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制作压电 陶瓷 莱斯利 J. Bowen和肯尼思 W.法国 ,材料 Systems公司 53 Hillcrest路 ,康科德 ,硕士 01742 摘要 在材料研究实验室 ,宾州州立大学研究已经证明改进水听器表现的潜力使用压电的制陶艺术/聚合物合成物 . 为这些合成物 ,材料系统有成本效益的制造业技术正追求一制陶艺术的制造接近注射模塑 . 本文简要概述主要特征的陶瓷注塑成型工艺 , 接着介绍的方式和方法可以被用来制造压电陶瓷 /聚合物复合材料 . 性能和应用注塑压电陶瓷与常规加工材料 . 简介 压电的制陶艺术 /聚合物合成物给予关于 单相 陶瓷 和聚合物阶段制陶艺术压电的材料在 遥感 和 实际应用 两方面设计多技能和表现优势 。 这些合成物已经在以及发展的海军应用高分辨医学超声中找出使用 . 在过去13年 对 许多实验室进行 了 已建成组合配置和评价 . 全球最成功的组合 ,指定 1-3复合冈维尔的五线谱 l 有一个连 在尺寸上 陶瓷相 (压电纤维 )控制在一个三维连通有机高分子阶段 . 水听器人物优异这种复合材料可取得超过一万倍以上的固体压电陶瓷 由适当选择的阶段性特征和复合结构 在宾夕法尼亚州立复合材料 l进行手工调挤压压电陶瓷棒在跳汰及封装 环氧树脂 ,然后切片到适当的厚度 和极化的陶瓷 . 除了展现优越的技术性能 ,这种材料 , 在宾夕法尼亚州工作的突出困难 ,编造 1-3复合材料的大规模 甚至为原型的目的 . 这些措施包括 : 1） 把许多的许多 PZT纤维排成一排在包装期间经过聚合物和支撑要求 . 2） 2)在滑行期间电介质故障 ,起源于遭遇在一典型大 阵列 .中一根或更多有缺陷纤维的重要可能性的高发生 . 过去五年已做了一些尝试 ,以简化装配过程 1-3 传感器与 有意提高制造业的可行性 ,并降低材料成本 . 早期从事固体切丁块压电陶瓷成为理想的配置和回填土的空间内的一种高分子 相 . 这项技术已广泛接受了超声医学业生 产高频传感器 2. 最近 , 纤维材料股份有限公司已证明适用其织造工艺纤维复合材料向大会压电陶瓷复合材料 3. 另勘探技术涉及复制的多孔面料有适当的连通 4. 为极其好刻度合成物 ,纤维 ,大约 25到 100 pn和超过五一个尺寸与另一个尺寸之比有直径需要来遭遇装置表现目标 . 因此 ,这些困难被附加挑战用形成没有缺点和处理在大数量中极其好纤维构成了 . 最近 ,研究人员在西门子公司已表明很细尺度复合材料可以产生一个逃犯模具技术 . 但是 ,这种方法需要制作一个新的模具 ,每部分 5. 本文描述了一种新方法 ,压电复合材 料的制备 ,即 :陶瓷注射成型 . 陶瓷注射成型技术是一种 有成本效益的 制备方法双方海军的压电陶瓷 /聚合物复合材料的制备超细 规模压电复合材料 ,例如那些需要高频医用超声和无损评价 . 注塑成型过程中 ,克服困难 ,装配为主的陶瓷纤维复合成换用网状 预成型品 陶瓷纤维 阵列 . 除了这方面的优势 , 这一进程使得有可能建造复合传感器具有更复杂的陶瓷元件几何比原先设想 导致更大的灵活性 ,设计为改进的声阻抗匹配和横向模式取消 加工工艺 注塑广泛应用于塑料业作为一种手段 ,快速大量生产 ,形状复杂 ,在 成本低 . 应用陶瓷一直最成功的小型 截面 形状 ,例如 : 螺纹指南 ,及大型复杂形状不需要烧结密度高 ,如涡轮叶片铸造刀片 . 最近 ,这一进程已展开调查 ,作为生产工艺热发动机涡轮部件 6,7 图 1:注射模塑过程路线 . 注塑成型用于 PZT成型见图 1. 注的热点热塑性混合陶瓷粉及有机结合成一个冷却结晶 复杂的形状 ,可以形成与方便与快捷通常与塑料成型 . 防范措施 ,如硬面临的金属接触面 ,这些都是重要的 ,以尽量减少金属污染的加剧和成型机器 . 陶瓷的粘结剂必须拆除 非破坏性地 ,使成为必要高固体量 ,严格控制粘结剂 ,拆除过程中 , 和正确装夹 . 一旦粘结剂是拆掉 ,随后射 击 极化和环氧包封过程类似于常规 pzti聚合物 复合 1. 因此 ,过程具有以下优点替代加工路线 :复杂 近净形能力处理许多纤维同时发生 ; 快速吞吐量 (通常每秒 ); 兼容性与统计过程控制 ; 低的材料浪费 ; 灵活应变传感器设计 (允许变化压电元件间距和形状 ); 成本低 ,在中度到高度卷 . 总的来说 ,由于高的初始成本 ,工装 , 陶瓷注射成型是最好的应用复杂形状零件需要低成本高产量 制造和评价 采取这种办法 ,编造 1-3 压电复合载在图 2a, 它说明了压电陶瓷预制棒的概念 ,光纤定位是实现以共同塑造积分陶瓷基地 . 聚合物后封装在 陶瓷拆除磨 . 