被保护物品的观察;一旦有物品碰撞其外壳表面,压力会诱导表面的过冷塑晶向有序晶体转变,同时会伴随着颜色、透明度和/或电导率等信号的巨大改变,从而实现对压力响应,并通过连接报警系统实现传感报警的作用。所述被保护物品为博物馆中文物展览柜中的文物,或者是商场中珠宝展柜中的珠宝首饰等物品。
[0017]上述实现压力传感的方法可应用于变色玻璃中,具体为:将所述晶体材料样品填充于双层玻璃的间隙中,通过集成于玻璃周边的温控装置,对晶体材料样品按步骤(1)

(2)进行加热并快速降温,从而获取过冷塑晶相,此时由于过冷塑晶的颜色透明本文档来自技高网
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于玻璃晶体对压力响应实现压力传感的方法,其特征在于:该方法包括如下步骤:(1)对晶体材料样品进行升温,升至超过相变温度点,使其处于高温塑晶相状态;(2)对高温塑晶相状态的样品进行快冷淬火,使其温度低于相变温度,以获得玻璃晶体或过冷塑晶;无论是过冷塑晶还是玻璃晶体,外观呈显透明状,对可见光的透光率极高,电导率也极大;(3)施加外加压力作用到玻璃晶体(或过冷塑晶)时,其会发生相变至晶体,而晶体的外观呈不透明白色状,透光率低,电导率小,因此根据其光学和/或电学性质的变化,可实现对压力作用的响应和反馈,实现对压力传感的目的。2.根据权利要求1所述的基于玻璃晶体对压力响应实现压力传感的方法,其特征在于:步骤(1)中,所述晶体材料样品为2

氨基
‑2‑
甲基

1,3

丙二醇(CH3)C(CH2)(CH2OH)2(AMP)、间碳硼烷C2B
10
H
12
、1

氰基金刚烷C
11
H
15
N(CAN)、金刚烷酮C
10
H
14
O(AON)和五氯硝基苯C6C
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NO2(PCNB)中的一种或多种;该晶体材料样品经步骤(1)处理后能够处于塑晶相状态。3.根据权利要求2所述的基于玻璃晶体对压力响应实现压力传感的方法,其特征在于:当步骤(1)晶体材料样品选择为2

氨基
‑2‑
甲基

1,3

丙二醇(AMP)时,经步骤(1)

(2)处理后,其在室温时为过冷塑晶态,颜色为透明状,此状态下对波长范围200nm

800nm光的透射率达9...

【专利技术属性】
技术研发人员:李昺张琨张志东
申请(专利权)人:中国科学院金属研究所
类型:发明
国别省市:

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