螺旋悬臂式摩擦电-压电复合自供电传感器及其制备方法

本发明涉及摩擦纳米发电技术与自供电传感，具体涉及一种螺旋悬臂式摩擦电-压电复合自供电传感器及其制备方法。

背景技术：

1、随着民用航空与低空经济产业的高速发展，飞行器运行频次与载荷持续提升，对整机结构安全监测的精度、连续性与可靠性提出了更高要求。机翼作为飞行器产生升力的核心气动承载部件，在飞行过程中持续处于湍流、分离流、涡扰流等复杂流场环境中，极易诱发抖振、失速颤振、涡致振动等各类低频振动现象，相关研究表明飞行器机翼超九成的有害振动集中在1~50hz低频区间，该类低频振动长期累积易引发机翼结构疲劳、形变甚至失速故障，当前由振动诱发的飞行失速事故在航空总事故中的占比已达36%且呈逐年攀升态势，因此实现机翼低频振动的长期、精准、分布式监测是保障飞行器飞行安全的核心手段。

2、目前行业内主流的机翼振动监测器件包括压电式加速度计、mems惯性测量单元及光纤光栅传感器，其中压电式加速度计与光纤光栅传感器普遍存在外部供电依赖、布线结构复杂、设备整体重量大的问题，难以适配机翼轻量化、分布式多点监测的应用需求，同时光纤光栅传感器还存在解调设备昂贵、系统集成复杂度高的缺陷；mems惯性传感器虽具备小型化优势，但低频响应性能较差，在10hz以下低频区间检测灵敏度大幅衰减，无法适配机翼超低频微弱振动的精准采集需求，各类传统监测器件均难以同时兼顾自供电运行、宽频低频响应、高检测灵敏度与复杂机载环境适配性的核心监测需求。

3、摩擦纳米发电机作为新型机械能-电能转换器件，依托接触起电与静电感应耦合效应可直接捕获环境机械能并完成自供电输出，具备结构简洁、材料适配性广、无需外接供电的突出优势，有效弥补了传统航空振动传感器的供电短板，现阶段已有多款摩擦电式振动传感器被研发应用于结构振动监测领域，但现有器件在适配飞行器机翼低频振动监测场景时仍存在显著技术缺陷。

4、通用化的结构设计未针对机翼1~50hz核心低频振动区间进行专项宽频优化，传统直悬臂梁结构固有频率单一，无法覆盖机翼宽频低频振动范围，极易与飞行器结构产生耦合共振，弹簧辅助拓频结构则存在低频刚度难以精准调控、10hz以下检测灵敏度不足的问题，严重制约低频检测性能。

5、同时现有摩擦电传感器多采用平面薄膜摩擦结构，接触面积有限且未做疏水改性处理，在机载20%～90%rh的宽湿度波动环境下，摩擦层表面易吸附水分子造成界面电荷快速衰减，器件环境稳定性与长期服役性能较差。

6、除此之外，当前摩擦电-压电复合传感器件多为两类功能单元的简单物理叠加，未实现结构与传感体系的一体化协同优化，力电转换协同效应弱，且摩擦层普遍缺乏微纳结构精准调控工艺，界面电荷转移效率低下，进一步导致传感器整体灵敏度、响应速度与发电传感效率难以满足航空高精度长期监测需求。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中传感器难以适配机翼低频振动、环境稳定性差及力电转换效率不高的问题，提供一种螺旋悬臂式摩擦电-压电复合自供电传感器及其制备方法。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种螺旋悬臂式摩擦电-压电复合自供电传感器及其制备方法，其包括：步骤s1、分别制备阿基米德螺旋悬臂、阿基米德螺旋悬臂支柱以及封装箱体；步骤s2、在所述阿基米德螺旋悬臂的外表面连接第一电极层，同时在所述封装箱体的内表面连接第二电极层；步骤s3、在所述第一电极层的外表面贴合正摩擦层，同时在所述第二电极层的内表面贴合负摩擦层，其中，所述正摩擦层的制备方法为：将聚己二酰己二胺粉末溶解于甲酸中，得到正摩擦纺丝液，通过对所述正摩擦纺丝液进行静电纺丝加工得到所述正摩擦层；所述负摩擦层的制备方法为：将聚偏氟乙烯-六氟丙烯与聚氯乙烯混合溶解于n,n-二甲基甲酰胺及丙酮的混合溶剂中，之后再加入氧化锌纳米颗粒，溶解分散后得到负摩擦纺丝液，通过对所述负摩擦纺丝液进行静电纺丝加工得到所述负摩擦层；步骤s4、将加工后的所述阿基米德螺旋悬臂通过阿基米德螺旋悬臂支柱垂直固定于封装箱体内侧壁，且使静止状态下的所述正摩擦层与所述负摩擦层之间间隙配合；步骤s5、将所述第一电极层以及所述第二电极层分别通过导线引出后，得到目标传感器。

3、在本发明的一个实施例中，步骤s1中，所述阿基米德螺旋悬臂结构的螺距为4~12mm，螺旋圈数为1.5~5圈，厚度为0.8~1.6mm，悬臂幅宽为0.7~7mm；所述阿基米德螺旋悬臂支柱的高度为0.5~3mm，直径为0.7~3mm，以使所述螺旋悬臂式摩擦电-压电复合自供电传感器响应带宽覆盖1~50hz振动区间。

