[发明专利]一种螺旋管式压电弹簧及其制备方法

说明书

本发明公开一种螺旋管式压电弹簧及其制备方法。该压电弹簧为螺旋管状结构，压电弹簧从内至外包括金属内芯、压电材料层和外电极层。该制备方法首先把金属内芯绕制成螺旋管状结构；然后使用提拉法把螺旋管状内芯从压电前驱体溶液中提出，随后使用温度梯度炉进行热处理，如此反复多次，直到达到所需厚度；最后使用蒸镀法在螺旋管状结构上均匀蒸镀金属外电极，之后经过极化处理，而得到螺旋管式压电弹簧。本发明在较小的外力作用下就可以产生较大的形变，这在进行力的测量或传感时能够获得极高的灵敏度和线性度；同时，在采集一些具有较大运动幅度的机械能并把之转换为电能时，压电弹簧由于能够承受较高的形变量，使得机械能采集装置更易设计和实施。

技术领域

本发明涉及电子压电材料和器件技术领域，具体涉及一种螺旋管式压电弹簧的制备方法。

背景技术

随着电子技术、信息技术和控制技术的快速发展,要求器件小型化和集成化,这对传统的功能材料提出了各种新的要求。压电材料由于其优良的压电性能、热电性能、铁电性能、光电性能和介电性能被广泛地应用于传感器、驱动器和各种精密仪器的控制部分。压电功能的应用已从最初的简单的压电振子、拾音器等发展到能源、信息、军事以及其他高新技术领域。由压电材料制备的传统压电器件的结构多为“三明治”式片状结构，由于性能优良、制备过程简单和生产成本较低等特点而被广泛应用。然而这种片状结构有一个无法克服的缺点是形变量较小，在测试形变量大或者位移量大的场景时，以及采集运动幅度变化量大过程中的机械能并把之转化为电能时，往往受到极大的限制。

发明内容

针对现有技术中压电器件存在的上述问题，本发明提供一种螺旋管式压电弹簧及其制备方法。

本发明提供一种螺旋管式压电弹簧，所述压电弹簧为螺旋管状结构，压电弹簧从内至外包括金属内芯、压电材料层和外电极层，所述金属内芯为螺旋管状结构，所述压电层由金属内芯从压电前驱体溶液中提出并经过温度梯度炉热处理后生成，所述外电极采用真空蒸镀法制备而成，外电极均匀蒸镀在压电弹簧的表面。

本发明还提供一种螺旋管式压电弹簧的制备方法。该制备方法首先把的金属内芯绕制成螺旋管状结构，然后使用提拉法把螺旋管状内芯从压电前驱体溶液中提出，随后使用温度梯度炉进行热处理。如此反复多次，直到达到所需厚度，最后使用蒸镀法在螺旋管状结构上均匀蒸镀金属外电极，之后经过极化处理，而得到螺旋管式压电弹簧。

进一步，压电弹簧的外形是螺旋管状结构，该螺旋管状结构由三层组成，分别是金属内芯、压电材料层和外电极层。其中，金属内芯由含铁或含钛或含铜或镍的金属线材制备而成，并绕制成螺旋管状结构。压电层是由金属内芯从压电前驱体溶液中提出后并经过温度梯度炉热处理后而生成的，并通过反复从压电前驱体溶液中提拉和温度梯度炉热处理过程而达到指定的厚度。

进一步，温度梯度炉是一个管式加热炉，该加热炉的中部加热区温度显著高于两端部加热区的温度，即中部加热区与两端部加热区存在温度梯度。

进一步，螺旋管式压电弹簧的外电极采用真空蒸镀法制备而成，在蒸镀时同时保持压电弹簧沿不同的旋转轴进行旋转，使得外电极均匀蒸镀在压电弹簧的表面。所述螺旋管式压电弹簧的制备方法具体步骤包括：

1)把耐高温的金属内芯绕制成螺旋管状结构，作为制备压电弹簧的金属内芯，之后，制备压电前驱体溶液作为压电层制备的原材料。

2)将制备好的压电前驱体溶液放入烧杯中，将螺旋管式的金属内芯悬挂到事先准备好的电机上，同时，使得螺旋管式的弹簧通过中间温度较高的温度梯度炉。将装有压电前驱体溶液的烧杯放在管式电炉下方，启动电机，使得螺旋管式的弹簧均匀的浸润在压电前驱体溶液中，浸润后，将螺旋管式的弹簧吊起，在温度梯度炉内高温加热，使得压电薄膜均匀的涂布在螺旋管式的金属内芯上。单层压电层涂布完成之后，需要对步骤二反复进行多次，直到达到所需的压电层厚度。