本发明涉及电气材料领域，尤其涉及一种电缆外部压力检测用复合压电材料及其制造方法。
背景技术：
电缆用以传输电(磁)能，信息和实现电磁能转换的线材产品，在现代工业及人们的日常生活中发挥着极其重要的作用，因此，电缆的经常失效也会带来很大的负面影响，而随着现代电缆应用得更加广泛，因此产生的失效案例也比比皆是。
电缆失效尽管看上去好像有很多原因，但是实际上95％以上的电缆都是由于以下三个原因而失效：1、机械损伤：电缆的外护套经常被撕裂或压裂，没有开裂的护套表面有毛边或磨擦痕迹；护套外部无损伤痕迹，但是电缆内部的导线绝缘层出现部分或全部破裂。如不是完全失效，将导致漏电，跳闸和停机可能产生原因分析：尖锐的岩石、矿山塌方、绞车电缆卷筒边缘锋利和超负荷。2、弯曲半径超出推荐值：当电缆被弯曲且其弯曲半径远小于制造商推荐的弯曲半径时，电缆内部元件容易形成机械损伤。
3、拧结：拧结最初是由结环造成的，大多数情况下是在从固定的卷筒上″拉拽″电缆时发生的，并且不易解除。拧结会导致永久性的″弱点″。
事实上，我们可以发现，这三种失效原理，均可以通过在电缆表面设置较长距离的线型压力检测装置来预防或失效后寻找失效点，但现有技术中，由于压电材料本身居里温度的限制及几乎所有敏感的压电材料均为晶体，脆性大而膨胀系数小，导致与电缆的使用环境完全无法匹配。电缆表面一直暴露在外界，且受风力等机械力很多且无规律，因此，现有技术中无法应对酸、碱、盐雾、大气腐蚀及低强度、不耐冲击的常规压电材料根本无法实现对电缆表面力的实时监控。
因此，市场上需要一种抗酸、碱、盐雾、大气腐蚀、耐高温、机械性能好、抗冲击能力强的复合压电材料。
技术实现要素：
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明旨在提供一种抗酸、碱、盐雾、大气腐蚀、耐高温、机械性能好、抗冲击能力强的电缆外部压力检测用复合压电材料及其制造方法。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种电缆外部压力检测用复合压电材料，由以下重量份原材料制成：含溶质30-35份的聚偏氟乙烯溶液、(改性pbtio3)3份-5份、[pb(zr0.3ti0.7)o3]2份-3份、石墨烯3份-5份、磺酰氨基附着力促进剂0.5份-1份、{pb0.95cr0.02ca0.03[(ni1/3nb2/3)0.5·zr0.2·ti0.3]o3}8份-10份、铝铬中间合金锭10份-15份。
上述的电缆外部压力检测用复合压电材料中，所述改性pbtio3具体为通过ca、co改性的抗振动pbtio3晶体。
一种制造电缆外部压力检测用复合压电材料的方法，包括以下步骤：
1)生产前准备
①将石墨烯、改性pbtio3、pb(zr0.3ti0.7)o3磨制为粒径10μm-20μm的粉末，并混合均匀，获得混合粉末；
②将pb0.95cr0.02ca0.03[(ni1/3nb2/3)0.5·zr0.2·ti0.3]o3制成厚度0.1mm-0.2mm、宽度1.0mm-1.2mm的晶带；
③将磺酰氨基附着力促进剂混入聚偏氟乙烯溶液中，获得混合溶液a；
④准备外径尺寸与电缆一致的仿电缆不锈钢工装；
2)基层制备
①将混合溶液a加热至40℃-50℃，减少水份至溶液浊化；
②升温至70℃-80℃；
③将仿电缆不锈钢工装一端浸入浊化后的溶液，并连续地以10cm/min-12cm/min速度均匀移动至整根仿电缆不锈钢工装浸渍完毕；
3)压电层制备
①将2)中步骤③获得的浸渍后电缆静置3min-4min，然后将1)中步骤②获得的晶带沿与仿电缆不锈钢工装轴线平行的方向呈直线形粘贴在半固化的基层表面，待基层完全固化，即获得压电层与基层的复合结构；
4)功能层制备
①将1)中步骤①获得的混合粉末加入2)中步骤③浸渍完毕后剩余的浊化溶液内，并搅拌均匀，获得待用功能浊液；
②将待用功能浊液在室温下静置，至待用功能浊液呈粘稠糊状，获得功能层原胶；
③将功能层原胶以挤牙膏的方式呈直线状均匀地固化在压电层的晶带表面，保持晶带始终处于功能层原胶中部；
④待功能层原胶彻底干结后，采用机械方法对功能层原胶的两侧及顶部进行规则去除，最终获得宽3mm-4mm、厚1.5mm-1.8mm的功能层；
