一种异型螺栓应力测量的柔性压电传感器及其制备方法与流程

本发明涉及一种异型螺栓应力测量的柔性压电传感器及其制备方法，属于柔性电子器件。

背景技术：

1、在大型设备（如水轮发电机组、风力发电机组、特高压变压器、电抗器）中，广泛使用了大量异型螺栓用于核心部件的紧固。由于运行环境恶劣，设备长期承受高频震动、交变载荷，极易导致异型螺栓出现疲劳应力集中甚至早期松动，进而引发严重的安全事故。压电式传感器凭借其极高的动态响应频率、优异的自供电特性以及对瞬态机械激励的高敏感度，成为螺栓应力与震动监测的主流方案之一。

2、中国专利申请（公开号为cn121008687a）公开了一种融合压阻与压电阵列的触觉感知反馈双向交互装置。该装置在柔性pdms基底正面集成压电致动单元，背面集成压阻传感单元，通过压阻阵列检测静态压力、压电阵列提取震动包络特征，并结合加权融合算法实现复杂力学信息的解耦。该方案侧重触觉交互和多模态信息识别，其压电单元主要依赖平整柔性界面受压变形产生输出，在异型螺栓的倒角和非标准曲面上难以稳定形成无气隙贴合；同时，平整界面使局部应力分布较为均匀，微小松动产生的低幅应力波动不易被放大，导致早期松动阶段的电荷转换信号弱、信噪比较低。该方案难以直接满足异型螺栓长期在线应力监测对共形贴附、微应力高灵敏响应和高频震动可靠性的要求。

3、中国专利申请（公开号为cn121346854a）公开了一种基于柔性树脂的微结构柔性电容传感器。该方案通过高精度3d打印技术制备具有半球微结构的介电层，主要利用介电层受压变形引起的电容变化实现压力检测。该方案的核心机理为电容式检测，通常需要外部供电及电容采集电路，且其半球微结构尺寸和树脂体系主要服务于接触压力或触觉响应；若直接转用于异型螺栓应力测量，一方面难以获得压电式传感器对高频微震动的自发电动态响应，另一方面，该半球微结构的结构参数主要围绕电容式介电层压缩变形进行设计，其并未考虑压电复合层在异型螺栓微震动作用下的应变梯度构建、压电极化效率及长期循环应力传递稳定性。

4、中国专利申请（公开号为cn121409472a）公开了一种可分辨方向的圆阵列电极柔性剪切力传感器。该方案在pdms中加入了100目以下的氯化钠颗粒作为牺牲模板，制备得到了多孔介电薄膜。通过调整盐颗粒的目数，可以获得不同孔径的微孔结构。该专利通过多孔化降低了薄膜的有效模量，使其更易发生形变。然而，这种随机分布的多孔结构在压电传感器应用中存在电场分布不均、极化效率低以及在大压力下孔隙塌陷导致性能退化的问题。

5、现有的柔性压电传感器方案虽然在灵敏度提升、多模态感知和工艺优化方面取得了一定进展，然而现有的压电传感器在异型螺栓应力测量中，仍存在以下亟待解决的问题：

6、1）复杂曲面的共形贴合难题。异型螺栓表面几何形貌复杂（包含倒角、非标准曲面等），传统的刚性压电陶瓷传感器无法弯曲，而普通的柔性薄膜在贴附于粗糙金属曲面时，界面极易产生微小气隙，导致机械阻抗不匹配，严重削弱了应力传递效率和高频震动信号的保真度。

7、2）早期松动微应力的灵敏度瓶颈。异型螺栓在发生早期松动时，其应力变化及局部微震动特征极其微弱（等效作用力通常<1kpa）。现有的0-3型pzt/pdms薄膜在受到微小应力作用时，由于接触面积大且受力均匀，材料内部产生的压电应变极小，难以在螺栓松动萌芽阶段提供有效的电荷转化信号。

8、3）恶劣工况下的动态响应与封装稳定性矛盾。水电站机组震动环境复杂，传感器需经历长期的交变应力。传统的薄膜或带有刚性加固模块的传感器结构，容易在螺栓复杂形变下产生界面剥离或疲劳裂纹；且简单的引线焊接在频繁的高频震动下接点极易断裂，难以满足水电站工业级长期在线监测的要求。

9、综上所述，开发一种既具备优异的异型曲面共形贴合能力、早期微应力灵敏度高，又具备高可靠封装工艺的柔性压电传感器具有重要意义。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的传感器在异型螺栓应力监测中存在的界面贴合性差、早期松动微应力灵敏度低以及长期震动环境下稳定性不足等问题，本发明的目的之一在于提供一种异型螺栓应力测量的柔性压电传感器，该传感器通过低等效杨氏模量的压电感知层基体实现了对异型螺栓复杂金属曲面的无缝共形贴合；同时引入特定的微米级阵列结构有效引发应力集中，进一步地，对微米级阵列结构进行电晕极化处理，诱导铁电畴定向排列；配合高可靠性的应力释放封装设计，显著提升了对螺栓早期松动及微小应力波动的灵敏度的同时，还赋予了器件在水电站等恶劣高频震动工况下的长期动态监测稳定性。

