高性能PVDF-MAX相复合传感器，用于超音速冲击波检测

《Sensors and Actuators A: Physical》：High-performance PVDF-MAX phase composite sensor for supersonic shock wave detection

本研究开发了一种基于Ti3AlC2-PVDF复合薄膜的高灵敏度冲击传感器。通过超声处理、溶剂铸造和热压成型制备了90μm厚度的自由-standing薄膜，并优化了封装设计。实验表明，该传感器灵敏度达13.7-14.1mV/kPa，响应时间33-37μs，方向敏感性显著，且在重复冲击和温度波动下性能稳定，适用于超音速冲击波监测。

　　这项研究介绍了一种基于钛铝碳（Ti?AlC?）和聚偏二氟乙烯（PVDF）复合薄膜的高灵敏度冲击传感器。该传感器通过超声波处理、溶剂浇铸和热压成型工艺制造，最终形成约90微米的自由站立薄膜。通过结构和形貌表征，确认了Ti?AlC?粒子在聚合物基质中实现了均匀分散。优化的封装设计确保了冲击波能够无衰减地作用于传感器，从而在超音速冲击管（马赫数大于1.5）中实现精确的测量。传感器表现出卓越的性能：灵敏度达到13.7至14.1毫伏/千帕，响应时间极短（33至37微秒），并具有显著的方向性输出特性（0°方向输出为1.4伏，90°方向输出为2.6伏）。值得注意的是，它在重复冲击下仍能保持信号的完整性，有效缓解了冲击管内快速温度波动对测量结果的影响，同时在马赫数1.77的范围内与参考传感器曲线高度吻合。这种坚固且可扩展的设计为极端环境下的实时冲击波监测提供了新的可能性。

冲击波的检测和测量在多个科学和工程领域中具有关键作用，包括航空航天、国防、汽车安全、生物医学、流体力学和材料科学。冲击波通常伴随着压力、温度和密度的急剧变化，因此需要高精度的传感技术来研究高速气动现象、评估爆炸冲击以及指导防护材料和结构的开发。可靠的冲击波传感器对于基础研究和实际应用都至关重要，要求具备高灵敏度、快速响应时间以及在极端条件下的稳定性。

传统的冲击波传感器通常采用压电材料，这些材料在受到机械应力时能够产生电荷。其中，PVDF作为一种广泛应用的压电聚合物，因其柔韧性、易于加工和广泛的运行带宽，相较于传统压电晶体具有优势。PVDF是一种半结晶性聚合物，其机械、电气和化学稳定性已被广泛记录，使其成为冲击传感应用的有前途材料。然而，纯PVDF存在固有的局限性，特别是在耐久性和热性能方面。在外部冲击波作用下，PVDF的结构脆弱性可能导致测量数据的失真，使其在极端条件下无法使用，除非进行强化。此外，温度变化会显著影响PVDF传感器的性能，通过引起电荷生成并影响电压输出，从而导致测量误差。在冲击和释放条件下，快速的瞬态温度变化还可能影响基于PVDF的传感器的校准系数，使其响应出现波动。这些温度依赖性的限制限制了PVDF在极端环境中的广泛应用。尽管存在挑战，但由于PVDF在多个应用领域中的广泛适用性以及其令人兴奋的特性，全球范围内开展了大量研究，开发了多种与不同填料结合的PVDF复合材料。这些具有定制性能和多功能性的复合材料提供了不同的形态以及结构和物理化学特性。已经探索了多种纳米结构填料，包括碳纳米管、磁性纳米颗粒如CoFe?O?和Fe?O?、陶瓷颗粒如钛酸钡（BaTiO?）、银纳米颗粒、二氧化钛以及其他功能性添加剂，从而制造出一系列多功能复合材料。

本研究探讨了一种新型复合材料，即在PVDF基质中加入MAX相Ti?AlC?填料，用于高速冲击波的检测应用。据我们所知，这是首次将MAX相Ti?AlC?用于PVDF基质中的冲击波传感。MAX相是一类具有金属和陶瓷特性的层状陶瓷材料，包括高电导率、机械强度和热稳定性。"MAX"这一术语代表早期过渡金属（M）、A族元素（A）以及碳或氮（X）。这些材料具有层状晶体结构，由过渡金属层和碳/氮原子层交替组成。这种结构赋予MAX相多种优异特性，如高热和电导率、出色的机械性能、氧化和温度抗性以及抗损伤能力。虽然MAX相已被用于多种电化学传感应用，但其在冲击波传感器中的潜力尚未被充分探索。本研究旨在通过将Ti?AlC?与PVDF结合，推动冲击波传感技术的发展，利用这两种材料的互补特性来提高传感器的灵敏度、重复性、温度耐受性和在极端冲击波条件下的耐用性。通过解决传统PVDF基传感器的局限性，本研究提出了一种开发高性能冲击波检测系统的新方法，适用于广泛的应用场景。

该传感器的制造涉及一个三步过程，包括超声波处理、溶剂浇铸和热压成型，以生产PVDF-MAX（Ti?AlC?）复合薄膜，随后将其切割至所需尺寸。该过程包括将PVDF颗粒（90%重量）和MAX相Ti?AlC?粉末（10%重量）分别溶解在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶剂中。两种溶液均在45°C下使用磁力搅拌器持续搅拌30分钟，以确保均匀分散。通过这一工艺，成功制备了具有良好性能的复合材料薄膜。