4、在本发明的一个实施例中，步骤s3中，所述正摩擦层的制备方法具体为：将聚己二酰己二胺粉末溶解于甲酸中，制备质量分数为13~17%的正摩擦纺丝液，之后在电压10~22kv、接收距离10~15cm、进料速率0.4~1.5ml/h条件下对所述正摩擦纺丝液进行静电纺丝加工得到厚度为100±10μm的所述正摩擦层。

5、在本发明的一个实施例中，步骤s3中，所述负摩擦层的制备方法为：将聚偏氟乙烯-六氟丙烯与聚氯乙烯按质量比85:15混合溶解于体积比为7:3的n,n-二甲基甲酰胺及丙酮的混合溶剂中，50℃条件下通过500rpm磁力搅拌6h之后再加入0.25~5wt%的氧化锌纳米颗粒，室温500rpm磁力搅拌1h及冰浴超声20min后得到负摩擦纺丝液，通过对所述负摩擦纺丝液进行静电纺丝加工得到厚度为80±10μm的所述负摩擦层。

6、在本发明的一个实施例中，所述第一电极层与第二电极层均为厚度18~22μm的铜箔，所述第一电极层通过导电胶贴合固定于所述阿基米德螺旋悬臂，所述第二电极层通过导电胶贴合固定于所述封装箱体内壁；所述第一电极层、第二电极层的边缘均延伸设置有引出端，所述引出端连接绝缘导线以实现电信号的对外输出。

7、在本发明的一个实施例中，所述阿基米德螺旋悬臂、阿基米德螺旋悬臂支柱与所述封装箱体均采用熔融沉积成型3d打印工艺一体制备，成型基材为聚乳酸；打印层厚设置为0.1~0.2mm，填充密度为100%。

8、本发明还提供螺旋悬臂式摩擦电-压电复合自供电传感器，其采用上述的螺旋悬臂式摩擦电-压电复合自供电传感器制备方法加工得到，其包括：封装箱体、阿基米德螺旋悬臂、阿基米德螺旋悬臂支柱、第一电极层、第二电极层、正摩擦层以及负摩擦层，其中，所述封装箱体的内表面连接第二电极层，所述第二电极层的内表面连接所述负摩擦层；所述阿基米德螺旋悬臂设置于所述封装箱体内部，外侧固定安装于阿基米德螺旋悬臂支柱顶端，使阿基米德螺旋悬臂中心端悬空，所述阿基米德螺旋悬臂的外表面连接第一电极层，所述第一电极层的外表面连接所述正摩擦层，所述正摩擦层与负摩擦层之间保持静态间隙，使阿基米德螺旋悬臂受低频振动激励挠曲形变时，正摩擦层与负摩擦层能够实现周期性接触分离，协同产生摩擦电-压电复合感应电信号。

9、在本发明的一个实施例中，所述封装箱体为圆形盒体，盒体外径尺寸为25~60mm，箱体壁厚3mm，封装箱体上下内表面之间的垂直间距为3mm；所述阿基米德螺旋悬臂在自身重力作用下自然下垂的最大位移不超过0.002mm。

10、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

11、本发明所述的螺旋悬臂式摩擦电-压电复合自供电传感器及其制备方法，采用阿基米德螺旋悬臂搭配封装箱体作为器件支撑基体，构建涵盖电极层选用、静电纺丝成型聚己二酰己二胺材质正摩擦层与聚偏氟乙烯-六氟丙烯/氧化锌/聚氯乙烯复合负摩擦层、摩擦层间隙控制的完整技术方案。

12、首先依靠阿基米德螺旋悬臂独特的拓扑结构能够灵活调控器件固有振动频段，有效拓宽低频响应区间，适配机翼1~50hz低频振动监测需求，克服传统直悬臂结构固有频率单一、易与被测结构产生耦合共振以及弹簧辅助传感结构10hz以下灵敏度快速衰减的问题。

13、其次通过静电纺丝工艺制备得到的纳米纤维摩擦层可形成丰富微纳粗糙界面，大幅提升接触分离过程中的电荷转移效率，同时负摩擦层内部掺杂的氧化锌纳米颗粒能够在摩擦层受压形变时同步产生压电电荷，实现摩擦电信号与压电电荷叠加输出，有效提升器件整体机械能至电能的转换效率与传感信号输出强度。

14、再者聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚氯乙烯、氧化锌纳米颗粒复合制成的负摩擦层具备优良疏水性能，可在航空机载环境相对湿度大幅波动的工况下，减少水分子吸附引发的界面电荷衰减，显著延长传感器稳定监测时长。

15、整套制备流程无需外接电源与配套布线、无需昂贵解调设备，结构件与传感功能层分步加工再一体化集成，工艺可控性强、装配简便，最终成型的传感器整体体积小巧、重量轻，可实现机翼分布式多点长期振动监测，搭配密封封装箱体能够隔绝机载粉尘与水汽，进一步提升传感器在复杂航空环境下的工作可靠性，且全程采用常温装配工艺，不会破坏静电纺丝构筑的微纳纤维结构，保障传感器持续稳定的传感输出性能。