集成的壓電陶瓷傳感器元素和電子組件在玻璃纖維增強聚氨酯復合結構

1、玻璃纖維增強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，德累斯頓技術大學研究所半導體和微電子公司。b：德國德累斯頓，德累斯頓技術大學、研究所的輕量級工程和聚合物技術。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)最關鍵技術之一就是能否自動化大批量生產輕質和智能復合材料的零部件，現(xiàn)代引進“智能”這個概念，就是通過集成傳感器網(wǎng)絡的復合。這些網(wǎng)絡記錄不同物理信號，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合材料生產技術，使用

2、Multi-Fibre-Injection(MFI)噴涂技術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合部分上的技術問題。直接集成壓電纖維，這種技術將傳感器生產和部分生產變成一個步驟。第一個實驗表明，這種壓電陶瓷傳感器的功能。其他的實驗證明了不同的電子元件的成功整合可以作為電池的復合部分。關鍵詞：壓電陶瓷傳感器；長纖維注塑；多纖維注塑；傳感器網(wǎng)絡；結構安全監(jiān)測；大批量生產。1介紹為了節(jié)約成本，我們正在大批量生產玻璃纖維增強聚氨酯復合(GPC)結構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,直接生產出集成傳感器。這種新的多纖維注入(MF

3、I)技術結合了兩個不同生產階段的傳感器構成組件變成一個階段。2基本技術和過程開發(fā)玻璃纖維生產的聚氨酯復合材料注定是大型輕量級部件1,2。自動長纖維注射(LFI)技術特別適合連續(xù)生產智能集成傳感器復合結構3。LFI過程中,玻璃纖維增強復合材料。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。噴涂后關閉模具、纖維聚氨酯混合物在封閉腔內形狀的擴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用程序使用手動集成壓電陶瓷元件和改編的電極結構，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

4、一步擴大生產規(guī)模和自動集成方向活性成分，一種基于LFI噴涂技術的新穎的多纖維注射(MFI)方法由此誕生。在圖2中，MFI方法允許智能復合結構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直接生產混合壓電纖維3有源電子元件的集成創(chuàng)建智能復合結構、壓電陶瓷傳感器產生的信號已經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合部分進行分析和實驗量化的內部壓力。這包括傳感器節(jié)點的集成（圖3），處理聚氨酯交聯(lián)反應中強烈放熱擴張并記錄內部溫度。在這個實驗中,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行溫度測量。隨后在聚氨酯中填充混合物，關閉模具。開始一分鐘后，材料開始擴張，具體表現(xiàn)為溫度上升到120。經過短暫的峰值，由于聚氨酯泡沫較低的導熱系數(shù)冷卻始于一個小梯度下降。溫度曲線如圖4。實驗表明，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纖維強化集成中傳感器節(jié)點在記錄溫度圖4在擴張過程中測量溫度的變化智能復合材料發(fā)展的一個重要問題就是內部電子設備的電源問題。解決這個問題的一個方法是在外加磁場下使用被動轉發(fā)器(RFID標簽)。電感耦合集成實驗對應答器節(jié)點這一概念進行了解釋如圖5，能夠測量復合材料內的溫度。實驗表明,該傳感器

6、節(jié)點集成過程中不損壞無線通信就知曉內部溫度仍然是可能的。內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合結構。測試實驗鎳氫和鋰離子電池。電池的前后系統(tǒng)是充放電集成，產生的放電曲線如圖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，因此不能適用當前配置。圖5應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結論玻璃纖維聚氨酯復合材料適用產生智能輕質結構集成傳感器。LFI技術基礎上，允許壓電陶瓷傳感器程內在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負荷進行了分析。將噴涂放電和低壓放

7、電與其他生產技術相比，集成組件影響不是很嚴重。在處理電子元件以及壓電陶瓷承受溫度的過程中，被嵌入傳感器和轉發(fā)器后能夠反應信息。此外，大多數(shù)電池類型可以提供相同的電能。確認作者想表達自己對德國研究基金會(脫硫)內資金合作研究中心的感謝。參考文獻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.