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山东科技大学聚合物加工与改性技术结课论文通过注射成型制造压电陶瓷/聚合物复合材料

学号：201101130718
班级：高分子11-1
姓名：李先贺

外文出处：A.SafariandD.J.Waller,"FineScalePZT
Fiber/PolymerComposites”
附件：1.外文资料翻译译文；2.外文原文。附件1：外文资料翻译译文
通过注射成型制造压电陶瓷/聚合物复合材料

摘要
宾夕法尼亚州立大学材料研究室的研究已经证明通过使用压电陶瓷/聚合物复合材料可以改进检漏器(水诊器)潜能。作为美国海军研究局的资助计划的一部分，旨在开发针对这些合成物且具有成本效益制造技术，材料系统正在寻求一种陶瓷制造方法的注射成型。本文简要概览了陶瓷注射成型过程的关键细节，并且记叙了制造压电陶瓷/聚合物复合材料的步骤及方法论。注射成型压电陶瓷的设备和应用程序都是区别于传统的材料的加工。
绪论
压电陶瓷/聚合物复合材料提供了设计的多功能性和性能优势，在遥感和驱动应用方面都超越单独的陶瓷与聚合物的压电材料。这些合成物已经被开始用于高解析度超声医学以及海军的发展应用。在过去的十三年里，许多复合的配置已经按照一个实验室的规模被构造且评估。其中最成功的组合之一，被指定复合物的纽纳姆号，有一个三维连接陶瓷阶段(压电纤维)内含三维连接有机聚合物的阶段。检漏器的性能系数可使得这个复合物超过那些通过适当选择阶段特征和复合结构的固体材料10000倍。
宾州州立大学复合物的制备是通过在一个跳汰机和封装环氧树脂中手调挤压压电陶瓷棒，之后限制适当的厚度并极化陶瓷。除了这种材料所展示出的性能优势，宾州州立大学的工作所凸显的问题涉及合成物的大规模制造或者甚至以原型为目的。这些是：
(1)在通过聚合物封装时大量的压电陶瓷光纤的库存和供给需求。
(2)在极化过程中发生率高的介电击穿是起于在一个典型的大型阵列遇到一个或多个有缺陷的纤维的显著概率。
在过去的五年里，为了提高制造行业的生存能力并降低材料成本已经多次尝试简化传感器的组装工艺。早期的尝试包括将压电陶瓷的固体块切割至理想的配置和聚合体阶段的空缺回填。这项技术已经被超声医学工业接受并用于制造高频传感器。最近，纤维材料公司已经证明了其用于纤维增强复合材料的编织技术在装配压电材料方面的适应性。另外的一项探索技术涉及复制多孔织物已经有适当的连通性。
对于极其精密尺度的复合材料，纤维的直径大约为20至100微米，长宽比大于5以满足装置性能需要的目标。因此，这些困难再加上额外的成型与处理庞大数量且无缺陷的极其精细的纤维的挑战。最近，西门子公司的研究人员表明非常精密尺度的复合材料可以通过一种不定的模具技术来制造。然而，这种方法需要为每一个部分制造一个新的模具。
本文介绍一种压电复合加工的新方法，即:陶瓷注射成型。陶瓷注射成型无论对海军的压电陶瓷/聚合物复合材料或是对于极其加工规模的压电复合材料(如那些所需的高频超声医疗及无损评估)都是一种具有成本效益的制造方法。注塑成型过程克服了通过网型预成型陶瓷纤维整列使装配导向陶瓷纤维进入复合材料传感器的困难。除了这个优势，该方法使得比那些以前的设想具有更复杂陶瓷元素几何的复合传感器成为可能，以致产生了为提高声阻抗匹配性的更高的设计柔性以及横向模式的取消。
过程描述
注塑成型被广泛应用于塑料行业作为一种较低成本、形状复杂的迅速大规模生产。此种方法最适合应用于陶瓷小截面形状，例如线程导向，以及无需烧结至很高密度的大而复杂的形状，如涡轮机的叶片铸造插入。最近，这种方法已被研究用作生产热发动机涡轮部件的技术。
如图1所示，注塑成型方法已被用于压电陶瓷的成型。通过将热塑性塑料与陶瓷粉末的混合物有机结合并注入一个冷却模具，复杂的形状就能方便且快速的正常与塑料结合成型。预防例如像金属接触硬化的表面，尽量减少金属从混和与成型器械受到的污染。对于陶瓷，型腔必须无损拆除，迫使高的固体载荷，严格控制型腔移除的过程，以及适当的夹具。一旦型腔移除，随后点火，极化并且环氧树脂的封装过程是和那些常规压电陶瓷/复合材料类似。因此，此方法在替代制造路线上提供了很大优势：复杂，能够同时处理许多纤维的近似网状；快速的生产能力(通常是一部分几秒)；统计过程控制的兼容性；材料的低浪费；有关传感器设计的柔性(允许PZT中元素空间和形状的变化)；以及在中量至大量之间的低成本。一般来说，由于最初加工的高成本，陶瓷注射成型的方法是最适用于复杂形状的构成，需要低成本大批量。

图1注射成型过程流程图2制作合成物的预成型方法

合成物的制造及评价
制造1-3压电复合材料的方法如图2a所示，这阐述了使用一个完整的陶瓷
胚型到纤维定位作用的压电陶瓷预先成型的概念。在聚合物封装后采用磨削去除陶瓷胚。除了简化许多纤维的处理，这种预先