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制作壓電陶瓷 萊斯利J. Bowen和肯尼思W.法國(guó),材料Systems公司53 Hillcrest路,康科德,碩士01742 摘要 在材料研究實(shí)驗(yàn)室,賓州州立大學(xué)研究已經(jīng)證明改進(jìn)水聽器表現(xiàn)的潛力使用壓電的制陶藝術(shù)/聚合物合成物. 為這些合成物,材料系統(tǒng)有成本效益的制造業(yè)技術(shù)正追求一制陶藝術(shù)的制造接近注射模塑. 本文簡(jiǎn)要概述主要特征的陶瓷注塑成型工藝, 接著介紹的方式和方法可以被用來(lái)制造壓電陶瓷/聚合物復(fù)合材料. 性能和應(yīng)用注塑壓電陶瓷與常規(guī)加工材料. 簡(jiǎn)介 壓電的制陶藝術(shù)/聚合物合成物給予關(guān)于單相陶瓷和聚合物階段制陶藝術(shù)壓電的材料在遙感和實(shí)際應(yīng)用兩方面設(shè)計(jì)多技能和表現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。這些合成物已經(jīng)在以及發(fā)展的海軍應(yīng)用高分辨醫(yī)學(xué)超聲中找出使用. 在過(guò)去13年對(duì)許多實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了已建成組合配置和評(píng)價(jià). 全球最成功的組合,指定1-3復(fù)合岡維爾的五線譜[l] 有一個(gè)連在尺寸上陶瓷相(壓電纖維)控制在一個(gè)三維連通有機(jī)高分子階段. 水聽器人物優(yōu)異這種復(fù)合材料可取得超過(guò)一萬(wàn)倍以上的固體壓電陶瓷 由適當(dāng)選擇的階段性特征和復(fù)合結(jié)構(gòu) 在賓夕法尼亞州立復(fù)合材料[l]進(jìn)行手工調(diào)擠壓壓電陶瓷棒在跳汰及封裝 環(huán)氧樹脂,然后切片到適當(dāng)?shù)暮穸群蜆O化的陶瓷. 除了展現(xiàn)優(yōu)越的技術(shù)性能,這種材料, 在賓夕法尼亞州工作的突出困難,編造1-3復(fù)合材料的大規(guī)模 甚至為原型的目的. 這些措施包括: 1） 把許多的許多PZT纖維排成一排在包裝期間經(jīng)過(guò)聚合物和支撐要求. 2） 2)在滑行期間電介質(zhì)故障,起源于遭遇在一典型大陣列.中一根或更多有缺陷纖維的重要可能性的高發(fā)生. 過(guò)去五年已做了一些嘗試,以簡(jiǎn)化裝配過(guò)程1-3傳感器與 有意提高制造業(yè)的可行性,并降低材料成本. 早期從事固體切丁塊壓電陶瓷成為理想的配置和回填土的空間內(nèi)的一種高分子 相. 這項(xiàng)技術(shù)已廣泛接受了超聲醫(yī)學(xué)業(yè)生產(chǎn)高頻傳感器[2]. 最近, 纖維材料股份有限公司已證明適用其織造工藝?yán)w維復(fù)合材料向大會(huì)壓電陶瓷復(fù)合材料 [3]. 另勘探技術(shù)涉及復(fù)制的多孔面料有適當(dāng)?shù)倪B通[4]. 為極其好刻度合成物,纖維,大約25到100 pn和超過(guò)五一個(gè)尺寸與另一個(gè)尺寸之比有直徑需要來(lái)遭遇裝置表現(xiàn)目標(biāo). 因此,這些困難被附加挑戰(zhàn)用形成沒有缺點(diǎn)和處理在大數(shù)量中極其好纖維構(gòu)成了. 最近,研究人員在西門子公司已表明很細(xì)尺度復(fù)合材料可以產(chǎn)生一個(gè)逃犯模具技術(shù). 但是,這種方法需要制作一個(gè)新的模具,每部分[5]. 本文描述了一種新方法,壓電復(fù)合材料的制備,即:陶瓷注射成型. 陶瓷注射成型技術(shù)是一種有成本效益的制備方法雙方海軍的壓電陶瓷/聚合物復(fù)合材料的制備超細(xì) 規(guī)模壓電復(fù)合材料,例如那些需要高頻醫(yī)用超聲和無(wú)損評(píng)價(jià). 注塑成型過(guò)程中,克服困難,裝配為主的陶瓷纖維復(fù)合成換用網(wǎng)狀預(yù)成型品陶瓷纖維 陣列. 