压电纤维及其制备方法、压电传感器与流程

本发明涉及压电纤维，尤其涉及一种压电纤维及其制备方法、压电传感器。

背景技术：

1、在压电纤维的制备工艺中，由于压电材料呈现为丝状结构，通常将丝状结构的压电材料以有序或者无序的方式堆积或者编织成片层的压电层，然后在该压电层两侧印刷电极层。但是这种结构的压电纤维中仅有部分压电材料能够与电极层直接接触，使得压电层的形变信号难以高效传输至电极层，从而降低了力学信号和电信号的转化效率，影响压电纤维的对信号检测和收集的灵敏度。

技术实现思路

1、本发明实施例公开了一种压电纤维及其制备方法、压电传感器，该压电纤维能较高程度的提高力学信号和电信号的转化效率，改善压电纤维的信号检测和收集的灵敏度。

2、第一个方面，本申请实施例公开了一种压电纤维，所述压电纤维包括：导电纤维芯、交替包覆在所述导电纤维芯外表面的压电层和电极层，其中，所述导电纤维芯外表面包覆的最内层为所述压电层，且远离所述导电纤维芯的最外层为所述电极层，所述压电层与所述电极层的层数均至少为一层，所述导电纤维芯的表面粗糙度小于500nm。

3、进一步地，所述导电纤维芯的表面粗糙度与所述导电纤维芯的直径的比值小于0.1。

4、进一步地，任一层所述压电层的厚度与所述导电纤维芯的直径的比值为0.05～0.15；和/或，

5、所述导电纤维芯的直径为0.05mm～1mm。

6、进一步地，所述导电纤维芯的结构包括导电内芯、以及包覆在所述导电内芯外表面的偶联剂层。

7、进一步地，所述导电纤维芯的结构包括导电内芯、以及包覆在所述导电内芯外表面的偶联剂层。

8、进一步地，所述导电内芯的材料包括金属纤维或者碳纤维；和/或，

9、所述压电层的压电材料包括压电陶瓷、压电聚合物中的至少一种；和/或，

10、所述电极层的电极材料包括银、3,4-乙烯二氧噻吩单体中的至少一种；和/或，

11、所述偶联剂层的偶联材料包括甲基丙烯酸酯类、甲氧基硅烷中的至少一种；和/或，

12、所述偶联剂层的厚度为50nm～1000nm。

13、第二个方面，本申请实施例公开一种第一个方面所述的压电纤维的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

14、在所述导电纤维芯的外表面依次交替包覆压电材料、包覆电极材料，形成所述压电层、所述电极层；

15、其中，所述导电纤维芯外表面包覆的最内层为所述压电层，且远离所述导电纤维芯的最外层为所述电极层。

16、进一步地，在所述导电纤维芯的外表面依次交替包覆压电材料的步骤之前，所述制备方法还包括：对导电内芯进行清洗，在所述导电内芯的外表面包覆偶联材料，形成偶联剂层。

