玻璃纤维增强聚氨酯集成压电陶瓷传感器和电子组件A Wedera*, S. Gellerb, A. Heinigc, T. Tyczynskib, W. Hufenbachb,W.-J. Fischerca,a：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部分上的技术问题。直接集成压电纤维，这种技术将传感器生产和部分生产变成一个步骤。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部分。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；结构安全监测；大批量生产。1 介绍为了节约成本， 我们正在大批量生产玻璃纤维增强聚氨酯复合(GPC)精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 7 页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 基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精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 7 页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。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建智能复合结构、 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部分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，处理聚氨酯交联反应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。经过短暂的峰精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 7 页值，由于聚氨酯泡沫较低的导热系数冷却始于一个小梯度下降。温度曲线如图 4。实验说明，电子元件必须在100-120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精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 7 页智能复合材料发展的一个重要问题就是内部电子设备的电源问题。解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THINERGY?微能源说明这些电池在 120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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 7 页图 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技术基础上，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反应信息。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.: Oriented Spraying of Fibers. Kunststoffe international, Vol. 101 (2011), 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 7 页Heft 11, S. 36-38 3 Hufenbach, W.; Gude, M.; Modler, N.; Zichner, M.; Heber, T.; Geller, S.: Seriengerechte Integration piezokeramischer Sensorelemente in Glasfaser-Polyurethan-Verbundstrukturen., Schriftenreihe Werkstoffe und werkstofftechnische Anwendungen. Band 41: Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde. Chemnitz: Eigenverlag, 2011, S. 283-288 4 Frehsdorf, W.; S? chtig, W.: High Requirements Low Investment Costs. Kunststoffe plast europe, Vol. 91 (2001), Heft 3, Seite 23-25 Fig. 5: Passive temperature transponder before integration. Fig. 6: Discharge curve of a rechargeable NiMH battery cell before and after integration 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 7 页