聚合物熔体微尺度剪切黏度测量方法与黏度模型

研究微尺度效应下聚合物熔体黏度时,发现不同入口修正方法获得的剪切黏度随特征尺寸变化的规律不同,这对于聚合物微成型理论和技术尤为重要。采用直径分别为1 000μm、500μm、350μm的毛细管口模,在相同试验条件下分别用零口模法和Bagley法两种入口修正方法,研究高密度聚乙烯(High density polyethylene,HDPE)、短链支化的聚丙烯(Polypropylene,PP)、聚甲基丙烯酸甲脂(Polymethylmethacrylate,PMMA)和聚苯乙烯(Polystyrene,PS)四种材料的剪切黏度变化规律。结果发现,两种方法获得的PMMA和PS黏度随口模直径变化的规律相反,指出传统入口修正方法在测量微尺度黏度时存在局限。基于入口收敛流动特征,提出一种考虑微尺度效应下压力影响的测量方法,并用该方法给出四种材料剪切黏度随口模直径变化的真实规律。试验剪切速度范围内,四种材料剪切黏度均随口模直径的减小而减小,平均变化幅度为9.9%～38.3%,并从分子结构角度揭示四种材料黏度变化程度不同的机理。基于黏度变化规律,采用唯象性方法建立适用于宏—微观尺度下的黏度模型。试验结果表明该模型的理论预测结果与试验结果平均误差小于3.7%,验证了模型的正确性和有效性。     

超声外场对微通道中熔体黏性耗散效应的影响

针对聚合物熔体在微尺度通道中流动时的黏性耗散效应对其流动行为的影响,通过自行构建的带有温度传感器和超声振子的微注塑成型试验系统,采用单因素成型试验方法,对聚丙烯(Polypropylene, PP)和高密度聚乙烯(High-density polyethylene, HDPE)两种聚合物材料在不同工艺参数和超声外场作用下,流经矩形截面微通道时由黏性耗散效应引起的通道出口熔体温升进行试验测量。结果表明,微通道中熔体的黏性耗散效应随注射速度的增加而增强,随入口熔体温度和模具温度的升高而减弱;与不加超声振动相比,施加超声振动使两种材料的微通道出口熔体温升值明显升高;但材料自身的微观分子结构及其热物理性能不同,其温升增幅差别较大。试验注射速度下,施加超声振动比不加超声振动时的PP熔体温升增幅高出34.7%,而HDPE熔体的温升增幅则高达71.7%。当超声频率和工艺参数一定时,增大超声功率使PP熔体的微通道出口温升增加了24.8%,HDPE熔体的温升增加了83.6%。可见施加超声外场作用能使微通道中聚合物熔体的黏性耗散效应明显增强。     

微尺度聚合物熔体粘性耗散效应对流变行为的影响

针对微尺度聚合物熔体粘性耗散效应与宏观尺度的差别,应用高聚物流变学的基本理论分析微注塑成型充模流动时粘性耗散对熔体流变行为的影响.并以双料筒毛细管流变仪为测试平台,设计粘性耗散测量装置.选用直径500 μm毛细管口模,以高密度聚乙烯(Hig density polyethylene, HDPE)和丙烯腈-丁=烯-苯乙烯共聚物(Acrylonitrile butadiene styrene, ABS)材料进行不同温度与不同剪切速率下的粘性耗散试验研究.结果表明粘性耗散引起的熔体温升随着剪切速率的增加而升高;而当熔体温度增加时,同一剪切速率下粘性耗散效应引起的温升却在下降.粘性耗散的理论计算结果表明,随着剪切速率的增加,微通道壁面处熔体的粘度降低明显,因而建立微注塑成型流动理论模型时,不可忽略粘性耗散效应的影响.     

微尺度效应下的聚合物熔体粘度理论及试验

根据毛细管流变仪测量原理,提出关于微尺度效应对聚合物熔体粘度变化的作用机理.基于Kelvin-Voigt本构方程,建立微尺度粘度模型.研制直径分别为1 000 μm,500 μm,355 μm毛细管口模,用PP,PS,HDPE材料进行不同剪切速率下的粘度试验研究.结果表明,同一剪切速率下,熔体粘度随口模直径的减小而降低;随着剪切速率的增加,粘度减小趋势在缩小.将试验相关数据代入微尺度粘度模型进行理论计算,结果表明理论曲线与试验曲线相符合,最大误差小于8%,验证数学模型的合理性,这对微注塑成型和微挤出成型,精确模拟充模流动和指导微模具设计有重要理论参考价值.     

微注塑充模流动过程熔体黏度影响规律的数值模拟

微型塑件注射成型充模流动过程中,与宏观塑件相比,塑料熔体黏度随剪切速率的变化对流动的影响有很大的不同.对比微观和宏观黏度模型,运用流体分析软件Fluent,对微注塑充模流动过程熔体黏度的影响规律进行了研究.分析了熔体黏度的分布规律,结果表明微尺度降低了熔体黏度.研究了微尺度熔体黏度模型对熔体速度场、温度场和压力场的影响规律,结果表明:微尺度黏度模型的速度相对较大,近壁面区熔体温度相对较高,对微通道中的压力分布几乎没有影响.总体而言,由于通道微尺度而造成的熔体黏度变化有利于微注塑成型.     

