【正文】 山東科技大學(xué) 聚合物加工與改性技術(shù) 結(jié)課論文 通過(guò)注射成型制造壓電陶瓷 /聚合物復(fù)合材料 學(xué)號(hào)： 202101130718 班級(jí)： 高分子 111 姓名： 李先賀 外文出處： A. Safari and D. J. Waller, Fine Scale PZT Fiber/Polymer Composites” 附 件： ； 。 附件 1：外文資料翻譯譯文 通過(guò)注射成型制造壓電陶瓷 /聚合物復(fù)合材料 摘要 賓夕法尼亞州立大學(xué)材料研究室 的研究已經(jīng)證明通過(guò)使用 壓電陶瓷 /聚合物復(fù)合材料 可以改進(jìn)檢漏器 (水診器 )潛能。 作為美國(guó)海軍研究局的資助計(jì)劃 的一部分，旨在開(kāi)發(fā) 針對(duì)這些合成物且 具有成本效益 制造技術(shù)， 材料系統(tǒng) 正在尋求一種陶瓷制造方法的注射成型。本文簡(jiǎn)要概覽了陶瓷注射成型過(guò)程的關(guān)鍵細(xì)節(jié)，并且記敘了制造壓電陶瓷 /聚合物復(fù)合材料的步 驟及方法論。注射成型壓電陶瓷的設(shè)備和應(yīng)用程序都是區(qū)別于傳統(tǒng)的材料的加工。 緒論 壓電陶瓷 /聚合物復(fù)合材料 提供了設(shè)計(jì)的多功能性和性能優(yōu)勢(shì)，在遙感和驅(qū)動(dòng)應(yīng)用方面都超越單獨(dú)的陶瓷與聚合物的壓電材料。這些合成物已經(jīng)被開(kāi)始用于高解析度超聲醫(yī)學(xué)以及海軍的發(fā)展應(yīng)用。在過(guò)去的十三年里，許多復(fù)合的配置已經(jīng)按照一個(gè)實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模被構(gòu)造且評(píng)估。其中最成功的組合之一，被指定復(fù)合物的 紐納姆號(hào)，有一個(gè)三維連接陶瓷階段 (壓電纖維 )內(nèi)含三維連接有機(jī)聚合物的階段。檢漏器的性能系數(shù)可使得這個(gè)復(fù)合物超過(guò)那些通過(guò)適當(dāng)選擇階段特征和復(fù)合結(jié)構(gòu)的固體材料 10000 倍。 賓州州立大學(xué) 復(fù)合物的制備是通過(guò)在一個(gè)跳汰機(jī)和封裝環(huán)氧樹(shù)脂中手調(diào)擠壓壓電陶瓷棒，之后限制適當(dāng)?shù)暮穸炔O化陶瓷。除了這種材料所展示出的性能優(yōu)勢(shì)，賓州州立大學(xué) 的工作所凸顯的問(wèn)題涉及合成物的大規(guī)模制造或者甚至以原型為目的。這些是： (1)在通過(guò)聚合物封裝時(shí)大量的壓電陶瓷光纖的庫(kù)存和供給需求。 (2)在 極化過(guò)程 中發(fā)生率高的介電擊穿是起于在一個(gè)典型的大型陣列遇到一個(gè)或多個(gè)有缺陷的纖維的顯著概率。 在過(guò)去的五年里，為了提高制造行業(yè)的生存能力并降低材料成本已經(jīng)多次嘗試簡(jiǎn)化傳感器的組裝工藝。早期的嘗試包括將 壓電陶瓷的固體塊切割至理想的配置和聚合體階段的空缺回填。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被超聲醫(yī)學(xué)工業(yè)接受并用于制造高頻傳感器。最近，纖維材料公司已經(jīng)證明了其用于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的編織技術(shù)在裝配壓電材料方面的適應(yīng)性。