集成的压电陶瓷传感器元素和电子组件在玻璃纤维增强聚氨酯复合结构

1、玻璃纤维增强聚氨酯集成压电陶瓷传感器和电子组件A Weder a *, S. Geller b , A. Heinig c , T. Tyczynski b , W.Hufenbach b,W.-J. Fischer a,ca：德国德累斯顿，德累斯顿技术大学研究所半导体和微电子公司。b：德国德累斯顿，德累斯顿技术大学、研究所的轻量级工程和聚合物技术。c：德国德累斯顿，弗劳恩霍夫光子微系统研究所。摘要： 汽车行业最关键技术之一就是能否自动化大批量生产轻质和智能复 合材料的零部件，现代引进“智能这个概念，就是通过集成传感器 网络的复合。 这些网络记录不同物理信号， 有的甚至可以作为活动组 件。摘要

2、提出了一种新颖的大容量复合材料生产技术，使用 Multi-Fibre-Injection(MFI) 喷涂技术解决了集成的大型压电陶瓷传感 器在玻璃纤维和聚氨酯复合局部上的技术问题。直接集成压电纤维， 这种技术将传感器生产和局部生产变成一个步骤。第一个实验说明， 这种压电陶瓷传感器的功能。 其他的实验证明了不同的电子元件的成 功整合可以作为电池的复合局部。关键词： 压电陶瓷传感器；长纤维注塑；多纤维注塑；传感器网络；结构平安 监测；大批量生产。1 介绍为了节约本钱， 我们正在大批量生产玻璃纤维增强聚氨酯复合 (GPC) 结构集成压电陶瓷传感器和电子元件。 我们的想法是开发一个新的过 程，基于完善

3、的长纤维注入(LFI)技术，直接生产出集成传感器。这种新 的多纤维注入(MFI)技术结合了两个不同生产阶段的传感器构成组件 变成一个阶段。2根本技术和过程开发玻璃纤维生产的聚氨酯复合材料注定是大型轻量级部件1,2。自动长纤维注射(LFI)技术特别适合连续生产智能集成传感器复合结构 3。LFI过程中，玻璃纤维增强复合材料。粗纱被切割成特殊单元，切碎后与聚氨酯同时放入一个开放的模具中4。喷涂后关闭模具、纤维聚氨 酯混合物在封闭腔内形状的扩展取决于所使用的聚氨酯。由于放电注入模具，这个喷涂技术提供了几种可能性集成的电子和压电陶瓷元 件。传感器元素的函数可以证明在第一个应用程序使用手动集成压电陶瓷元件

4、和改编的电极结构，压电陶瓷的原型传感元件图1所示图1 一个压电陶瓷传感的原型为了进一步扩大生产规模和自动集成方向活性成分，一种基于 LFI喷 涂技术的新颖的多纤维注射(MFI)方法由此诞生。在图2中，MFI方法 允许智能复合结构的制备和感官特性的压电陶瓷和电子的集成的过程中存在GPC的功能元素cutting unitglass fibresvenluri nozzlepolyolmixing c ham herGPVmixing chamberGPV-piczottbrc- compoundcutting unitglass fibreshypass piczoccrainic fibresv

5、enruri nozzle图2用LFI直接生产混合压电纤维3有源电子元件的集成创立智能复合结构、压电陶瓷传感器产生的信号已经被电子分析评价 单元。这些电子元件集成过程中接触不同的压力和温度。因此，一些 集成电子元件在玻璃纤维聚氨酯复合局部进行分析和实验量化的内 部压力。这包括传感器节点的集成图3，处理聚氨酯交联反响中 强烈放热扩张并记录内部温度。在这个实验中，在模具外表的纤维加 固涵盖上放置一个传感器，并连接一个测量系统。开始混合组件的同 时进行温度测量。随后在聚氨酯中填充混合物，关闭模具。开始一分 钟后，材料开始扩张，具体表现为温度上升到 120 C。经过短暂的峰温度值，由于聚氨酯泡沫较低的

6、导热系数冷却始于一个小梯度下降曲线如图4。实验说明，电子元件必须在100 °C-120 C中呆2min。在 集成压电陶瓷材料中，这些温度不是最重要的。图3纤维强化集成中传感器节点在记录温度图4在扩张过程中测量温度的变化智能复合材料开展的一个重要问题就是内部电子设备的电源问题决这个问题的一个方法是在外加磁场下使用被动转发器RFID标签。电感耦合集成实验对应答器节点这一概念进行了解释如图5，能够测量复合材料内的温度。实验说明，该传感器节点集成过程中不损坏无 线通信就知晓内部温度仍然是可能的。内部电子元件的另一个选择是 一级或二级电池直接集成到复合结构。测试实验镍氢和锂离子电池。电池的前后

7、系统是充放电集成，产生的放电曲线如图 6显示。说明电 池性能没有明显退化。更多研究集成充电超薄 THINERG Y?微能源说 明这些电池在120 C左右会被摧毁，因此不能适用当前配置。图5应答器集成之前被动温度。M 一Tim« N图6可充电镍氢电池的放电曲线和之后的集成。4结论玻璃纤维聚氨酯复合材料适用产生智能轻质结构集成传感器。LFI技术根底上，允许压电陶瓷传感器程内在 GPC的集成。在处理研究中， 对影响嵌入压电陶瓷和电子功能的相关负荷进行了分析。将喷涂放电和低压放电与其他生产技术相比，集成组件影响不是很严重。在处理电子元件以及压电陶瓷承受温度的过程中，被嵌入传感器和转发器后能够

8、反响信息。此外，大多数电池类型可以提供相同的电能。确认作者想表达自己对德国研究基金会脱硫内资金合作研究中心的感 谢。参考文献2 Hufenbach, W.; Gude, M.; Geller, S.; Zichner, M.: OrientedSpraying of Fibers. Kunststoffe international, Vol. 101 (2022),Heft 11, S. 36-383 Hufenbach, W.; Gude, M.; Modler, N.; Zichner, M.; Heber, T.; Geller, S.: Seriengerechte Integrat

9、ion piezokeramischer Sensorelemente in Glasfaser-Polyurethan-Verbundstrukturen., Schriftenreihe Werkstoffe und werkstofftechnische Anwendungen. Band 41: Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde. Chemnitz: Eigenverlag, 2022, S. 283-2884 Frehsdorf, W.; S? chtig, W.: High Requirements-LowInvestment Costs. Kunststoffe plast europe, Vol. 91 (2001), Heft 3, Seite 23-25Fi