【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于压电材料，具体涉及一种基于磁场排列的同轴压电纤维制备装置及方法。
技术介绍
1、压电材料是指在受到外力作用时，在两端会出现分离电荷从而产生电压的晶体材料，这种现象被称为压电效应，通过压电效应能够实现机械能和电能之间的相互转化。利用压电材料的这一特性，可以制作各种传感器元件以及微纳米能源器件。
2、钛酸钡(bt)、锆钛酸铅(pzt)都是典型的压电陶瓷材料，具有价格低、易合成、压电系数高等优点，目前都已经得到大量的应用；但是由于其成型温度较高、不易制得复杂形状、脆性高等不足限制了其在快速发展的柔性电子器件领域的应用。氮化硼(bn)压电陶瓷是一种新型的压电材料，具有许多优点：首先，它具有优异的压电性能，表现出高的压电系数和优异的压电稳定性；其次，氮化硼具有良好的力学性能和化学稳定性，能够在高温、高压等恶劣环境下稳定工作，具有较长的使用寿命；此外，相比于铅酸钛等，氮化硼具有较低的毒性和环境友好性。
3、聚偏氟乙烯(pvdf)作为一种聚合物压电材料，因其材质柔韧、密度低、响应灵敏等优点备受关注。pvdf是一种半结晶聚合物，具有五种晶相，其中β晶相具有较高的偶极矩，表现出明显的压电效应；而α晶相是pvdf最稳定的晶相，但没有压电性能，可以通过极化转变为β晶相。pvdf的二元、三元共聚物，如聚偏氟乙烯-三氟乙烯(p(vdf-trfe))、聚偏氟乙烯-三氟乙烯-六氟丙烯(p(vdf-trfe-hfp))等，在室温下更容易表现为β晶相。pvdf基压电材料克服了陶瓷压电材料硬而脆、难于加工等困难，具有广阔的应用
4、为综合解决陶瓷压电材料的脆性问题和聚合物压电材料的效率问题，普遍的做法是将陶瓷材料与聚合物进行复合，结合二者的优点。在之前的报道中，研究者将压电陶瓷与压电聚合物复合从而得到同时具有柔性和较高压电效应的材料(nano energy,2017,33:462-468.)，取得了一定进展；然而，由于压电陶瓷在掺杂的过程中需要经过分散，从而形成无序的随机方向，这使得分散的压电陶瓷颗粒的偶极子方向也是无序的，由此产生的压电电荷分离有可能会相互抵消，从而限制其总的压电输出。
5、湿法纺丝技术是一种制备纤维的常用方法之一，其主要过程是将高分子溶液或熔体通过孔径控制器或者旋转部件将高分子液体从坯料中挤出，形成纤维。在湿法纺丝技术中，通常会使用溶剂或者溶液来助溶高分子材料，使其在纺丝过程中能够更易流动，并且在纺丝后迅速固化形成纤维。同轴湿法纺丝是湿法纺丝技术的一种改进型，其主要特点是在纺丝过程中采用同轴的纺丝结构，通常结构为两个同心圆柱状的纺丝孔，其中外部的孔用来注入高分子溶液或熔体，而内部的孔用来注入辅助流体，如空气或溶剂；或者是在内部插入纤维，从而将高分子材料同轴附着在内部纤维表面，形成芯鞘结构的同轴纤维。同轴湿法纺丝技术在纤维制备过程中具有更高的灵活性和可控性，可以制备出具有不同形态、结构和性能的纤维产品。
6、综上，目前采用压电陶瓷与压电聚合物复合来制备压电纤维时存在的压电输出不稳定缺点。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供了一种基于磁场排列的同轴压电纤维制备装置及方法，在同轴湿法纺丝的基础上，通过引入外部磁场，对纤维压电功能层中的磁感压电材料定向排列，从而提升纤维在排列方向上的压力敏感性，得到更高压电性能的纤维；所制备的同轴压电纤维可以作为可穿戴设备的电源、高灵敏柔性传感器，或将其植入到纤维增强复合材料中，构成传感网络，实现复合材料的应力分布监测功能。
2、为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
3、一种基于磁场排列的同轴压电纤维制备装置，包括纤维输送卷，纤维输送卷送出碳纤维束经同轴针管、磁场排列装置、水浴槽由纤维收集卷收集；
4、同轴针管包括套筒，套筒上端连接有第一针头，套筒下端连接有第二针头，第一针头、第二针头对碳纤维束进行限位；第二针头侧方连接有第三针头，第三针头注入纺丝溶液，纺丝溶液由压电聚合物及分布在压电聚合物中的磁感压电陶瓷颗粒组成；
5、磁场排列装置包括由磁场北极板和磁场南极板构成的平行磁场空间，平行磁场空间对分布在压电聚合物中的磁感压电陶瓷颗粒进行排列；
6、水浴槽中注有水浴溶液，排列后纤维进入水浴溶液，将纺丝溶液的溶剂去除得到同轴压电纤维；同轴压电纤维通过辊子转向，经纤维收集卷收集并干燥。
7、所述的碳纤维束直径为1k、3k、6k、12k等，通过选用不同的k数能够得到不同直径的纤维；碳纤维的型号是t300、t700、t800等，取决于成本需要和强度需求。
8、所述的纺丝溶液的制备方法为：将压电聚合物pvdf粉末溶解在溶剂n,n-二甲基乙酰胺(dmac)中得到pvdf溶液，再将磁感压电陶瓷颗粒氮化硼纳米片(bnns)分散在pvdf溶液中。
9、所述的压电聚合物pvdf为：聚偏氟乙烯pvdf、聚偏氟-三氟乙烯p(vdf-trfe)、聚偏氟乙烯-三氟乙烯-六氟丙烯p(vdf-trfe-hfp)中的任意一种或多种组成，这取决于具体的成本需要和功能需求；溶剂是任何能够溶解pvdf材料而不溶解氮化硼材料的有机溶剂，包括但不限于n,n-二甲基甲酰胺(dmf)、n,n-二甲基乙酰胺(dmac)；磁感压电陶瓷颗粒氮化硼具体形态为氮化硼纳米管(bnnt)、氮化硼纳米片(bnns)中的任意一种，这取决于具体的成本需要和功能需求。
10、所述的水浴溶液是去离子水，或是其他能够迅速溶解纺丝溶液中的有机溶剂的液体。
