通过缓冲层工程提高柔性压电薄膜声学传感器的灵敏度，以实现电力电缆绝缘状况的监测

《Advanced Functional Materials》：Enhancing Sensitivity of Flexible Piezoelectric Thin-Film Acoustic Sensors via Buffer Layer Engineering for Insulation Health Monitoring of Power Cables

本研究通过引入TiO?缓冲层优化PZT薄膜的介电常数和压电系数，显著提升传感器灵敏度，成功应用于110kV电缆局部放电检测，并验证了其长期热稳定性。

　　

摘要

局部放电（PD）的检测对于评估高压电力电缆中的绝缘层退化情况至关重要。柔性压电声学传感器因其能够适应曲面以及具有较强的抗电磁干扰能力而成为一种理想的解决方案。然而，传统的压电薄膜通常由于压电系数（d₃₃）与介电常数（ε_r）之间的固有权衡而具有较低的灵敏度。在本研究中，引入了TiO₂缓冲层来改进Pb(Zr_0.52Ti_0.48)O₃（PZT）薄膜的性能，使其表现出显著提升。266纳米厚的TiO₂缓冲层通过溶胶-凝胶法制备。该TiO₂层将介电常数ε_r从650降低到150（在约100 kHz的频率下），促进了晶粒的细化、自极化状态的形成以及强（100）织构的形成，并使压电系数d₃₃从45 pm/V^?1增加到160 pm/V^?1，从而使得压电电压常数g₃₃达到124 mV·m·N^?1。所制备的柔性传感器具有高达600 kHz的宽频率响应范围，平均灵敏度为65 dB，峰值灵敏度超过70 dB。该传感器能够捕捉到110 kV电力电缆中局部放电事件的高分辨率声学信号，其性能优于未经改性的PZT传感器和商用PVDF传感器。长期稳定性及热稳定性测试也证实了其出色的耐用性。本研究提出了一种通过界面工程调节压电薄膜性能的可靠方法，并展示了带有TiO₂缓冲层的PZT传感器在电力设备绝缘健康监测应用中的潜力。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。