專利名稱：制造pzt納米粒子墨水基壓電傳感器的方法和系統(tǒng)的制作方法
制造PZT納米粒子墨水基壓電傳感器的方法和系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域
本公開大體涉及制造傳感器的方法和系統(tǒng)，并且更具體地涉及用于制造被沉積在 結(jié)構(gòu)上的納米粒子壓電傳感器的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
例如微型傳感器的小傳感器可以被用于包括結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)系統(tǒng)和方法的各 種應(yīng)用來連續(xù)地監(jiān)測例如復合材料或金屬結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，并且測量結(jié)構(gòu)特征以及應(yīng)力和應(yīng)變 水平，以便評估結(jié)構(gòu)的性能、可能損壞和當前狀態(tài)。公知的SHM系統(tǒng)和方法可以包括使用被 集成到聚酰亞胺基體且被連接到動力和通信配線的小的剛性的陶瓷圓盤傳感器。這些公知 的傳感器通常使用粘結(jié)劑被手動粘結(jié)到結(jié)構(gòu)。這種手動安裝會增加勞動力和安裝成本，并 且這種粘結(jié)劑會隨時間老化并且會導致傳感器脫離結(jié)構(gòu)。此外，這些公知傳感器可以由堅 硬的平面和/或脆性材料制成，而這會限制其使用，例如難以用在彎曲或非平面基體表面 上。此外，在這些公知傳感器的大型陣列中，所需動力和通信配線的量會增加結(jié)構(gòu)的復雜性 和重量。
此外，公知傳感器系統(tǒng)和方法，例如微機電系統(tǒng)(MEMS)和方法，會包括使用納米粒 子沉積在基體壓電傳感器，例如鋯鈦酸鉛(PZT)傳感器的用法。用于制造這種MEMS的公知 方法可以包括用于直寫墨水的PZT粉末的熔融鹽合成。不過，應(yīng)用由這樣的公知方法制造 的PZT傳感器會受限于PZT傳感器的物理幾何形狀。這種物理幾何限制會導致不足的感測 能力或者不足的致動響應(yīng)。此外，由這樣的公知方法制造的PZT傳感器由于PZT傳感器制 造方法的原因而不能夠應(yīng)用于或被置于其功能非常重要的區(qū)域。例如，公知的熔融鹽合成 方法會需要在比某些應(yīng)用基體能夠容忍的溫度更高的溫度下進行。
此外，這樣的公知MEMS系統(tǒng)和方法還會包括使用具有納米粒子的傳感器，且所述 納米粒子還沒有晶體化并且其比已經(jīng)晶體化的納米粒子效率更低。非晶結(jié)構(gòu)通常具有更大 的無序性，從而導致對應(yīng)變和電壓的響應(yīng)敏感性減小，而晶體結(jié)構(gòu)通常具有更大的內(nèi)部有 序性，從而導致對應(yīng)變的響應(yīng)敏感性增加并且操作能量的必要性減小。此外，傳感器的納米 粒子對于某些公知的沉積過程和系統(tǒng)而言是過大的，例如噴射原子化沉積(JAD)過程，并且 這種納米粒子會需要高溫燒結(jié)/結(jié)晶過程，而這會導致?lián)p壞對溫度敏感的基體或結(jié)構(gòu)。
因此，本領(lǐng)域需要一種改進的方法和系統(tǒng)，其用于制造可以被用在結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)健 康監(jiān)測系統(tǒng)和方法中的具有納米粒子的PZT壓電傳感器，而這種改進的方法和系統(tǒng)提供了 優(yōu)于公知方法和系統(tǒng)的優(yōu)點。發(fā)明內(nèi)容
滿足了對于一種改進的方法和系統(tǒng)的這種需要，且其中該方法和系統(tǒng)用于制造可 以被用在結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)和方法中的具有納米粒子的鋯鈦酸鉛(PZT)壓電傳感 器。如下述具體描述中所討論的，系統(tǒng)和方法的實施例可以提供優(yōu)于已有系統(tǒng)和方法的顯 著優(yōu)點。
在本公開的實施例中，提供制造鋯鈦酸鉛(PZT)納米粒子墨水基壓電傳感器的方 法。該方法包括按配方/化學式配制PZT納米粒子墨水。該方法還包括經(jīng)由墨水沉積過程 將PZT納米粒子墨水沉積在基體上以便形成PZT納米粒子墨水基壓電傳感器。
在本公開的另一實施例中，提供制造鋯鈦酸鉛(PZT)納米粒子墨水基壓電傳感器 的方法。該方法包括按配方/化學式配制包括預(yù)結(jié)晶化PZT納米粒子的PZT納米粒子墨水。 該方法還包括使得PZT納米粒子墨水懸浮于溶膠-凝膠基粘結(jié)促進劑中。該方法還包括經(jīng) 由直寫印制過程將PZT納米粒子墨水沉積在基體上以便形成PZT納米粒子墨水基壓電傳感 器。
在本公開的另一實施例中，提供用于制造鋯鈦酸鉛(PZT)納米粒子墨水基壓電傳 感器的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括按配方配制的PZT納米粒子墨水。該系統(tǒng)還包括將PZT納米粒子 墨水沉積在基體上以便形成PZT納米粒子墨水基壓電傳感器的墨水沉積設(shè)備。該結(jié)構(gòu)可 以具有非彎曲或平面表面、彎曲或非平面表面、或者非彎曲或平面表面和彎曲或非平面表 面的組合。PZT納米粒子墨水基壓電傳感器可以被沉積在結(jié)構(gòu)的表面上且在結(jié)構(gòu)的主體和 PZT納米粒子墨水基壓電傳感器之間具有一層或更多層絕緣物、涂層或漆。
已經(jīng)討論的特征、功能和優(yōu)點能夠在本公開的各種實施例中單獨地實現(xiàn)或者在另 一些實施例中組合，參考下述說明和附圖能夠看出其的進一步細節(jié)。


結(jié)合附圖參考下述具體描述能夠更好地理解本公開，附圖示出了優(yōu)選且示例性實 施例，不過其不必要成比例繪制，其中
圖1示出了可以使用本公開的系統(tǒng)和方法的一個實施例的示例性飛行器的立體 圖2示出了沉積的PZT納米粒子墨水基壓電傳感器組件的一個實施例的橫截面 圖3示出了沉積的PZT納米粒子墨水基壓電傳感器組件的另一個實施例的橫截面 圖4示出了被沉積在復合材料結(jié)構(gòu)上的沉積的PZT納米粒子墨水基壓電傳感器組 件的一個實施例的俯視立體圖5示出了本公開的用于制造PZT納米粒子墨水基壓電傳感器的系統(tǒng)的一個實施 例的框圖6A示出了用于制造本公開的PZT納米粒子墨水基壓電傳感器的墨水沉積過程 和設(shè)備的不意圖6B示出了被沉積在結(jié)構(gòu)的表面上的PZT壓電納米粒子墨水基傳感器的放大 圖7示出了使用本公開的PZT納米粒子墨水基壓電傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的 一個實施例的不意圖8示出了本公開的方法實施例的流程圖9示出了本公開的方法的另一實施例的流程圖；以及
圖10示出了可以用于制造這里公開的PZT納米粒子墨水基壓電傳感器的墨水沉積過程和墨水沉積設(shè)備的實施例的框圖。
具體實施方式
之后將參考附圖更全面地描述所公開的實施例，附圖中僅示出所公開實施例的一 些而不是全部。實際上，提供幾個不同的實施例，并且它們不應(yīng)被看作是被限制為這里提出 的實施例。而是，這些實施例被提供以便對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，本公開將全面且完整并 且將完全涵蓋本公開的范圍。下述具體描述是執(zhí)行本公開的當前最佳的實施方式。描述不 應(yīng)被看作是限制性的，而是僅為了說明本公開的大體原理的目的，本公開的范圍有所附權(quán) 利要求最佳限定。