17、进一步地，所述偶联材料的固含量为6％～12％，所述偶联材料的粘度为1mpa.s～500mpa.s。

18、进一步地，所述在导电纤维芯的外表面依次交替包覆压电材料的步骤包括：

19、将所述压电材料与溶剂混合形成浆料，将所述导电纤维芯置入所述浆料中，以在所述导电纤维芯的外表面包覆所述压电材料；

20、其中，所述浆料的粘度为800mpa.s～1500mpa.s，所述导电纤维芯在所述浆料中的浸渍速度为300mm/min～1500mm/min。

21、进一步地，在所述浆料中，所述压电材料的粒径小于1μm。

22、进一步地，所述压电材料为压电陶瓷时，所述浆料的固含量为60％～80％；

23、或者，所述压电材料为压电聚合物时，所述浆料的固含量为5％～20％；

24、或者，所述压电材料为压电聚合物和陶瓷材料时，所述压电聚合物在所述浆料的质量含量为5％～20％，所述压电陶瓷在所述浆料的质量含量为60％～80％。

25、进一步地，所述在所述导电纤维芯的外表面依次交替包覆压电材料的步骤之后，所述包覆电极材料的步骤之前，所述制备方法还包括：对所述压电材料进行结晶极化处理：

26、或者，所述包覆电极材料的步骤之后，所述制备方法还包括：对所述压电材料进行结晶极化处理。

27、进一步地，在所述对所述压电材料进行结晶极化处理的步骤中，极化时的旋转周期为6周～10周，工艺时间为5min～16min。

28、第三个方面，本申请实施例公开一种压电传感器，所述压电传感器包括第一个方面所述的压电纤维，或者通过第二个方面所述的制备方法制得。

29、与现有技术相比，本申请的有益效果在于：

30、本申请实施例提供一种压电纤维，该压电纤维包括：导电纤维芯、交替包覆于导电纤维芯外表面的压电层和电极层，其中，导电纤维芯的外表面包覆的最内层为压电层、远离导电纤维芯的最外层为电极层，且设置导电纤维芯的表面粗糙度小于500nm，说明导电纤维芯的外表面相对光滑，故降低了压电层包覆的难度，使得压电层能够均匀的包覆在导电纤维芯的外表面，使得压电层与导电纤维芯的接触界面的应力分布的均匀性好、稳定性较高，有助于提高压电纤维的力学稳定性，并且使得电信号与力学信号之间具有较高的转化率，提高压电纤维的信号的检测和收集的灵敏度。

31、并且，由于电极层直接包覆在压电层的外表面，因而压电层各个区域均能直接与电极层接触，故压电层的电信号能够全部传输至电极层，从而有助于改善电信号和力学信号的转化率，提高压电纤维的信号检测和收集的灵敏度。另外，采用本申请的结构可交替制备多层的压电层和多层的电极层，并且任一层压电层与其相邻的电极层之间均能直接接触，进一步确保了多层结构的性能。

32、综上，本申请提供的压电纤维，通过控制导电纤维芯的粗糙度，促使压电层包覆的均匀性，并且，由于压电层与电极层的接触面积较大，故能较高程度的提高力学信号和电信号的转化效率，改善压电纤维的信号检测和收集的灵敏度。

技术特征：

1.一种压电纤维，其特征在于，所述压电纤维包括：导电纤维芯、交替包覆在所述导电纤维芯外表面的压电层和电极层，其中，所述导电纤维芯外表面包覆的最内层为所述压电层，且远离所述导电纤维芯的最外层为所述电极层，所述压电层与所述电极层的层数均至少为一层，所述导电纤维芯的表面粗糙度小于500nm。

2.根据权利要求1所述的压电纤维，其特征在于，所述导电纤维芯的表面粗糙度与所述导电纤维芯的直径的比值小于0.1。

3.根据权利要求1所述的压电纤维，其特征在于，任一层所述压电层的厚度与所述导电纤维芯的直径的比值为0.05～0.15；和/或，

4.根据权利要求1所述的压电纤维，其特征在于，所述导电纤维芯的结构包括导电内芯、以及包覆在所述导电内芯外表面的偶联剂层。

5.根据权利要求4所述的压电纤维，其特征在于，所述导电内芯的材料包括金属纤维或者碳纤维；和/或，

6.一种如权利要求1至4任一项所述的压电纤维的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在所述导电纤维芯的外表面依次交替包覆压电材料的步骤之前，所述制备方法还包括：对导电内芯进行清洗，在所述导电内芯的外表面包覆偶联材料，形成偶联剂层。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述偶联材料的固含量为6％～12％，所述偶联材料的粘度为1mpa.s～500mpa.s。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述在导电纤维芯的外表面依次交替包覆压电材料的步骤包括：

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在所述浆料中，所述压电材料的粒径小于1μm。

11.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述压电材料为压电陶瓷时，所述浆料的固含量为60％～80％；

12.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述在所述导电纤维芯的外表面依次交替包覆压电材料的步骤之后，所述包覆电极材料的步骤之前，所述制备方法还包括：对所述压电材料进行结晶极化处理：

13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，在所述对所述压电材料进行结晶极化处理的步骤中，极化时的旋转周期为6周～10周，工艺时间为5min～16min。

14.一种压电传感器，其特征在于，所述压电传感器包括权利要求1至5任一项所述的压电纤维，或者通过权利要求6至13任一项所述的制备方法制得。

技术总结
本发明涉及压电纤维领域，公开一种压电纤维及其制备方法、压电传感器，所述压电纤维包括：导电纤维芯、交替包覆在所述导电纤维芯外表面的压电层和电极层，其中，所述导电纤维芯外表面包覆的最内层为所述压电层，且远离所述导电纤维芯的最外层为所述电极层，所述压电层与所述电极层的层数均至少为一层，所述导电纤维芯的表面粗糙度小于500nm，该压电纤维能较高程度的提高力学信号和电信号的转化效率，改善压电纤维的信号检测和收集的灵敏度。

技术研发人员：李宋楚
受保护的技术使用者：欧菲微电子（南昌）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/1/13