一種螺旋管式壓電彈簧及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電子壓電材料和器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種螺旋管式壓電彈簧的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)和控制技術(shù)的快速發(fā)展，要求器件小型化和集成化，這對(duì)傳統(tǒng)的功能材料提出了各種新的要求。壓電材料由于其優(yōu)良的壓電性能、熱電性能、鐵電性能、光電性能和介電性能被廣泛地應(yīng)用于傳感器、驅(qū)動(dòng)器和各種精密儀器的控制部分。壓電功能的應(yīng)用已從最初的簡(jiǎn)單的壓電振子、拾音器等發(fā)展到能源、信息、軍事以及其他高新技術(shù)領(lǐng)域。由壓電材料制備的傳統(tǒng)壓電器件的結(jié)構(gòu)多為“三明治”式片狀結(jié)構(gòu)，由于性能優(yōu)良、制備過程簡(jiǎn)單和生產(chǎn)成本較低等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。然而這種片狀結(jié)構(gòu)有一個(gè)無法克服的缺點(diǎn)是形變量較小，在測(cè)試形變量大或者位移量大的場(chǎng)景時(shí)，以及采集運(yùn)動(dòng)幅度變化量大過程中的機(jī)械能并把之轉(zhuǎn)化為電能時(shí)，往往受到極大的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中壓電器件存在的上述問題，本發(fā)明提供一種螺旋管式壓電彈簧及其制備方法。
[0004]本發(fā)明提供一種螺旋管式壓電彈簧，所述壓電彈簧為螺旋管狀結(jié)構(gòu)，壓電彈簧從內(nèi)至外包括金屬內(nèi)芯、壓電材料層和外電極層，所述金屬內(nèi)芯為螺旋管狀結(jié)構(gòu)，所述壓電層由金屬內(nèi)芯從壓電前驅(qū)體溶液中提出并經(jīng)過溫度梯度爐熱處理后生成，所述外電極采用真空蒸鍍法制備而成，外電極均勻蒸鍍?cè)趬弘姀椈傻谋砻妗?br>[0005]本發(fā)明還提供一種螺旋管式壓電彈簧的制備方法。該制備方法首先把的金屬內(nèi)芯繞制成螺旋管狀結(jié)構(gòu)，然后使用提拉法把螺旋管狀內(nèi)芯從壓電前驅(qū)體溶液中提出，隨后使用溫度梯度爐進(jìn)行熱處理。如此反復(fù)多次，直到達(dá)到所需厚度，最后使用蒸鍍法在螺旋管狀結(jié)構(gòu)上均勻蒸鍍金屬外電極，之后經(jīng)過極化處理，而得到螺旋管式壓電彈簧。
[0006]進(jìn)一步，壓電彈簧的外形是螺旋管狀結(jié)構(gòu)，該螺旋管狀結(jié)構(gòu)由三層組成，分別是金屬內(nèi)芯、壓電材料層和外電極層。其中，金屬內(nèi)芯由含鐵或含鈦或含銅或鎳的金屬線材制備而成，并繞制成螺旋管狀結(jié)構(gòu)。壓電層是由金屬內(nèi)芯從壓電前驅(qū)體溶液中提出后并經(jīng)過溫度梯度爐熱處理后而生成的，并通過反復(fù)從壓電前驅(qū)體溶液中提拉和溫度梯度爐熱處理過程而達(dá)到指定的厚度。
[0007]進(jìn)一步，溫度梯度爐是一個(gè)管式加熱爐，該加熱爐的中部加熱區(qū)溫度顯著高于兩端部加熱區(qū)的溫度，即中部加熱區(qū)與兩端部加熱區(qū)存在溫度梯度。
[0008]進(jìn)一步，螺旋管式壓電彈簧的外電極采用真空蒸鍍法制備而成，在蒸鍍時(shí)同時(shí)保持壓電彈簧沿不同的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使得外電極均勻蒸鍍?cè)趬弘姀椈傻谋砻?。所述螺旋管式壓電彈簧的制備方法具體步驟包括:
[0009]I)把耐高溫的金屬內(nèi)芯繞制成螺旋管狀結(jié)構(gòu)，作為制備壓電彈簧的金屬內(nèi)芯，之后，制備壓電前驅(qū)體溶液作為壓電層制備的原材料。