現(xiàn)在參考附圖，圖1示出了示例性現(xiàn)有技術(shù)飛行器10的立體圖，用于針對結(jié)構(gòu)30 制造鋯鈦酸鉛(PZT)納米粒子墨水基壓電傳感器110 (見圖2)的系統(tǒng)100 (見圖5)、方法 200 (見圖8)或方法250 (見圖9)中的一種實施例可以用于該飛行器10，其中該結(jié)構(gòu)30例 如是復合材料結(jié)構(gòu)102 (見圖1)或金屬結(jié)構(gòu)132 (見圖3)。如這里所用，術(shù)語“PZT”指鋯 鈦酸鉛，即一種由化學元素鉛和鋯以及化合物鈦酸(可以在高溫下結(jié)合)構(gòu)成的一種壓電鐵 電性陶瓷材料。PZT呈現(xiàn)良好的壓電特性。如這里所用，與PZT有關(guān)的術(shù)語“壓電”指當變 形時PZT在其兩面呈現(xiàn)電壓或電勢差，這對于傳感器應(yīng)用是有利的，或者當施加外部電場 時其物理變形，這對于致動器應(yīng)用是有利的。為了本申請目的，與PZT有關(guān)的術(shù)語“鐵電”指 PZT具有自發(fā)電極性/電極化或電偶極，且在存在電場時其能夠反轉(zhuǎn)。
飛行器10包括機身12、機頭14、駕駛艙16、操作地聯(lián)接到機身12的機翼18、一個 或更多個推進單元20、尾部豎直穩(wěn)定器22以及一個或更多個尾部水平穩(wěn)定器24。雖然圖1所示飛行器10大體代表了商用客機，不過這里公開的系統(tǒng)100和方法200、250還可以用 于其他飛行器類型。更具體地，所公開的實施例的教導可以應(yīng)用于其他客機、貨機、軍用飛 行器、旋翼機和其他類型的飛行器或空中交通工具以及航天交通工具，例如衛(wèi)星、太空發(fā)射 器、火箭和其他類型航天交通工具。還可以意識到根據(jù)所公開的系統(tǒng)、方法和設(shè)備的實施例 可以用于其他交通工具，例如船舶和其他水上飛機、火車、機動車、卡車、公交車和其他類型 交通工具。還可以意識到根據(jù)所公開的系統(tǒng)、方法和設(shè)備的實施例可以用于建筑結(jié)構(gòu)、渦輪 葉片、醫(yī)用裝置、電子致動器械、消費電子裝置、震動器械、無源和有源阻尼器或者其他適當 結(jié)構(gòu)。
在本公開的實施例中，提供用于制造鋯鈦酸鉛(PZT)納米粒子墨水基壓電傳感器 110的系統(tǒng)100。圖5示出了用于制造本公開的PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110 (也見 圖2)的系統(tǒng)100的一個實施例的框圖。如圖5所示，用于制造PZT納米粒子墨水基壓電傳 感器Iio的系統(tǒng)100包括按配方配制的鋯鈦酸鉛(PZT)納米粒子墨水104。PZT納米粒子 墨水104包括納米級PZT墨水粒子或納米粒子106。優(yōu)選地,納米級PZT墨水納米粒子是預(yù) 晶體化的。PZT納米粒子墨水104優(yōu)選地具有從大約20納米到大約I微米范圍內(nèi)的納米 級PZT粒子尺寸。納米級PZT墨水粒子尺寸允許使用各種各樣的墨水沉積過程、設(shè)備和系 統(tǒng)沉積PZT納米粒子墨水104并且具體地允許使用噴射原子化沉積過程126(見圖6A和圖 10)系統(tǒng)以及噴射原子化沉積設(shè)備146 (見圖6A和圖10)沉積PZT納米粒子墨水104。PZT 納米粒子墨水基壓電傳感器110可以具有從大約I微米到大約500微米范圍的厚度。PZT 納米粒子墨水基壓電傳感器110的厚度可以根據(jù)PZT納米粒子的納米粒子尺寸和導電電極114,118 (見圖2)的厚度的因數(shù)被測量。PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110的厚度還可以取決于PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110的尺寸，因為適當?shù)目v橫比會增加PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110的敏感度。
PZT納米粒子墨水104還可以包括溶膠-凝膠基粘結(jié)促進劑108 (見圖5)以用于促進PZT納米粒子墨水104與基體101的粘結(jié)。可替代地，PZT納米粒子墨水104還可以包括聚合物基粘結(jié)促進劑，例如環(huán)氧樹脂或者其他適當聚合物基粘結(jié)促進劑。納米級PZT 墨水納米粒子106可以懸浮在硅土凝膠-溶膠中并且之后使用墨水沉積過程122 (例如直寫印制過程124)被沉積。PZT納米粒子墨水方劑中的硅土凝膠-溶膠使得PZT納米粒子墨水104與某些已知粘結(jié)促進劑相比能夠粘結(jié)到更多種基體。PZT納米粒子墨水基壓電傳感器Iio優(yōu)選地具有基于超聲波傳播和機電阻抗的模態(tài)。
按配方配制的鋯鈦酸鉛(PZT)納米粒子墨水可以通過如下方法配制，該方法公開于2011年8月17日提交的名稱為“METHODS FOR FORMING LEAD ZIRCONATE TITANATE NANOPARTICLES”的美國非臨時專利申請序列號13/211,554 (其代理序列號為 UW0TL-1-37259)，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。
具體地，在這個公開中，提供了用于形成鋯鈦酸鉛(PZT)納米粒子的方法。PZT 納米粒子可以由前驅(qū)體溶液形成，該溶液包括鉛源、鈦源、鋯源和礦化劑，其根據(jù)下述反應(yīng) (“水熱過程”)經(jīng)歷水熱過程
Pb — XTiO2 + {1-XjZrO2 + 20H'- PbTivZr1+ H2O
在所提供的方法中，至少通過礦化劑濃度、處理時間、加熱速率和冷卻速率來控制形成的PZT納米粒子。
在一方面，提供了用于形成多個PZT納米粒子(這里也被稱為“納米晶體”)的方法。在一個實施例中，方法包括步驟(a)提供包括礦化劑溶液、鈦源、鋯源和鉛源的含水性前驅(qū)體溶液；以及(b)加熱前驅(qū)體溶液來產(chǎn)生PZT納米粒子，其中加熱前驅(qū)體溶液包括第一加熱方案，該第一加熱方案至少包括順序步驟(i)以第一速率加熱前驅(qū)體溶液到第一溫度，其中所述第一速率在大約1°C /min (攝氏度每分鐘)和大約30°C /min之間，并且其中所述第一溫度是在大約120°C和大約350°C之間；(ii)在第一溫度保持第一保持時間，其中所述第一保持時間在大約5至大約300分鐘之間；以及(iii)以第二速率冷卻從而提供納米粒子PZT溶液，該溶液包括懸浮的多個鈣鈦礦PZT納米粒子，其具有在大約20nm (納米)和大約IOOOnm之間的最小尺寸,其中所述第二速率在大約1°C /min和大約30°C /min之間。
前驅(qū)體溶液。前驅(qū)體溶液通過被處理來形成PZT納米粒子的反應(yīng)物來限定。具體地，前驅(qū)體溶液至少包括鈦源、鋯源、鉛源和礦化劑。前驅(qū)體溶液可選地包括附加溶劑或穩(wěn)定劑，如下面將更加具體地討論的。
前驅(qū)體溶液的組分可以全部同時地在單個反應(yīng)容器中被結(jié)合，或者可以分步地結(jié)合，這取決于前驅(qū)體溶液組分的特征以及在產(chǎn)生PZT納米粒子的水熱反應(yīng)之前最小化前驅(qū)體組分之間的相互反應(yīng)的潛在需求。例如，鈦源和鋅源可以被結(jié)合以形成前驅(qū)體凝膠，之后該凝膠與含水形式的鉛源以及礦化劑相結(jié)合從而提供前驅(qū)體溶液。這種方法允許最大化地控制每種反應(yīng)物(即鈦、鋯和鉛的源)的相對摩爾量。
存在于前驅(qū)體溶液中的鈦、鋯和鉛的源的摩爾量足以獲得具有分子式/化學式PbxZiyTizO3的PZT納米粒子，其中X在O. 8和2之間，其中y在O. 4和O. 6之間，并且其中 y加上z等于I。例如，鈣鈦礦PZT納米粒子的常見化學式是Pb (Zra52Tia48)O3。不過，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以意識到在所提供范圍內(nèi)可以改變鉛、鋯和鈦的相對量來產(chǎn)生PZT納米粒子的期望特性。