5)保护层制备
①将铝铬中间合金锭通过等离子体物理气相沉积方法定向固化到功能层表面，至厚度0.2mm-0.25mm；
②采用电抛光方法对物理气相沉积的铝铬合金层进行抛光及表面活化；
③采用微弧氧化设备，在500v-520v电压、0.02a/m3-0.03a/m3电流、20℃-25℃的工艺条件下对铝铬合金层进行微弧氧化处理，去除工装后即获得所需电缆外部压力检测用复合压电材料。
本发明在需要贴合在待测电缆表面使用时需用专用局部热融工具焊合在电缆表面，结合强度可达35mpa-40mpa。
与现有技术相比较，由于采用了上述技术方案，本发明具有以下优点：利用聚偏氟乙烯缓慢析出凝固的特性，先以较稀的聚偏氟乙烯涂抹在玻璃工装表面，这样获得的干结在玻璃工装表面的聚偏氟乙烯与工装间结合更紧，也更稳定；在表面未完全固化前嵌入抗高温耐疲劳的高敏感压电材料pb0.95cr0.02ca0.03[(ni1/3nb2/3)0.5·zr0.2·ti0.3]o3，一方面使整体成型的压电材料与基层的聚偏氟乙烯结合紧密并可获得仍具有流体性质的聚偏氟乙烯的有效补缩，结合力更好且更致密；之所以以石墨烯、改性pbtio3、pb(zr0.3ti0.7)o3固化在聚偏氟乙烯胶体里的结构为功能层，是由于改性pbtio3(对瞬时受力更为敏感)、pb(zr0.3ti0.7)o3(对热胀冷缩带来的表面张力长时间变化测量更加精确)本身压电性能优越但成型困难，同时居里温度较低，结合石墨烯共同固化在聚偏氟乙烯胶体内，是由于聚偏氟乙烯胶体本身也具有一定的压电性能，结合具有超高敏感的改性pbtio3和pb(zr0.3ti0.7)o3，在石墨烯的导热散热作用下在常温下使用时不易发生老外或过温失效，同时，石墨烯是现有已知材料中比强和韧性最好的材料，同时也是电的优良导体，因此在本发明中起到不影响导电性能的情况下提供足够的强度支撑及抗破损能力的作用，同时由于石墨烯的电学特性，可以明显减少紊流的发生，提升输电的质量，减少电涌，再然后由于其优良的磁学性能(特别是对高周波磁场具有极好适应性，同时能引导磁力线的方向)，可以在很大重度上规避散乱磁场对本发明电学性能的影响，同时使本发明的韧性和拉伸比大大提高，除此之外，石墨烯还有高导热的特点，可以提升本发明的散热性能，保持性能稳定。另一方面是由于采用了电抛光(去除金属的表面钝化层，并活化其表面，常规技术中用于去除钝化膜或去除锈蚀)使铝铬合金表面能大大增加，因此使微弧氧化层更致密，结合力更强；本发明并不是简单的多功能层机械叠加，这是在于本发明的五层各具功能的分层是以一种巧妙的方式有机结合并形成了一个功能稳定、量程精确的整体，具体原理为：基层的聚偏氟乙烯膜内集成有磺酰氨基附着力促进剂，这是在聚偏氟乙烯膜与电缆表面橡胶体间增粘的最佳粘合剂，但在本发明的工艺方法中，它并不会增加聚偏氟乙烯膜与玻璃工装的结合力，这就大大方便了生产，同时有它的存在，基层与压电层的晶体及与基层基材同源的功能层(同样以聚偏氟乙烯膜为基体)结合力均超过聚偏氟乙烯膜本身的自结合力，考虑到使用在电缆上时粘合面积很大，可以长时保持状态并避免脱落；由于电缆本身的热膨胀系数据是明显高于压电材料的，所以基层的聚偏氟乙烯膜还起到了至关重要的缓冲作用，克服了现有技术中的压电材料无法长距离用于电缆表面力测量的技术问题；但如果没有最外层的防护层，本发明也将和现有技术一样难心避免在高振动、高冲击的机械能环境内和饱含高能射线及氧气的大气环境内因开裂、老化而失效，保护层所采用的工艺都不会导致本发明的压电感应部分在生产中因升温或氧化而失效(定向等离子物理气相沉积发生在真空环境内，基体升温较小，微弧氧化发生在20℃-25℃水浴环境下，更不会发生材料变性等问题)，同时由于微弧氧化层本身极耐大气和盐雾腐蚀，又具有相当的强度及耐磨性，使得本发明普适性更好，也更坚固耐用；本发明的固有缺陷是，在需要贴合在待测电缆表面使用时需用专用局部热融工具焊合在电缆表面，与电缆间的结合强度约35mpa-40mpa。
具体实施方式
实施例1