聚合物熔体跨尺度挤出过程的黏弹性流变特性

在聚合物熔体微尺度动态黏弹特性实验的基础上,基于分子理论建立了跨尺度挤出过程中的熔体黏弹特性微尺度效应流变模型。流变模型反映了流道特征对黏弹性流动过程应力状态的影响。微尺度效应弱化了熔体的黏弹性流变响应,促进了分子链松弛。模型的微尺度效应通过储能模量和耗能模量的微尺度效应系数及二者的比值表征。微尺度效应系数越小,特征尺度对黏弹特性的影响越显著;黏弹性微尺度效应系数比值越小,特征尺度对松弛过程的影响越明显。     

基于黄金分割法的聚合物熔体黏度模型数据拟合

注塑成型加工过程数值模拟广泛使用聚合物熔体的黏度模型,其数据拟合是一项重要工作。为降低传统迭代算法对初值的严苛要求,消除迭代过程中可能出现的病态矩阵现象,提出基于黄金分割法的拟合算法。拟合采用直接搜索法,不需要对目标函数进行求导运算。搜索过程分轮次进行,每一轮搜索在一组正交的可行方向上依次进行。在每一个可行方向上,利用黄金分割法在一个参数区间内进行一维非线性搜索。搜索区间的持续缩小,以及目标函数值的非增性,保证了算法的收敛性。以当前最优点为中心的搜索方法有利于发现更优的极小点,从而提高拟合精度。此外,针对Cross-Arrhenius黏度模型,给出一套简洁的初值计算公式,可为该模型的各种拟合算法提供合适的初值。算例表明,算法适用的初值范围广,拟合精度高于阻尼Newton法和遗传算法,而且能对其他算法的拟合结果进行二次优化。算例的计算机用时仅需数秒即可。     

微尺度流动模型研究

对微尺度气体流动及其适用模型进行综述,并以微通道内气体流动为例,采用基于宏观连续介质假定的无滑移、一阶滑移和修正二阶滑移模型,以及基于分子运动的DSMC方法分别进行数值研究,分析不同努森数下各流动模型的适用性.     

金属微成形过程中微尺度效应与相似评估

微尺度效应是金属微成形过程中特有的现象,也是深入研究微成形工艺和微尺度变形规律的瓶颈问题。通过对大量试验结果的分析比较,提出将微尺度效应分为材料本征微尺度效应和工艺条件微尺度效应的新的分类方法;从微成形工艺系统角度出发,分析微尺度效应的动态性和相关性;从本构理论出发,分析产生微尺度效应的原因;在相似性科学的基础上提出了相似精度的概念,作为评估微尺度效应的相似性评价指标,并给出考虑动态性和关联性时的相似精度表述。利用已有的试验数据,举例说明以上评估指标和评估方法的应用,结果表明,所提出的微尺度效应分类具有实际工程意义,应用所提出的评估方法得出的结论与已有试验结果相吻合。这些关于微尺度效应的分类和评估方法还可推广应用到其他微系统的评估中。     

微注塑散热器流动诱导热导率变化的多尺度数值预测

为进一步提高聚合物复合材料热导率,采用多尺度数值预测法研究了微注塑聚酰胺/碳纤维(PA66/CFs)散热器内部CF的流动诱导取向及其对制品热导率的影响规律。首先,利用Moldflow获取CF取向张量,并以Comsol Multiphysics构建与之对应的复合材料微元胞。利用正交实验法研究熔体温度、模具温度、最大注射压力及注射流率对微散热器热导率的影响。然后,对预测数据进行分析获得最优注塑参数组合。最后,对优化结果进行模拟实验,验证了多尺度数值预测法的有效性。结果显示:上述各参数重要程度由大到小依次排列为熔体温度、注射流率、最大注射压力和模具温度;最佳组合为熔体温度360℃、模具温度70℃、最大注射压力220 MPa及注射流率3×10–4 cm3/s。另外,流动诱导热导率变化最大值达0.36 W/(m·K),为基体热导率的1.5倍。得到的研究结果为从工艺调控的新角度来改善聚合物复合材料的导热性能提供了理论依据与数据支撑。     

聚合物熔体微滴喷射装置设计

针对现有3D打印制造技术对材料种类与形状的限制,结合现有微滴喷射制造技术,设计出了一种由螺杆挤出建压系统,电磁铁驱动的机械冲击系统,加热系统,温控系统和三维移动平台组成的聚合物熔体微滴喷射装置,并介绍了其工作原理。采用PP(聚丙烯)粉料作为熔体微滴喷射装置试验用料,通过调节加热温度,螺杆转速,机械冲击脉冲频率,喷嘴和基台距离等工艺参数和机械参数,实现了均匀可控的熔体输送和熔滴喷射,极大的拓展了传统聚合物3D打印所需材料种类与形状限制。     