2、本发明的目的之二在于提供一种异型螺栓应力测量的柔性压电传感器的制备方法，该制备方法简单，便于工业化生产。

3、为了实现上述目的，本发明的第一方面在于提供一种异型螺栓应力测量的柔性压电传感器，所述柔性压电传感器包括依次相连的第二柔性基底层、上电极层、压电感知层、下电极层和第一柔性基底层；

4、形成所述压电感知层的原料包含聚二甲基硅氧烷和锆钛酸铅，以所述聚二甲基硅氧烷和锆钛酸铅的总体积为基准，所述锆钛酸铅的体积分数为15~45%；

5、所述压电感知层由基底和分布在基底单侧表面的凸起结构构成，所述凸起结构在基底表面呈周期阵列排布；且所述凸起结构与上电极层相连；

6、所述凸起结构的高度为50~200 μm，底部边长或直径为100~300 μm，阵列相邻间距为 50~200 μm；

7、所述凸起结构的高度与所述压电感知层的基底厚度之比为0.4~1.2。

8、本发明采用特定含量的聚二甲基硅氧烷和锆钛酸铅为原料，通过两者之间相互配合能够使制得的pzt/pdms复合薄膜的等效杨氏模量为3~10 mpa，进而使压电感知层能够在保持压电输出的同时贴合异型螺栓复杂曲面，同时本发明还在压电感知层的单侧设置特定的凸起结构，通过凸起结构的高度、底部边长或直径、阵列间距以及基底厚度之间的相互配合，使其在异型螺栓表面形成机械啮合和局部应力集中；通过pzt体积分数、凸起结构尺寸、凸起结构高度与基底厚度之比以及阵列间距共同构成微应力放大—电荷转换—柔性贴附的协同体系，pzt体积分数保证有效压电活性相数量，微结构能够适应异型螺栓表面的倒角和局部粗糙峰谷，凸起结构能够增加单位面积内的有效接触点，使微结构更容易嵌入或贴合细小曲面起伏，从而减少界面气隙并提高微弱应力的传递效率，负责将异型螺栓早期松动产生的微小应力转化为局部高应变区，若微结构尺寸过大，单个凸起跨越多个微小曲面特征时容易形成局部悬空，反而削弱共形贴附和应力集中效果；基底厚度提供必要支撑，阵列间距则决定有效接触点数量和整体弯曲刚度，而单侧凸起与上电极层相连，使受力侧微结构首先接收外部载荷并向复合膜内部形成应变梯度，从而提升微弱载荷下的宏观电荷输出。上述参数脱离任一项均会导致微弱信号拾取能力或循环可靠性下降。

9、对于柔性材料在反复形变下可能出现的塑性变形或疲劳损伤问题，本发明并非仅依赖成型方式本身解决，而是通过pzt体积分数、微结构尺寸、单侧凸起结构以及对应的基底厚度之间的协同设计来降低循环载荷下的局部损伤。

10、作为一个优选的方案，所述凸起结构的高度与所述压电感知层的基底厚度之比为0.5~1.0。更优选为0.6~0.9。在该优选情况下（0.6~0.9），既能保持薄膜的柔顺性和共形贴附能力，又能提供足够的机械支撑以保证微结构阵列在脱模、极化和封装过程中的完整性。

11、作为一个优选的方案，所述凸起结构为金字塔形、半球形或圆柱形。

12、作为一个更优选的方案，所述凸起结构为金字塔形阵列，凸起结构的高度为80~150 μm，底部边长为100~200 μm，阵列相邻间距为80~150 μm。在该优选条件下，凸起结构能够在受压时形成稳定的局部应力集中并提高微弱载荷下的电荷输出，同时不会因结构过高或间距过小而在长期循环中发生倒伏、粘连或疲劳损伤。且金字塔形凸起具有由尖端至底部逐渐增大的截面，在微小应力作用下更易在尖端及棱边区域形成应力集中，因此相较半球形和圆柱形结构更有利于提高早期微应力响应灵敏度。

13、作为一个优选的方案，所述聚二甲基硅氧烷为双组分加成型pdms，其基体在固化前的数均分子量为2万~8万，更优选为3万~6万。该范围内（数均为3万~6万）的pdms兼具较低模量、良好流动性和固化后的弹性回复能力，有利于pzt颗粒均匀分散及异型曲面的共形贴合。

