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(fù)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(dāng)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(dòng)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(dòng)粘結(jié)到結(jié)構(gòu)。這種手動(dòng)安裝會(huì)增加勞動(dòng)力和安裝成本，并且這種粘結(jié)劑會(huì)隨時(shí)間老化并且會(huì)導(dǎo)致傳感器脫離結(jié)構(gòu)。此外，這些公知傳感器可以由堅(jiān)硬的平面和/或脆性材料制成，而這會(huì)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(dòng)力和通信配線的量會(huì)增加結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和重量。

此外，公知傳感器系統(tǒng)和方法，例如微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和方法，會(huì)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(huì)受限于PZT傳感器的物理幾何形狀。這種物理幾何限制會(huì)導(dǎo)致不足的感測能力或者不足的致動(dòng)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(huì)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(jìn)行。

此外，這樣的公知MEMS系統(tǒng)和方法還會(huì)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(dǎo)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(dǎo)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(huì)需要高溫?zé)Y(jié)/結(jié)晶過程，而這會(huì)導(dǎo)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

滿足了對于一種改進(jìn)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(shí)施例可以提供優(yōu)于已有系統(tǒng)和方法的顯著優(yōu)點(diǎn)。

在本公開的實(shí)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(xué)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(shí)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(xué)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(jìn)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(shí)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(diǎn)能夠在本公開的各種實(shí)施例中單獨(dú)地實(shí)現(xiàn)或者在另一些實(shí)施例中組合，參考下述說明和附圖能夠看出其的進(jìn)一步細(xì)節(jié)。

附圖說明

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(shí)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(gè)實(shí)施例的示例性飛行器的立體圖；

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(gè)實(shí)施例的橫截面圖；

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(gè)實(shí)施例的橫截面圖；

圖4示出了被沉積在復(fù)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(gè)實(shí)施例的俯視立體圖；

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(gè)實(shí)施例的框圖；

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)備的示意圖；

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；

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(gè)實(shí)施例的示意圖；

圖8示出了本公開的方法實(shí)施例的流程圖；

圖9示出了本公開的方法的另一實(shí)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(shí)施例的框圖。

具體實(shí)施方式

之后將參考附圖更全面地描述所公開的實(shí)施例，附圖中僅示出所公開實(shí)施例的一些而不是全部。實(shí)際上，提供幾個(gè)不同的實(shí)施例，并且它們不應(yīng)被看作是被限制為這里提出的實(shí)施例。而是，這些實(shí)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(dāng)前最佳的實(shí)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(shí)施例可以用于該飛行器10，其中該結(jié)構(gòu)30例如是復(fù)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(xué)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(dāng)變形時(shí)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(dāng)施加外部電場時(shí)其物理變形，這對于致動(dòng)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(shí)其能夠反轉(zhuǎn)。

飛行器10包括機(jī)身12、機(jī)頭14、駕駛艙16、操作地聯(lián)接到機(jī)身12的機(jī)翼18、一個(gè)或更多個(gè)推進(jìn)單元20、尾部豎直穩(wěn)定器22以及一個(gè)或更多個(gè)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(jī)，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(shí)施例的教導(dǎo)可以應(yīng)用于其他客機(jī)、貨機(jī)、軍用飛行器、旋翼機(jī)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(shí)施例可以用于其他交通工具，例如船舶和其他水上飛機(jī)、火車、機(jī)動(dòng)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(shí)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(dòng)器械、消費(fèi)電子裝置、震動(dòng)器械、無源和有源阻尼器或者其他適當(dāng)結(jié)構(gòu)。

在本公開的實(shí)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(gè)實(shí)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110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1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1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(dǎo)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?yàn)檫m當(dāng)?shù)目v橫比會(huì)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(jìn)劑108(見圖5)以用于促進(jìn)PZT納米粒子墨水104與基體101的粘結(jié)?？商娲兀琍ZT納米粒子墨水104還可以包括聚合物基粘結(jié)促進(jìn)劑，例如環(huán)氧樹脂或者其他適當(dāng)聚合物基粘結(jié)促進(jìn)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(jìn)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110優(yōu)選地具有基于超聲波傳播和機(jī)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(shí)專利申請序列號13/211,554(其代理序列號為UWOTL-1-37259)，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。

