集成的壓電陶瓷傳感器元素和電子組件在玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合結(jié)構(gòu)

1、玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯集成壓電陶瓷傳感器和電子組件A Weder*, S. Geller, A. Heinig, T. Tyczynski, W. Hufenbach,W.-J. Fischera：德國德累斯頓，德累斯頓技術(shù)大學(xué)研究所半導(dǎo)體和微電子公司。b：德國德累斯頓，德累斯頓技術(shù)大學(xué)、研究所的輕量級工程和聚合物技術(shù)。c：德國德累斯頓，弗勞恩霍夫光子微系統(tǒng)研究所。摘要：汽車行業(yè)最關(guān)鍵技術(shù)之一就是能否自動化大批量生產(chǎn)輕質(zhì)和智能復(fù)合材料的零部件，現(xiàn)代引進(jìn)“智能”這個概念，就是通過集成傳感器網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合。這些網(wǎng)絡(luò)記錄不同物理信號，有的甚至可以作為活動組件。摘要提出了一種新穎的大容量復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)，使用

2、Multi-Fibre-Injection(MFI)噴涂技術(shù)解決了集成的大型壓電陶瓷傳感器在玻璃纖維和聚氨酯復(fù)合部分上的技術(shù)問題。直接集成壓電纖維，這種技術(shù)將傳感器生產(chǎn)和部分生產(chǎn)變成一個步驟。第一個實(shí)驗(yàn)表明，這種壓電陶瓷傳感器的功能。其他的實(shí)驗(yàn)證明了不同的電子元件的成功整合可以作為電池的復(fù)合部分。關(guān)鍵詞：壓電陶瓷傳感器；長纖維注塑；多纖維注塑；傳感器網(wǎng)絡(luò)；結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測；大批量生產(chǎn)。1介紹為了節(jié)約成本，我們正在大批量生產(chǎn)玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合(GPC)結(jié)構(gòu)集成壓電陶瓷傳感器和電子元件。我們的想法是開發(fā)一個新的過程,基于完善的長纖維注入(LFI)技術(shù),直接生產(chǎn)出集成傳感器。這種新的多纖維注入(MF

3、I)技術(shù)結(jié)合了兩個不同生產(chǎn)階段的傳感器構(gòu)成組件變成一個階段。2基本技術(shù)和過程開發(fā)玻璃纖維生產(chǎn)的聚氨酯復(fù)合材料注定是大型輕量級部件1,2。自動長纖維注射(LFI)技術(shù)特別適合連續(xù)生產(chǎn)智能集成傳感器復(fù)合結(jié)構(gòu)3。LFI過程中,玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。粗紗被切割成特殊單元，切碎后與聚氨酯同時放入一個開放的模具中4。噴涂后關(guān)閉模具、纖維聚氨酯混合物在封閉腔內(nèi)形狀的擴(kuò)展取決于所使用的聚氨酯。由于放電注入模具,這個噴涂技術(shù)提供了幾種可能性集成的電子和壓電陶瓷元件。傳感器元素的函數(shù)可以證明在第一個應(yīng)用程序使用手動集成壓電陶瓷元件和改編的電極結(jié)構(gòu)，壓電陶瓷的原型傳感元件圖1所示。圖1 一個壓電陶瓷傳感的原型為了進(jìn)

4、一步擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模和自動集成方向活性成分，一種基于LFI噴涂技術(shù)的新穎的多纖維注射(MFI)方法由此誕生。在圖2中，MFI方法允許智能復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備和感官特性的壓電陶瓷和電子的集成的過程中存在GPC的功能元素。圖2 用LFI直接生產(chǎn)混合壓電纖維3有源電子元件的集成創(chuàng)建智能復(fù)合結(jié)構(gòu)、壓電陶瓷傳感器產(chǎn)生的信號已經(jīng)被電子分析評價單元。這些電子元件集成過程中接觸不同的壓力和溫度。因此,一些集成電子元件在玻璃纖維聚氨酯復(fù)合部分進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)量化的內(nèi)部壓力。這包括傳感器節(jié)點(diǎn)的集成（圖3），處理聚氨酯交聯(lián)反應(yīng)中強(qiáng)烈放熱擴(kuò)張并記錄內(nèi)部溫度。在這個實(shí)驗(yàn)中,在模具表面的纖維加固涵蓋上放置一個傳感器，并連接一個測量系

