制造PZT纳米粒子墨水基压电传感器的方法和系统与流程

技术领域

本公开大体涉及制造传感器的方法和系统，并且更具体地涉及用于制造被沉积在结构上的纳米粒子压电传感器的方法和系统。

背景技术：

例如微型传感器的小传感器可以被用于包括结构健康监测(SHM)系统和方法的各种应用来连续地监测例如复合材料或金属结构的结构，并且测量结构特征以及应力和应变水平，以便评估结构的性能、可能损坏和当前状态。公知的SHM系统和方法可以包括使用被集成到聚酰亚胺基体且被连接到动力和通信配线的小的刚性的陶瓷圆盘传感器。这些公知的传感器通常使用粘结剂被手动粘结到结构。这种手动安装会增加劳动力和安装成本，并且这种粘结剂会随时间老化并且会导致传感器脱离结构。此外，这些公知传感器可以由坚硬的平面和/或脆性材料制成，而这会限制其使用，例如难以用在弯曲或非平面基体表面上。此外，在这些公知传感器的大型阵列中，所需动力和通信配线的量会增加结构的复杂性和重量。

此外，公知传感器系统和方法，例如微机电系统(MEMS)和方法，会包括使用纳米粒子沉积在基体压电传感器，例如锆钛酸铅(PZT)传感器的用法。用于制造这种MEMS的公知方法可以包括用于直写墨水的PZT粉末的熔融盐合成。不过，应用由这样的公知方法制造的PZT传感器会受限于PZT传感器的物理几何形状。这种物理几何限制会导致不足的感测能力或者不足的致动响应。此外，由这样的公知方法制造的PZT传感器由于PZT传感器制造方法的原因而不能够应用于或被置于其功能非常重要的区域。例如，公知的熔融盐合成方法会需要在比某些应用基体能够容忍的温度更高的温度下进行。

此外，这样的公知MEMS系统和方法还会包括使用具有纳米粒子的传感器，且所述纳米粒子还没有晶体化并且其比已经晶体化的纳米粒子效率更低。非晶结构通常具有更大的无序性，从而导致对应变和电压的响应敏感性减小，而晶体结构通常具有更大的内部有序性，从而导致对应变的响应敏感性增加并且操作能量的必要性减小。此外，传感器的纳米粒子对于某些公知的沉积过程和系统而言是过大的，例如喷射原子化沉积(JAD)过程，并且这种纳米粒子会需要高温烧结/结晶过程，而这会导致损坏对温度敏感的基体或结构。

因此，本领域需要一种改进的方法和系统，其用于制造可以被用在结构的结构健康监测系统和方法中的具有纳米粒子的PZT压电传感器，而这种改进的方法和系统提供了优于公知方法和系统的优点。

技术实现要素：

满足了对于一种改进的方法和系统的这种需要，且其中该方法和系统用于制造可以被用在结构的结构健康监测系统和方法中的具有纳米粒子的锆钛酸铅(PZT)压电传感器。如下述具体描述中所讨论的，系统和方法的实施例可以提供优于已有系统和方法的显著优点。

在本公开的实施例中，提供制造锆钛酸铅(PZT)纳米粒子墨水基压电传感器的方法。该方法包括按配方/化学式配制PZT纳米粒子墨水。该方法还包括经由墨水沉积过程将PZT纳米粒子墨水沉积在基体上以便形成PZT纳米粒子墨水基压电传感器。

在本公开的另一实施例中，提供制造锆钛酸铅(PZT)纳米粒子墨水基压电传感器的方法。该方法包括按配方/化学式配制包括预结晶化PZT纳米粒子的PZT纳米粒子墨水。该方法还包括使得PZT纳米粒子墨水悬浮于溶胶-凝胶基粘结促进剂中。该方法还包括经由直写印制过程将PZT纳米粒子墨水沉积在基体上以便形成PZT纳米粒子墨水基压电传感器。

在本公开的另一实施例中，提供用于制造锆钛酸铅(PZT)纳米粒子墨水基压电传感器的系统。该系统包括按配方配制的PZT纳米粒子墨水。该系统还包括将PZT纳米粒子墨水沉积在基体上以便形成PZT纳米粒子墨水基压电传感器的墨水沉积设备。该结构可以具有非弯曲或平面表面、弯曲或非平面表面、或者非弯曲或平面表面和弯曲或非平面表面的组合。PZT纳米粒子墨水基压电传感器可以被沉积在结构的表面上且在结构的主体和PZT纳米粒子墨水基压电传感器之间具有一层或更多层绝缘物、涂层或漆。

已经讨论的特征、功能和优点能够在本公开的各种实施例中单独地实现或者在另一些实施例中组合，参考下述说明和附图能够看出其的进一步细节。

附图说明

结合附图参考下述具体描述能够更好地理解本公开，附图示出了优选且示例性实施例，不过其不必要成比例绘制，其中：

图1示出了可以使用本公开的系统和方法的一个实施例的示例性飞行器的立体图；

图2示出了沉积的PZT纳米粒子墨水基压电传感器组件的一个实施例的横截面图；

图3示出了沉积的PZT纳米粒子墨水基压电传感器组件的另一个实施例的横截面图；

图4示出了被沉积在复合材料结构上的沉积的PZT纳米粒子墨水基压电传感器组件的一个实施例的俯视立体图；

图5示出了本公开的用于制造PZT纳米粒子墨水基压电传感器的系统的一个实施例的框图；

图6A示出了用于制造本公开的PZT纳米粒子墨水基压电传感器的墨水沉积过程和设备的示意图；

图6B示出了被沉积在结构的表面上的PZT压电纳米粒子墨水基传感器的放大图；

图7示出了使用本公开的PZT纳米粒子墨水基压电传感器的结构健康监测系统的一个实施例的示意图；

图8示出了本公开的方法实施例的流程图；

图9示出了本公开的方法的另一实施例的流程图；以及

图10示出了可以用于制造这里公开的PZT纳米粒子墨水基压电传感器的墨水沉积过程和墨水沉积设备的实施例的框图。

具体实施方式

之后将参考附图更全面地描述所公开的实施例，附图中仅示出所公开实施例的一些而不是全部。实际上，提供几个不同的实施例，并且它们不应被看作是被限制为这里提出的实施例。而是，这些实施例被提供以便对于本领域技术人员而言，本公开将全面且完整并且将完全涵盖本公开的范围。下述具体描述是执行本公开的当前最佳的实施方式。描述不应被看作是限制性的，而是仅为了说明本公开的大体原理的目的，本公开的范围有所附权利要求最佳限定。

