一种压电电缆及其制备方法

1.本发明属于压电传感领域，具体涉及一种压电电缆及其制备方法。


背景技术：

2.压电材料是一种能够将机械能和电能相互转换的材料。压电材料在受到某一方向的外力作用而发生形变(包括弯曲和伸缩形变)时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷，该现象称为正压电效应。压电传感器是利用压电材料的正压电效应制成的传感器。传统的压电传感器通常是平板薄膜型，近年来随着智能交通、安防和可穿戴设备等领域应用需求的增长，出现了压电电缆。
3.压电电缆采用同轴设计，通常是选择一种金属电芯作为一个电极，将压电聚合物薄膜螺旋缠绕在金属电芯上，再将另外一个导电层涂覆在压电聚合物薄膜上制备而成。
4.现有的制备压电电缆的方法中，压电聚合物薄膜是螺旋缠绕在金属电芯表面，当电缆被拉伸或弯曲时，压电聚合物薄膜的重叠部分会彼此错开，严重地限制了压电电缆的灵敏度，甚至使其失去压电性能，损害了使用寿命。为提高压电电缆的抗拉伸性和抗弯曲性，需要将压电聚合物薄膜与导电内芯进行严密咬合，而这一方面提高了生产难度，另一方面也使压电电缆失去了柔韧性。