具體地，在這個(gè)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：

在所提供的方法中，至少通過礦化劑濃度、處理時(shí)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(gè)PZT納米粒子(這里也被稱為“納米晶體”)的方法。在一個(gè)實(shí)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℃/min(攝氏度每分鐘)和大約30℃/min之間，并且其中所述第一溫度是在大約120℃和大約350℃之間；(ii)在第一溫度保持第一保持時(shí)間，其中所述第一保持時(shí)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(gè)鈣鈦礦PZT納米粒子，其具有在大約20nm(納米)和大約1000nm之間的最小尺寸，其中所述第二速率在大約1℃/min和大約30℃/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(shí)地在單個(gè)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(xué)式Pb_xZi_yTi_zO₃的PZT納米粒子，其中x在0.8和2之間，其中y在0.4和0.6之間，并且其中y加上z等于1。例如，鈣鈦礦PZT納米粒子的常見化學(xué)式是Pb(Zr_0.52Ti_0.48)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(gè)實(shí)施例中，鈦源可以是Ti[OCH(CH₃)₂]₄。附加鈦源可以包括TiO₂、TiO₂*nH₂O、Ti(OC₄H₉)、Ti(NO₃)₂、TiCl₃、TiCl₄。

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(gè)實(shí)施例中，鋯源可以是Zr[O(CH₂)₂CH₃]₄。附加鋯源可以包括Zr(NO₃)₄*5H₂O、ZrOCl₂*8H₂O、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(gè)實(shí)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、PbO₂。

在某些實(shí)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1的比例的量。過量的鉛是用于對PZT納米粒子的特性施加進(jìn)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(shí)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(huì)導(dǎo)致三水合醋酸鉛與鋯源和鈦源相比的比例大于1的任意量的三水合醋酸鉛均被認(rèn)為是過量的鉛。在某些實(shí)施例中，過量的鉛來自于第二種不同的鉛源。

過量的鉛不會(huì)改變PZT納米粒子的化學(xué)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(huì)改變PZT納米粒子的基本晶體結(jié)構(gòu)，但是其會(huì)改進(jìn)形態(tài)、減少無定形副產(chǎn)品并且減少粒子間的團(tuán)聚程度。

過量鉛的一種不太期望的影響是其還會(huì)導(dǎo)致形成是雜質(zhì)的鉛氧化合物。不過，能夠通過使用適當(dāng)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KOH、NaOH、LiOH、NH₄OH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0.2M至大約15M。如果礦化劑是固體，例如KOH，則DI水被首先添加到Zr、Ti、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10M 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?xiàng)l件相同的話，則5M礦化劑會(huì)導(dǎo)致形成比10M礦化劑所形成的納米粒子更小的納米粒子。

在某些實(shí)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(gè)實(shí)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(shí)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(jī)溶劑的混合物或者弱有機(jī)酸，例如乙二胺、CH₂Cl₂、銨鹽、醋酸或其他適當(dāng)替代物。

在一示例性實(shí)施例中，前驅(qū)體溶液包括作為礦化劑的KOH、作為鈦源的異丙醇鈦、作為鋯源的n-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、n-丙醇鋯和異丙醇鈦所具有的重量比可以是從大約1至大約2份的三水合醋酸鉛、從大約0.5份至大約1份的n-丙醇鋯以及從大約0.8至大約1.6份的異丙醇鈦。KOH礦化劑溶液是從大約0.2至大約15M。

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1atm(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(shí)施例中，加熱方案期間施加的壓力/壓強(qiáng)是從大約1atm至大約20atm。在示例性實(shí)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(jìn)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(shí)現(xiàn)恒定壓力。

在一個(gè)實(shí)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1℃/min(攝氏度每分鐘)和大約30℃/min之間，并且其中所述第一溫度是在大約120℃和大約350℃之間；(ii)在第一溫度保持第一保持時(shí)間，其中所述第一保持時(shí)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(gè)鈣鈦礦PZT納米粒子，其具有在大約20nm(納米)和大約1000nm之間的最小尺寸，其中所述第二速率在大約1℃/min和大約30℃/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(T_RT)升高到最大水熱處理溫度(T_max)。第一速率是從大約1℃/min到大約30℃/min。