现在参考附图，图1示出了示例性现有技术飞行器10的立体图，用于针对结构30制造锆钛酸铅(PZT)纳米粒子墨水基压电传感器110(见图2)的系统100(见图5)、方法200(见图8)或方法250(见图9)中的一种实施例可以用于该飞行器10，其中该结构30例如是复合材料结构102(见图1)或金属结构132(见图3)。如这里所用，术语“PZT”指锆钛酸铅，即一种由化学元素铅和锆以及化合物钛酸(可以在高温下结合)构成的一种压电铁电性陶瓷材料。PZT呈现良好的压电特性。如这里所用，与PZT有关的术语“压电”指当变形时PZT在其两面呈现电压或电势差，这对于传感器应用是有利的，或者当施加外部电场时其物理变形，这对于致动器应用是有利的。为了本申请目的，与PZT有关的术语“铁电”指PZT具有自发电极性/电极化或电偶极，且在存在电场时其能够反转。

飞行器10包括机身12、机头14、驾驶舱16、操作地联接到机身12的机翼18、一个或更多个推进单元20、尾部竖直稳定器22以及一个或更多个尾部水平稳定器24。虽然图1所示飞行器10大体代表了商用客机，不过这里公开的系统100和方法200、250还可以用于其他飞行器类型。更具体地，所公开的实施例的教导可以应用于其他客机、货机、军用飞行器、旋翼机和其他类型的飞行器或空中交通工具以及航天交通工具，例如卫星、太空发射器、火箭和其他类型航天交通工具。还可以意识到根据所公开的系统、方法和设备的实施例可以用于其他交通工具，例如船舶和其他水上飞机、火车、机动车、卡车、公交车和其他类型交通工具。还可以意识到根据所公开的系统、方法和设备的实施例可以用于建筑结构、涡轮叶片、医用装置、电子致动器械、消费电子装置、震动器械、无源和有源阻尼器或者其他适当结构。

在本公开的实施例中，提供用于制造锆钛酸铅(PZT)纳米粒子墨水基压电传感器110的系统100。图5示出了用于制造本公开的PZT纳米粒子墨水基压电传感器110(也见图2)的系统100的一个实施例的框图。如图5所示，用于制造PZT纳米粒子墨水基压电传感器110的系统100包括按配方配制的锆钛酸铅(PZT)纳米粒子墨水104。PZT纳米粒子墨水104包括纳米级PZT墨水粒子或纳米粒子106。优选地，纳米级PZT墨水纳米粒子是预晶体化的。PZT纳米粒子墨水104优选地具有从大约20纳米到大约1微米范围内的纳米级PZT粒子尺寸。纳米级PZT墨水粒子尺寸允许使用各种各样的墨水沉积过程、设备和系统沉积PZT纳米粒子墨水104并且具体地允许使用喷射原子化沉积过程126(见图6A和图10)系统以及喷射原子化沉积设备146(见图6A和图10)沉积PZT纳米粒子墨水104。PZT纳米粒子墨水基压电传感器110可以具有从大约1微米到大约500微米范围的厚度。PZT纳米粒子墨水基压电传感器110的厚度可以根据PZT纳米粒子的纳米粒子尺寸和导电电极114、118(见图2)的厚度的因数被测量。PZT纳米粒子墨水基压电传感器110的厚度还可以取决于PZT纳米粒子墨水基压电传感器110的尺寸，因为适当的纵横比会增加PZT纳米粒子墨水基压电传感器110的敏感度。

PZT纳米粒子墨水104还可以包括溶胶-凝胶基粘结促进剂108(见图5)以用于促进PZT纳米粒子墨水104与基体101的粘结。可替代地，PZT纳米粒子墨水104还可以包括聚合物基粘结促进剂，例如环氧树脂或者其他适当聚合物基粘结促进剂。纳米级PZT墨水纳米粒子106可以悬浮在硅土凝胶-溶胶中并且之后使用墨水沉积过程122(例如直写印制过程124)被沉积。PZT纳米粒子墨水方剂中的硅土凝胶-溶胶使得PZT纳米粒子墨水104与某些已知粘结促进剂相比能够粘结到更多种基体。PZT纳米粒子墨水基压电传感器110优选地具有基于超声波传播和机电阻抗的模态。

按配方配制的锆钛酸铅(PZT)纳米粒子墨水可以通过如下方法配制，该方法公开于2011年8月17日提交的名称为“METHODS FOR FORMING LEAD ZIRCONATE TITANATE NANOPARTICLES”的美国非临时专利申请序列号13/211,554(其代理序列号为UWOTL-1-37259)，其全部内容通过引用并入本文。

具体地，在这个公开中，提供了用于形成锆钛酸铅(PZT)纳米粒子的方法。PZT纳米粒子可以由前驱体溶液形成，该溶液包括铅源、钛源、锆源和矿化剂，其根据下述反应(“水热过程”)经历水热过程：

在所提供的方法中，至少通过矿化剂浓度、处理时间、加热速率和冷却速率来控制形成的PZT纳米粒子。

在一方面，提供了用于形成多个PZT纳米粒子(这里也被称为“纳米晶体”)的方法。在一个实施例中，方法包括步骤：(a)提供包括矿化剂溶液、钛源、锆源和铅源的含水性前驱体溶液；以及(b)加热前驱体溶液来产生PZT纳米粒子，其中加热前驱体溶液包括第一加热方案，该第一加热方案至少包括顺序步骤：(i)以第一速率加热前驱体溶液到第一温度，其中所述第一速率在大约1℃/min(摄氏度每分钟)和大约30℃/min之间，并且其中所述第一温度是在大约120℃和大约350℃之间；(ii)在第一温度保持第一保持时间，其中所述第一保持时间在大约5至大约300分钟之间；以及(iii)以第二速率冷却从而提供纳米粒子PZT溶液，该溶液包括悬浮的多个钙钛矿PZT纳米粒子，其具有在大约20nm(纳米)和大约1000nm之间的最小尺寸，其中所述第二速率在大约1℃/min和大约30℃/min之间。