11、所述的纤维收集卷带有电驱动装置，开启后使碳纤维束连续不断的卷绕。
12、利用一种基于磁场排列的同轴压电纤维制备装置的方法，包括以下步骤：
13、第一步：将碳纤维束安装在基于磁场排列的同轴压电纤维制备装置上，即从纤维输送卷经过同轴针管、磁场排列装置、水浴槽到纤维收集卷；
14、第二步：将水浴溶液置于水浴槽中，液面完全浸没碳纤维束；
15、第三步：配置纺丝溶液：将1g压电聚合物即pvdf粉末加入溶剂20mln,n-二甲基乙酰胺(dmac)中，在60℃下磁力搅拌3h；将0.2g磁感压电陶瓷颗粒即氮化硼纳米片(bnns)加入pvdf溶液中，搅拌均匀后超声分散2h；
16、第四步：用注射器吸取纺丝溶液，置于电控微流泵上；设置电控微流泵推进溶液速度为0.02-0.2ml/min，经第三针头将纺丝溶液注入到同轴针管中；
17、第五步：当纺丝溶液填充满第二针头后，开启纤维收集卷的电驱动装置，开始同轴压电纤维的制备；制备完成后，将纤维收集卷收集的同轴压电纤维放入真空干燥箱中进行烘干，干燥完毕后对同轴压电纤维进行极化。
18、所述的第五步中纤维收集卷的电驱动装置的牵引速度为10-100mm/min。
19、所述的第五步中干燥条件本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于磁场排列的同轴压电纤维制备装置，包括纤维输送卷，其特征在于：纤维输送卷送出碳纤维束经同轴针管、磁场排列装置、水浴槽由纤维收集卷收集；
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的碳纤维束直径为1k、3k、6k、12k，通过选用不同的k数能够得到不同直径的纤维；碳纤维的型号是T300、T700、T800。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的纺丝溶液的制备方法为：将压电聚合物PVDF粉末溶解在溶剂N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)中得到PVDF溶液，再将磁感压电陶瓷颗粒氮化硼纳米片(BNNS)分散在PVDF溶液中。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的压电聚合物PVDF为：聚偏氟乙烯PVDF、聚偏氟-三氟乙烯P(VDF-TrFE)、聚偏氟乙烯-三氟乙烯-六氟丙烯P(VDF-TrFE-HFP)中的任意一种或多种；溶剂是任何能够溶解PVDF材料而不溶解氮化硼材料的有机溶剂，包括N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)；磁感压电陶瓷颗粒氮化硼具体形态为氮化硼纳米管(BNNT)、氮化硼纳米片(
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的水浴溶液是去离子水，或是其他能够迅速溶解纺丝溶液中的有机溶剂的液体。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的纤维收集卷带有电驱动装置，开启后使碳纤维束连续不断的卷绕。
7.利用权利要求1-6任一项所述的一种基于磁场排列的同轴压电纤维制备装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：第五步中纤维收集卷的电驱动装置的牵引速度为10-100mm/min。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：第五步中干燥条件为温度100-120℃，干燥时间1h以上。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：第五步中极化电场的方向需要与磁场排列装置的排列方向保持一致，极化电场强度为10-40V/μm。
...【技术特征摘要】
1.一种基于磁场排列的同轴压电纤维制备装置，包括纤维输送卷，其特征在于：纤维输送卷送出碳纤维束经同轴针管、磁场排列装置、水浴槽由纤维收集卷收集；
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的碳纤维束直径为1k、3k、6k、12k，通过选用不同的k数能够得到不同直径的纤维；碳纤维的型号是t300、t700、t800。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的纺丝溶液的制备方法为：将压电聚合物pvdf粉末溶解在溶剂n,n-二甲基乙酰胺(dmac)中得到pvdf溶液，再将磁感压电陶瓷颗粒氮化硼纳米片(bnns)分散在pvdf溶液中。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的压电聚合物pvdf为：聚偏氟乙烯pvdf、聚偏氟-三氟乙烯p(vdf-trfe)、聚偏氟乙烯-三氟乙烯-六氟丙烯p(vdf-trfe-hfp)中的任意一种或多种；溶剂是任何能够溶解pvdf材料而不溶解氮化硼材料的有机溶剂，包括n,n-二甲基甲酰胺(dmf)、n...
【专利技术属性】
技术研发人员：王一杰，程思译，张涵，惠耀祖，陈小明，张洁，邵金友，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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