【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯外文出處： 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注射成型制造壓電陶瓷/聚合物復(fù)合材料Leslie J. Bowen 和 Kenneth W. French原料系統(tǒng)(有限)公司摩洛哥康考德希爾克雷斯特大道53號, 郵編01742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。作為美國海軍研究局的資助計(jì)劃的一部分，旨在開發(fā)針對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。本文簡要概覽了陶瓷注射成型過程的關(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，在遙感和驅(qū)動應(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。在過去的十三年里，許多復(fù)合的配置已經(jīng)按照一個實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模被構(gòu)造且評估。其中最成功的組合之一，被指定復(fù)合物的紐納姆號，有一個三維連接陶瓷階段(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)可使得這個復(fù)合物超過那些通過適當(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)合物的制備是通過在一個跳汰機(jī)和封裝環(huán)氧樹脂中手調(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，賓州州立大學(xué)的工作所凸顯的問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)在通過聚合物封裝時大量的壓電陶瓷光纖的庫存和供給需求。(2)在極化過程中發(fā)生率高的介電擊穿是起于在一個典型的大型陣列遇到一個或多個有缺陷的纖維的顯著概率。在過去的五年里，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)合材料可以通過一種不定的模具技術(shù)來制造。然而，這種方法需要為每一個部分制造一個新的模具。本文介紹一種壓電復(fù)合加工的新方法，即:陶瓷注射成型。陶瓷注射成型無論對海軍的壓電陶瓷/聚合物復(fù)合材料或是對于極其加工規(guī)模的壓電復(fù)合材料(如那些所需的高頻超聲醫(yī)療及無損評估)都是一種具有成本效益的制造方法。注塑成型過程克服了通過網(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。除了這個優(yōu)勢，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，盡量減少金屬從混和與成型器械受到的污染。對于陶瓷，型腔必須無損拆除，迫使高的固體載荷，嚴(yán)格控制型腔移除的過程，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)氧樹脂的封裝過程是和那些常規(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：復(fù)雜，能夠同時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。一般來說，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)。為了評估這些工藝參數(shù)而不承擔(dān)過多的工藝成本，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?9個壓電陶瓷要素。每一行的要素都包括三個錐角(0，1和2度)以及兩個直徑()。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。請注意，所有壓電陶瓷在成型后的完整的脫模，包括那些沒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)這些合成物型坯時沒有遇到任何控制重量減輕的問題，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，這是在注射成型過程中特有的。那個沿其長度方向顯現(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)氧樹脂Spurrs在制造時通過環(huán)氧成對封裝。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)備好的那些被報(bào)道的用于模壓的5H壓電陶瓷樣品注射成型壓電陶瓷樣品的壓電和介電的性能。當(dāng)燒結(jié)條件最優(yōu)于壓電陶瓷5H的條件，壓電和介電的性能都較所有材料有可比性。當(dāng)壓電陶瓷5H的原料物質(zhì)被考慮到受注射成型設(shè)備污染鐵的敏感性，這些有關(guān)的測量方法對于這種注射成型的壓電陶瓷材料可以忽略這類污染。*粉末的提供方是俄亥俄州貝德福德的摩根士丹利公司，105A街區(qū)。 表1 壓電陶瓷注塑成型的參數(shù) 圖6 上述方法精制壓電陶瓷/樹脂合成物的注塑成型總結(jié) 陶瓷注射成型已被證明是一種可行的制造壓電陶瓷和壓電陶瓷/聚合物傳感器的方法。注射成型壓電陶瓷的電相關(guān)特性區(qū)別于那些通過傳統(tǒng)的準(zhǔn)備好的粉末壓模，沒有證據(jù)證明在混合物以及成型設(shè)備中產(chǎn)生的金屬雜質(zhì)會產(chǎn)生