5、統(tǒng)。開始混合組件的同時進(jìn)行溫度測量。隨后在聚氨酯中填充混合物，關(guān)閉模具。開始一分鐘后，材料開始擴(kuò)張，具體表現(xiàn)為溫度上升到120。經(jīng)過短暫的峰值，由于聚氨酯泡沫較低的導(dǎo)熱系數(shù)冷卻始于一個小梯度下降。溫度曲線如圖4。實(shí)驗(yàn)表明，電子元件必須在100-120中呆2min。在集成壓電陶瓷材料中，這些溫度不是最重要的。圖3纖維強(qiáng)化集成中傳感器節(jié)點(diǎn)在記錄溫度圖4在擴(kuò)張過程中測量溫度的變化智能復(fù)合材料發(fā)展的一個重要問題就是內(nèi)部電子設(shè)備的電源問題。解決這個問題的一個方法是在外加磁場下使用被動轉(zhuǎn)發(fā)器(RFID標(biāo)簽)。電感耦合集成實(shí)驗(yàn)對應(yīng)答器節(jié)點(diǎn)這一概念進(jìn)行了解釋如圖5，能夠測量復(fù)合材料內(nèi)的溫度。實(shí)驗(yàn)表明,該傳感器

6、節(jié)點(diǎn)集成過程中不損壞無線通信就知曉內(nèi)部溫度仍然是可能的。內(nèi)部電子元件的另一個選擇是一級或二級電池直接集成到復(fù)合結(jié)構(gòu)。測試實(shí)驗(yàn)鎳氫和鋰離子電池。電池的前后系統(tǒng)是充放電集成，產(chǎn)生的放電曲線如圖6顯示。表明電池性能沒有明顯退化。更多研究集成充電超薄THINERGY®微能源表明這些電池在120左右會被摧毀，因此不能適用當(dāng)前配置。圖5應(yīng)答器集成之前被動溫度。圖6可充電鎳氫電池的放電曲線和之后的集成。4結(jié)論玻璃纖維聚氨酯復(fù)合材料適用產(chǎn)生智能輕質(zhì)結(jié)構(gòu)集成傳感器。LFI技術(shù)基礎(chǔ)上，允許壓電陶瓷傳感器程內(nèi)在GPC的集成。在處理研究中,對影響嵌入壓電陶瓷和電子功能的相關(guān)負(fù)荷進(jìn)行了分析。將噴涂放電和低壓放

7、電與其他生產(chǎn)技術(shù)相比，集成組件影響不是很嚴(yán)重。在處理電子元件以及壓電陶瓷承受溫度的過程中，被嵌入傳感器和轉(zhuǎn)發(fā)器后能夠反應(yīng)信息。此外，大多數(shù)電池類型可以提供相同的電能。確認(rèn)作者想表達(dá)自己對德國研究基金會(脫硫)內(nèi)資金合作研究中心的感謝。參考文獻(xiàn)1 Partusch, G.: Polyurethanschaum, der Werkstoff für fast alle Problemlösungen, Fachtagung Polymerschäume, 2003, S. D.1-112 Hufenbach, W.; Gude, M.; Geller, S.; Zic

8、hner, M.: Oriented Spraying of Fibers. Kunststoffe international, Vol. 101 (2011),Heft 11, S. 36-383 Hufenbach, W.; Gude, M.; Modler, N.; Zichner, M.; Heber, T.; Geller, S.: Seriengerechte Integration piezokeramischerSensorelemente in Glasfaser-Polyurethan-Verbundstrukturen., Schriftenreihe Werkstoffe und werkstofftechnischeAnwendungen. Band 41: Verbundwerkstoffe undWerkstoffverbunde. Chemnitz: Eigenverlag, 2011, S. 283-2884 Frehsdorf, W.; Söchtig, W.: High Requirements LowInvestment Costs. Kunststoffe plast europe, Vol. 91 (2001), Heft 3,Seite 23-25Fig.