處理溫度(“第一溫度”；T_max)是在大約120℃(攝氏度)和大約350℃之間。在某些實(shí)施例中，第一溫度是200℃或更低。雖然這里主要描述的加熱方案包括加熱溶液所實(shí)現(xiàn)的單個(gè)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(zhǔn)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T_RT被加熱到T_max，存在中間溫度T_nuc，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T_max，并且在低于T_max的溫度成核的任意晶體與在成T_max核的PZT晶體相比以更大的聚積和/或更高度地團(tuán)聚而生成得更大。

慢的溫變速率導(dǎo)致前驅(qū)體溶液在T_nuc和T_max之間花費(fèi)更大量的時(shí)間。因此，慢的溫變速率導(dǎo)致在低于T_max的溫度更多的PZT晶體成核，從而導(dǎo)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1℃/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T_nuc和T_max之間的溫度范圍而導(dǎo)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℃/min或更大的溫變速率。在某些實(shí)施例中，高的溫變速率是20℃/min或更大的溫變速率。

因?yàn)樯鲜鰟?dòng)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(shí)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(shí)間導(dǎo)致更大的晶體。保持時(shí)間優(yōu)選地允許晶體生長。如果保持時(shí)間過短，則最終產(chǎn)物將不會(huì)具有PZT成分。

在保持步驟之后，加熱方案進(jìn)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1℃/min至大約30℃/min。冷卻速率影響PZT納米粒子的多個(gè)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℃每分鐘的冷卻速率導(dǎo)致PZT納米粒子在100nm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(dǎo)致PZT納米粒子物理粘結(jié)而不是化學(xué)粘結(jié)。物理粘結(jié)的PZT納米粒子相對于那些化學(xué)粘結(jié)的而言是優(yōu)選的，因?yàn)榕c化學(xué)粘結(jié)的納米粒子的分離相比可以更容易地實(shí)現(xiàn)對物理粘結(jié)的納米粒子的分離(例如通過機(jī)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?yàn)镻bTiO₃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(shí)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(shí)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(xué)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)非鈣鈦礦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(shí)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(shí)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(dāng)溶液過飽和時(shí)允許成核和晶體生長，并且當(dāng)濃度達(dá)到平衡時(shí)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(dāng)?shù)诙俾瘦^低時(shí)，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(huì)促進(jìn)隨著晶體生長而發(fā)生二次成核。當(dāng)濃度較高時(shí)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(huì)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(shí)間實(shí)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?yàn)槿绻V化劑濃度改變則所需處理時(shí)間會(huì)不同。例如，如果使用5M礦化劑，則處理時(shí)間能夠短至一個(gè)(1)小時(shí)，而對于2M礦化劑，所需處理時(shí)間是三個(gè)(3)小時(shí)。如果礦化劑濃度低于0.4M，則不管處理時(shí)間如何均不會(huì)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(gè)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PbTiO₃、PbZrO₃、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。可以使用醋酸來清洗過量鉛的試樣。

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?yàn)镻ZT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(shí)不需要高溫?zé)Y(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(shí)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(dāng)壓印設(shè)備或者其他適當(dāng)?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(dāng)絲網(wǎng)印制過程、凹版印制過程189或其他適當(dāng)壓印或者其他適當(dāng)?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(fù)合材料、金屬材料、復(fù)合材料和金屬材料的組合或者其他適當(dāng)材料。如圖2所示，基體101可以包括復(fù)合結(jié)構(gòu)102。復(fù)合結(jié)構(gòu)102可以包括復(fù)合材料，例如聚合復(fù)合物、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)聚合物、碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)、玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GRP)、熱塑性復(fù)合物、熱固性復(fù)合物、環(huán)氧樹脂復(fù)合物、形狀記憶聚合復(fù)合物、陶瓷基質(zhì)復(fù)合物或其他適當(dāng)復(fù)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(dāng)金屬或金屬合金。基體101還可以包括其他適當(dāng)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(gè)實(shí)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被示于圖6A，其示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(jī)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(dá)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(gè)或更多個(gè)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(biāo)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(shí)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(gè)實(shí)施例的橫截面圖，該組件116被沉積在包括復(fù)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(dòng)器141(見圖4)的動(dòng)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(dòng)力和通信電線組件140優(yōu)選地由導(dǎo)電墨水168(見圖4)形成，該導(dǎo)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(dòng)器141(見圖4)的動(dòng)力和通信電線組件140可以包括第一導(dǎo)電電極114、第二導(dǎo)電電極118、第一導(dǎo)電示蹤電線112a和第二導(dǎo)電示蹤電線112b。第一導(dǎo)電電極114、第二導(dǎo)電電極118、第一導(dǎo)電示蹤電線112a和第二導(dǎo)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(shí)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(dòng)器141(見圖4)的動(dòng)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(dòng)力和通信電線組件140優(yōu)選地由導(dǎo)電墨水168(見圖4)形成，該導(dǎo)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(dòng)器141的動(dòng)力和通信電線組件140可以包括第一導(dǎo)電電極114、第二導(dǎo)電電極118、第一導(dǎo)電示蹤電線112a和第二導(dǎo)電示蹤電線112b。第一導(dǎo)電電極114、第二導(dǎo)電電極118、第一導(dǎo)電示蹤電線112a和第二導(dǎo)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(dòng)力和通信電線組件140的PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110之間的絕緣層134。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(dāng)絕緣材料。

