一种PVDF压电感应薄膜的制备方法和压电传感器及其在起重机啃轨中的应用

技术领域

本发明属于压电薄膜技术领域，尤其涉及一种PVDF压电感应薄膜的制备方法和压电传感器及其在起重机啃轨中的应用。

背景技术

啃轨是指在起重机在正常运行情况下，起重机的车轮轮缘不与轨道侧面接触，车轮轮缘和轨道之间有一定的间隙，一般设计最大间隙为30～40mm。但由于车轮轮缘与轨道侧面接触产生水平侧向推力，使运行中的车轮与轨道的接触面不在踏面中间(即车轮踏面的中心线与轨道的中心线不重合)，造成车体偏斜，使整个起重机靠着轨道一侧接触而行走，从而产生啃轨。啃轨会使车轮的使用寿命大大减小，加剧轨道的磨损，使起重机的大车小车的稳定性减小，影响生产效率，甚至严重时会致使大小车脱轨，引发安全事故。

目前，解决起重机本体误差引起的干涉现象的一般都是通过调整两侧大车速度使两侧车轮的实际行走距离保持一致，但需保证轨道距离的偏差在较小范围内。但是这种方法轨道与车轮仍然会产生非常严重的干涉现象，如图1所示。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种PVDF压电感应薄膜的制备方法和压电传感器及其在起重机啃轨中的应用，该方法制备的压电感应薄膜具有较强的压电性能。

本发明提供了一种PVDF压电感应薄膜的制备方法，包括以下步骤:

将PVDF初始膜进行拉伸，保温，冷却后极化，降温后再磁控溅射，得到PVDF压电感应薄膜；

所述PVDF压电感应薄膜中压电相含量为70～75％。

优选地，所述拉伸的温度为85～95℃，拉伸比为3.5～4.5；拉伸的速率为18～22mm/min。

优选地，所述保温的温度为85～95℃，保温的时间为18～23min；

冷却的过程中保持拉伸的拉力。

优选地，所述极化在硅油中进行；

所述极化的温度为85～95℃；极化的时间为20～60min。

优选地，降温至20～30℃。

优选地，所述溅射生长真空度为10

本发明提供了一种压电传感器，包括PVDF压电感应薄膜；

包覆在PVDF薄膜的环氧树脂胶层；

和包覆在所述环氧树脂胶层表面的橡胶层；

所述PVDF压电薄膜由上述技术方案所述制备方法制得。

优选地，所述环氧树脂胶层选自PET胶层或聚酰亚胺胶层。

本发明提供了一种上述技术方案所述压电传感器在起重机防啃轨监测中的应用。

本发明提供了一种PVDF压电感应薄膜的制备方法，包括以下步骤:将PVDF初始膜进行拉伸，保温，冷却后极化，降温后再磁控溅射，得到PVDF压电感应薄膜；所述PVDF压电薄膜中压电相含量为70～75％。本发明采用拉伸方法对PVDF膜改性，诱导薄膜内发生相变，生成压电β相，相较于初始薄膜，压电相含量增加了3.5～4倍。该PVDF压电感应薄膜具有较大的静态压电系数。该薄膜制备的压电传感器能够用于起重机的防啃轨监测中。

附图说明

图1为现有技术中轨道与车轮之间的现象示意图；

图2为本发明提供的压电传感器的结构示意图；

图3为压电传感器加设在轨道上的位置示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种PVDF压电感应薄膜的制备方法，包括以下步骤:

将PVDF初始膜进行拉伸，保温，冷却后极化，降温后再磁控溅射，得到PVDF压电感应薄膜；

所述PVDF压电感应薄膜中压电相含量为70～75％。

本发明采用拉伸方法对PVDF膜改性，诱导薄膜内发生相变，生成压电β相，相较于初始薄膜，压电相含量增加了3.5～4倍。该PVDF压电感应薄膜具有较大的静态压电系数。

在本发明中，所述PVDF初始膜优选按照以下方法制得：

将聚偏二氟乙烯粉末溶解在N-甲基吡咯烷酮中，60～90℃下搅拌55～65min，除气泡，流延成膜，得到PVDF初始膜。

在本发明中，本发明优选在真空中静置35～45min除气泡。成膜的温度为115～125℃，更优选为120℃；烘干的时间为55～65min，更优选为60min。

在本发明中，所述PVDF压电感应薄膜的厚度优选为30～50μm。

PVDF为半结晶的高分子聚合物，其晶区存在多种晶相结构，目前实验观测到的晶型结构至少有四种，即α相、β相、γ相、δ相。其中，α相无压电性。β相是PVDF中极性最强的相。γ相略有极性。PVDF材料中研究最多的相结构为α相和β相。常态的PVDF主要以分子势能最低的α相存在，而其压电性主要取决于极性β相。因为β相分子链结构形成较强电偶极矩，在外界力的作用下，其分子链微观结构发生变化，使得原有电中性被破坏，从而释放出束缚电荷。