技术实现要素：

5.本发明旨在解决上述问题，提供了一种压电电缆及其制备方法，该压电电缆具有柔韧性和长寿命。
6.按照本发明的技术方案，所述压电电缆的制备方法，包括以下步骤，
7.s1：将压电聚合物分散在不良溶剂中，形成悬浮液；
8.s2：以所述悬浮液为电解液，导电内芯作为阳极，空心柱体为阴极；将所述导电内芯放置于所述空心柱体的中心位置，进行电镀，得到表面负载压电聚合物的导电内芯；
9.s3：对所述表面负载压电聚合物的导电内芯进行热处理，使导电内芯表面负载的压电聚合物形成压电聚合物薄膜层；
10.s4：在所述压电聚合物薄膜层外设置导电外层；
11.s5：在所述导电外层外设置护套层，得到所述压电电缆。
12.进一步的，所述压电聚合物选自含氟树脂、聚酰胺、纤维素和聚乳酸中的一种或多种。
13.进一步的，所述含氟树脂选自偏氟乙烯的均聚物(pvdf)、偏氟乙烯与三氟乙烯的共聚物(p(vdf-trfe))、偏氟乙烯与三氟氯乙烯的共聚物、偏氟乙烯、三氟乙烯和三氟氯乙烯的共聚物、偏氟乙烯与六氟丙烯的共聚物、偏氟乙烯与六氟环氧丙烷的共聚物、偏氟乙烯、六氟丙烯和四氟乙烯的共聚物中的一种或多种。优先为偏氟乙烯的均聚物(pvdf)，偏氟乙烯与三氟乙烯的共聚物(p(vdf-trfe))。
14.进一步的，所述不良溶剂选自甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮和四氢呋喃中的一种或多
种。上述不良溶剂，对于含氟树脂、聚酰胺、纤维素和聚乳酸，均可以选择。选择不良溶剂的原则是既不能对所选聚合物良好溶解，也不对环境产生污染。
15.进一步的，所述悬浮液的浓度为0.1-100mg/ml，优选为0.1-50mg/ml，进一步优选为0.1-10mg/ml。为保证压电聚合物的良好分散，可以将所制得的悬浮液进行搅拌，优选超声波搅拌。
16.进一步的，所述导电内芯、空心柱体和导电外层的材质独立选自金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨和钒中的一种或其合金。
17.进一步的，导电内芯的形状可以为u形、圆柱形、v形、弹簧形等多种形状，优选圆柱形。其直径为0.1-100mm，优选的0.1-50mm，进一步优选为0.1-10mm。
18.进一步的，所述步骤s2中，电镀电压为0.1-1000v，时间为5s-30min，电极间距为0.1-100mm。
19.优选电压为0.1-100v，进一步优选为10-20v；优选时间为5s-10min，进一步优选为5s-5min；优选电极间距为0.1-50mm，进一步优选为0.1-10mm。
20.具体的，所述步骤s2中，将所述悬浮液倒入电镀槽中准备电镀。
21.进一步的，所述步骤s3中，热处理的温度高于压电聚合物的熔点，热处理的时间为1min-30min，优选为1-15min，进一步优选为1-10min。
22.进一步的，所述压电聚合物薄膜层的厚度为20-50μm，优选为30-40μm。
23.进一步的，所述步骤s4的具体操作如下：
24.将导电浆料直接涂覆在压电聚合物薄膜层的表面形成导电外层；或
25.利用磁控溅射或真空蒸镀将金属溅射到压电聚合物薄膜层的表面形成导电外层；或
26.在压电聚合物薄膜层的外表面包裹一层导电碳胶形成导电外层。
27.进一步的，所述护套层的材料为绝缘橡胶、聚乙烯或聚烯烃，优选为聚烯烃。
28.本发明的另一方面提供了上述制备方法制得的压电电缆。
29.具体的，所述压电电缆包括从内至外依次同轴设置的导电内芯、压电聚合物薄膜层和导电外层。
30.具体的，压电电缆的导电内芯外侧包裹压电聚合物薄膜层，压电聚合物薄膜层外侧设置导电外层。压电聚合物薄膜层将导电内芯和导电外层绝缘分开。
31.本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：本发明具有压电效应的压电电缆，采用自屏蔽同轴结构；使用电镀的方法将压电聚合物薄膜层涂覆到导电内芯上，解决了压电电缆使用寿命短以及柔韧性差的问题；本发明压电电缆压电聚合物薄膜层与导电内芯接触紧密、柔韧性好、使用寿命长。
附图说明
32.图1为本发明压电电缆的结构示意图。
33.图2为本发明压电电缆的剖面结构示意图。
34.图3为实施例1中制备的压电电缆的灵敏度曲线图。
35.图4为实施例2中制备的压电电缆的灵敏度曲线图。
36.图5为实施例3中制备的压电电缆的灵敏度曲线图。
37.图6为实施例4中制备的压电电缆的灵敏度曲线图。
38.附图标记说明：1-导电内芯、2-压电聚合物薄膜层、3-导电外层、4-护套层。
具体实施方式
39.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
40.如图1和2所示，一种压电电缆，采用自屏蔽同轴结构。该压电电缆包括护套层4，以及设置在护套层4内侧的导电内芯1、压电聚合物薄膜层2、导电外层3；其中，导电内芯1的外侧包裹压电聚合物薄膜层2，压电聚合物薄膜层2外侧设置导电外层3；压电聚合物薄膜层2的两面分别与导电内芯1和导电外层3相接触，并将导电内芯1和导电外层3绝缘分开。
41.当压电电缆受到压力或被拉伸，产生正比于压力的压电信号，通过导电内芯和导电外层输出。保护层4一般由绝缘橡胶、聚乙烯以及聚烯烃等有机材料制成，优选聚烯烃，主要对压电电缆起保护和绝缘作用等。其中导电内芯和导电外层所用材料可选自金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨、钒中的任意一种或其合金。导电内芯和导电外层的主要作用是收集压电聚合物薄膜层2产生的电荷，起到导电作用。导电内芯也用来当作电镀压电聚合物时的一个电极。导电内芯的形状可以为u形、圆柱形、v形、弹簧形等多种形状，优选圆柱形。压电聚合物薄膜材料可以为含氟树脂例如偏氟乙烯的均聚物(pvdf)，偏氟乙烯与三氟乙烯的共聚物(p(vdf-trfe))，偏氟乙烯与三氟氯乙烯的共聚物，偏氟乙烯、三氟乙烯和三氟氯乙烯的共聚物，偏氟乙烯与六氟丙烯的共聚物，偏氟乙烯与六氟环氧丙烷的共聚物，偏氟乙烯、六氟丙烯和四氟乙烯的共聚物中的一种或多种，也可选自聚酰胺、纤维素、聚乳酸等其他压电聚合物中的一种或多种。
