1.本技术属于航空发动机传感器领域，特别涉及一种高硬度耐磨压电传感器及其制备方法。
背景技术：
2.压电材料是目前应用非常广泛的半导体材料。其原理是如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差，反之施加电压，则产生机械应力。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号。这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。目前压电材料分为压电晶体和压电陶瓷，压电晶体一般是指压电单晶体；压电陶瓷则泛指压电多晶体。压电陶瓷采用烧结方法制备，由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。常见的压电陶瓷如钛酸钡、锆钛酸铅和铌酸铅钡锂等。这类材料的研制成功，促进了声换能器，压电传感器的各种压电器件性能的改善和提高。
3.压电陶瓷压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状，但机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差，因而适合于大功率换能器和宽带滤波器等应用，但对高频、高稳定应用不理想。石英等压电单晶压电性弱，介电常数很低，受切型限制存在尺寸局限，但稳定性很高，机械品质因子高，多用来作标准频率控制的振子、高选择性的滤波器以及高频、高温超声换能器等。压电薄膜材料是将压电材料做成薄膜制备到别的材料表面而形成的压电材料。其具有取向容易控制，厚度均匀等特点。在声表面波期间，压力传感等方面获得了大量的应用。但由于压电材料的制备一般采用陶瓷靶进行射频溅射或者金属靶进行反应溅射，沉积速度慢，结合力差。不利于在各种金属基体材料表面进行高度择优取向的涂层的制备。因此新型压电陶瓷涂层制备技术及材料的开发具有重要价值。
4.因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
技术实现要素：
5.本技术的目的是提供了一种高硬度耐磨压电传感器及其制备方法，以解决现有技术存在的至少一个问题。
6.本技术的技术方案是：
7.本技术的第一个方面提供了一种高硬度耐磨压电传感器，包括：
8.基体，所述基体上依次沉积有cr结合层、crn金属陶瓷过渡层、crn/znn纳米多层共混层、crn/zno多层压电功能层。
9.在本技术的至少一个实施例中，所述基体上涂层总厚度为1.73～14.250微米。
10.在本技术的至少一个实施例中，所述cr结合层的厚度为10～100纳米。
11.在本技术的至少一个实施例中，所述crn金属陶瓷过渡层的厚度为200～800纳米。
12.在本技术的至少一个实施例中，所述crn/znn纳米多层共混层包括交替布置的crn层以及znn层，所述crn/znn纳米多层共混层的总厚度为600～3000纳米，所述crn层的单层
厚度为4～20纳米，所述znn层的单层厚度为2～10纳米。
13.在本技术的至少一个实施例中，所述crn/zno多层压电功能层包括交替布置的crn层以及zno层，所述crn层的单层厚度为20～50纳米，所述zno层的单层厚度为500～2000纳米。
14.本技术的第二个方面提供了一种高硬度耐磨压电传感器制备方法，用于制备如上所述的高硬度耐磨压电传感器，包括：
15.将基体安装在高硬度耐磨压电传感器制备工装中；
16.在300～500℃、氩气和氢气环境中，对基体进行等离子刻蚀；
17.刻蚀结束后，在0.05～0.1pa、600～800v条件下，对基体进行离子轰击；
18.轰击结束后，在0.5～1pa、50～150v条件下，在基体上沉积10～100纳米厚度的cr结合层；
19.在1～2pa、100～150v条件下，在cr结合层上沉积200～800纳米厚度的crn金属陶瓷过渡层；
20.在2～5pa、50～150v条件下，在crn金属陶瓷过渡层上沉积600～3000纳米厚度的crn/znn纳米多层共混层，其中，crn层的单层厚度为4～20纳米，znn层的单层厚度为2～10纳米，调制周期为6～30纳米；