前驅(qū)體溶液中的鈦源能夠是允許根據(jù)這里提供的方法形成PZT粒子的任意含鈦化合物。在一個實施例中，鈦源可以是Ti [OCH (CH3)山。附加鈦源可以包括Ti02、Ti02*nH20、 Ti (OC4H9)、Ti (NO3) 2> TiCl3、TiCl40
前驅(qū)體溶液中的鋯源能夠是允許根據(jù)這里提供的方法形成PZT粒子的任意含鋯化合物。在一個實施例中，鋯源可以是Zr [O (CH2) 2CH山。附加鋯源可以包括Zr (NO3) 4*5H20、 Zr0Cl2*8H20、ZrO2^nH2O> ZrO2。
前驅(qū)體溶液中的鉛源能夠是允許根據(jù)這里提供的方法形成PZT粒子的任意含鉛化合物。在一個實施例中，鉛源可以是Pb (CH3COOH) 2。附加鉛源可以包括Pb (NO3) 2、Pb (OH)2, PbO、Pb2O3' PbO20
在某些實施例中，過量的鉛被添加到前驅(qū)體溶液。如這里所用，術(shù)語“過量的鉛” 指的是對于鉛源而言大于I的比例的量。過量的鉛是用于對PZT納米粒子的特性施加進一步控制的手段。典型地，通過添加過量的所述相同鉛源來實現(xiàn)在前驅(qū)體溶液中的過量的鉛。例如，如果鉛源是三水合醋酸鉛，則被添加到前驅(qū)體溶液中的會導致三水合醋酸鉛與鋯源和鈦源相比的比例大于I的任意量的三水合醋酸鉛均被認為是過量的鉛。在某些實施例中，過量的鉛來自于第二種不同的鉛源。
過量的鉛不會改變PZT納米粒子的化學成分，而是改變水熱反應(yīng)條件從而對所形成的PZT納米粒子產(chǎn) 生多種期望的影響。雖然過量的鉛不會改變PZT納米粒子的基本晶體結(jié)構(gòu)，但是其會改進形態(tài)、減少無定形副產(chǎn)品并且減少粒子間的團聚程度。
過量鉛的一種不太期望的影響是其還會導致形成是雜質(zhì)的鉛氧化合物。不過，能夠通過使用適當溶劑(例如稀釋的醋酸)來清洗形成的PZT納米粒子來去除氧化鉛雜質(zhì)。
前驅(qū)體溶液中的礦化劑有助于水熱過程期間PZT的形成。礦化劑用作氫氧離子的源以便有助于PZT的水熱合成。代表性礦化劑包括K0H、Na0H、Li0H、NH40H及其組合物。如果礦化劑是液體，例如NaOH，則在被添加到前驅(qū)體溶液的其他組分之前在礦化劑溶液中的礦化劑濃度是從大約O. 2M至大約15M。如果礦化劑是固體，例如Κ0Η，則DI水被首先添加到Zr、T1、Pb混合物并且之后添加固體礦化劑。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的，最佳礦化劑濃度取決于水熱過程的條件。
礦化劑的濃度影響產(chǎn)生的PZT納米粒子的尺寸。例如，使用5M和IOM KOH礦化劑形成的類似的PZT納米粒子具有類似形態(tài)，而如果所有其他處理條件相同的話，則5M礦化劑會導致形成比IOM礦化劑所形成的納米粒子更小的納米粒子。
在某些實施例中，向前驅(qū)體中添加穩(wěn)定劑以便防止在水熱過程之前前驅(qū)體的某些組分的凝膠和/或沉淀。也就是說，需要穩(wěn)定劑來在水熱過程之前維持溶液內(nèi)前驅(qū)體的所有必要組分。例如，在一個實施例中，乙酰丙酮(“AcAc”)被添加到鈦源(例如異丙醇鈦)以便防止在反應(yīng)形成PZT之前的凝膠和沉淀。在另一實施例中，丙醇被添加到鈦源。
前驅(qū)體通常是含水的，不過可以意識到還能夠使用溶解前驅(qū)體溶液的組分并有助于形成PZT納米粒子的任意其他溶劑。水的替代物可以包括含水性溶液、水和有機溶劑的混合物或者弱有機酸，例如乙二胺、CH2Cl2、銨鹽、醋酸或其他適當替代物。
在一示例性實施例中，前驅(qū)體溶液包括作為礦化劑的Κ0Η、作為鈦源的異丙醇鈦、 作為鋯源的η-丙醇鋯、作為鉛源的三水合醋酸鉛、作為穩(wěn)定劑的乙酰丙酮以及水。在前驅(qū)體中存在的三水合醋酸鉛、η-丙醇鋯和異丙醇鈦所具有的重量比可以是從大約I至大約2 份的三水合醋酸鉛、從大約O. 5份至大約I份的η-丙醇鋯以及從大約O. 8至大約1. 6份的異丙醇鈦。KOH礦化劑溶液是從大約O. 2至大約15Μ。
加熱方案。通過前驅(qū)體溶液的水熱處理來形成PZT納米粒子。水熱過程包括如下加熱方案，其包括加熱溫變到第一溫度、保持在第一溫度并且冷卻溫變到室溫。
在大于Iatm (大氣壓)的壓力下執(zhí)行加熱方案。因此，前驅(qū)體溶液被包含在被構(gòu)造成即加熱又加壓的設(shè)備內(nèi)。在某些實施例中，加熱方案期間施加的壓力/壓強是從大約 Iatm至大約20atm。在示例性實施例中，前驅(qū)體溶液被包含在壓熱鍋中并且隨著加熱方案的進行在壓熱鍋中產(chǎn)生自發(fā)壓力?？商娲?，能夠通過泵或本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其他設(shè)備來實現(xiàn)恒定壓力。
在一個實施例中，加熱前驅(qū)體溶液來產(chǎn)生PZT納米粒子至少包括順序步驟(i)以第一速率加熱前驅(qū)體溶液到第一溫度，其中所述第一速率在大約l°c /min (攝氏度每分鐘) 和大約30°C /min之間，并且其中所述第一溫度是在大約120°C和大約350°C之間；(ii)在第一溫度保持第一保持時間，其中所述第一保持時間在大約5至大約300分鐘之間；以及 (iii )以第二速率冷卻從而提供納米粒子PZT溶液，該溶液包括懸浮的多個鈣鈦礦PZT納米粒子，其具有在大約20nm (納米)和大約IOOOnm之間的最小尺寸，其中所述第二速率在大約I0C /min和大約30°C /min之間。
加熱溫變速率(“第一速率”)被用于將前驅(qū)體溶液的溫度從大約室溫(Tkt)升高到最大水熱處理溫度(Tmax)。第一速率是從大約1°C /min到大約30°C /min。
處理溫度(“第一溫度”;Tmax)是在大約120°C (攝氏度)和大約350°C之間。在某些實施例中，第一溫度是200 V或更低。雖然這里主要描述的加熱方案包括加熱溶液所實現(xiàn)的單個第一溫度，不過將意識到所公開的方法包括第一溫度的變化，其可以由于水熱反應(yīng)或加熱器械的不準確性而造成的。此外，加熱方案的加熱步驟可以包括被加熱前驅(qū)體溶液經(jīng)受的第二、第三或更多的溫度。根據(jù)產(chǎn)生期望的PZT納米粒子的需要，第二、第三或更多的溫度可以高于或低于第一溫度。
第一速率對于控制所生產(chǎn)的PZT納米粒子的尺寸是特別重要的。在此方面，隨著前驅(qū)體溶液的溫度從Tkt被加熱到Tmax,存在中間溫度Tnu。，在該中間溫度PZT晶體開始成核 (“成核區(qū)”)。最佳PZT晶體生長發(fā)生在Tmax,并且在低于Tmax的溫度成核的任意晶體與在成 Tfflax核的PZT晶體相比以更大的聚積和/或更高度地團聚而生成得更大。
慢的溫變速率導致前驅(qū)體溶液在Tnu。和Tmax之間花費更大量的時間。因此，慢的溫變速率導致在低于Tmax的溫度更多的PZT晶體成核，從而導致不一致的PZT晶體尺寸和晶體結(jié)構(gòu)。如這里所用，術(shù)語“慢的溫變速率”指的是低于rc /min的溫變速率。
相反地，相對快的溫變速率通過使得前驅(qū)體溶液快速通過在Tnu。和Tmax之間的溫度范圍而導致均質(zhì)的PZT晶體成核。如這里所用術(shù)語“快的溫變速率”指的是10°c /min或更大的溫變速率。在某些實施例中，高的溫變速率是20°C /min或更大的溫變速率。
因為上述動態(tài)成核，所以溫變速率越大，則產(chǎn)生的PZT粒子越小。雖然加熱速率影響PZT晶體的尺寸和數(shù)量，不過其不影響晶體結(jié)構(gòu)。類似地，冷卻速率也不影響晶體結(jié)構(gòu)。
加熱方案的“保持”步驟允許存在PZT晶體形成和生長的時間。保持步驟在第一 溫度在大約5分鐘和大約300分鐘之間。典型地，更長地保持時間導致更大的晶體。保持 時間優(yōu)選地允許晶體生長。如果保持時間過短，則最終產(chǎn)物將不會具有PZT成分。