前驱体溶液。前驱体溶液通过被处理来形成PZT纳米粒子的反应物来限定。具体地，前驱体溶液至少包括钛源、锆源、铅源和矿化剂。前驱体溶液可选地包括附加溶剂或稳定剂，如下面将更加具体地讨论的。

前驱体溶液的组分可以全部同时地在单个反应容器中被结合，或者可以分步地结合，这取决于前驱体溶液组分的特征以及在产生PZT纳米粒子的水热反应之前最小化前驱体组分之间的相互反应的潜在需求。例如，钛源和锌源可以被结合以形成前驱体凝胶，之后该凝胶与含水形式的铅源以及矿化剂相结合从而提供前驱体溶液。这种方法允许最大化地控制每种反应物(即钛、锆和铅的源)的相对摩尔量。

存在于前驱体溶液中的钛、锆和铅的源的摩尔量足以获得具有分子式/化学式Pb_xZi_yTi_zO₃的PZT纳米粒子，其中x在0.8和2之间，其中y在0.4和0.6之间，并且其中y加上z等于1。例如，钙钛矿PZT纳米粒子的常见化学式是Pb(Zr_0.52Ti_0.48)O₃。不过，本领域技术人员可以意识到在所提供范围内可以改变铅、锆和钛的相对量来产生PZT纳米粒子的期望特性。

前驱体溶液中的钛源能够是允许根据这里提供的方法形成PZT粒子的任意含钛化合物。在一个实施例中，钛源可以是Ti[OCH(CH₃)₂]₄。附加钛源可以包括TiO₂、TiO₂*nH₂O、Ti(OC₄H₉)、Ti(NO₃)₂、TiCl₃、TiCl₄。

前驱体溶液中的锆源能够是允许根据这里提供的方法形成PZT粒子的任意含锆化合物。在一个实施例中，锆源可以是Zr[O(CH₂)₂CH₃]₄。附加锆源可以包括Zr(NO₃)₄*5H₂O、ZrOCl₂*8H₂O、ZrO₂*nH₂O、ZrO₂。

前驱体溶液中的铅源能够是允许根据这里提供的方法形成PZT粒子的任意含铅化合物。在一个实施例中，铅源可以是Pb(CH₃COOH)₂。附加铅源可以包括Pb(NO₃)₂、Pb(OH)₂、PbO、Pb₂O₃、PbO₂。

在某些实施例中，过量的铅被添加到前驱体溶液。如这里所用，术语“过量的铅”指的是对于铅源而言大于1的比例的量。过量的铅是用于对PZT纳米粒子的特性施加进一步控制的手段。典型地，通过添加过量的所述相同铅源来实现在前驱体溶液中的过量的铅。例如，如果铅源是三水合醋酸铅，则被添加到前驱体溶液中的会导致三水合醋酸铅与锆源和钛源相比的比例大于1的任意量的三水合醋酸铅均被认为是过量的铅。在某些实施例中，过量的铅来自于第二种不同的铅源。

过量的铅不会改变PZT纳米粒子的化学成分，而是改变水热反应条件从而对所形成的PZT纳米粒子产生多种期望的影响。虽然过量的铅不会改变PZT纳米粒子的基本晶体结构，但是其会改进形态、减少无定形副产品并且减少粒子间的团聚程度。

过量铅的一种不太期望的影响是其还会导致形成是杂质的铅氧化合物。不过，能够通过使用适当溶剂(例如稀释的醋酸)来清洗形成的PZT纳米粒子来去除氧化铅杂质。

前驱体溶液中的矿化剂有助于水热过程期间PZT的形成。矿化剂用作氢氧离子的源以便有助于PZT的水热合成。代表性矿化剂包括KOH、NaOH、LiOH、NH₄OH及其组合物。如果矿化剂是液体，例如NaOH，则在被添加到前驱体溶液的其他组分之前在矿化剂溶液中的矿化剂浓度是从大约0.2M至大约15M。如果矿化剂是固体，例如KOH，则DI水被首先添加到Zr、Ti、Pb混合物并且之后添加固体矿化剂。如本领域技术人员所公知的，最佳矿化剂浓度取决于水热过程的条件。

矿化剂的浓度影响产生的PZT纳米粒子的尺寸。例如，使用5M和10M KOH矿化剂形成的类似的PZT纳米粒子具有类似形态，而如果所有其他处理条件相同的话，则5M矿化剂会导致形成比10M矿化剂所形成的纳米粒子更小的纳米粒子。

在某些实施例中，向前驱体中添加稳定剂以便防止在水热过程之前前驱体的某些组分的凝胶和/或沉淀。也就是说，需要稳定剂来在水热过程之前维持溶液内前驱体的所有必要组分。例如，在一个实施例中，乙酰丙酮(“AcAc”)被添加到钛源(例如异丙醇钛)以便防止在反应形成PZT之前的凝胶和沉淀。在另一实施例中，丙醇被添加到钛源。

前驱体通常是含水的，不过可以意识到还能够使用溶解前驱体溶液的组分并有助于形成PZT纳米粒子的任意其他溶剂。水的替代物可以包括含水性溶液、水和有机溶剂的混合物或者弱有机酸，例如乙二胺、CH₂Cl₂、铵盐、醋酸或其他适当替代物。

在一示例性实施例中，前驱体溶液包括作为矿化剂的KOH、作为钛源的异丙醇钛、作为锆源的n-丙醇锆、作为铅源的三水合醋酸铅、作为稳定剂的乙酰丙酮以及水。在前驱体中存在的三水合醋酸铅、n-丙醇锆和异丙醇钛所具有的重量比可以是从大约1至大约2份的三水合醋酸铅、从大约0.5份至大约1份的n-丙醇锆以及从大约0.8至大约1.6份的异丙醇钛。KOH矿化剂溶液是从大约0.2至大约15M。