圖4是被沉積在復(fù)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(gè)動(dòng)力和通信電線組件140的多個(gè)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(fù)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(gè)動(dòng)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(gè)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110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(gè)實(shí)施例的框圖。兩個(gè)或更多個(gè)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(fù)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(dāng)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(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)健康數(shù)據(jù)174或機(jī)電特性或會(huì)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(fù)合材料結(jié)構(gòu)102一同使用的話，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)132一同使用的話，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(qiáng)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(dòng)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(dòng)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(dāng)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?jǐn)?shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)179可以是無線的。數(shù)字?jǐn)?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(jì)算機(jī)處理器(未示出)處理。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)179可以是無線的。

在本公開的實(shí)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(shí)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1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(jìn)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(jìn)劑108(見圖5)。PZT納米粒子墨水104通過上述詳細(xì)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(dāng)絲網(wǎng)印制過程、凹版印制過程189或其他適當(dāng)壓印或者其他適當(dāng)?shù)闹睂懹≈七^程。

基體101優(yōu)選地包括復(fù)合材料、金屬材料、復(fù)合材料和金屬材料的組合或者其他適當(dāng)材料?；w101優(yōu)選地包括第一表面103a和第二表面103b。基體101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(dòng)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(dǎo)電墨水168形成。兩個(gè)或更多個(gè)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(shí)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(shí)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(jìn)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(dāng)絲網(wǎng)印制過程、凹版印制過程189或其他適當(dāng)壓印或者其他適當(dāng)?shù)闹睂懹≈七^程124。

基體101優(yōu)選地包括復(fù)合材料、金屬材料、復(fù)合材料和金屬材料的組合或者其他適當(dāng)材料?；w101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(dòng)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(dǎo)電墨水168形成。兩個(gè)或更多個(gè)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(jī)、水上飛機(jī)、船舶、火車、汽車、卡車、公交車、建筑結(jié)構(gòu)、渦輪葉片、醫(yī)用裝置、電子致動(dòng)器械、消費(fèi)電子裝置、震動(dòng)器械、無源和有源阻尼器或者其他適當(dāng)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(fēng)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(dòng)器械、消費(fèi)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(shí)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(fù)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(dāng)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(tái)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(huì)影響能夠減小成本的新穎且有效的設(shè)計(jì)。

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(shí)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(shí)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(shí)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?yàn)樗鼈儾恍枰辰Y(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(shí)施例提供如下PZT納米粒子墨水基壓電傳感器110，即該P(yáng)ZT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?yàn)樵赑ZT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(jìn)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(shí)施例提供不需要手動(dòng)放置或安置到基體或結(jié)構(gòu)上并且可以與所有所需動(dòng)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(dòng)力和安置成本并且降低了結(jié)構(gòu)的復(fù)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?zé)Y(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(dòng)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(shí)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(shí)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(hù)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(shí)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(jìn)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(jìn)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(gè)變型中，基體101包括選自包括如下材料的組中的材料：復(fù)合材料、金屬材料以及復(fù)合材料和金屬材料的組合。在一個(gè)替代性實(shí)施方式中，基體101具有彎曲或非平面表面138。在又一個(gè)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(shí)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(shí)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(fù)合材料、金屬材料以及復(fù)合材料和金屬材料的組合。在又一個(gè)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(shí)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(jìn)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(shí)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(shí)施例，其具有上述說明和附圖中所教導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)。這里公開的實(shí)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。