21.在2～5pa、50～150v条件下，在crn/znn纳米多层共混层上沉积crn/zno多层压电功能层，其中，crn层的单层厚度为20～50纳米，zno层的单层厚度为500～2000纳米，将涂层总厚度控制在1.73～14.250微米；
22.涂层沉积结束后自然冷却。
23.在本技术的至少一个实施例中，所述高硬度耐磨压电传感器制备工装包括：
24.真空室，所述真空室侧壁上设置有抽气口；
25.加热器，所述加热器布置在所述真空室内部；
26.热电偶，所述热电偶布置在所述真空室内部；
27.电弧靶，所述电弧靶包括刻蚀cr靶、镀膜cr靶以及镀膜zn靶，分别安装在所述真空室侧壁上；
28.工件架，所述工件架布置在所述真空室内部，所述工件架用于所述基体的安装。
29.在本技术的至少一个实施例中，所述真空室呈正方体形，尺寸为600
×
600
×
600mm。
30.在本技术的至少一个实施例中，所述加热器包括四组，分别设置在所述真空室内部的四个角处，各个所述加热器的加热功率均为10～30千瓦。
31.发明至少存在以下有益技术效果：
32.本技术的高硬度耐磨压电传感器，涂层结构采用梯度结构，可以大幅度降低压电涂层的内应力，避免其产生剥落，采用crn作为复合对象，其和各类钢的基体都具有良好的附着力，可以在各类钢材上获得良好的附着效果。
附图说明
33.图1是本技术一个实施方式的高硬度耐磨压电传感器示意图；
34.图2是本技术一个实施方式的高硬度耐磨压电传感器制备工装示意图。
35.其中：
36.1-基体；2-cr结合层；3-crn金属陶瓷过渡层；4-crn/znn纳米多层共混层；5-crn/zno多层压电功能层；6-刻蚀cr靶；7-加热器；8-镀膜zn靶；9-抽气口；10-镀膜cr靶；11-工件架；12-热电偶。
具体实施方式
37.为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。下面结合附图对本技术的实施例进行详细说明。
38.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术保护范围的限制。
39.下面结合附图1至图2对本技术做进一步详细说明。
40.本技术的第一个方面提供了一种高硬度耐磨压电传感器，如图1所示，包括：基体1，以及在基体1上依次沉积的cr结合层2、crn金属陶瓷过渡层3、crn/znn纳米多层共混层4、crn/zno多层压电功能层5。
41.本技术的高硬度耐磨压电传感器，压电涂层采用梯度层结构，由结合层、过渡层、交替多层共混层、多层压电功能层构成。结合层为纯金属cr层，过渡层为crn过渡金属陶瓷层，交替多层共混层作为支撑层，为crn/znn多层膜结构，多层压电功能层为由crn/zno压电复合涂层材料所构成的多层结构。
42.在本技术的优选实施方式中，涂层厚度参数根据以下方式设置：基体1上沉积的涂层总厚度优选为1.73～14.250微米。其中，cr结合层2的厚度优选为10～100纳米；crn金属陶瓷过渡层3的厚度优选为200～800纳米；crn/znn纳米多层共混层4包括交替布置的crn层以及znn层，crn/znn纳米多层共混层4的总厚度优选为600～3000纳米，crn层的单层厚度优选为4～20纳米，znn层的单层厚度优选为2～10纳米；crn/zno多层压电功能层5包括交替布置的crn层以及zno层，crn层的单层厚度优选为20～50纳米，zno层的单层厚度优选为500～2000纳米，crn/zno多层压电功能层5的厚度基于涂层总厚度实现控制。
43.基于上述的高硬度耐磨压电传感器，本技术的第二个方面提供了一种高硬度耐磨压电传感器制备方法，包括：
44.将基体1安装在高硬度耐磨压电传感器制备工装中；
45.在300～500℃、氩气和氢气环境中，对基体1进行等离子刻蚀；
46.刻蚀结束后，在0.05～0.1pa、600～800v条件下，对基体1进行离子轰击；
47.轰击结束后，在0.5～1pa、50～150v条件下，在基体1上沉积10～100纳米厚度的cr
结合层2；
48.在1～2pa、100～150v条件下，在cr结合层2上沉积200～800纳米厚度的crn金属陶瓷过渡层3；
49.在2～5pa、50～150v条件下，在crn金属陶瓷过渡层3上沉积600～3000纳米厚度的crn/znn纳米多层共混层4，其中，crn层的单层厚度为4～20纳米，znn层的单层厚度为2～10纳米，调制周期为6～30纳米；