14、作为一个优选的方案，所述钛酸锆铅的颗粒粒径为500~600 nm。在该优选情况下，能够在保证颗粒具有较高压电活性的同时减少大颗粒沉降和团聚，使pzt颗粒在pdms基体中形成均匀分散的压电活性相；若粒径过大，易产生沉降和局部应力缺陷，若粒径过小，则颗粒表面能增大、团聚倾向增强并可能降低有效极化效率。

15、作为一个优选的方案，所述压电感知层的等效杨氏模量为3~10 mpa。进一步优选为5~9.8 mpa。在本发明中，等效杨氏模量是指的压电感知层整体复合结构的综合弹性效应。

16、作为一个优选的方案，所述钛酸锆铅的纯度不低于 99wt%。

17、作为一个优选的方案，所述第二柔性基底层的厚度为25~125 μm，更优选为75~125μm，最优选为125 μm。

18、作为一个优选的方案，所述第一柔性基底层的厚度为25~125 μm，更优选为75~125μm，最优选为125 μm。

19、作为一个优选的方案，所述上电极层的厚度为10~30μm。

20、作为一个优选的方案，所述下电极层的厚度为10~30μm。

21、第一柔性基底层和第二柔性基底层的厚度范围并非单纯采用常规柔性电路参数，而是针对异型螺栓的曲面贴附和高频震动工况进行限定。柔性基底层过薄时，封装支撑不足，在引线根部处易产生褶皱、破裂或电极剥离；柔性基底层过厚时，整体弯曲刚度增大，难以贴合异型螺栓的小曲率曲面。上电极层和下电极层为10~30 μm时，能够在保证连续导电通路和低接触电阻的同时维持整体柔性；电极层过薄时易出现针孔、断裂或局部电阻升高，过厚时则会增加中性层偏移和界面剪切应力，不利于长期高频震动下的封装稳定性。

22、作为一个优选的方案，形成所述下电极层和形成所述上电极层的原料为导电银浆。

23、作为一个优选的方案，所述第二柔性基底层和所述第一柔性基底层的材质为聚酰亚胺薄膜。

24、作为一个优选的方案，所述柔性压电传感器还包括引出导线、双导铜箔胶带和根部加固层；所述引出导线的裸露端平铺于上电极层或下电极层的电极引脚表面，所述双导铜箔胶带覆盖于引出导线裸露端和对应电极引脚表面，所述根部加固层包覆于引出导线根部和双导铜箔胶带边缘。

25、聚酰亚胺柔性基底、导电银浆电极、双导铜箔胶带和根部环氧加固层共同形成应力释放封装结构。聚酰亚胺基底提供耐热柔性支撑，导电银浆保证大面积柔性电接触，双导铜箔胶带降低引线根部局部接触电阻，环氧根部加固层释放高频震动下的拉拽应力，因此能够显著降低长期在线监测中电极剥离和引线断裂风险。

26、作为一个优选的方案，所述柔性压电传感器的压电电荷常数d33为220~320 pc/n。进一步优选为250~300 pc/n。

27、作为一个优选的方案，所述柔性压电传感器还包括引出导线。

28、作为一个优选的方案，所述引出导线为多股硅胶软线。

29、本发明的第二方面在于提供一种异型螺栓应力测量的柔性压电传感器的制备方法，包括以下步骤：

30、（1）将聚二甲基硅氧烷与固化剂混合后再和锆钛酸铅进行混合，得到浆料；

31、（2）将所述浆料进行真空脱泡处理后加入压电感知层模具中，再将带有浆料的模具进行第一固化处理，脱模，得到压电感知层薄膜；

32、（3）将所述压电感知层薄膜进行电晕极化处理，得到极化后的压电感知层薄膜；

33、（4）分别在两个柔性基底层的任一侧印刷导电银浆，并进行第二固化处理，得到第二柔性基底层与上电极层相连的电极i和下电极层与第一柔性基底层相连的电极ii，再将极化后的压电感知层薄膜置于上电极层和下电极层之间，热压，即得；

34、所述压电感知层薄膜的凸起结构与上电极层相连。

35、本发明采用模具成型与旋涂填充工艺能够使浆料充分复制模具微孔形貌，可获得厚度均匀、pzt颗粒分散稳定且微结构尺寸可重复的复合薄膜，与直接3d打印传感功能层相比，模具成型有利于减少逐层打印界面缺陷和材料各向异性，使pzt/pdms复合薄膜在弯曲贴附和高频震动中保持连续的应力传递路径，避免直接3d打印功能层可能产生的层间界面和填料分布不均问题，采用本发明的方法能够获得尺寸一致性更高、应力传递更连续的压电感知层，更适合异型螺栓的长期动态监测。进一步地，本发明还通过非接触式电晕极化提高pzt颗粒的宏观压电响应，从而促使复合膜内部铁电畴沿电场方向规整取向，有效提升复合薄膜压电电荷常数 d33，强化器件在微量应力扰动下的电荷转化效率，改善传感器针对异型螺栓早期微松动信号的拾取灵敏度。