加热方案。通过前驱体溶液的水热处理来形成PZT纳米粒子。水热过程包括如下加热方案，其包括加热温变到第一温度、保持在第一温度并且冷却温变到室温。

在大于1atm(大气压)的压力下执行加热方案。因此，前驱体溶液被包含在被构造成即加热又加压的设备内。在某些实施例中，加热方案期间施加的压力/压强是从大约1atm至大约20atm。在示例性实施例中，前驱体溶液被包含在压热锅中并且随着加热方案的进行在压热锅中产生自发压力。可替代地，能够通过泵或本领域技术人员公知的其他设备来实现恒定压力。

在一个实施例中，加热前驱体溶液来产生PZT纳米粒子至少包括顺序步骤：(i)以第一速率加热前驱体溶液到第一温度，其中所述第一速率在大约1℃/min(摄氏度每分钟)和大约30℃/min之间，并且其中所述第一温度是在大约120℃和大约350℃之间；(ii)在第一温度保持第一保持时间，其中所述第一保持时间在大约5至大约300分钟之间；以及(iii)以第二速率冷却从而提供纳米粒子PZT溶液，该溶液包括悬浮的多个钙钛矿PZT纳米粒子，其具有在大约20nm(纳米)和大约1000nm之间的最小尺寸，其中所述第二速率在大约1℃/min和大约30℃/min之间。

加热温变速率(“第一速率”)被用于将前驱体溶液的温度从大约室温(T_RT)升高到最大水热处理温度(T_max)。第一速率是从大约1℃/min到大约30℃/min。

处理温度(“第一温度”；T_max)是在大约120℃(摄氏度)和大约350℃之间。在某些实施例中，第一温度是200℃或更低。虽然这里主要描述的加热方案包括加热溶液所实现的单个第一温度，不过将意识到所公开的方法包括第一温度的变化，其可以由于水热反应或加热器械的不准确性而造成的。此外，加热方案的加热步骤可以包括被加热前驱体溶液经受的第二、第三或更多的温度。根据产生期望的PZT纳米粒子的需要，第二、第三或更多的温度可以高于或低于第一温度。

第一速率对于控制所生产的PZT纳米粒子的尺寸是特别重要的。在此方面，随着前驱体溶液的温度从T_RT被加热到T_max，存在中间温度T_nuc，在该中间温度PZT晶体开始成核(“成核区”)。最佳PZT晶体生长发生在T_max，并且在低于T_max的温度成核的任意晶体与在成T_max核的PZT晶体相比以更大的聚积和/或更高度地团聚而生成得更大。

慢的温变速率导致前驱体溶液在T_nuc和T_max之间花费更大量的时间。因此，慢的温变速率导致在低于T_max的温度更多的PZT晶体成核，从而导致不一致的PZT晶体尺寸和晶体结构。如这里所用，术语“慢的温变速率”指的是低于1℃/min的温变速率。

相反地，相对快的温变速率通过使得前驱体溶液快速通过在T_nuc和T_max之间的温度范围而导致均质的PZT晶体成核。如这里所用术语“快的温变速率”指的是10℃/min或更大的温变速率。在某些实施例中，高的温变速率是20℃/min或更大的温变速率。

因为上述动态成核，所以温变速率越大，则产生的PZT粒子越小。虽然加热速率影响PZT晶体的尺寸和数量，不过其不影响晶体结构。类似地，冷却速率也不影响晶体结构。

加热方案的“保持”步骤允许存在PZT晶体形成和生长的时间。保持步骤在第一温度在大约5分钟和大约300分钟之间。典型地，更长地保持时间导致更大的晶体。保持时间优选地允许晶体生长。如果保持时间过短，则最终产物将不会具有PZT成分。

在保持步骤之后，加热方案进行到“冷却”步骤。冷却速率是以“第二速率”将温度从最大处理温度减少到室温。冷却速率的范围是从大约1℃/min至大约30℃/min。冷却速率影响PZT纳米粒子的多个方面。冷却速率部分地确定所形成的PZT纳米粒子的形态和尺寸。相对快的冷却速率，例如大于20℃每分钟的冷却速率导致PZT纳米粒子在100nm至500nm的范围内且具有明显的立方体结构。

此外，相对快的冷却速率导致PZT纳米粒子物理粘结而不是化学粘结。物理粘结的PZT纳米粒子相对于那些化学粘结的而言是优选的，因为与化学粘结的纳米粒子的分离相比可以更容易地实现对物理粘结的纳米粒子的分离(例如通过机械搅拌)。最后，较快的冷却速率最小化了最后产物中PbTiO₃相的存在。这是理想的，因为PbTiO₃不仅是必要要被去除以便获得纯PZT纳米粒子的杂质，而且形成的PbTiO₃还通过以不同于PZT的其他形式来消耗铅和钛从而减少形成PZT的反应的产量。

在某些实施例中，第二速率是足够大的以致形成的PZT粒子是PZT的非钙钛矿形式。在此方面，在某些实施例中，方法还包括处理纳米粒子PZT溶液以便消除PZT的非钙钛矿形式的步骤。这种处理可以包括化学辅助的溶解、湿法腐蚀、酸洗、基底洗涤(base washing)及其组合。能够使用选择性消除(例如溶解)非钙钛矿PZT的任意方法。例如，稀释的醋酸清洗可以被用于消除PZT水热合成中的PbTiO₃非钙钛矿组分。

可替代地，代替消除非钙钛矿PZT粒子，在某些实施例中，该方法还包括在纳米粒子PZT溶液中将钙钛矿PZT纳米粒子分离于PZT的非钙钛矿形式。最终悬浮物由DI水、稀释酸或乙醇来清洗以便去除非钙钛矿形式。