除了這方面的優(yōu)勢(shì), 這一進(jìn)程使得有可能建造復(fù)合傳感器具有更復(fù)雜的陶瓷元件幾何比原先設(shè)想 導(dǎo)致更大的靈活性,設(shè)計(jì)為改進(jìn)的聲阻抗匹配和橫向模式取消 加工工藝 注塑廣泛應(yīng)用于塑料業(yè)作為一種手段,快速大量生產(chǎn),形狀復(fù)雜,在 成本低. 應(yīng)用陶瓷一直最成功的小型截面形狀,例如: 螺紋指南,及大型復(fù)雜形狀不需要燒結(jié)密度高,如渦輪葉片鑄造刀片. 最近,這一進(jìn)程已展開調(diào)查,作為生產(chǎn)工藝熱發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪部件[6,7] 圖1:注射模塑過(guò)程路線. 注塑成型用于PZT成型見圖1. 注的熱點(diǎn)熱塑性混合陶瓷粉及有機(jī)結(jié)合成一個(gè)冷卻結(jié)晶 復(fù)雜的形狀,可以形成與方便與快捷通常與塑料成型. 防范措施,如硬面臨的金屬接觸面,這些都是重要的,以盡量減少金屬污染的加劇和成型機(jī)器. 陶瓷的粘結(jié)劑必須拆除非破壞性地,使成為必要高固體量,嚴(yán)格控制粘結(jié)劑,拆除過(guò)程中, 和正確裝夾. 一旦粘結(jié)劑是拆掉,隨后射擊 極化和環(huán)氧包封過(guò)程類似于常規(guī)pzti聚合物復(fù)合[1]. 因此,過(guò)程具有以下優(yōu)點(diǎn)替代加工路線:復(fù)雜 近凈形能力處理許多纖維同時(shí)發(fā)生; 快速吞吐量(通常每秒); 兼容性與統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制; 低的材料浪費(fèi); 靈活應(yīng)變傳感器設(shè)計(jì)(允許變化壓電元件間距和形狀); 成本低,在中度到高度卷. 總的來(lái)說(shuō),由于高的初始成本,工裝, 陶瓷注射成型是最好的應(yīng)用復(fù)雜形狀零件需要低成本高產(chǎn)量 制造和評(píng)價(jià) 采取這種辦法,編造1-3壓電復(fù)合載在圖2a, 它說(shuō)明了壓電陶瓷預(yù)制棒的概念,光纖定位是實(shí)現(xiàn)以共同塑造積分陶瓷基地. 聚合物后封裝在陶瓷拆除磨. 除了處理許多纖維 這預(yù)制棒做法使廣大緯度在選擇壓電陶瓷元件幾何形狀的綜合性能優(yōu)化. 工具的設(shè)計(jì)是成功的重要注塑壓電陶瓷復(fù)合材料. 辦法列于圖2b用途形工具刀片允許改變部分設(shè)計(jì),又不過(guò)分更換工具成本. 圖2c顯示了個(gè)體預(yù)制棒配置,能夠形成較大的陣列 圖2:預(yù)制棒的方法綜合加工. 在實(shí)踐中, 材料成型參數(shù)必須優(yōu)化整合注塑模具設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)完整的預(yù)制彈射后 成型. 關(guān)鍵參數(shù),包括:壓電/粘合劑比,壓電元件直徑和錐形,基地PZT的厚度,刀具表面光潔度, 而塑造的一部分彈射機(jī)制設(shè)計(jì). 為了評(píng)價(jià)這些工藝參數(shù),又不過(guò)分工具成本 工具設(shè)計(jì),僅有兩排19PZT的每一分子已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 每一行包含有三個(gè) (0,1和2度)和兩個(gè)直徑(0.5lmm). 容納成型收縮, 大小坯維持在5ox50mm以盡量剪過(guò)的最外層纖維在 冷卻部分的成型周期. 圖3:注射塑造1-3混合成的預(yù)成型品. 圖3顯示綠色陶瓷預(yù)制裝配使用此工具配置. 看到所有的PZT分子趕出完好無(wú)損后成型,包括具有無(wú)縱一端漸漸變細(xì)變尖方便彈射. 慢熱空氣已被認(rèn)為是一種合適的方法有機(jī)結(jié)合搬遷. 最后,燒出預(yù)制棒燒結(jié)在氣氛97-98%的理論密度. 沒有遇到任何問題與控制體重?zé)Y(jié)過(guò)程中,這些組合坯 即使是這些優(yōu)秀的尺度,比表面積高預(yù)制棒是為高頻超聲波. 