在保持步驟之后，加熱方案進行到“冷卻”步驟。冷卻速率是以“第二速率”將溫度 從最大處理溫度減少到室溫。冷卻速率的范圍是從大約I°C/min至大約30°C/min。冷卻 速率影響PZT納米粒子的多個方面。冷卻速率部分地確定所形成的PZT納米粒子的形態(tài)和 尺寸。相對快的冷卻速率，例如大于20°C每分鐘的冷卻速率導致PZT納米粒子在IOOnm至 500nm的范圍內(nèi)且具有明顯的立方體結(jié)構(gòu)。
此外，相對快的冷卻速率導致PZT納米粒子物理粘結(jié)而不是化學粘結(jié)。物理粘結(jié) 的PZT納米粒子相對于那些化學粘結(jié)的而言是優(yōu)選的，因為與化學粘結(jié)的納米粒子的分離 相比可以更容易地實現(xiàn)對物理粘結(jié)的納米粒子的分離(例如通過機械攪拌)。最后，較快的 冷卻速率最小化了最后產(chǎn)物中PbTiO3相的存在。這是理想的，因為PbTiO3不僅是必要要被 去除以便獲得純PZT納米粒子的雜質(zhì)，而且形成的PbTiO3還通過以不同于PZT的其他形式 來消耗鉛和鈦從而減少形成PZT的反應(yīng)的產(chǎn)量。
在某些實施例中，第二速率是足夠大的以致形成的PZT粒子是PZT的非鈣鈦礦 形式。在此方面，在某些實施例中，方法還包括處理納米粒子PZT溶液以便消除PZT的非 鈣鈦礦形式的步驟。這種處理可以包括化學輔助的溶解、濕法腐蝕、酸洗、基底洗滌(base washing)及其組合。能夠使用選擇性消除(例如溶解)非I丐鈦礦PZT的任意方法。例如,稀 釋的醋酸清洗可以被用于消除PZT水熱合成中的PbTiO3非鈣鈦礦組分。
可替代地，代替消除非鈣鈦礦PZT粒子，在某些實施例中，該方法還包括在納米粒 子PZT溶液中將鈣鈦礦PZT納米粒子分離于PZT的非鈣鈦礦形式。最終懸浮物由DI水、稀 釋酸或乙醇來清洗以便去除非鈣鈦礦形式。
在某些實施例中，第二速率足夠大以致納米粒子PZT溶液變得過飽和。當溶液過 飽和時允許成核和晶體生長，并且當濃度達到平衡時其停止。對于所有溫度而言，存在對其 的平衡濃度響應(yīng)。因此，當?shù)诙俾瘦^低時，溶液能夠多次過飽和并且晶體能夠具有更大可 能生長得更大。對于快速的第二速率而言，初始濃度能夠高于平衡并且較高的濃度會促進 隨著晶體生長而發(fā)生二次成核。當濃度較高時成核速率較高，因此成核和生長均較快。因 此，更可能的是，二次成核和生長將不會形成穩(wěn)定的晶體或產(chǎn)生無定形，而這是能夠被移除 的。
通過針對水熱處理使用最短可能處理時間實現(xiàn)形成最小且最高質(zhì)量的PZT納米 粒子，其包括使用最大加熱溫變速率、最大冷卻溫變速率以及“中度”礦化劑濃度，這是因為 如果礦化劑濃度改變則所需處理時間會不同。例如，如果使用5M礦化劑，則處理時間能夠 短至一個(I)小時，而對于2M礦化劑，所需處理時間是三個(3)小時。如果礦化劑濃度低于 O. 4M，則不管處理時間如何均不會形成PZT。
在冷卻步驟之后，獲得PZT納米粒子溶液。PZT納米粒子溶液包含懸浮于水中的 多個PZT納米粒子。PZT納米粒子溶液能夠被過濾或其他方式被操作以便隔離PZT納米粒 子。根據(jù)水熱過程的效率，溶液還可以包含PbTi03、PbZr03、PbO、TiO2, ZrO2, KOH和其他可 能雜質(zhì)。使用醋酸清洗溶液是去除PbO的一種方法?？梢允褂么姿醽砬逑催^量鉛的試樣。
如圖5所示，系統(tǒng)100還包括墨水沉積設(shè)備142 (也見圖6A)，其將PZT納米粒子 墨水104沉積在基體101上從而形成PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110。墨水沉積設(shè)備 142和使用墨水沉積設(shè)備142的墨水沉積過程122不需要PZT晶體166 (見圖6B)在基體 101上生長。因為PZT晶體166已經(jīng)在PZT納米粒子中生長，所以在墨水沉積過程122期間 PZT納米粒子墨水104在被沉積時不需要高溫燒結(jié)過程。墨水沉積設(shè)備142優(yōu)選地包括直 寫印制設(shè)備144 (見圖10)。圖10示出了可以用于制造本公開的PZT納米粒子墨水基壓電 傳感器110的墨水沉積設(shè)備和過程的實施例的框圖。如圖10所示，直寫印制設(shè)備144可以 包括噴射原子化沉積設(shè)備146、墨水噴射印制設(shè)備147、氣霧劑印制設(shè)備190、脈沖激光蒸發(fā) 設(shè)備192、柔印設(shè)備194、微噴涂印制設(shè)備196、平網(wǎng)絲印設(shè)備197、旋轉(zhuǎn)絲網(wǎng)印制設(shè)備198或 其他絲網(wǎng)印制設(shè)備、凹版印制設(shè)備199或其他適當壓印設(shè)備或者其他適當?shù)闹睂懹≈圃O(shè)備 144。
可以使用墨水沉積設(shè)備142經(jīng)由墨水沉積過程122 (見圖6A和圖10)將PZT納米 粒子墨水104沉積在基體101上。墨水沉積過程122優(yōu)選地包括直寫印制過程124 (見圖 10)。如圖10所示，直寫印制過程124可以包括噴射原子化沉積過程126、墨水噴射印制過 程128、氣霧劑印制過程180、脈沖激光蒸發(fā)過程182、柔印過程/柔版印刷過程184、微噴涂 印制過程186、平網(wǎng)絲印過程187、旋轉(zhuǎn)絲網(wǎng)印制過程188或其他適當絲網(wǎng)印制過程、凹版印 制過程189或其他適當壓印或者其他適當?shù)闹睂懹≈七^程124。
如圖5所示，基體101可以具有非彎曲或平面表面136、彎曲或非平面表面138或 者非彎曲或平面表面136和彎曲或非平面表面138的組合。如圖2所示，基體101可以具有 第一表面103a和第二表面103b?；w101優(yōu)選地包括復合材料、金屬材料、復合材料和金 屬材料的組合或者其他適當材料。如圖2所示，基體101可以包括復合結(jié)構(gòu)102。復合結(jié)構(gòu) 102可以包括復合材料，例如聚合復合物、纖維增強復合材料、纖維增強聚合物、碳纖維增強 塑料(CFRP )、玻璃纖維增強塑料(GRP )、熱塑性復合物、熱固性復合物、環(huán)氧樹脂復合物、形 狀記憶聚合復合物、陶瓷基質(zhì)復合物或其他適當復合材料。如圖3所示，基體101可以包括 金屬結(jié)構(gòu)132。金屬結(jié)構(gòu)132可以包括金屬材料，例如鋁、不銹鋼、鈦、其合金或適當金屬或 金屬合金?；w101還可以包括其他適當材料。
圖6A示出了用于制造公開的PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110的墨水沉積過 程122和墨水沉積設(shè)備142的一個實施例的示意圖。示例性直寫印制過程124和直寫印制 設(shè)備144被不于圖6A,其不出了噴射原子化沉積過程126和噴射原子化沉積設(shè)備146。如 圖6A所示，納米級PZT墨水納米粒子106可以經(jīng)由入口 148被傳輸?shù)桨軇?52的混合 容器150內(nèi)。納米級PZT墨水納米粒子106優(yōu)選地在混合容器中與溶劑152混合從而形成 PZT納米粒子墨水懸浮液154。PZT納米粒子墨水懸浮液154可以通過超聲波機構(gòu)158被原 子化從而形成原子化PZT墨水納米粒子156。原子化PZT墨水納米粒子156之后可以傳輸 通過噴嘴主體160并直接通過噴嘴尖端162到達基體101以便將PZT納米粒子墨水基壓電 傳感器110沉積并印制到基體101上。
