[发明专利]一种压电陶瓷智能结构及其嵌入金属基体的方法

说明书

本发明提供了一种压电陶瓷智能结构及其嵌入金属基体的方法，其中一种压电陶瓷智能结构，包括压电陶瓷球形壳体，所述压电陶瓷球形壳体的中部设有作为内部电极的球形金属内芯，所述压电陶瓷球形壳体的外表面设有作为外部电极的金属镀层，所述压电陶瓷球形壳体的外表面进行电极分割形成等距排布的压力传感器阵列，所述压电陶瓷球形壳体内设有用于内部电极引出的引线通道。本发明的加工具有球形金属内芯的压电陶瓷球形阵列结构，压电陶瓷相较于压电纤维具有较高的压电常数与杨氏模量，反应速度较快。本结构空间指向性均匀可360°聚焦感知信号，可同时作为信号接收器与发生器。

技术领域

本发明属于金属内部智能结构制造技术领域，涉及一种压电陶瓷智能结构及其嵌入金属基体的方法。

背景技术

智能材料结构是将控制器、驱动器和传感器进行复合装联，具有感知外界或内部状态与性能的变化并根据变化的具体特征对引起变化的原因进行辨识能力，从而采取最优或近优控制策略以作出合理响应自我检测自我修复的一类结构。

随着科技的发展，在航空航天、原子能等高尖端科技领域中，对于材料的性能提出了更高的要求。智能材料成为了未来研究的热点课题，发展和应用前景非常广阔。研究与应用体现在航空航天的埋入式光纤传感器、混凝土及聚合物中的埋入式光纤、压电传感器，还有少部分金属基智能材料与结构的研究与发展。1979年，美国国家航空航天局NASA，首次将光纤传感器埋入聚合物基复合材料中；1991年美国德州的C.E.Lee等人将光纤传感器埋入到熔融铝块中。2004年，日本的Toshimichi等将FBG传感器埋入碳纤维增强复合材料CFRP中，2011年，张义福等基于超声波金属焊接快速成型法将FBG传感器埋入至6061铝基体，证实了超声波金属焊接制备金属基光纤智能复合材料的可行性；英国的Mon等人采用超声固结的方法将FBG传感器阵列埋入铝合金基体中；2016年，马来西亚的Ramy等将光纤布拉格光栅阵列埋入复合材料蜂窝夹芯板。

现有金属基智能复合材料的加工主要是通过快速成型法。大都基于粉末冶金、金属熔覆或者铸造技术，通过3D打印、烧结、热压等技术进行加工。压电材料是智能结构中广泛用作传感元件和驱动元件的功能材料。关于压电金属复合材料智能结构，一般采用粘贴或焊接组合的方式，而不是在金属基体加工时同步加工将压电陶瓷结构嵌入金属内部。

专利申请号为200510075352.4的发明专利申请公开了一种具有金属芯的压电陶瓷纤维结构。这种压电纤维几何形状和尺寸均能够很好的满足智能结构提出的易于集成的要求。埋入基体结构时,对结构的强度和可靠性影响小，不会改变结构的性能和结构的使用。其结构特点是在压电陶瓷纤维的中心放置一根金属芯，在压电陶瓷纤维的外表面涂布一层金属，将金属芯和外层涂布金属分别作为两个电极使用。但在实际使用过程中这种结构存在一定的迟滞现象。

发明内容

本发明提供了一种具有较高的压电常数与杨氏模量，反应速度较快，空间指向性均匀，可360°聚焦感知信号，可同时作为信号接收器与发生器，可在高温环境中持续工作的压电陶瓷智能结构。

本发明还提供了一种净化熔体，细化晶粒，均匀化组织，有利于的得到高性能的材料，同时为材料凝固创造了更好的条件的压电陶瓷智能结构嵌入金属基体的方法。

本发明采用的技术方案是：

一种压电陶瓷智能结构，其特征在于：包括压电陶瓷球形壳体，所述压电陶瓷球形壳体的中部设有作为内部电极的球形金属内芯，所述压电陶瓷球形壳体的外表面设有作为外部电极的金属镀层，所述压电陶瓷球形壳体的外表面进行电极分割形成等距排布的压力传感器阵列，所述压电陶瓷球形壳体内设有用于内部电极引出的引线通道。

进一步，所述金属镀层外表面喷涂有耐高温绝缘漆层，采用水性无机耐热材料，纯无机聚合物高温溶液，材料采用高电阻无机晶体材料精加工而成，可耐受600℃高温。