圖4:掃描電子顯微鏡對(duì)所塑造(上)以及燒結(jié)(下)面壓電纖維. 圖4說(shuō)明了表面為成型和燒結(jié)纖維 顯示駐留淺褶皺系大約寬十所特征的注塑成型過(guò)程. 纖維呈現(xiàn)輕微開槽沿其長(zhǎng)度,由于噴出的工具. 圖5顯示的能力近凈成型模具制作非常精細(xì)規(guī)模預(yù)制棒; 壓電元件尺寸只有30pm性已經(jīng)顯現(xiàn). 等離子燒結(jié)面這些元素顯示了壓電陶瓷微觀結(jié)構(gòu)致密,均勻. 為了展示裁員的辦法,為復(fù)合材料, 復(fù)合材料約10體積%了PZT-5H"纖維和spurrs環(huán)氧樹脂材料環(huán)氧灌封奠定了對(duì) 注塑成型及燒結(jié)纖維整齊之后磨走了壓電陶瓷股票用來(lái)塑造復(fù)合預(yù)制棒. f 5-26顯示復(fù)合材料制成的鮮混合pzt/粘合劑混合物和重用材料. 循環(huán)中的復(fù)雜化,并塑造材料似乎是完全可行的,結(jié)果大大提高材料的利用率 圖5:細(xì)2-2級(jí)復(fù)合材料組成的近余量成形(上顯微照片). 由于燒結(jié)面(下顯微照片). 為了展示裁員的辦法,為復(fù)合材料, 復(fù)合材料約10體積%了PZT-5H"纖維和環(huán)氧樹脂材料環(huán)氧灌封奠定了對(duì) 注塑成型及燒結(jié)纖維整齊之后磨走了壓電陶瓷股票用來(lái)塑造復(fù)合預(yù)制棒. f 5-26顯示復(fù)合材料制成的混合pzt/粘合劑混合物和重用材料. 循環(huán)中的復(fù)雜化,并塑造材料似乎是完全可行的,結(jié)果大大提高材料的利用率. 表1比較了壓電及介電性能的注塑壓電陶瓷標(biāo)本所報(bào)道的壓了PZT-5H 樣品制備的粉末的廠商. 當(dāng)燒結(jié)條件,適合了PZT-5H制定,壓電和介電性能比較兩種材料. PZT-5H制定預(yù)計(jì)將特別敏感鐵污染的注塑設(shè)備, 言下之意,這些測(cè)量是這種污染是微不足道,在這注塑壓電材料. 概要 陶瓷注射成型技術(shù)已被證明是一種可行的工藝制備兩種壓電陶瓷和壓電陶瓷/聚合物換能器. 電氣性能注塑壓電陶瓷媲美備傳統(tǒng)的粉末緊迫, 但沒有證據(jù)的有害影響來(lái)自金屬污染引起的接觸套匯和成型設(shè)備. 用陶瓷注塑造復(fù)合坯 然后打下了預(yù)制棒,形成較大復(fù)合陣列. 結(jié)束語(yǔ) 這項(xiàng)工作是由辦事處的海軍研究的指導(dǎo)下,斯蒂芬e.newfield. 作者要感謝洪女士范用于技術(shù)援助, 而威博士shrout的材料研究實(shí)驗(yàn)室,西恩. 州立大學(xué)電氣測(cè)量. 參考文獻(xiàn) [l] R. E. Newnham et al, "復(fù)合材料壓電換"材料工程卷, 2,pp. 93-106,1980年12月. [2] C. Nakaya et al, IEEE Ultrasonics Symposium Proc., Oct. 16-18, 1985, p 634 [3] S. D. Darrah,"大面積壓電復(fù)合材料",proc. 該adpa會(huì)議上活躍的材料和結(jié)構(gòu),弗吉尼亞州亞歷山,11月4日至8日,1991年版. g.knowles物理研究所出版,pp139-142. [4]A. Safari and D. J. Waller,"細(xì)尺度壓電纖維/高分子復(fù)合材料 "會(huì)上adpa會(huì)議上活躍的材料和結(jié)構(gòu),弗吉尼亞州亞歷山,11月4日至8日,1991年. [5] U. Bast, D. Cramer and A. Wolff,, "A New Technique for the Production of Piezoelectric Composites with 1-3 Connectivity," Proc. of the 7th CIMTEC, Montecatini, Italy, June 24-30, 1990, Ed. P. 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