圖6B示出了被沉積到基體101上的PZT壓電納米粒子墨水基傳感器110的放大 圖。圖6B示出了原子化PZT墨水納米粒子156，其在噴嘴主體160和噴嘴尖端162內(nèi)正被 沉積到基體101上以便形成PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110。如圖6B所示，一個或更 多個PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110可以以定制形狀164被沉積到基體101上，該定制形狀例如字母、圖案、圖標或徽章或者例如圓、方形、矩形、三角形或其他幾何形狀的幾何 形狀或其他理想定制形狀。墨水沉積過程122和墨水沉積設(shè)備142不需要晶體166在基體 101上生長。此外，沉積的納米級PZT墨水納米粒子106包含不需要任何使得晶體生長的后 處理步驟的晶狀粒子結(jié)構(gòu)。PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110可以被沉積在結(jié)構(gòu)30的表 面上且在結(jié)構(gòu)30的主體和PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110之間具有一層或更多層絕 緣物、涂層或漆。
圖2和圖3示出了沉積的PZT納米粒子墨水基壓電傳感器組件115的實施例。圖 2示出了沉積的PZT納米粒子墨水基壓電傳感器組件116的一個實施例的橫截面圖，該組 件116被沉積在包括復合材料結(jié)構(gòu)102的基體101上。沉積的PZT納米粒子墨水基壓電傳 感器組件116包括被聯(lián)接到用作致動器141 (見圖4)的動力和通信電線組件/電力和通信 電線組件140的PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110。動力和通信電線組件140優(yōu)選地由 導電墨水168 (見圖4)形成，該導電墨水168可以經(jīng)由墨水沉積設(shè)備142并經(jīng)由墨水沉積 過程122被沉積在基體101上。用作致動器141 (見圖4)的動力和通信電線組件140可 以包括第一導電電極114、第二導電電極118、第一導電示蹤電線112a和第二導電示蹤電線 112b。第一導電電極114、第二導電電極118、第一導電示蹤電線112a和第二導電示蹤電線 112b可以相鄰于納米粒子墨水基壓電傳感器110。
圖3示出了沉積的PZT納米粒子墨水基壓電傳感器組件130的另一實施例的橫截 面圖，該組件130被沉積在包括金屬結(jié)構(gòu)132的基體101上。沉積的PZT納米粒子墨水基 壓電傳感器組件130包括被聯(lián)接到用作致動器141 (見圖4)的動力和通信電線組件140的 PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110。動力和通信電線組件140優(yōu)選地由導電墨水168 (見 圖4)形成，該導電墨水168可以經(jīng)由墨水沉積設(shè)備142并經(jīng)由墨水沉積過程122被沉積在 基體101上。用作致動器141的動力和通信電線組件140可以包括第一導電電極114、第二 導電電極118、第一導電示蹤電線112a和第二導電示蹤電線112b。第一導電電極114、第 二導電電極118、第一導電示蹤電線112a和第二導電示蹤電線112b可以相鄰于PZT納米 粒子墨水基壓電傳感器110。如圖3所示，沉積的PZT納米粒子墨水基壓電傳感器組件130 還包括被沉積在包括金屬結(jié)構(gòu)132的基體101和被聯(lián)接到動力和通信電線組件140的PZT 納米粒子墨水基壓電傳感器110之間。絕緣層134可以包括絕緣聚合物涂層、電介質(zhì)材料、 陶瓷材料、聚合物材料或其他適當絕緣材料。
圖4是被沉積在復合材料結(jié)構(gòu)102上的被沉積的PZT納米粒子墨水基壓電傳感器 組件115的俯視立體圖。圖4示出了被聯(lián)接到多個動力和通信電線組件140的多個PZT納 米粒子墨水基壓電傳感器110，且這些傳感器110全部被沉積在復合材料結(jié)構(gòu)102上。類似 地，對于金屬結(jié)構(gòu)132而言，沉積的PZT納米粒子墨水基壓電傳感器組件130可以具有被聯(lián) 接到多個動力和通信電線組件140且全部沉積在金屬結(jié)構(gòu)132上的多個PZT納米粒子墨水 基壓電傳感器110。
將PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110沉積在基體101或結(jié)構(gòu)30 (見圖7)上必 然能夠安置納米粒子墨水基壓電傳感器110以便應(yīng)用，例如用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。PZT納米 粒子墨水基壓電傳感器Iio可以是高密度結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)170的關(guān)鍵條件。圖7示出了 使用本公開的PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110的一個實施例的框圖。兩個或更多個納 米粒子墨水基壓電傳感器110可以用于使能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)170來監(jiān)測例如復合材料結(jié)構(gòu)102 (見圖1)或金屬結(jié)構(gòu)132 (見圖3)或者其他適當結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)30的結(jié)構(gòu)健康172，并 且提供結(jié)構(gòu)健康數(shù)據(jù)174。結(jié)構(gòu)健康數(shù)據(jù)174可以包括分離、薄弱粘結(jié)、應(yīng)變水平、濕氣侵 蝕、材料改變、裂紋、孔隙、剝落、多孔或其他適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)健康數(shù)據(jù)174或機電特性或會不良 地影響結(jié)構(gòu)30的性能的其他不規(guī)則。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)170優(yōu)選地包括沉積的PZT納米粒子墨水基壓電傳感器組件 115 (也見圖2和圖3)。沉積的PZT納米粒子墨水基壓電傳感器組件115如果與復合材料 結(jié)構(gòu)102 —同使用的話，則可以包括沉積的PZT納米粒子墨水基壓電傳感器組件116(見圖 2)，并且如果與金屬結(jié)構(gòu)132 —同使用的話，則可以包括沉積的PZT納米粒子墨水基壓電傳 感器組件130 (見圖3)。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)170還可以包括用于使得PZT納米粒子墨水基 壓電傳感器110在用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)170之前被極化的電壓源176。如這里所用，術(shù) 語“極化(poling)”指通常在升高的溫度下將強電場施加于材料以便定向或?qū)R偶極子或 磁疇的過程。電壓源176還可以驅(qū)動一些PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110以便它們成 為向其他壓電傳感器110發(fā)送質(zhì)詢信號的致動器141。
如圖7所示，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)170還包括用于向PZT納米粒子墨水基壓電傳感 器110提供電力的電源178。電源178可以包括電池、電壓、RFID (射頻識別)、電磁感應(yīng)傳 播或其他適當電源。電源178可以是無線的。如圖7所示，系統(tǒng)170還可以包括數(shù)據(jù)通信 網(wǎng)絡(luò)179，其用于檢索和處理來自于PZT傳感器110的結(jié)構(gòu)健康數(shù)據(jù)174。數(shù)字數(shù)據(jù)通信網(wǎng) 絡(luò)179可以是無線的。數(shù)字數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)179可以檢索從PZT納米粒子墨水基壓電傳感器 110接收的數(shù)據(jù)，例如使用接收器(未示出)接收，并且數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)179可以處理從PZT納 米粒子墨水基壓電傳感器110接收的數(shù)據(jù)，例如使用計算機處理器(未示出)處理。數(shù)字數(shù) 據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)179可以是無線的。