在某些实施例中，第二速率足够大以致纳米粒子PZT溶液变得过饱和。当溶液过饱和时允许成核和晶体生长，并且当浓度达到平衡时其停止。对于所有温度而言，存在对其的平衡浓度响应。因此，当第二速率较低时，溶液能够多次过饱和并且晶体能够具有更大可能生长得更大。对于快速的第二速率而言，初始浓度能够高于平衡并且较高的浓度会促进随着晶体生长而发生二次成核。当浓度较高时成核速率较高，因此成核和生长均较快。因此，更可能的是，二次成核和生长将不会形成稳定的晶体或产生无定形，而这是能够被移除的。

通过针对水热处理使用最短可能处理时间实现形成最小且最高质量的PZT纳米粒子，其包括使用最大加热温变速率、最大冷却温变速率以及“中度”矿化剂浓度，这是因为如果矿化剂浓度改变则所需处理时间会不同。例如，如果使用5M矿化剂，则处理时间能够短至一个(1)小时，而对于2M矿化剂，所需处理时间是三个(3)小时。如果矿化剂浓度低于0.4M，则不管处理时间如何均不会形成PZT。

在冷却步骤之后，获得PZT纳米粒子溶液。PZT纳米粒子溶液包含悬浮于水中的多个PZT纳米粒子。PZT纳米粒子溶液能够被过滤或其他方式被操作以便隔离PZT纳米粒子。根据水热过程的效率，溶液还可以包含PbTiO₃、PbZrO₃、PbO、TiO₂、ZrO₂、KOH和其他可能杂质。使用醋酸清洗溶液是去除PbO的一种方法。可以使用醋酸来清洗过量铅的试样。

如图5所示，系统100还包括墨水沉积设备142(也见图6A)，其将PZT纳米粒子墨水104沉积在基体101上从而形成PZT纳米粒子墨水基压电传感器110。墨水沉积设备142和使用墨水沉积设备142的墨水沉积过程122不需要PZT晶体166(见图6B)在基体101上生长。因为PZT晶体166已经在PZT纳米粒子中生长，所以在墨水沉积过程122期间PZT纳米粒子墨水104在被沉积时不需要高温烧结过程。墨水沉积设备142优选地包括直写印制设备144(见图10)。图10示出了可以用于制造本公开的PZT纳米粒子墨水基压电传感器110的墨水沉积设备和过程的实施例的框图。如图10所示，直写印制设备144可以包括喷射原子化沉积设备146、墨水喷射印制设备147、气雾剂印制设备190、脉冲激光蒸发设备192、柔印设备194、微喷涂印制设备196、平网丝印设备197、旋转丝网印制设备198或其他丝网印制设备、凹版印制设备199或其他适当压印设备或者其他适当的直写印制设备144。

可以使用墨水沉积设备142经由墨水沉积过程122(见图6A和图10)将PZT纳米粒子墨水104沉积在基体101上。墨水沉积过程122优选地包括直写印制过程124(见图10)。如图10所示，直写印制过程124可以包括喷射原子化沉积过程126、墨水喷射印制过程128、气雾剂印制过程180、脉冲激光蒸发过程182、柔印过程/柔版印刷过程184、微喷涂印制过程186、平网丝印过程187、旋转丝网印制过程188或其他适当丝网印制过程、凹版印制过程189或其他适当压印或者其他适当的直写印制过程124。

如图5所示，基体101可以具有非弯曲或平面表面136、弯曲或非平面表面138或者非弯曲或平面表面136和弯曲或非平面表面138的组合。如图2所示，基体101可以具有第一表面103a和第二表面103b。基体101优选地包括复合材料、金属材料、复合材料和金属材料的组合或者其他适当材料。如图2所示，基体101可以包括复合结构102。复合结构102可以包括复合材料，例如聚合复合物、纤维增强复合材料、纤维增强聚合物、碳纤维增强塑料(CFRP)、玻璃纤维增强塑料(GRP)、热塑性复合物、热固性复合物、环氧树脂复合物、形状记忆聚合复合物、陶瓷基质复合物或其他适当复合材料。如图3所示，基体101可以包括金属结构132。金属结构132可以包括金属材料，例如铝、不锈钢、钛、其合金或适当金属或金属合金。基体101还可以包括其他适当材料。

图6A示出了用于制造公开的PZT纳米粒子墨水基压电传感器110的墨水沉积过程122和墨水沉积设备142的一个实施例的示意图。示例性直写印制过程124和直写印制设备144被示于图6A，其示出了喷射原子化沉积过程126和喷射原子化沉积设备146。如图6A所示，纳米级PZT墨水纳米粒子106可以经由入口148被传输到包含溶剂152的混合容器150内。纳米级PZT墨水纳米粒子106优选地在混合容器中与溶剂152混合从而形成PZT纳米粒子墨水悬浮液154。PZT纳米粒子墨水悬浮液154可以通过超声波机构158被原子化从而形成原子化PZT墨水纳米粒子156。原子化PZT墨水纳米粒子156之后可以传输通过喷嘴主体160并直接通过喷嘴尖端162到达基体101以便将PZT纳米粒子墨水基压电传感器110沉积并印制到基体101上。

图6B示出了被沉积到基体101上的PZT压电纳米粒子墨水基传感器110的放大图。图6B示出了原子化PZT墨水纳米粒子156，其在喷嘴主体160和喷嘴尖端162内正被沉积到基体101上以便形成PZT纳米粒子墨水基压电传感器110。如图6B所示，一个或更多个PZT纳米粒子墨水基压电传感器110可以以定制形状164被沉积到基体101上，该定制形状例如字母、图案、图标或徽章或者例如圆、方形、矩形、三角形或其他几何形状的几何形状或其他理想定制形状。墨水沉积过程122和墨水沉积设备142不需要晶体166在基体101上生长。此外，沉积的纳米级PZT墨水纳米粒子106包含不需要任何使得晶体生长的后处理步骤的晶状粒子结构。PZT纳米粒子墨水基压电传感器110可以被沉积在结构30的表面上且在结构30的主体和PZT纳米粒子墨水基压电传感器110之间具有一层或更多层绝缘物、涂层或漆。