另外的一項(xiàng)探索技術(shù)涉及復(fù)制多孔織物已經(jīng)有適當(dāng)?shù)倪B通性。 對(duì)于極其精密尺度的復(fù)合材料，纖維的直徑大約為 20 至 100 微米，長(zhǎng)寬比大于 5 以滿足裝置性能需要的目標(biāo)。因此，這些困難再加上額外的成型與處理龐大數(shù)量且無(wú)缺陷的極其精細(xì)的纖維的挑戰(zhàn)。最近，西門子公司的研究人員表明非常精密尺度的復(fù)合材料可以通過(guò)一種不定的模具技術(shù)來(lái)制造 。然而，這種方法需要為每一個(gè)部分制造一個(gè)新的模具。 本文介紹一種壓電復(fù)合加工的新方法，即 :陶瓷注射成型。陶瓷注射成型無(wú)論對(duì)海軍的壓電陶瓷 /聚合物復(fù)合材料或是對(duì)于極其加工規(guī)模的壓電復(fù)合材料 (如那些所需的高頻超聲醫(yī)療及無(wú)損評(píng)估 )都是一種具有成本效益的制造方法。注塑成型過(guò)程克服了通過(guò)網(wǎng)型預(yù)成型陶瓷纖維整列使裝配導(dǎo)向陶瓷纖維進(jìn)入復(fù)合材料傳感器的困難。除了這個(gè)優(yōu)勢(shì)，該方法使得比那些以前的設(shè)想具有更復(fù)雜陶瓷元素幾何的復(fù)合傳感器成為可能，以致產(chǎn)生了為提高聲阻抗匹配性的更高的設(shè)計(jì)柔性以及橫向模式的取消。 過(guò)程描述 注塑成型 被廣泛應(yīng)用于塑料行業(yè)作為一種較低成本、形狀復(fù)雜的迅速大規(guī)模生產(chǎn)。此種方法最適合應(yīng)用于陶瓷小截面形狀，例如線程導(dǎo)向，以及無(wú)需燒結(jié)至很高密度的大而復(fù)雜的形狀，如渦輪機(jī)的葉片鑄造插入。最近，這種方法已被研究用作生產(chǎn)熱發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪部件的技術(shù)。 如圖 1 所示，注塑成型方法已被用于壓電陶瓷的成型。通過(guò)將熱塑性塑料與陶瓷粉末的混合物有機(jī)結(jié)合并注入一個(gè)冷卻模具，復(fù)雜的形狀就能方便且快速的正常與塑料結(jié)合成型。預(yù)防例如像金屬接觸硬化的表面，盡量減少金屬?gòu)幕旌团c成型器械受到的污染。對(duì)于陶瓷，型腔必須無(wú)損拆除，迫使高的固體載荷，嚴(yán)格控 制型腔移除的過(guò)程，以及適當(dāng)?shù)膴A具。一旦型腔移除，隨后點(diǎn)火，極化并且環(huán)氧樹(shù)脂的封裝過(guò)程是和那些常規(guī)壓電陶瓷 /復(fù)合材料類似。因此，此方法在替代制造路線上提供了很大優(yōu)勢(shì)：復(fù)雜，能夠同時(shí)處理許多纖維的近似網(wǎng)狀；快速的生產(chǎn)能力 (通常是一部分幾秒 )；統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制的兼 容性；材料的低浪費(fèi)；有關(guān)傳感器設(shè)計(jì)的柔性 (允許 PZT 中元素空間和形狀的變化 )；以及在中量至大量之間的低成本。一般來(lái)說(shuō)，由于最初加工的高成本，陶瓷注射成型的方法是最適用于復(fù)雜形狀的構(gòu)成，需要低 成本大批量。 圖 1 注射成型過(guò)程流程 圖 2 制作合成物的預(yù)成型方法 合成物的制造及評(píng)價(jià) 制造 13 壓電復(fù)合材料的方法如圖 2a 所示，這闡述了使用一個(gè)完整的陶瓷 胚型到纖維定位作用的壓電陶瓷預(yù)先成型的概念。