在本公開的實施例中，提供用于制造鋯鈦酸鉛(PZT)納米粒子墨水基壓電傳感器 110的方法200。圖8示出了本公開的方法200的實施例的流程圖。方法200包括按配方 配制鋯鈦酸鉛(PZT)納米粒子墨水104的步驟202。PZT納米粒子墨水104包括納米級PZT 墨水納米粒子106。如上所述，PZT納米粒子墨水104優(yōu)選地具有從大約20納米到大約I 微米范圍內(nèi)的納米級PZT粒子尺寸。PZT納米粒子墨水104可以包括用于促進PZT納米粒 子墨水104與基體101的粘結(jié)的溶膠-凝膠基粘結(jié)促進劑108 (見圖5)。PZT納米粒子墨 水104通過上述詳細討論的過程被配制。
方法200還包括經(jīng)由墨水沉積過程122將PZT納米粒子墨水104沉積在基體101 上以形成PZT納米粒子墨水基壓電傳感器124的步驟204(見圖10)。墨水沉積過程122優(yōu) 選地包括直寫印制過程124(見圖10)。如圖10所示，直寫印制過程124可以包括噴射原子 化沉積過程126、墨水噴射印制過程128、氣霧劑印制過程180、脈沖激光蒸發(fā)過程182、柔印 過程/柔版印刷過程184、微噴涂印制過程186、平網(wǎng)絲印過程187、旋轉(zhuǎn)絲網(wǎng)印制過程188 或其他適當絲網(wǎng)印制過程、凹版印制過程189或其他適當壓印或者其他適當?shù)闹睂懹≈七^ 程。
基體101優(yōu)選地包括復合材料、金屬材料、復合材料和金屬材料的組合或者其他 適當材料。基體101優(yōu)選地包括第一表面103a和第二表面103b?；w101可以具有非彎 曲或平面表面136 (見圖5)、彎曲或非平面表面138 (見圖5)或者非彎曲或平面表面136 (見圖5)和彎曲或非平面表面138 (見圖5)的組合。墨水沉積過程122不需要PZT晶體166在基體101上生長。此外，沉積的納米級PZT墨水納米粒子106包含不需要任何使得晶 體生長的后處理步驟的晶狀粒子結(jié)構(gòu)。PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110可以以定制形 狀164被沉積到基體101上(見圖6B)。
PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110在被用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)170來監(jiān)測結(jié)構(gòu) 30的結(jié)構(gòu)健康172之前可以經(jīng)歷由電壓源176 (見圖7)執(zhí)行的極化過程。被用于結(jié)構(gòu)健 康監(jiān)測系統(tǒng)170之前，PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110可以被聯(lián)接到動力和通信電線 組件140，該組件140由經(jīng)由墨水沉積過程122被沉積在基體101上的導電墨水168形成。 兩個或更多個PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110可以被用于使能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)170。
在本公開的另一實施例中，提供用于制造鋯鈦酸鉛(PZT)納米粒子墨水基壓電傳 感器110的方法250。圖9示出了本公開的方法250的另一實施例的流程圖。方法250包 括按配方配制鋯鈦酸鉛(PZT)納米粒子墨水104的步驟252，其中該墨水104包括被預(yù)結(jié)晶 的納米級PZT墨水納米粒子106。
方法250還包括使得PZT納米粒子墨水104懸浮在凝膠-溶膠基粘結(jié)促進劑108 中的步驟254。方法250還包括經(jīng)由直寫印制過程124將PZT納米粒子墨水104沉積在基 體101上以形成PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110的步驟256。如圖10所示，直寫印制 過程124可以包括噴射原子化沉積過程126、墨水噴射印制過程128、氣霧劑印制過程180、 脈沖激光蒸發(fā)過程182、柔印過程/柔版印刷過程184、微噴涂印制過程186、平網(wǎng)絲印過程 187、旋轉(zhuǎn)絲網(wǎng)印制過程188或其他適當絲網(wǎng)印制過程、凹版印制過程189或其他適當壓印 或者其他適當?shù)闹睂懹≈七^程124。
基體101優(yōu)選地包括復合材料、金屬材料、復合材料和金屬材料的組合或者其他 適當材料。基體101優(yōu)選地包括第一表面103a和第二表面103b?；w101可以具有非彎 曲或平面表面136 (見圖5)、彎曲或非平面表面138 (見圖5)或者非彎曲或平面表面136 (見圖5)和彎曲或非平面表面138 (見圖5)的組合。墨水沉積過程122不需要PZT晶體 166在基體101上生長。此外，沉積的納米級PZT墨水納米粒子106包含不需要任何使得晶 體生長的后處理步驟的晶狀粒子結(jié)構(gòu)。PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110可以以定制形 狀164被沉積到基體101上(見圖6B)。
PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110在被用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)170來監(jiān)測結(jié)構(gòu) 30的結(jié)構(gòu)健康172之前可以經(jīng)歷由電壓源176 (見圖7)執(zhí)行的極化過程。被用于結(jié)構(gòu)健 康監(jiān)測系統(tǒng)170之前，PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110可以被聯(lián)接到動力和通信電線 組件140，該組件140由經(jīng)由墨水沉積過程122被沉積在基體101上的導電墨水168形成。 兩個或更多個PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110可以被用于使能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)170。
結(jié)構(gòu)30可以包括飛行器、航天器、航天交通工具、太空發(fā)射交通工具、火箭、衛(wèi)星、 旋翼機、水上飛機、船舶、火車、汽車、卡車、公交車、建筑結(jié)構(gòu)、潤輪葉片、醫(yī)用裝置、電子致 動器械、消費電子裝置、震動器械、無源和有源阻尼器或者其他適當結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)100和方 法200、250可以用于許多工業(yè)，包括例如風能發(fā)電(對渦輪葉片的健康監(jiān)測)、航空應(yīng)用、軍 事應(yīng)用、醫(yī)療應(yīng)用、電子致動器械、消費者電子產(chǎn)品或者結(jié)構(gòu)或材料需要監(jiān)測系統(tǒng)的任意應(yīng) 用。