微尺度流动研究的简要综述

显微机械加工技术和微机电系统研究的发展为微尺度流动研究开辟一个全新的领域。微观尺度下表现出来的大表面积体积比、表面效应、稀薄性和可压缩性等问题,表明微尺度流体流动所基于的物理因素与宏观尺度下是不同的。目前,微尺度流体流动应用技术的发展速度已经远远超过其本身机理的研究,文中对微尺度流体流动的有关研究进行阐述,为其本身机理的进一步深入研究提供参考。     

基于格子Boltzmann方法的动压气体轴承黏性热耗散研究

箔片气体轴承微间隙内的流场常处于滑移区,甚至过渡区,会出现一些微观效应,其热特性的研究采用宏观方法已不再合适。为研究不同工况下动压气体轴承间隙热特性变化规律,基于格子Boltzmann方法建立包含黏性热耗散项的径向轴承间隙传热数值模型;采用总能形式的双分布函数热模型,通过有限差分离散将其应用到贴体网格中,同时引入速度滑移和温度阶跃边界条件,通过数值计算得到不同参数下的轴承间隙气膜温度分布,并分析了不同埃克特数（Ec）、偏心率和转速条件以及温度阶跃对黏性热耗散的影响。结果表明,当Ec数、偏心率和转速增大时,气膜最高温度增加,两侧的温度阶跃增加;温度阶跃效应的忽略均会导致黏性热耗散量不同程度的低估。     

微尺度通道内混合物流动沸腾特性研究

对非共沸混合工质R32／R134a(25％／75％)在微尺度管内的流动沸腾换热特性进行了试验研究。试验结果表明,在较高热流密度下,微尺度管内流动沸腾换热与质量干度和质量流量基本无关,热流密度对换热有着很大的影响,在较宽的热流密度范围内,核态沸腾在换热过程中占据主导地位。和细小管道相比,在相同条件下,微尺度管道内的流动沸腾表面传热系数高于细小管道。     

基于微机械电子技术的黏度测量传感器

黏度作为流体特性的基本问题,在生物化工等诸多工程中是控制生产流程、保证安全生产、进行医学诊断及科学研究的基础性热物数据,为满足各个领域高精度与高效快捷的黏度测量需求,近年来黏度测量手段已不局限于如毛细血管法、旋转法等传统意义的宏观测量方法,基于微纳米尺度的黏度测量技术已展现出其突出的发展与应用前景.微机械电子系统(Mi...     

微尺度间距平行平板间的流动稳定性问题

在忽略其他微尺度效应的前提下,讨论了粘性修正对微尺度间距平行平板间流动稳定性的影响.考虑到固壁对流体分子的作用力可导致流体表现粘性变化,假定流体表现粘性系数为距壁面距离的函数.结果显示,粘性系数修正在一定条件下可使平均流出现拐点,导致流动失稳,临界雷诺数降低,流动更易失稳.     

微纳米尺度上含DNA分子流体传输规律的多尺度算法研究进展

微纳米尺度上含DNA分子流体的传输特性研究对生物微流体机械装置的设计和优化至关重要.DNA分子在流体中的运动和变形以及与周围流体的相互作用是一个耦合的、复杂的多尺度问题.由于普适的理论解缺乏,数值模拟作为一种可行且经济的技术路线现正被广泛地使用于这类问题的基础研究和各种生物微流体机械装置的实际设计及应用中.综合评述现代数值计算在模拟微纳米尺度上含DNA分子流体传输这类复杂多尺度问题上的主要进展.介绍目前模拟中广泛使用的DNA分子的聚合物链模型,重点探讨相关分子动力学方法模拟以及基于该方法的各种主要的多尺度算法发展近况.分析模拟DNA分子动力行为及周围流体传输时,存在的技术难题和相应的新发展.     

考虑稀薄气体有效黏度的微轴承弹流润滑研究

气体稀薄效应和轴瓦弹性变形对微流体设备中气体微型轴承润滑特性影响显著.根据Veijola提出的稀薄气体有效黏度模型,采用有限元法建立柔度矩阵计算轴瓦表面弹性变形量,并推导考虑有效黏度与弹性变形影响的修正Reynolds方程.通过联立求解超薄气膜润滑修正Reynolds方程、稀薄气体有效黏度方程和三维轴瓦弹性方程,分析轴...     

微机电系统的尺度效应及其影响

评述了MEMS系统中,尺度效应对材料性能、器件的机械特性、流体系统以及摩擦和粘附等方面的影响,微尺度效应是在微机电系统的设计过程必须考虑的问题,也是MEMS产品从实验室走向市场化商品的关键理论基础。     

微壳体塑件充模流动三维数值模拟

针对微注塑成形中熔体充模流动行为,运用流体分析软件Fluent,对微壳体塑件熔体充模流动进行了三维稳态模拟。建立了微观黏度模型和壁面滑移模型,运用VOF多相流模型,研究了熔体充满型腔时的稳态三维流场,做出切片图分析了压力场和速度场。通过对考虑和不考虑微尺度影响(微观黏度和壁面滑移)的对比和分析,可以看到考虑微尺度因素影响时充模阻力减小约19%,而速度变化不明显。分析表明微尺度黏度对熔体流动影响显著,有利于微注塑熔体充模,而壁面滑移对充模流动影响较小。