图2和图3示出了沉积的PZT纳米粒子墨水基压电传感器组件115的实施例。图2示出了沉积的PZT纳米粒子墨水基压电传感器组件116的一个实施例的横截面图，该组件116被沉积在包括复合材料结构102的基体101上。沉积的PZT纳米粒子墨水基压电传感器组件116包括被联接到用作致动器141(见图4)的动力和通信电线组件/电力和通信电线组件140的PZT纳米粒子墨水基压电传感器110。动力和通信电线组件140优选地由导电墨水168(见图4)形成，该导电墨水168可以经由墨水沉积设备142并经由墨水沉积过程122被沉积在基体101上。用作致动器141(见图4)的动力和通信电线组件140可以包括第一导电电极114、第二导电电极118、第一导电示踪电线112a和第二导电示踪电线112b。第一导电电极114、第二导电电极118、第一导电示踪电线112a和第二导电示踪电线112b可以相邻于纳米粒子墨水基压电传感器110。

图3示出了沉积的PZT纳米粒子墨水基压电传感器组件130的另一实施例的横截面图，该组件130被沉积在包括金属结构132的基体101上。沉积的PZT纳米粒子墨水基压电传感器组件130包括被联接到用作致动器141(见图4)的动力和通信电线组件140的PZT纳米粒子墨水基压电传感器110。动力和通信电线组件140优选地由导电墨水168(见图4)形成，该导电墨水168可以经由墨水沉积设备142并经由墨水沉积过程122被沉积在基体101上。用作致动器141的动力和通信电线组件140可以包括第一导电电极114、第二导电电极118、第一导电示踪电线112a和第二导电示踪电线112b。第一导电电极114、第二导电电极118、第一导电示踪电线112a和第二导电示踪电线112b可以相邻于PZT纳米粒子墨水基压电传感器110。如图3所示，沉积的PZT纳米粒子墨水基压电传感器组件130还包括被沉积在包括金属结构132的基体101和被联接到动力和通信电线组件140的PZT纳米粒子墨水基压电传感器110之间的绝缘层134。绝缘层134可以包括绝缘聚合物涂层、电介质材料、陶瓷材料、聚合物材料或其他适当绝缘材料。

图4是被沉积在复合材料结构102上的被沉积的PZT纳米粒子墨水基压电传感器组件115的俯视立体图。图4示出了被联接到多个动力和通信电线组件140的多个PZT纳米粒子墨水基压电传感器110，且这些传感器110全部被沉积在复合材料结构102上。类似地，对于金属结构132而言，沉积的PZT纳米粒子墨水基压电传感器组件130可以具有被联接到多个动力和通信电线组件140且全部沉积在金属结构132上的多个PZT纳米粒子墨水基压电传感器110。

将PZT纳米粒子墨水基压电传感器110沉积在基体101或结构30(见图7)上必然能够安置纳米粒子墨水基压电传感器110以便应用，例如用于结构健康监测。PZT纳米粒子墨水基压电传感器110可以是高密度结构健康监测系统170的关键条件。图7示出了使用本公开的PZT纳米粒子墨水基压电传感器110的一个实施例的框图。两个或更多个纳米粒子墨水基压电传感器110可以用于使能结构健康监测系统170来监测例如复合材料结构102(见图1)或金属结构132(见图3)或者其他适当结构的结构30的结构健康172，并且提供结构健康数据174。结构健康数据174可以包括分离、薄弱粘结、应变水平、湿气侵蚀、材料改变、裂纹、孔隙、剥落、多孔或其他适当的结构健康数据174或机电特性或会不良地影响结构30的性能的其他不规则。

结构健康监测系统170优选地包括沉积的PZT纳米粒子墨水基压电传感器组件115(也见图2和图3)。沉积的PZT纳米粒子墨水基压电传感器组件115如果与复合材料结构102一同使用的话，则可以包括沉积的PZT纳米粒子墨水基压电传感器组件116(见图2)，并且如果与金属结构132一同使用的话，则可以包括沉积的PZT纳米粒子墨水基压电传感器组件130(见图3)。结构健康监测系统170还可以包括用于使得PZT纳米粒子墨水基压电传感器110在用于结构健康监测系统170之前被极化的电压源176。如这里所用，术语“极化(poling)”指通常在升高的温度下将强电场施加于材料以便定向或对齐偶极子或磁畴的过程。电压源176还可以驱动一些PZT纳米粒子墨水基压电传感器110以便它们成为向其他压电传感器110发送质询信号的致动器141。

如图7所示，结构健康监测系统170还包括用于向PZT纳米粒子墨水基压电传感器110提供电力的电源178。电源178可以包括电池、电压、RFID(射频识别)、电磁感应传播或其他适当电源。电源178可以是无线的。如图7所示，系统170还可以包括数据通信网络179，其用于检索和处理来自于PZT传感器110的结构健康数据174。数字数据通信网络179可以是无线的。数字数据通信网络179可以检索从PZT纳米粒子墨水基压电传感器110接收的数据，例如使用接收器(未示出)接收，并且数据通信网络179可以处理从PZT纳米粒子墨水基压电传感器110接收的数据，例如使用计算机处理器(未示出)处理。数字数据通信网络179可以是无线的。

在本公开的实施例中，提供用于制造锆钛酸铅(PZT)纳米粒子墨水基压电传感器110的方法200。图8示出了本公开的方法200的实施例的流程图。方法200包括按配方配制锆钛酸铅(PZT)纳米粒子墨水104的步骤202。PZT纳米粒子墨水104包括纳米级PZT墨水纳米粒子106。如上所述，PZT纳米粒子墨水104优选地具有从大约20纳米到大约1微米范围内的纳米级PZT粒子尺寸。PZT纳米粒子墨水104可以包括用于促进PZT纳米粒子墨水104与基体101的粘结的溶胶-凝胶基粘结促进剂108(见图5)。PZT纳米粒子墨水104通过上述详细讨论的过程被配制。