本发明采用拉伸机进行拉伸。所述拉伸的温度为85～95℃，拉伸比为3.5～4.5；拉伸的速率为18～22mm/min。具体实施例中，所述拉伸的温度为90℃，拉伸比为4，拉伸速率为20mm/min。

达到指定拉伸比后停止拉伸，保温；所述保温的温度为85～95℃，保温的时间为18～23min；具体实施例中，所述保温的温度为90℃，时间为20min。

保温后冷却；本发明在保持拉力的情况下冷却。

冷却后进行极化。所述极化的温度优选为85～95℃；极化的时间优选为20～60min，更优选为35～45min，最优选为40min。本发明将冷却后的PVDF薄膜夹在一对平面电极之间，浸在硅油的液面之下，加热进行极化。极化采用直流高压；极化电场为50～100mV/m。

本发明优选保持极化电场保持在85～95mV/m下将硅油温度降至常温，更优选在90mV/m下，降温至20～30℃；然后撤去电场，极化完成。

本发明提供了一种压电传感器，包括PVDF压电感应薄膜；

磁控溅射在所述PVDF压电薄膜表面的薄膜；磁控溅射时采用两片掩模板将极化后的薄膜置于中间，再放于磁控溅射样品台上溅射；所述溅射生长真空度为10

包覆在所述薄膜表面的环氧树脂胶层；

和包覆在所述环氧树脂胶层表面的橡胶层；

所述PVDF压电薄膜由上述技术方案所述制备方法制得。

图2为本发明提供的压电传感器的结构示意图。

在本发明中，所述环氧树脂胶层优选选自PET胶层或聚酰亚胺胶层。

所述环氧树脂胶层的厚度为400～500μm；所述橡胶层的厚度为0.5～1cm。

所述压电传感器为一种预警装置,如在起重机啃轨监测中,起到警报的作用。

本发明提供了一种上述技术方案所述压电传感器在起重机防啃轨监测中的应用。

大车在行走过程中发生啃轨的现象时，承受着变化的外加作用力，这些变化的外加作用力促使由PVDF薄膜产生变形，其内部会产生极化现象，同时它的两个相对的表面上会产生正负相反的电荷，当外加作用力去掉后它又会恢复到不带电的状态，即由PVDF薄膜形变引起的电荷变化。PVDF压电薄膜产生的电荷信号需要通过电荷放大器转变成电压信号以后才可以进行采集，电荷放大器为具有深度负反馈电容高增益的运算放大器。由于PVDF压电传感器产生电信号微弱且其内阻很大，所以前置电荷放大器的作用为将微弱电信号放大和将压电传感器的高阻抗输出转换为前置电荷放大器的低阻抗输出。PVDF压电传感器信号采集流程如下所示：

压电传感器→电荷放大器→滤波器→示波器→计算机。

将大车行驶过程中的车轮压力变化经过放大、过滤、收集等处理转化为电压信号，从而实现了动态压力分布的采集，以便获取大车行走过程中的相关信息。

本发明在轨道和车轮中间加设压电传感器(示意图见图3)，利用压电薄膜的压电效应，将机械能转化成电能，检测大车车轮的内轮缘与轨道的间隙。车轮内侧放置压电感应薄膜，当车轮上的防护预警材料接触到轨道时产生压电信号，判断是否啃轨。本发明通过压电感应薄膜提高了检测精度，压电感应薄膜为柔性有机材料，具有较强的压电性能和很高的机械强度，并且频响范围宽、能抗化学和油性腐蚀，体积小，结构简单，可粘贴在材料的表面，与结构有着良好的相容性。使用压电感应薄膜检测轨道的压力的变化，避免啃轨的发生。

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种PVDF压电感应薄膜的制备方法和压电传感器进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

将10g聚偏二氟乙烯(PVDF)粉末和100ml N-甲基吡咯烷酮(NMP)混合溶解，70℃磁力搅拌60min，真空静置40min去除气泡，倒入流延皿，置于干燥箱中，通过升温蒸发将NMP挥发出去，成膜温度为120℃，烘干时间为60min，即在流延皿上就形成一层PVDF初始膜。将制作好的PVDF初始膜放入拉伸机中，用温控机保持拉伸温度为85℃，待温度恒定后设定好拉伸速率进行拉伸，拉伸比R＝4.5，拉伸速率22mm/min，到达指定拉伸比之后停止拉伸。调整温控机到适当的温度保温一定的时间，90℃保温20min，保持拉力的情况下进行冷却；

将冷却后的初始PVDF薄膜夹在一对平面电极之间，浸在硅油的液面之下，加热到极化温度为90℃，在两电极上施以直流高压(极化时间在30min，极化电场在70mV/m之间)，保持40min后，保持电场在90MV/m的条件下将硅油温度降到常温，然后撤去电场，极化完成。磁控溅射时需用两片掩模板将极化后的薄膜置于中间，将掩模板放于磁控溅射样品台上。溅射生长真空度为10