這里公開的用于制造PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110的系統(tǒng)100和方法200、 250的實施例提供了可以用于各種應(yīng)用的PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110，所述各種應(yīng)用包括對于復合材料和金屬結(jié)構(gòu)的超聲探傷，裂紋傳播探測傳感器，壓力傳感器，或者其他 適當傳感器。例如，系統(tǒng)100和方法200、250的PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110可以 提供托架來輔助飛行器內(nèi)各種部件的健康監(jiān)測，例如對于門邊框的探傷，軍事平臺例如軍 用飛行器的裂紋生長探測，以及空間系統(tǒng)例如低溫箱(cryo-tank)的健康監(jiān)測。PZT納米粒 子墨水基壓電傳感器110可以提供以前不可能獲得的結(jié)構(gòu)健康數(shù)據(jù)，而這會影響能夠減小 成本的新穎且有效的設(shè)計。
使用直寫印制過程124，并且例如使用噴射原子化沉積過程126，以及按配方配制 的PZT納米粒子墨水104，允許將許多PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110被沉積在基體 101或結(jié)構(gòu)30上并且與公知的壓電傳感器相比成本降低。這里公開的系統(tǒng)100和方法200、 250的實施例提供允許將PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110大量放置在結(jié)構(gòu)的無數(shù)區(qū)域 內(nèi)的PZT納米粒子墨水基壓電傳感器100，而這些均是公知壓電傳感器難以實現(xiàn)的。
此外，這里公開的用于制造PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110的系統(tǒng)100和方 法200、250的實施例提供優(yōu)于公知傳感器的PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110，因為它們 不需要粘結(jié)劑將它們粘結(jié)到結(jié)構(gòu)，并且這樣減少了 PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110從 結(jié)構(gòu)分離的可能性。這里公開的用于制造PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110的系統(tǒng)100 和方法200、250的實施例提供如下PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110，即該PZT納米粒 子墨水基壓電傳感器110通過可獲得具有良好壓電性質(zhì)的納米級PZT墨水粒子106而被使 能，且在不使用粘結(jié)劑的情況下以理想構(gòu)造被沉積在基體或結(jié)構(gòu)上。因為在PZT納米粒子 即壓電傳感器110和基體或結(jié)構(gòu)之間不存在粘結(jié)劑的情況下可以將PZT納米粒子墨水基壓 電傳感器110沉積在基體或結(jié)構(gòu)上，所以可以改進與被質(zhì)詢結(jié)構(gòu)的信號聯(lián)接。此外，這里公 開的用于制造PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110的系統(tǒng)100和方法200、250的實施例提 供不需要手動放置或安置到基體或結(jié)構(gòu)上并且可以與所有所需動力和通信電線組件一起 被沉積或印制到基體或結(jié)構(gòu)上的PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110，從而減少了勞動力 和安置成本并且降低了結(jié)構(gòu)的復雜性和重量。此外，可以使用包括噴射原子化沉積過程126 的多種直寫印制過程來沉積PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110 ;并且PZT納米粒子墨水 基壓電傳感器110可以由已經(jīng)被預(yù)結(jié)晶化的納米粒子尺寸粒子制成，并且可以比沒有結(jié)晶 化的公知傳感器更有效率；不需要高溫燒結(jié)/結(jié)晶過程并且因此減少或消除了對溫度敏感 性基體或結(jié)構(gòu)的可能損害；可以被沉積在彎曲或非平面基體或結(jié)構(gòu)上；沒有或很少有物理 幾何尺寸限制并且因此減少了感測能力不足或致動響應(yīng)不足的可能性。最后，這里公開的 用于制造PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110的系統(tǒng)100和方法200、250的實施例提供了 一種的PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110，其可以用于在結(jié)構(gòu)的退化或劣化實際產(chǎn)生之 前預(yù)測這種退化或劣化，并且因此可以增加結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)性部件零件的可靠性，并且減少結(jié) 構(gòu)或結(jié)構(gòu)性部件零件的壽命期間的總體制造和維護成本；并且能夠預(yù)測、監(jiān)測和診斷結(jié)構(gòu) 的完整性、健康和適應(yīng)性的能力而不需要拆卸或移除結(jié)構(gòu)或在結(jié)構(gòu)中鉆孔來插入任意測量 工具。
在上述實施例中，公開了用于制造鋯鈦酸鉛(PZT)納米粒子墨水基壓電傳感器 110的方法，其包括按配方配制鋯鈦酸鉛PZT納米粒子墨水104 ;以及經(jīng)由墨水沉積過程 122將PZT納米粒子墨水104沉積在基體101上以形成PZT納米粒子墨水基壓電傳感器 110。在一種情況下，PZT納米粒子墨水104包括納米級PZT墨水納米粒子106。在一種變型中，PZT納米粒子墨水104包括用于促進PZT納米粒子墨水104粘結(jié)到基體101的溶 膠-凝膠基粘結(jié)促進劑。墨水沉積過程122不需要PZT晶體166在基體101上生長。在另 一變型中，墨水沉積過程122包括選自如下過程構(gòu)成的組中的直寫印制過程124 :噴射原子 化沉積過程126、墨水噴射印制過程128、氣霧劑印制過程180、脈沖激光蒸發(fā)過程182、柔印 過程184、微噴涂印制過程186、平網(wǎng)絲印過程187、旋轉(zhuǎn)絲網(wǎng)印制過程188和凹版印制過程 189。在一個變型中，基體101包括選自包括如下材料的組中的材料復合材料、金屬材料以 及復合材料和金屬材料的組合。在一個替代性實施方式中，基體101具有彎曲或非平面表 面138。在又一個變型中，PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110以定制形狀被沉積在基體 101 上。
根據(jù)上述實施例，公開了用于制造鋯鈦酸鉛(PZT)納米粒子墨水基壓電傳感器 110的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括按配方配制的鋯鈦酸鉛(PZT)納米粒子墨水104 ;以及將PZT納米 粒子墨水104沉積在基體101上以形成PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110的墨水沉積設(shè) 備142。在一種情況下，PZT納米粒子墨水104包括納米級PZT粒子106。在一種變型中， PZT納米粒子墨水104包括用于促進PZT納米粒子墨水104粘結(jié)到基體101的溶膠-凝膠 基粘結(jié)促進劑108。在另一變型中，墨水沉積過程122不需要PZT晶體在基體101的表面上 生長。