[0010]2)將制備好的壓電前驅(qū)體溶液放入燒杯中，將螺旋管式的金屬內(nèi)芯懸掛到事先準(zhǔn)備好的電機(jī)上，同時(shí)，使得螺旋管式的彈簧通過中間溫度較高的溫度梯度爐。將裝有壓電前驅(qū)體溶液的燒杯放在管式電爐下方，啟動(dòng)電機(jī)，使得螺旋管式的彈簧均勻的浸潤(rùn)在壓電前驅(qū)體溶液中，浸潤(rùn)后，將螺旋管式的彈簧吊起，在溫度梯度爐內(nèi)高溫加熱，使得壓電薄膜均勻的涂布在螺旋管式的金屬內(nèi)芯上。單層壓電層涂布完成之后，需要對(duì)步驟二反復(fù)進(jìn)行多次，直到達(dá)到所需的壓電層厚度。
[0011]3)將制備好壓電層的螺旋管式壓電彈簧固定到旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過熱蒸發(fā)鍍膜設(shè)備進(jìn)行外電極制備，在電極制備的過程中，保證螺旋管式壓電彈簧均勻旋轉(zhuǎn)，同時(shí)通過改變不同的旋轉(zhuǎn)方向來使得電極均勻的涂布在螺旋管式壓電彈簧上。
[0012]4)外加電場(chǎng)，對(duì)制備的螺旋管式壓電彈簧進(jìn)行極化處理，使壓電彈簧表現(xiàn)出壓電性能。
[0013]5)將制備好的螺旋管式壓電彈簧，加上測(cè)試引線，進(jìn)行螺旋管式壓電彈簧電學(xué)性能的測(cè)試和分析。
[0014]本發(fā)明的有益效果如下:
[0015]本發(fā)明的螺旋管式壓電彈簧及其制備方法，采用螺旋管式金屬作為壓電彈簧的內(nèi)芯和內(nèi)電極，通過提拉法制備壓電層，通過旋轉(zhuǎn)鍍膜法制備外電極，最后通過極化處理而等到一種具有螺旋管狀結(jié)構(gòu)的壓電器件。該壓電器件在較小的外力作用下就可以產(chǎn)生較大的形變，這在進(jìn)行力的測(cè)量或傳感時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)極高的靈敏度和線性度；同時(shí)，在采集一些具有較大運(yùn)動(dòng)幅度的機(jī)械能并把之轉(zhuǎn)換為電能時(shí)，壓電彈簧由于能夠承受較高的形變量，使得機(jī)械能采集裝置更易設(shè)計(jì)和實(shí)施。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明中螺旋管式壓電彈簧的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2是螺旋管式壓電彈簧的壓電層制備裝置示意圖；
[0018]圖3是溫度梯度爐的溫度設(shè)定圖；
[0019]圖4是制備本發(fā)明的螺旋管式壓電彈簧的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)裝置作進(jìn)一步的說明:
[0021]第一步:如圖1所示，螺旋管式壓電彈簧的設(shè)計(jì)模型，該壓電彈簧模型由I的螺旋管狀彈簧金屬內(nèi)芯4、壓電層7、金屬外電極8組成。其中，金屬內(nèi)芯4由含鐵或含鈦或含銅或鎳的金屬線材制備而成，并繞制成螺旋管狀結(jié)構(gòu);壓電層7是由金屬內(nèi)芯4從壓電前驅(qū)體溶液中提出后并經(jīng)過溫度梯度爐熱處理后而生成的，并通過反復(fù)從壓電前驅(qū)體溶液中提拉和溫度梯度爐熱處理過程而達(dá)到指定的厚度;螺旋管式壓電彈簧的金屬外電極8采用真空蒸鍍法制備而成，在蒸鍍時(shí)同時(shí)保持壓電彈簧沿不同的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使得金屬外電極8均勻蒸鍍?cè)趬弘姀椈傻谋砻妗?br>[0022]第二步:螺旋管式壓電彈簧的壓電層制備裝置的設(shè)計(jì)，如圖2所示，制備螺旋管式壓電彈簧的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由固定墻體1、支架2、電機(jī)3、螺旋管狀彈簧金屬內(nèi)芯4、溫度梯度爐5、裝有壓電前驅(qū)體溶液的燒杯6組成。其中溫度梯度爐5的溫度設(shè)定如圖3所示。溫度梯度爐5是一個(gè)管式加熱爐，該加熱爐的中部加熱區(qū)溫度顯著高于兩端部加熱區(qū)的溫度，即中部加熱區(qū)與兩端部加熱區(qū)存在溫度梯度。
[0023]第三步:如圖4所示，制備的螺旋管式壓電彈簧的流程圖。首先制備壓電前驅(qū)體溶液和螺旋管式金屬內(nèi)芯。之后，搭建好壓電彈簧制備的提拉裝置，啟動(dòng)電