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基于TRIZ理论的锌空气电池极片干嵌法成形工艺研究

1引言

当今世界工业及社会发展的两大问题，一是传统能源日趋枯竭，二是环境污染不断恶化。目前各类电池极片的制作方法有：热压成形法(模具法)、拉浆法、喷涂法、涂布法，在涂布法中又分为转移涂布和刮式涂布，除模具法外，这些方法多是用溶剂将电极性能材料稀释后再加工。所以又称之为湿法。现有的湿法成形不能满足要求，用这些方法加工要求极片的集流体必须是均匀的导体薄片．而锌空气电池的集流体多数是铜或镍，所以不太适用。目前锌空气电池的制造多采用热压成形法，此方法除了效率低外，极片的致密性很难控制，该方法在实际中应用成本高，很难大面积推广使用。本课题从锌空气电池极片的制造方法入手，基于TRIZ理论提出一种新的一体化轧制成形的高效方法--干嵌法。

2 TRIZ理论及其原理

TRIZ(Theory of Inventive Problem Solving)是俄文中发明问题解决理论的词头。该理论是前苏联G．S．Altshuler及其领导的一批研究人员，自1946年开始，花费1500人，年的时间，在分析研究世界各国250万件专利的基础上所提出的发明问题解决理论。其核心就是技术系统进化原理，按照这一原理，技术系统一直处于进化之中，解决冲突是其进化的推动力。进化速度随技术系统一般冲突的解决而降低，使其产生突拉力实验机对夹具材料的要求变的唯一方法是解决阻碍其进化的深层次冲突。

TRIZ使用过程包括掌握这些重复出现的问题、解决的模型和技术进化的模式。以及使用效应的方法，然后应用TRIZ模式解决设计者遇到的问题。如图1所示，描述了这一过程。

图1 TRIZ解决问题的过程

在利用TRIZ解决问题的过程中，设计者首先将待设计的产品表达成为TRIZ问题。然后利用TRIZ中的工具，如发明原理、技术进化理论、标准解等，求出该TRIZ问题的普适解或称模拟解(Analogous solution)；最后设计者再把该解转化为领域的解或特解。

如图2所示，不仅描述了各个工具之间的关系，也描述了产品创新中的问题。应用TRIZ的第一步是对给利用学科：机械工程(1级学科);实验机(2级学科);材料实验机-材料实验机名称(2级学科)定的问题进行分析；如果发现存在冲突则应用原理去解决；如果问题明确但不知道如何解决，则应用效应去解决；第三种选择是对待创新的技术系统进行进化过程的预测。之后是评价，确定是否满足要求。如果满足要求，则进行后序的设计工作，反之，要对问题进行再分析。

图2 TRIZ流程图

3 TRIZ的方案设计方法

机械产品创新方案设计系统由创新对象选择模块、方案生成模块、方案评价模块和技术支撑模块组成，如图3所示。在创新对象选择模块中，运用质量功能布置(QFD)来选择所要研究的对象；在方案生成模块中，运用发明问题解决原理(TRIZ)来生成多种预选方案。TRIZ的技术矛盾解决模块既可以与创新对象选择模块组合使用。也可以单独使用。对于问题比较复杂，不能清楚地确定产品创新研究对象时，就需要应用创新对象选择模块为产品创新方案设计提供明确的产品创新研究对象；而当问题比较简单时，研究对象明确时。为缩短产品创新方案设计时问，可以跳过创新对象选择模块直接进行产品创新方案设计。方案评价模块对由技术矛盾解决模块得到的产品创新方案进行评价，从中选择最优的产品创新方案，如果没有得到最优的创新方案，则返回到创新对象选择模块，重新进行产品创新方案设计。

图当时行业界竞争次序不标准3 机械产品创新方案设计方法结构图

4 TRIZ在生产工艺中的应用

燃料电池极片的制造属于高科技术，锌空气电池日益成为很多发达科学家研究的热点。对锌空气电池的极片成形工艺的研究是其关键。以往的极片生产工艺多采用的是湿法涂布，该工艺生产极片效率虽然高，但是其涂布出来的极片致密性不高，且该工艺涂布完后需要烘干工序。致使耗能很大。生产成本很高。由于锌空气电池集流体为镍或铜，如果在该极片的生产中采用湿法涂布不适合，对集流体致密性的影响很大。如表1所示。

我们利用TRIZ-IDSS的方法对其进行创新设计的过程。这里运用的是TRIZ-IDSS的产品分析模块，该模块的过程是：(1)问题描述。输入问题的初始信息和项目目标及约束条件；(2)建立描述问题的功能模型；(3)进行功能分析确定问题的TRIZ解决方法；(4)根据TRIZ创新原理和效应知识库得出解决方案；(5)对得出的方案进行评价决策。并选出最优方案。

4．1问题描述

干嵌法生产锌空气电池工艺的问题描述，本文采用质量功能布置方法QFD。QFD方法采用系统化的、规范化的方法调查和分析顾客需求，并将其转换为产品特征、零部件特征、工艺特征、质量与生产计划等技术需求信息，使所设计和制造的产品能真正地满足设计者和顾客的需求。通过建立调查表和对调查数据的分析，建立干嵌法工艺的质量屋，对于嵌法的用户需求信息与所能采取的技术措施进行质量屋分析，得出该工艺布置。表1表明了本项技术措施对干嵌法生产工艺总体性能的贡献大小。

4．2实用性分析

通过对于嵌法工艺各指标的分析以及QFD分析所得出的结论。运用TRIZ原理得到。如表2所示的干嵌法冲突参数及解决原理表。

4．3设计方案

通过功能分析的结果，运用TRIZ解决问题的冲突解决原理、76种标准解以及效应知识库的支持，可以得到如下解决方案：

(1)采用比较成熟的滚压技术代替效率低的稳压成形技术，滚压技术可以提高效率；稳压技术对设备的要求高，加工难度大，效率很低，加工成本大。

(2)采用抛洒布料技术来改善滚压成形工艺中存在缺陷，如该工艺生产出来的极片致密性差，极片的厚度均匀性差等缺点。

(3)采用空心圆管结构代替实心管，如在布料箱的布料打料棒上采用空心结构，可增大其动力平衡性，减少振动，增大布料的均匀性。

5 结论

仅对TRIZ-IDSS的开发策略，体系结构以及关键的具体建造技术进行了研究，与传统的研究方法相比，应用TRIZ理论使得研究更有据可依，且效率较以前提高很多，研究中通过运用如果能将耐冲实验机系统加以适当的改造该理论，提出了千嵌法成形原理，并对该工艺进行了优化，同时提高了干嵌法成形的适应性。(end)