方法200还包括经由墨水沉积过程122将PZT纳米粒子墨水104沉积在基体101上以形成PZT纳米粒子墨水基压电传感器124的步骤204(见图10)。墨水沉积过程122优选地包括直写印制过程124(见图10)。如图10所示，直写印制过程124可以包括喷射原子化沉积过程126、墨水喷射印制过程128、气雾剂印制过程180、脉冲激光蒸发过程182、柔印过程/柔版印刷过程184、微喷涂印制过程186、平网丝印过程187、旋转丝网印制过程188或其他适当丝网印制过程、凹版印制过程189或其他适当压印或者其他适当的直写印制过程。

基体101优选地包括复合材料、金属材料、复合材料和金属材料的组合或者其他适当材料。基体101优选地包括第一表面103a和第二表面103b。基体101可以具有非弯曲或平面表面136(见图5)、弯曲或非平面表面138(见图5)或者非弯曲或平面表面136(见图5)和弯曲或非平面表面138(见图5)的组合。墨水沉积过程122不需要PZT晶体166在基体101上生长。此外，沉积的纳米级PZT墨水纳米粒子106包含不需要任何使得晶体生长的后处理步骤的晶状粒子结构。PZT纳米粒子墨水基压电传感器110可以以定制形状164被沉积到基体101上(见图6B)。

PZT纳米粒子墨水基压电传感器110在被用于结构健康监测系统170来监测结构30的结构健康172之前可以经历由电压源176(见图7)执行的极化过程。被用于结构健康监测系统170之前，PZT纳米粒子墨水基压电传感器110可以被联接到动力和通信电线组件140，该组件140由经由墨水沉积过程122被沉积在基体101上的导电墨水168形成。两个或更多个PZT纳米粒子墨水基压电传感器110可以被用于使能结构健康监测系统170。

在本公开的另一实施例中，提供用于制造锆钛酸铅(PZT)纳米粒子墨水基压电传感器110的方法250。图9示出了本公开的方法250的另一实施例的流程图。方法250包括按配方配制锆钛酸铅(PZT)纳米粒子墨水104的步骤252，其中该墨水104包括被预结晶的纳米级PZT墨水纳米粒子106。

方法250还包括使得PZT纳米粒子墨水104悬浮在凝胶-溶胶基粘结促进剂108中的步骤254。方法250还包括经由直写印制过程124将PZT纳米粒子墨水104沉积在基体101上以形成PZT纳米粒子墨水基压电传感器110的步骤256。如图10所示，直写印制过程124可以包括喷射原子化沉积过程126、墨水喷射印制过程128、气雾剂印制过程180、脉冲激光蒸发过程182、柔印过程/柔版印刷过程184、微喷涂印制过程186、平网丝印过程187、旋转丝网印制过程188或其他适当丝网印制过程、凹版印制过程189或其他适当压印或者其他适当的直写印制过程124。

基体101优选地包括复合材料、金属材料、复合材料和金属材料的组合或者其他适当材料。基体101优选地包括第一表面103a和第二表面103b。基体101可以具有非弯曲或平面表面136(见图5)、弯曲或非平面表面138(见图5)或者非弯曲或平面表面136(见图5)和弯曲或非平面表面138(见图5)的组合。墨水沉积过程122不需要PZT晶体166在基体101上生长。此外，沉积的纳米级PZT墨水纳米粒子106包含不需要任何使得晶体生长的后处理步骤的晶状粒子结构。PZT纳米粒子墨水基压电传感器110可以以定制形状164被沉积到基体101上(见图6B)。

PZT纳米粒子墨水基压电传感器110在被用于结构健康监测系统170来监测结构30的结构健康172之前可以经历由电压源176(见图7)执行的极化过程。被用于结构健康监测系统170之前，PZT纳米粒子墨水基压电传感器110可以被联接到动力和通信电线组件140，该组件140由经由墨水沉积过程122被沉积在基体101上的导电墨水168形成。两个或更多个PZT纳米粒子墨水基压电传感器110可以被用于使能结构健康监测系统170。

结构30可以包括飞行器、航天器、航天交通工具、太空发射交通工具、火箭、卫星、旋翼机、水上飞机、船舶、火车、汽车、卡车、公交车、建筑结构、涡轮叶片、医用装置、电子致动器械、消费电子装置、震动器械、无源和有源阻尼器或者其他适当结构。系统100和方法200、250可以用于许多工业，包括例如风能发电(对涡轮叶片的健康监测)、航空应用、军事应用、医疗应用、电子致动器械、消费者电子产品或者结构或材料需要监测系统的任意应用。

这里公开的用于制造PZT纳米粒子墨水基压电传感器110的系统100和方法200、250的实施例提供了可以用于各种应用的PZT纳米粒子墨水基压电传感器110，所述各种应用包括对于复合材料和金属结构的超声探伤，裂纹传播探测传感器，压力传感器，或者其他适当传感器。例如，系统100和方法200、250的PZT纳米粒子墨水基压电传感器110可以提供托架来辅助飞行器内各种部件的健康监测，例如对于门边框的探伤，军事平台例如军用飞行器的裂纹生长探测，以及空间系统例如低温箱(cryo-tank)的健康监测。PZT纳米粒子墨水基压电传感器110可以提供以前不可能获得的结构健康数据，而这会影响能够减小成本的新颖且有效的设计。

使用直写印制过程124，并且例如使用喷射原子化沉积过程126，以及按配方配制的PZT纳米粒子墨水104，允许将许多PZT纳米粒子墨水基压电传感器110被沉积在基体101或结构30上并且与公知的压电传感器相比成本降低。这里公开的系统100和方法200、250的实施例提供允许将PZT纳米粒子墨水基压电传感器110大量放置在结构的无数区域内的PZT纳米粒子墨水基压电传感器100，而这些均是公知压电传感器难以实现的。