50.在2～5pa、50～150v条件下，在crn/znn纳米多层共混层4上沉积crn/zno多层压电功能层5，其中，crn层的单层厚度为20～50纳米，zno层的单层厚度为500～2000纳米，将涂层总厚度控制在1.73～14.250微米；
51.涂层沉积结束后自然冷却。
52.在本技术的优选实施方式中，如图2所示，高硬度耐磨压电传感器制备工装包括：真空室、多个加热器7、热电偶12、三个电弧靶，多个工件架11。具体的，真空室由炉壁围成，真空室侧壁上设置有抽气口9，抽真空机组通过抽气口9对真空室进行抽真空；加热器7以及热电偶12布置在真空室内部；三个电弧靶分别包括刻蚀cr靶6、镀膜cr靶10以及镀膜zn靶8，分别安装在真空室侧壁上；工件架11布置在真空室内部，工件架11用于基体1的安装。该布局使真空室中等离子体密度大幅度增加，工件完全浸没在等离子体中。使涂层沉积速率、硬度、附着力得到较大的提高。由于对靶结构进行了优化，磁场分布更均匀，使电弧在靶面上均匀燃烧，提高了涂层的均匀性。
53.在本技术的优选实施方式中，真空室呈正方体形，尺寸为600
×
600
×
600mm。本实施例中，加热器7包括四组，分别设置在真空室内部的四个角处，各个加热器7的加热功率均为10～30千瓦，提高加热效率。
54.本技术的高硬度耐磨压电传感器制备方法，为了克服磁控溅射技术的缺点，利用电弧离子镀的高离化率来制备zno压电复合涂层，同时为了降低zno层的应力，将其与crn层进行复合。为了提高涂层和基体1的结合力，该制备方法中，首先利用弧光放电离子源产生氩离子和氢离子的复合等离子体清洗基体表面，等离子刻蚀的目的是去除表面的氧化物和吸附的气体。该过程对于提高涂层的附着力效果比较明显，如果基体1表面存在氧化物，那涂层和基体1的附着力一般较差。等离子刻蚀清洗一般在50～150v的负偏压条件下进行，清洗时间可以在30～60范围内选取。一般电压从低到高逐步增加，避免一次加到位时引起打火。在等离子刻蚀清洗结束后，基体1材料表面比较清洁，达到涂层的要求。随后在0.05～0.1pa、600～800v条件下，采用电弧离子镀技术从刻蚀cr靶6上将cr金属经过高温蒸发朝基体表面运动，当cr离子运动到基体1材料附近时，在基体1表面负电压的吸引下，高速运动到基体1表面，对表面进行轰击，可以进一步清除等离子刻蚀过程未完全清除的氧化物。轰击过程会产生高温，cr金属会和基体1形成扩散层，为后续涂层提供良好的结合界面。随后降低偏压，在压铸模上沉积cr结合层2。然后通入氮气与cr反应生成crn金属陶瓷过渡层3。在crn层的基础上，逐步开启镀膜zn靶8生成crn/znn纳米多层共混层4。将两者结合的目的主要是考虑到直接从crn层过渡到zno层会形成非共格的界面，结合力较差。而crn和znn都为氮化物，两者形成多层膜应力较小，作为过渡层将在crn和zno之间形成一个缓冲，有利于后续zno的制备。在crn/znn纳米多层共混层4沉积结束后，关闭氮气，关闭镀膜cr靶10，通入氧气，则可以进行zno层的制备。如果zno涂层厚度过厚，往往容易引起涂层剥落。为此当zno层
制备一定厚度后，关闭氧气，通入氮气和打开镀膜cr靶10，则可以进行crn层的制备。上述过程不断重复，则可以获得多层的crn/zno多层压电功能层5，最后进行自然冷却，完成整个制备过程。
55.本技术的高硬度耐磨压电传感器及其制备方法，将硬质crn材料和压电材料zno结合起来，使压电材料zno具有比常规压电涂层更好的韧性和耐磨性能；充分利用纳米多层复合，梯度复合涂层技术，形成结构和成分渐变，涂层和基体为冶金结合，具有良好的附着力；与常规压电材料zno相比，采用多层结构技术抑制了柱状晶的生长，提高涂层zno的致密度，这不但提高了涂层的耐磨性能，同时耐腐蚀性能也大幅度提高；将crn/znn纳米多层共混层4作为涂层crn和涂层zno之间的过渡，使表层的复合压电涂层crn/zno和底部的crn具有较好的结合性能。将电弧离子镀技术用到涂层zno的制备中，不但沉积速率快，同时其结晶和结合性能更好，将会大幅度提高压电涂层材料zno在各种不同材料上的适应性，扩展了其应用领域。
56.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。