在替代性實施方式中，墨水沉積設(shè)備142包括直寫印制設(shè)備144，其選自包括如下 設(shè)備的組噴射原子化沉積設(shè)備146、墨水噴射印制設(shè)備147、氣霧劑印制設(shè)備190、脈沖激 光蒸發(fā)設(shè)備192、柔印設(shè)備194、微噴涂印制設(shè)備196、平網(wǎng)絲印設(shè)備197、旋轉(zhuǎn)絲網(wǎng)印制設(shè)備 188和凹版印制設(shè)備189。在另一替代性實施例方式中，基體101包括選自包括如下材料的 組中的材料復合材料、金屬材料以及復合材料和金屬材料的組合。在又一個變型中，PZT 納米粒子墨水基壓電傳感器110以定制形狀被沉積在基體101上。
在又一實施例中，公開了用于制造鋯鈦酸鉛(PZT)納米粒子墨水基壓電傳感器的 方法。在該方法中，鋯鈦酸鉛(PZT)納米粒子墨水被按配方配制成包括預(yù)結(jié)晶的PZT納米 粒子。此外，PZT納米粒子墨水懸浮在溶膠-凝膠基粘結(jié)促進劑中；以及，PZT納米粒子墨 水經(jīng)由直寫印制過程被沉積在基體上以形成PZT納米粒子墨水基壓電傳感器。在一種變型 中，PZT納米粒子墨水包括納米級PZT粒子。在另一變型中，直寫印制過程不需要PZT晶體 在基體上生長。
在又一實施例中，公開了用于制造鋯鈦酸鉛(PZT)納米粒子墨水基壓電傳感器的 系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括按配方配制的鋯鈦酸鉛(PZT)納米粒子墨水；以及將PZT納米粒子墨水 沉積在基體上以形成PZT納米粒子墨水基壓電傳感器的墨水沉積設(shè)備。在一種變型中，基 體是彎曲的。在一種變型中，PZT納米粒子墨水基壓電傳感器以定制形狀被沉積在基體上。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到本公開涉及的許多改型和其他實施例，其具有上述說明 和附圖中所教導的優(yōu)點。這里公開的實施例是描述性的并且不試圖是限制或排他的。雖然 這里使用特定術(shù)語，不過它們僅是其通用和描述性含義而不是為了限制性目的。
權(quán)利要求
1.制造鋯鈦酸鉛(PZT)納米粒子墨水基壓電傳感器(110)的方法，該方法包括 按配方配制鋯鈦酸鉛(PZT)納米粒子墨水(104);以及 經(jīng)由墨水沉積過程(122)將所述PZT納米粒子墨水(104)沉積在基體(101)上以形成PZT納米粒子墨水基壓電傳感器(I 10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中所述PZT納米粒子墨水(104)包括納米級PZT粒子(106)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2中任意權(quán)利要求所述的方法，其中所述PZT納米粒子墨水(104)包括用于促進所述PZT納米粒子墨水(104)粘結(jié)到所述基體(101)的溶膠-凝月父基粘結(jié)促進劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意權(quán)利要求所述的方法，其中所述墨水沉積過程(122)不需要PZT晶體在所述基體(101)上生長。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任意權(quán)利要求所述的方法，其中所述墨水沉積過程(122)包括直寫印制過程(124)，該直寫印制過程(124)選自包括如下過程的組噴射原子化沉積過程(126)、墨水噴射印制過程(128)、氣霧劑印制過程(180)、脈沖激光蒸發(fā)過程(182)、柔印過程(184)、微噴涂印制過程(186)、平網(wǎng)絲印過程(187)、旋轉(zhuǎn)絲網(wǎng)印制過程(188)和凹版印制過程(189)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任意權(quán)利要求所述的方法，其中所述基體(101)包括選自包括如下材料的組中的材料復合材料、金屬材料以及復合材料和金屬材料的組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任意權(quán)利要求所述的方法，其中所述基體(101)具有彎曲表面(138)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任意權(quán)利要求所述的方法，其中所述PZT納米粒子墨水基壓電傳感器(110)以定制形狀被沉積在所述基體(101)上。
9.用于制造鋯鈦酸鉛(PZT)納米粒子墨水基壓電傳感器(110)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括 按配方配制的鋯鈦酸鉛(PZT)納米粒子墨水(104);以及 將所述PZT納米粒子墨水(104)沉積在基體(101)上以形成PZT納米粒子墨水基壓電傳感器(I 10)的墨水沉積設(shè)備(142)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述PZT納米粒子墨水(104)包括納米級PZT粒子(106)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或權(quán)利要求10中任意權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述PZT納米粒子墨水(104)包括用于促進所述PZT納米粒子墨水(104)粘結(jié)到所述基體(101)的表面的溶膠-凝膠基粘結(jié)促進劑(108)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9或權(quán)利要求10中任意權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述墨水沉積設(shè)備(142)不需要PZT晶體在所述基體(101)的表面上生長。
13.根據(jù)權(quán)利要求9-12中任意權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述墨水沉積設(shè)備(142)包括直寫印制設(shè)備(144)，該直寫印制設(shè)備(144)選自包括如下設(shè)備的組噴射原子化沉積設(shè)備(146)、墨水噴射印制設(shè)備(147)、氣霧劑印制設(shè)備(190)、脈沖激光蒸發(fā)設(shè)備(192)、柔印設(shè)備(194)、微噴涂印制設(shè)備(196)、平網(wǎng)絲印設(shè)備(197)、旋轉(zhuǎn)絲網(wǎng)印制設(shè)備(188)和凹版印制設(shè)備(189)。
14.根據(jù)權(quán)利要求9-13中任意權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述基體(101)包括選自包括如下材料的組中的材料復合材料、金屬材料以及復合材料和金屬材料的組合。
15.根據(jù)權(quán)利要求9-14中任意權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述PZT納米粒子墨水基壓電傳感器(110)以定制形狀被沉積在所述基體(101)上。
全文摘要
本公開在一個實施例中提供了制造鋯鈦酸鉛(PZT)納米粒子墨水基壓電傳感器(110)的方法。該方法具有按配方配制鋯鈦酸鉛(PZT)納米粒子墨水(104)的步驟。該方法還具有經(jīng)由墨水沉積過程(122)將所述PZT納米粒子墨水(104)沉積在基體(101)上以形成PZT納米粒子墨水基壓電傳感器(110)的步驟。
文檔編號B81C1/00GK102992260SQ201210295519
公開日2013年3月27日 申請日期2012年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月17日
發(fā)明者J·L·杜斯, S·R·約翰斯頓, I-Y·沈, G·曹, H-L·黃 申請人:波音公司, 華盛頓大學商業(yè)化中心