在聚合物封裝后采用磨削去除陶瓷胚。除了簡(jiǎn)化許多纖維的處理，這種預(yù)先成型的方法允許廣泛地選擇壓電陶瓷元素幾何元素范圍，以使其性能最優(yōu)化。工具的設(shè)計(jì)是取得注塑壓電復(fù)合材料成功的重要因素。如圖 2b 所示的方法使用了無(wú)需導(dǎo)致額外重組成本的嵌入式的并允許局部變化的設(shè)計(jì)。圖 2c 所示如何配置個(gè)別的預(yù) 加工的成品以形成大批生產(chǎn) 在實(shí)踐中，材料和成型參數(shù)必須最優(yōu)化并成型工具的設(shè)計(jì)相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)在成型后完整的脫模。關(guān)鍵的參數(shù)包括：壓電陶瓷 /裝夾工具之比，壓電元件的直徑和錐度，壓電陶瓷基本軸向厚度，工具表面的磨光，以及成型零件的脫模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。為了評(píng)估這些工藝參數(shù)而不承擔(dān)過(guò)多的工藝成本，一種工具的設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟捎弥挥袃膳诺母髯?19 個(gè)壓電陶瓷要素。每一行的要素都包括三個(gè)錐角 (0， 1 和 2 度 )以及兩個(gè)直徑 ( 和 1mm)。為了容許成型收縮，預(yù)加工的工件尺寸維持在50mmX50mm，以盡量減少在制模周期中的冷卻 部分折斷外層纖維的可能性。 圖 3 所示的綠色陶瓷瓶坯的制造使用這種工具配置。請(qǐng)注意，所有壓電陶瓷在成型后的完整的脫模，包括那些沒(méi)有縱向尖端不方便的脫模?？諝庵械木徛訜嵋呀?jīng)被發(fā)現(xiàn)是一個(gè)適合去除有機(jī)粘合劑的方法。最后，燒壞的粘合劑被燒結(jié)在一個(gè)理論值在 9798%的富含氧化鉛的氣體中。在燒結(jié)這些合成物型坯時(shí)沒(méi)有遇到任何控制重量減輕的問(wèn)題，甚至是那些用于高頻超聲的高尺寸精度，高表面質(zhì)量的型坯。 圖 3 注射成型 13 預(yù)成型合成物 圖 4 電子顯微鏡掃描 PZT表面 圖 4 說(shuō)明 了表面為壓模和作為燒結(jié)的纖維，顯示出大約 10um 寬的存在的淺的折線，這是在注射成型過(guò)程中特有的。那個(gè)沿其長(zhǎng)度方向顯現(xiàn)出微小孔型設(shè)計(jì)的纖維取決于從工具中的脫模過(guò)程。圖 5 所示近似網(wǎng)狀的成型方式用于制造非常精細(xì)尺度的型坯的能力；所示壓電元件的尺寸只有 30um。由作為這些燒結(jié)的表面指出，壓電陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)是密集且均勻的，由直徑為 23um 的細(xì)碎的等軸晶體構(gòu)成。 圖 5 由近似網(wǎng)狀的成型的精密尺度的合成物 為了示范上述合成物制造的方法，注射成型和燒結(jié)的纖維行在用于成型合成物型坯的壓電陶瓷被 磨光之后，大約總體 10%的 5H*壓電陶瓷合成物以及環(huán)氧樹(shù)脂Spurrs 在制造時(shí)通過(guò)環(huán)氧成對(duì)封裝。圖 6 所示復(fù)合材料樣品使用剛才復(fù)合的壓電陶瓷 /粘結(jié)劑混合物以及再生材料制造。回收復(fù)合物和成型的材料似乎是完全可行的，并且結(jié)果大大提高材料的利用率。 表 1 比較了使用粉末制造商準(zhǔn)