42.实施例1压电聚合物薄膜层厚度为30μm的p(vdf-trfe)压电电缆的制备方法
43.1)采用0.5mm直径铜芯作为导电内芯，将铜芯放在乙醇溶液中超声30min，去除表面油污；
44.2)将适量p(vdf-trfe)粉末分散在异丙醇溶液中，形成5mg/ml的异丙醇悬浮液，在25℃超声仪中超声30min，以促进p(vdf-trfe)粒子分散完全；
45.3)对步骤2)中的p(vdf-trfe)粒子的异丙醇悬浮液进行电镀，其中电镀电压为10v，电镀时间为2min，电极间距为5mm；
46.4)将表面涂覆了压电聚合物层的导电内芯在180℃的烘箱中进行热处理，待p(vdf-trfe)粒子熔融完全，经过5min热处理后关闭烘箱，取出样品，初步得到压电聚合物薄膜层；
47.5)在压电聚合物薄膜层外部包裹一层导电碳胶作为外电极，铜芯作为内电极，导电碳胶厚度为160μm，将包裹了导电碳胶的压电电缆装进热缩管(聚烯烃)中进行封装。通过激振器施加频率为4hz的方波信号敲击压电电缆，使用tds 2024b型示波器记录压电电缆的开路电压-时间曲线，以此来检测压电电缆的压电特性。
48.实施例2压电聚合物薄膜层厚度为40μm的p(vdf-trfe)压电电缆的制备方法
49.1)采用0.5mm直径铜芯作为导电内芯，将铜芯放在乙醇溶液中超声30min，去除表面油污；
50.2)将适量p(vdf-trfe)粉末分散在异丙醇溶液中，形成5mg/ml的异丙醇悬浮液，在
25℃超声仪中超声30min，以促进p(vdf-trfe)粒子分散完全；
51.3)对步骤2)中的p(vdf-trfe)粒子的异丙醇悬浮液进行电镀，其中电镀电压为20v，电镀时间为2min，电极间距为5mm；
52.4)将表面涂覆了压电聚合物层的导电内芯在180℃的烘箱中进行热处理，待p(vdf-trfe)纳米颗粒熔融完全，经过5min热处理后关闭烘箱，取出样品，初步得到压电聚合物薄膜层；
53.5)在压电聚合物薄膜层外部包裹一层导电碳胶作为外电极，铜芯作为内电极，导电碳胶厚度为160μm，将包裹了导电碳胶的压电电缆装进热缩管(聚烯烃)中进行封装。通过激振器施加频率为4hz的方波信号敲击压电电缆，使用tds 2024b型示波器记录压电电缆的开路电压-时间曲线，以此来检测压电电缆的压电特性。
54.实施例3压电聚合物薄膜层厚度为30μm的pvdf压电电缆的制备方法
55.1)采用0.5mm直径铜芯作为导电内芯，将铜芯放在乙醇溶液中超声30min，去除表面油污；
56.2)将适量pvdf粉末分散在异丙醇溶液中，形成5mg/ml的异丙醇悬浮液，在25℃超声仪中超声30min，以促进pvdf粒子分散完全；
57.3)对步骤2)中的pvdf粒子的异丙醇悬浮液进行电镀，其中电镀电压为10v，电镀时间为2min，电极间距为5mm；
58.4)将表面涂覆了压电聚合物层的导电内芯在180℃的烘箱中进行热处理，待pvdf纳米颗粒熔融完全，经过5min热处理后关闭烘箱，取出样品，初步得到压电聚合物薄膜层；
59.5)在压电聚合物薄膜层外部包裹一层导电碳胶作为外电极，铜芯作为内电极，导电碳胶厚度为160μm，将包裹了导电碳胶的压电电缆装进热缩管(聚烯烃)中进行封装。通过激振器施加频率为4hz的方波信号敲击压电电缆，使用tds 2024b型示波器记录压电电缆的开路电压-时间曲线，以此来检测压电电缆的压电特性。
60.实施例4压电聚合物薄膜层厚度为40μm的pvdf压电电缆的制备方法
61.1)采用0.5mm直径铜芯作为导电内芯，将铜芯放在乙醇溶液中超声30min，去除表面油污；
62.2)将适量pvdf粉末分散在异丙醇溶液中，形成5mg/ml的异丙醇悬浮液，在25℃超声仪中超声30min，以促进pvdf粒子分散完全；
63.3)对步骤2)中的pvdf粒子的异丙醇悬浮液进行电镀，其中电镀电压为20v，电镀时间为2min，电极间距为5mm；
64.4)将表面涂覆了压电聚合物层的导电内芯在180℃的烘箱中进行热处理，待pvdf粒子熔融完全，经过5min热处理后关闭烘箱，取出样品，初步得到压电聚合物薄膜层；
65.5)在压电聚合物薄膜层外部包裹一层导电碳胶作为外电极，铜芯作为内电极，导电碳胶厚度为160μm，将包裹了导电碳胶的压电电缆装进热缩管(聚烯烃)中进行封装。通过激振器施加频率为4hz的方波信号敲击压电电缆，使用tds 2024b型示波器记录压电电缆的开路电压-时间曲线，以此来检测压电电缆的压电特性。
66.实施例1-4中样品测试结果如下：
67.图3是实施例1中电镀电压为10v时的p(vdf-trfe)压电电缆灵敏度曲线图。显然，从压电电缆的灵敏度图中可以看出，当激振器的施力大小范围在2-14n时，聚(偏氟乙烯-三
氟乙烯)压电电缆的输出电压范围在72.5-197mv，压电电缆的灵敏度为10.3mv/n。
68.图4是实施例2中电镀电压为20v时的p(vdf-trfe)压电电缆灵敏度曲线图。显然，从压电电缆的灵敏度图中可以看出，当激振器的施力大小范围在2-14n时，聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)压电电缆的输出电压范围在81.5-229.5mv，压电电缆的灵敏度为12.8mv/n。
69.图5是实施例3中电镀电压为10v时的pvdf压电电缆灵敏度曲线图。显然，从压电电缆的灵敏度图中可以看出，当激振器的施力大小范围在2-14n时，聚偏氟乙烯压电电缆的输出电压范围在44.5mv～119.5mv，压电电缆的灵敏度为6.07mv/n。
70.图6是实施例4中电镀电压为20v时的pvdf压电电缆灵敏度曲线图。显然，从压电电缆的灵敏度图中可以看出，当激振器的施力大小范围在2-14n时，聚偏氟乙烯压电电缆的输出电压范围在51-138.7mv，压电电缆的灵敏度为6.9mv/n。
71.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。