除了处理许多纤维 这预制棒做法使广大纬度在选择压电陶瓷元件几何形状的综合性能优化 . 工具的设计是成功的重要注塑压电陶瓷复合材料 . 办法列于图 2b用途形工具刀片允许改变部分设计 ,又不过分 更换工具 成本 . 图2c显示了个体预制棒配置 ,能够形成较大的阵列 图 2:预制棒的方法综合加工 . 在实践中 , 材料成型参数必须优化整合注塑模具设计实现完整的预制弹射后 成型 . 关键参数 ,包括 :压电 /粘合剂比 ,压电元件直径和锥形 ,基地 PZT的厚度 ,刀具表面光洁度 , 而塑造的一部分弹射机制设计 . 为了评价这些工艺参数 ,又不过分工具成本 工具设计 ,仅有两排 19PZT 的每一分子已经通过实验目的 . 每一行包含有三个 (0,1和 2度 )和两个直径 (0.5lmm). 容纳成型收缩 , 大小坯维持在 5ox50mm以尽量剪过的最外层纤维在 冷却部分的成型周期 . 图 3:注射塑造 1-3混合成的预成型品 . 图 3 显示绿色陶瓷预制装配使用此工具配置 . 看到所有的 PZT 分子赶出完好无损后成型 ,包括具有无纵 一端渐渐变细变尖 方便弹射 . 慢热空气已被认为是一种合适的方法有机结合搬迁 . 最后 ,烧出预制棒烧结在气氛 97-98%的理论密度 . 没有遇到任何问题与控制体重烧结过程中 ,这些组合坯 即使是这些优秀的尺度 ,比表面积高预制棒是为高频超声波 . 图 4:扫描电子显微镜对所塑造 (上 )以及烧结 (下 )面压电纤维 . 图 4说明了表面为成型和烧结纤维 显示驻留浅褶皱系大约宽十所特征的注塑成型过程 . 纤维呈现轻微开槽沿其长度 ,由于喷出的工具 . 图 5 显示的能力近净成型模具制作非常精细规模预制棒 ; 压电元件尺寸只有 30pm 性已经显现 . 等离子烧结面这些元素显示了压电陶瓷微观结构致密 ,均匀 . 为了展示裁员的办法 ,为复合材料 , 复合材料约 10体积 %了 PZT-5H纤维和 spurrs环氧树脂材料环氧灌封奠定了对 注塑成型及烧结纤维整齐之后磨走了压电陶瓷股票用来塑造复合预制棒 . f 5-26 显示复合材料制成的鲜 混合 pzt/粘合剂混合物和重用材料 . 循环中的复杂化 ,并塑造材料 似乎是完全可行的 ,结果大大提高材料的利用率 图 5:细 2-2级复合材料组成的近余量成形 (上 显微照片 ). 由于烧结面 (下 显微照片 ). 为了展示裁员的办法 ,为复合材料 , 复合材料约 10体积 %了 PZT-5H纤维和环氧树脂材料环氧灌封奠定了对 注塑成型及烧结纤维整齐之后磨走了压电陶瓷股票用来 塑造复合预制棒 . f 5-26 显示复合材料制成的 混合 pzt/粘合剂混合物和重用材料 . 循环中的复杂化 ,并塑造 材料似乎是完全可行的 ,结果大大提高材料的利用率 . 表 1比较了压电及介电性能的注塑压电陶瓷标本所报道的压了 PZT-5H 样品制备的粉末的厂商 . 当烧结条件 ,适合了 PZT-5H制定 ,压电和介电性能比较两种材料 . PZT-5H制定预计将特别敏感铁污染的注塑设备 , 言下之意 ,这些测量是这种污染是微不足道 ,在这注塑压电材料 . 概要 陶瓷注射成型技术已被证明是一种可行的工艺制备两种压电陶瓷和压电陶瓷 /聚合物 换能器 . 电气性能注塑压电陶瓷媲美备传统的粉末紧迫 , 但没有证据的有害影响来自金属污染引起的接触套汇和成型设备 . 用陶瓷注塑造复合坯 然后打下了预制棒 ,形成较大复合阵列 . 结束语 这项工作是由办事处的海军研究的指导下 ,斯蒂芬 e.newfield. 作者要感谢洪女士范用于技术援助 , 而威博士 shrout的材料研究实验室 ,西恩 . 州立大学电气测量 . 参考文献 l R. E. Newnham et al, 复合材料压电换 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,大面积压电复合材料 ,proc. 该 adpa会议上活跃的材料和结构 ,弗吉尼亚州亚历山 ,11月 4日至 8日 ,1991年版 . g.knowles物理研究所出版 ,pp139-142. 4A. Safari and D. J. Waller,细尺度压电纤维 /高分子复合材料 会上 adpa会议上活跃的材料和结构 ,弗吉尼亚州亚历山 ,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. Vincenzini, Elsevier, pp 2005-201 5. 6 G. Bandyopadhyay and K. W. French,Fabrication of Near-net Shape Silicon Nitride Parts for Engine Application, J. Eng.