一种电缆外部压力检测用复合压电材料，由以下重量份原材料制成：含溶质30的聚偏氟乙烯溶液、通过ca、co改性的抗振动pbtio3晶体5份、[pb(zr0.3ti0.7)o3]3份、石墨烯5份、磺酰氨基附着力促进剂1份、{pb0.95cr0.02ca0.03[(ni1/3nb2/3)0.5·zr0.2·ti0.3]o3}10份、铝铬中间合金锭15份。
一种制造电缆外部压力检测用复合压电材料的方法，包括以下步骤：
1)生产前准备
①将石墨烯、改性pbtio3、pb(zr0.3ti0.7)o3磨制为粒径10μm的粉末，并混合均匀，获得混合粉末；
②将pb0.95cr0.02ca0.03[(ni1/3nb2/3)0.5·zr0.2·ti0.3]o3制成厚度0.1mm、宽度1.2mm的晶带；
③将磺酰氨基附着力促进剂混入聚偏氟乙烯溶液中，获得混合溶液a；
④准备外径尺寸与电缆一致的仿电缆不锈钢工装；
2)基层制备
①将混合溶液a加热至40℃，减少水份至溶液浊化；
②升温至70℃；
③将仿电缆不锈钢工装一端浸入浊化后的溶液，并连续地以10cm/min速度均匀移动至整根仿电缆不锈钢工装浸渍完毕；
3)压电层制备
①将2)中步骤③获得的浸渍后电缆静置4min，然后将1)中步骤②获得的晶带沿与仿电缆不锈钢工装轴线平行的方向呈直线形粘贴在半固化的基层表面，待基层完全固化，即获得压电层与基层的复合结构；
4)功能层制备
①将1)中步骤①获得的混合粉末加入2)中步骤③浸渍完毕后剩余的浊化溶液内，并搅拌均匀，获得待用功能浊液；
②将待用功能浊液在室温下静置，至待用功能浊液呈粘稠糊状，获得功能层原胶；
③将功能层原胶以挤牙膏的方式呈直线状均匀地固化在压电层的晶带表面，保持晶带始终处于功能层原胶中部；
④待功能层原胶彻底干结后，采用机械方法对功能层原胶的两侧及顶部进行规则去除，最终获得宽4mm、厚1.5mm的功能层；
5)保护层制备
①将铝铬中间合金锭通过等离子体物理气相沉积方法定向固化到功能层表面，至厚度0.2mm；
②采用电抛光方法对物理气相沉积的铝铬合金层进行抛光及表面活化；
③采用微弧氧化设备，在500v电压、0.02a/m3电流、20℃的工艺条件下对铝铬合金层进行微弧氧化处理，去除工装后即获得所需电缆外部压力检测用复合压电材料。
实施例2
整体与实施例1一致，差异之处在于：
一种电缆外部压力检测用复合压电材料，由以下重量份原材料制成：含溶质35份的聚偏氟乙烯溶液、(改性pbtio3)3份、[pb(zr0.3ti0.7)o3]2份、石墨烯3份、磺酰氨基附着力促进剂0.5份、{pb0.95cr0.02ca0.03[(ni1/3nb2/3)0.5·zr0.2·ti0.3]o3}8份、铝铬中间合金锭10份。
一种制造电缆外部压力检测用复合压电材料的方法，包括以下步骤：
1)生产前准备
①将石墨烯、改性pbtio3、pb(zr0.3ti0.7)o3磨制为粒径20μm的粉末，并混合均匀，获得混合粉末；
②将pb0.95cr0.02ca0.03[(ni1/3nb2/3)0.5·zr0.2·ti0.3]o3制成厚度0.2mm、宽度1.0mm的晶带；
2)基层制备
①将混合溶液a加热至50℃，减少水份至溶液浊化；
②升温至80℃；
③将仿电缆不锈钢工装一端浸入浊化后的溶液，并连续地以12cm/min速度均匀移动至整根仿电缆不锈钢工装浸渍完毕；
3)压电层制备
①将2)中步骤③获得的浸渍后电缆静置3min，然后将1)中步骤②获得的晶带沿与仿电缆不锈钢工装轴线平行的方向呈直线形粘贴在半固化的基层表面，待基层完全固化，即获得压电层与基层的复合结构；
4)功能层制备
④待功能层原胶彻底干结后，采用机械方法对功能层原胶的两侧及顶部进行规则去除，最终获得宽3mm、厚1.8mm的功能层；
5)保护层制备
①将铝铬中间合金锭通过等离子体物理气相沉积方法定向固化到功能层表面，至厚度0.25mm；
③采用微弧氧化设备，在520v电压、0.03a/m3电流、25℃的工艺条件下对铝铬合金层进行微弧氧化处理，去除工装后即获得所需电缆外部压力检测用复合压电材料。
对所公开的实施例的上述说明，仅为了使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。