取适量的导电银胶涂抹在压电薄膜表面进行粘合，常温固化。选择环氧树脂胶将聚对苯二甲酸类塑料(PET)和压电薄膜贴合，再用橡胶包覆在最外层，得到压电传感器。静态压电系数d33达到17.9PC/N。

本发明将压电传感器模拟应用在起重机行走的轨道中时的数据收集，如表1所示：

表1实施例1的压电传感器在起重机行走轨道中收集的数据

从表1中可以看出：随着应力增大，电荷会增加，此传感器装置为预警装置，啃轨时发生接触应力增大，会使电流上升，即有啃轨的风险。

实施例2

将10g聚偏二氟乙烯(PVDF)粉末和100ml N-甲基吡咯烷酮(NMP)混合溶解，70℃磁力搅拌60min，真空静置40min去除气泡，倒入流延皿，置于干燥箱中，通过升温蒸发将NMP挥发出去，成膜温度为120℃，烘干时间为60min，即在流延皿上就形成一层PVDF初始膜。将制作好的PVDF初始膜放入拉伸机中，用温控机保持拉伸温度为90℃，待温度恒定后设定好拉伸速率进行拉伸，拉伸比R＝4，拉伸速率20mm/min，到达指定拉伸比之后停止拉伸。调整温控机到适当的温度保温一定的时间，90℃保温20min，保持拉力的情况下进行冷却；

将冷却后的初始PVDF薄膜夹在一对平面电极之间，浸在硅油的液面之下，加热到极化温度为90℃，在两电极上施以直流高压(极化时间在30min，极化电场在70mV/m之间)，保持40min后，保持电场在90MV/m的条件下将硅油温度降到常温，然后撤去电场，极化完成。磁控溅射时需用两片掩模板将极化后的薄膜置于中间，将掩模板放于磁控溅射样品台上。溅射生长真空度为10

取适量的导电银胶涂抹在压电薄膜表面进行粘合，常温固化。选择环氧树脂胶将聚对苯二甲酸类塑料(PET)和压电薄膜贴合，再用橡胶包覆在最外层，得到压电传感器。静态压电系数d33达到18.5PC/N。

本发明将压电传感器模拟应用在起重机行走的轨道中时的数据收集，如表2所示：

表2实施例2的压电传感器在起重机行走的轨道中收集的数据

从表2中可以看出：随着应力增大，电荷会增加，此传感器装置为预警装置，啃轨时发生接触应力增大，会使电流上升，即有啃轨的风险

实施例3

将10g聚偏二氟乙烯(PVDF)粉末和100ml N-甲基吡咯烷酮(NMP)混合溶解，70℃磁力搅拌60min，真空静置40min去除气泡，倒入流延皿，置于干燥箱中，通过升温蒸发将NMP挥发出去，成膜温度为120℃，烘干时间为60min，即在流延皿上就形成一层PVDF初始膜。将制作好的PVDF初始膜放入拉伸机中，用温控机保持拉伸温度为90℃，待温度恒定后设定好拉伸速率进行拉伸，拉伸比R＝4，拉伸速率20mm/min，到达指定拉伸比之后停止拉伸。调整温控机到适当的温度保温一定的时间，90℃保温20min，保持拉力的情况下进行冷却；

将冷却后的初始PVDF薄膜夹在一对平面电极之间，浸在硅油的液面之下，加热到极化温度为90℃，在两电极上施以直流高压(极化时间在40min，极化电场在80mV/m之间)，保持40min后，保持电场在90MV/m的条件下将硅油温度降到常温，然后撤去电场，极化完成。磁控溅射时需用两片掩模板将极化后的薄膜置于中间，将掩模板放于磁控溅射样品台上。溅射生长真空度为10

取适量的导电银胶涂抹在压电薄膜表面进行粘合，常温固化。选择环氧树脂胶将聚对苯二甲酸类塑料(PET)和压电薄膜贴合，再用橡胶包覆在最外层，得到压电传感器。静态压电系数d33达到19.8PC/N。

本发明将压电传感器模拟应用在起重机行走的轨道中时的数据收集，如表3所示：

表3实施例3的压电传感器在起重机行走的轨道中收集的数据

从表3中可以看出：随着应力增大，电荷会增加，此传感器装置为预警装置，啃轨时发生接触应力增大，会使电流上升，即有啃轨的风险。

由以上实施例可知，本发明提供了一种PVDF压电感应薄膜的制备方法，包括以下步骤:将PVDF初始膜进行拉伸，保温，冷却后极化，降温后再磁控溅射，得到PVDF压电感应薄膜；所述PVDF压电薄膜中压电相含量为70～75％。本发明采用拉伸方法对PVDF膜改性，诱导薄膜内发生相变，生成压电β相，相较于初始薄膜，压电相含量增加了3.5～4倍。该PVDF压电感应薄膜具有较大的静态压电系数。该薄膜制备的压电传感器能够用于起重机的防啃轨监测中。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。