36、作为一个优选的方案，所述聚二甲基硅氧烷与所述和固化剂的体积比为8~12：1。

37、作为一个优选的方案，采用分步添加法将锆钛酸铅分批次加入至聚二甲基硅氧烷与固化剂的混合体系中。优选将锆钛酸铅分成三等份依次加入聚二甲基硅氧烷与固化剂的混合物中，每次加入后搅拌5~10 min，全部加入后再搅拌12~20 min。在该优选情况下，能够防止锆钛酸铅在高浓度下颗粒团聚，确保其在聚二甲基硅氧烷中分散均匀。

38、作为一个优选的方案，所述真空脱泡处理的真空度为-0.08 mpa至-0.10 mpa，时间为10~30 min。

39、作为一个优选的方案，在步骤（2）中，采用旋涂工艺使浆料填充至压电感知层模具中。通过旋涂工艺能使浆料充分填充至压电感知层模具的微孔中。

40、作为一个优选的方案，所述旋涂工艺包括：先在300~500 rpm的转速下旋涂10~15s，使浆料充分进入模具微孔；再在800~1200 rpm的转速下旋涂10~18 s，以去除多余浆料并调控压电感知层基底的厚度，最终形成均匀连续pzt/pdms复合薄膜。

41、作为一个优选的方案，所述第一固化处理的温度为110~130℃，时间为15~25 h。

42、需要说明的是，所述压电感知层模具为能够形成具有本发明的压电感知层结构的模具。

43、作为一个优选的方案，所述电晕极化处理为非接触式电晕极化处理，电晕极化处理的温度为110~130℃，电场强度为 8~10 kv/mm，时间为 1.5~2.5h。凸起结构在极化过程中有利于形成局部电场增强区域，利用高温降低聚合物电阻率使更多电压降落于 pzt 颗粒，进而诱导未经极化的 pzt 颗粒内部随机取向的铁电畴沿电场方向定向排列，从而激发优异的宏观压电性能。电晕极化处理的温度进一步优选为120~130℃。

44、作为一个优选的方案，电晕极化处理完成后，使极化后的压电感知层在保持电场作用的状态下冷却至40℃以下。

45、在本发明中，pzt是指锆钛酸铅，pdms是指聚二甲基硅氧烷。

46、作为一个优选的方案，所述第二固化处理的温度为160~200℃，时间为20~40min。

47、作为一个优选的方案，所述热压的温度为80~120℃，热压的压力为0.2~0.8 mpa，热压的时间为5~20 min。

48、作为一个优选的方案，所述异型螺栓应力测量的柔性压电传感器的制备方法还包括：将引出导线的裸露端平铺于上电极层或下电极层的电极引脚表面，所述双导铜箔胶带覆盖于引出导线裸露端和对应电极引脚表面，所述双导铜箔胶带位于电极引脚外表面并与银浆电极直接电连接。

49、作为一个优选的方案，采用环氧树脂对引出导线根部和双导铜箔胶带的边缘进行灌封加固。以释放水电站高频震动下的引线拉拽应力。

50、与现有技术相比，本发明至少具有以下优势：

51、（1）本发明通过在压电感知层表面引入特定结构的阵列排布凸起结构，利用该凸起结构在受压时的应力集中效应，使局部压强远高于平均压强。该设计显著提高了传感器对螺栓紧固力微小衰减及机组高频微震动的电荷产生能力，使得诸如螺栓早期微小松动也能转换为高灵敏的电信号，提升异型螺栓早期松动的微应力灵敏度。同时，凸起结构设计还增加了与粗糙金属表面的机械啮合力，排除了界面气隙，保障了应力信号从螺栓到传感器的高效、无损传递，进一步地，本发明还采用等效杨氏模量为3~10 mpa的压电感知层，使传感器具有极佳的粘弹性和柔软度，赋予其超越常规 pvdf 材料的机械柔性，实现了极高的机械柔性。

52、（2）本发明采用体积分数为 15%~45%的pzt 颗粒，再辅以电晕极化工艺，提高了高压电电荷常数。

53、（3）采用聚酰亚胺配合导电银浆在高温下稳固结合的技术，以及环氧树脂根部加固双导铜箔胶带的封装方案，解决了传感器在长期持续高频震动及交变应力下易产生的电极剥离和引线断裂问题，极大保障了螺栓长期在线监测的可靠性，提高了其在恶劣工况下的高可靠性与长效监测能力。