此外，这里公开的用于制造PZT纳米粒子墨水基压电传感器110的系统100和方法200、250的实施例提供优于公知传感器的PZT纳米粒子墨水基压电传感器110，因为它们不需要粘结剂将它们粘结到结构，并且这样减少了PZT纳米粒子墨水基压电传感器110从结构分离的可能性。这里公开的用于制造PZT纳米粒子墨水基压电传感器110的系统100和方法200、250的实施例提供如下PZT纳米粒子墨水基压电传感器110，即该PZT纳米粒子墨水基压电传感器110通过可获得具有良好压电性质的纳米级PZT墨水粒子106而被使能，且在不使用粘结剂的情况下以理想构造被沉积在基体或结构上。因为在PZT纳米粒子即压电传感器110和基体或结构之间不存在粘结剂的情况下可以将PZT纳米粒子墨水基压电传感器110沉积在基体或结构上，所以可以改进与被质询结构的信号联接。此外，这里公开的用于制造PZT纳米粒子墨水基压电传感器110的系统100和方法200、250的实施例提供不需要手动放置或安置到基体或结构上并且可以与所有所需动力和通信电线组件一起被沉积或印制到基体或结构上的PZT纳米粒子墨水基压电传感器110，从而减少了劳动力和安置成本并且降低了结构的复杂性和重量。此外，可以使用包括喷射原子化沉积过程126的多种直写印制过程来沉积PZT纳米粒子墨水基压电传感器110；并且PZT纳米粒子墨水基压电传感器110可以由已经被预结晶化的纳米粒子尺寸粒子制成，并且可以比没有结晶化的公知传感器更有效率；不需要高温烧结/结晶过程并且因此减少或消除了对温度敏感性基体或结构的可能损害；可以被沉积在弯曲或非平面基体或结构上；没有或很少有物理几何尺寸限制并且因此减少了感测能力不足或致动响应不足的可能性。最后，这里公开的用于制造PZT纳米粒子墨水基压电传感器110的系统100和方法200、250的实施例提供了一种的PZT纳米粒子墨水基压电传感器110，其可以用于在结构的退化或劣化实际产生之前预测这种退化或劣化，并且因此可以增加结构或结构性部件零件的可靠性，并且减少结构或结构性部件零件的寿命期间的总体制造和维护成本；并且能够预测、监测和诊断结构的完整性、健康和适应性的能力而不需要拆卸或移除结构或在结构中钻孔来插入任意测量工具。

在上述实施例中，公开了用于制造锆钛酸铅(PZT)纳米粒子墨水基压电传感器110的方法，其包括：按配方配制锆钛酸铅PZT纳米粒子墨水104；以及经由墨水沉积过程122将PZT纳米粒子墨水104沉积在基体101上以形成PZT纳米粒子墨水基压电传感器110。在一种情况下，PZT纳米粒子墨水104包括纳米级PZT墨水纳米粒子106。在一种变型中，PZT纳米粒子墨水104包括用于促进PZT纳米粒子墨水104粘结到基体101的溶胶-凝胶基粘结促进剂。墨水沉积过程122不需要PZT晶体166在基体101上生长。在另一变型中，墨水沉积过程122包括选自如下过程构成的组中的直写印制过程124：喷射原子化沉积过程126、墨水喷射印制过程128、气雾剂印制过程180、脉冲激光蒸发过程182、柔印过程184、微喷涂印制过程186、平网丝印过程187、旋转丝网印制过程188和凹版印制过程189。在一个变型中，基体101包括选自包括如下材料的组中的材料：复合材料、金属材料以及复合材料和金属材料的组合。在一个替代性实施方式中，基体101具有弯曲或非平面表面138。在又一个变型中，PZT纳米粒子墨水基压电传感器110以定制形状被沉积在基体101上。

根据上述实施例，公开了用于制造锆钛酸铅(PZT)纳米粒子墨水基压电传感器110的系统，该系统包括：按配方配制的锆钛酸铅(PZT)纳米粒子墨水104；以及将PZT纳米粒子墨水104沉积在基体101上以形成PZT纳米粒子墨水基压电传感器110的墨水沉积设备142。在一种情况下，PZT纳米粒子墨水104包括纳米级PZT粒子106。在一种变型中，PZT纳米粒子墨水104包括用于促进PZT纳米粒子墨水104粘结到基体101的溶胶-凝胶基粘结促进剂108。在另一变型中，墨水沉积过程122不需要PZT晶体在基体101的表面上生长。

在替代性实施方式中，墨水沉积设备142包括直写印制设备144，其选自包括如下设备的组：喷射原子化沉积设备146、墨水喷射印制设备147、气雾剂印制设备190、脉冲激光蒸发设备192、柔印设备194、微喷涂印制设备196、平网丝印设备197、旋转丝网印制设备188和凹版印制设备189。在另一替代性实施例方式中，基体101包括选自包括如下材料的组中的材料：复合材料、金属材料以及复合材料和金属材料的组合。在又一个变型中，PZT纳米粒子墨水基压电传感器110以定制形状被沉积在基体101上。

在又一实施例中，公开了用于制造锆钛酸铅(PZT)纳米粒子墨水基压电传感器的方法。在该方法中，锆钛酸铅(PZT)纳米粒子墨水被按配方配制成包括预结晶的PZT纳米粒子。此外，PZT纳米粒子墨水悬浮在溶胶-凝胶基粘结促进剂中；以及，PZT纳米粒子墨水经由直写印制过程被沉积在基体上以形成PZT纳米粒子墨水基压电传感器。在一种变型中，PZT纳米粒子墨水包括纳米级PZT粒子。在另一变型中，直写印制过程不需要PZT晶体在基体上生长。

在又一实施例中，公开了用于制造锆钛酸铅(PZT)纳米粒子墨水基压电传感器的系统。该系统包括：按配方配制的锆钛酸铅(PZT)纳米粒子墨水；以及将PZT纳米粒子墨水沉积在基体上以形成PZT纳米粒子墨水基压电传感器的墨水沉积设备。在一种变型中，基体是弯曲的。在一种变型中，PZT纳米粒子墨水基压电传感器以定制形状被沉积在基体上。

本领域技术人员将意识到本公开涉及的许多改型和其他实施例，其具有上述说明和附图中所教导的优点。这里公开的实施例是描述性的并且不试图是限制或排他的。虽然这里使用特定术语，不过它们仅是其通用和描述性含义而不是为了限制性目的。