[发明专利]一种PVDF基碳纤维复合压电传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种PVDF基碳纤维复合压电传感器及其制备方法，其中，复合压电传感器的组成包括正极碳纤维（CFRP）织物层、负极碳纤维织物层、介电层、聚偏氟乙烯（PVDF）压电聚合物层；制备方法包括热融冷却形成以PVDF为基质的碳纤维复合体、交变电场接触极化增强压电特性形成PVDF基碳纤维复合压电体、组装形成传感器。本发明的传感器及及其制备方法融合了碳纤维材料、介电材料及压电材料三者的特性和优势，具有力学性能稳定、灵敏度高、韧性强、抗冲击、耐久性好、制作简便等优点，无需额外安装电极，即可用于平面和复杂曲面应变、变形等动态响应的长期监测。

技术领域

本发明涉及一种PVDF基碳纤维复合压电传感器及其制备方法，属于传感设备技术领域。

背景技术

结构在荷载或环境作用下的振动、应变、变形等响应能有效反映结构的服役性能和损伤情况。通过结构响应监测和健康状态分析，获得结构损伤和老化的信息，可提供结构损伤或退化的早期预警以及维护加固的参考依据，有效避免灾害和事故的发生。因此，对结构的响应进行监测尤为重要，其中能长期稳定获取结构有效响应的传感设备是关键。传感器是由灵敏元件或内部转换元件组成，按照自身的转化规律将振动、应力应变、温度等外部被测参量(非电量)转换可测量电信号的器件或装置。作为与计算机和通讯技术并称的三大现代信息技术，其在科技、生产及生活领域中发挥着重要作用。

然而，在复杂结构较长的服役过程中，目前的接触式传感器往往只能监测某点信息、面域监测潜力不足，且存在长期力学性能稳定性差、韧性不足、抗冲击性能差和服役寿命短等问题。因此，有必要开发服役寿命长、耐久性好、韧性较高、可测试局部面域的新型传感器，实现结构服役性能的长期连续监测，保障结构长期服役安全。

压电材料受到荷载作用时两端面间会出现成比例的电压，被广泛应用于传感器领域。聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜是一种新型高分子压电材料，其厚度一般为微米级。与传统压电陶瓷和石英晶体两种压电材料相比，PVDF压电薄膜具有柔韧性好、耐腐蚀性好、声阻抗易匹配、频响范围宽等优点，而且易于制成不同厚度和较大面积的传感元件，应用前景良好。但是，目前PVDF薄膜制作传感器时需要在表面附着外接金属电极，制备方法繁琐且造价高，影响整体性能且使用过程薄膜易破损。此外，PVDF薄膜存在厚度较小、抗剪能力差、强度低、变形大、响应速度慢、灵敏度差等不足，无法在工程中直接使用。因此，亟需开发一种力学性能稳定、灵敏度高、韧性强、抗冲击、耐久性好、制作简便的新型PVDF压电传感器。

目前，PVDF压电薄膜传感器及制备方法包括：申请号为202110652589.3公开了一种复合柔性传感器及其制备方法，其复合柔性传感器包括依次设置的导电织物层、第一PDMS封装层、PDMS微通道层、PVDF压电薄膜层和第二PDMS封装层，通过三种传感单元同时对一种应变行为进行表征，所用材料的强度和耐久性均不高且没有保护层，无法直接运用于工程领域。申请号200510119116.8公开了聚偏氟乙烯压电薄膜传感器及其制备方法，由聚偏氟乙烯材料制成侧面带耳状电极的长方形基片薄膜、基片薄膜上的镀锌或和铝层组成，基片薄膜沿电极侧的两边粘结成圆周状形成聚偏氟乙烯压电薄膜传感器，需设置电极并带镀层，适用于电子白板传感器。申请号为20182163705.8公开了一种基于PVDF压电薄膜的管道微应变压力传感器，由自下而上依次为聚酰亚胺保护膜、不锈钢传感器紧固带、粘贴于两者间的PVDF压电薄膜、弹性阻隔带、金属屏蔽网组成，但经裁切工序后易发生短路，需检测处理，制作工艺要求很高。申请号为201610710933.9公开了一种PVDF纳米纤维/石墨烯/弹性纤维压电传感器及其制备方法，弹性纤维浸入氧化石墨烯分散液后取出烘干，还原烘干得到表面包覆石墨烯的弹性纤维，并置于聚偏氟乙烯PVDF纺丝液静电纺丝得到PVDF纳米纤维/石墨烯/弹性纤维压电传感器；上述传感器由弹性纤维、PVDF纳米纤维及两者中间的石墨烯组成，其制备方法主要涉及氧化石墨烯分散液自然包覆弹性纤维、包覆氧化石墨烯的还原、弹性纤维置于聚偏氟乙烯PVDF纺丝液内的静电纺丝，适用于医疗、智能穿戴领域。

发明内容