为了研究复合薄膜的表面形貌，使用了场发射扫描电子显微镜（FESEM）。在成像前，样品薄膜被清洗、干燥并用金颗粒进行溅射涂层以提高导电性。通过在不同放大倍数下进行扫描，观察了Ti?AlC?（MAX相）在PVDF基质中的均匀性和分布情况。复合薄膜的横截面图显示，其结构致密且均匀，表明填料在基质中得到了良好的分散。

冲击传感器的设计采用了复合薄膜作为核心传感元件，封装在能够直接与入射冲击波相互作用的外壳中，避免了任何可能衰减信号的中间屏障或膜片。为了确保传感器的可靠性、通用性和兼容性，采用了经过仔细优化的封装方法。通过3D爆炸视图、横截面图和完整组装图展示了传感器的结构设计，这些设计确保了冲击波能够无阻碍地作用于传感器，从而获得准确的测量结果。

实验测试系统采用了一种手动操作、压力驱动的桌面冲击管（Reddy Tube，Machstar Group，印度）用于对封装好的冲击传感器进行冲击波测试。该冲击管是一种自由活塞驱动系统，包括驱动部分和被驱动部分。驱动部分中的空气通过活塞推杆进行压缩，而被驱动部分则通过手动操作的真空泵维持低压。冲击管的运行能够产生可控的冲击波，用于测试传感器的性能。

实验中使用的冲击波速度计算方法基于冲击管中两个压电压力传感器（PS-1和PS-2）之间的距离与冲击波到达这两个传感器的时间差的比值。通过这一方法，可以计算出冲击波的速度，从而确定其马赫数。马赫数是冲击波速度与同一介质中声速的比值，这一参数对于评估冲击波的强度和特性至关重要。

传感器的性能通过在测试装置中进行冲击波测试进行评估，结果如图5a所示。测试装置中的被驱动部分被抽真空至绝对压力30.4千帕，而驱动部分则被加压至膜片破裂。通过分析传感器和两个压电参考传感器的时间分辨输出曲线，可以清晰地观察到冲击波的时间演化过程，确认其预期的阶跃式特性。这一特性表明传感器能够准确捕捉冲击波的动态变化，从而为冲击波监测提供可靠的数据支持。

在实验过程中，使用了多种工具和设备以确保数据的准确性和传感器的稳定性。其中包括用于监控驱动部分压力的压力表，以及用于维持被驱动部分低压的真空泵。这些设备共同构成了一个完整的冲击波测试系统，能够模拟实际冲击波环境并提供精确的测试条件。此外，传感器的封装设计确保了其在测试过程中的可靠性，避免了外部干扰对测量结果的影响。

本研究的结论表明，成功设计并制造了一种基于新型Ti?AlC?-PVDF复合薄膜的高性能冲击传感器。该复合薄膜厚度约为90微米，表现出增强的性能参数，能够在冲击管测试系统中，在受控冲击加载条件下产生高达4.26伏的峰值输出电压。通过全面的材料表征，进一步验证了该复合材料在冲击波检测中的优越性。传感器的性能不仅体现在高灵敏度和快速响应时间上，还通过其方向性输出特性得到了体现。这些特性使得传感器在多种应用场景中具有广泛的适用性。

研究团队成员在本项目中各自贡献了不同的角色和职责。K. Zaman Khan负责撰写、审查和编辑，同时参与了可视化、验证、软件、方法论、调查、形式分析、数据管理和概念设计。Valentyn S. Volkov则负责撰写、审查和编辑，同时参与了监督、资源管理、方法论和概念设计。Aleksey V. Arsenin负责撰写、审查和编辑，以及资源管理。Anjana Jain和Lingappa Rangaraj均参与了撰写、审查和编辑，以及方法论和调查。Syuy则参与了撰写、审查和编辑。所有成员在研究的不同阶段贡献了自己的专业知识和技能，确保了研究的顺利进行和成果的高质量。

在撰写过程中，作者使用了Grammarly工具来纠正语法和标点错误，之后对内容进行了进一步的审查和编辑，确保了最终论文的准确性和可读性。此外，作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本研究的成果。这一声明表明研究的独立性和客观性，确保了研究结果的真实性和可靠性。

本研究得到了俄罗斯联邦科学与高等教育部（FSMG-2024-0014）的支持。作者特别感谢Jayakrishnan先生（STARC，班加罗尔，印度）在实验装置设置方面的宝贵支持。这些支持使得研究能够顺利进行，并为传感器的性能评估提供了可靠的实验条件。

总体而言，这项研究不仅在材料科学和工程领域中具有重要的理论意义，还为实际应用提供了创新的解决方案。通过将MAX相Ti?AlC?与PVDF结合，成功开发了一种高性能的冲击传感器，克服了传统PVDF基传感器在耐久性和热稳定性方面的不足。该传感器的性能参数，包括高灵敏度、快速响应时间和方向性输出特性，使其在多种极端环境中具有广泛的适用性。同时，该研究的成果也为未来冲击波监测技术的发展提供了新的方向和思路。