黏弹性热流固耦合作用诱导聚合物变形的机理

模内微装配成型有望成为高效低成本产业化聚合物微型机械制造技术,而如何准确预测和精密控制其二次成型过程的黏弹性热流固耦合变形仍是其工业化的技术瓶颈。基于考虑微装配界面周围高温黏弹性熔体流动环境边界约束作用,建立了描述模内微装配成型黏弹性热流固耦合作用诱导聚合物变形的理论模型。研究表明,黏弹性与纯黏性熔体热流固耦合的本质区别在于熔体的弹性特性能有效抑制微装配界面的热流固耦合作用,使得预成型微型轴的变形和装配界面的热流固耦合载荷均随二次成型熔体松弛时间的延长而减小,且其变形受控于微装配界面所承受的黏弹性热流固耦合压力、黏弹性支撑正应力和黏性拖曳剪切应力,选用高弹性二次成型熔体有利于抑制黏弹性热流固耦合变形,可提高微装配加工精度。     

模内微装配成型微装配界面熔接黏附脱黏剥离特性

如何准确预测和调控微装配界面熔接黏附脱黏剥离特性是聚合物模内微装配成型制备高性能微型机械运动的关键科学与技术问题。针对这一关键科学与技术问题,构建了模内微装配成型微型机械运动副界面熔接黏附脱黏剥离行为的模拟仿真平台和注射温度-材料副界面脱黏剥离断裂韧性参数-界面熔接黏附脱黏剥离特性的关联关系。研究表明,运动副微装配界面的启裂应力、临界应变能释放率和完全脱黏剥离驱动力与二次成型熔体注射温度呈正相关关系,降低二次成型注射温度,可以明显减小界面的启裂应力和临界应变能释放率,抑制微装配界面的熔接黏附,有利于降低微装配界面熔接黏附脱黏剥离的驱动力,提高微装配界面的可运动性能。     

剪切变稀效应对微型机械模内组装成型流固耦合变形的影响

系统研究了聚合物微型机械模内组装成型熔体的剪切变稀效应对一次成型固体微型零件的流固耦合作用效应和流固耦合变形的影响规律,并揭示了其机理。研究结果表明,二次成型熔体剪切变稀效应减小会使其熔体的充填流动与一次成型固体微型轴的流固耦合作用效应增强,并使其整体温度场趋于不均匀,从而导致一次成型固体微型零件流固耦合弯曲变形和热变形增加,减小二次成型熔体剪切变稀效应可提高聚合物微型机械模内组装成型加工精度与组装配合精度。     

聚合物多层气辅共挤精密成型机制的数值分析

基于传统共挤成型技术,提出一种先进的气辅多层共挤精密成型技术。研究表明,气辅共挤成型技术不仅可实现挤出制品尺寸的精确自动控制,而且还起到明显的节能降耗的效果。通过建立的稳态有限元数值算法,对传统共挤成型和气辅共挤成型的成型过程和离模膨胀过程进行了系统的对比分析研究,并探讨了气辅共挤成型消除整体离模膨胀的机制。结果表明,多层共挤成型芯壳层熔体的离模膨胀是由黏弹性熔体的二次流动引起,主要取决于芯壳层熔体二次流动的方向与强度。熔体二次流动的方向与第二法向应力差的正负号有关,而熔体二次流动的强度则与第二法向应力差大小成正比。气辅共挤成型的气辅口模段可通过气垫膜层的壁面完全滑移作用,有效减小或消除芯壳层熔体的第一和第二法向应力差,使其二次流动消失,从而达到消除口模整体离模膨胀的目的。因此,气辅多层共挤精密成型技术能精确地控制共挤成型的复合产品最终外形和尺寸与挤出口模的形状和尺寸完全相同。此外,研究结果还表明气辅共挤成型的挤出压力相对传统共挤成型可降低约30%以上。     

聚合物多相分层流动黏弹性包围机制的数值模拟

针对黏弹性包围引起的复合共挤制品层厚均匀性控制的技术难题,通过数值模拟,研究了黏弹性流变性能参数对黏弹性包围的影响规律和机制.研究结果表明,黏弹性包围是由多相分层流动的第二法向应力差驱动的二次流动诱发,主要取决于成型流动过程中二次流动的方向与强度.熔体二次流动的方向与第二法向应力差的正负号有关,而熔体二次流动强度则与第二法向应力差大小成正比.黏弹性包围随着熔体松弛时间的增加而增大.消除黏弹性包围的理论前提是消除其二次流动,而通过使其流动的第二法向应力差趋于零方可消除其二次流动.第二法向应力差趋于零的前提条件是使无滑移黏着共挤多相分层剪切流动转化为气垫非黏着完全滑移共挤多相分层柱塞流动,而气辅共挤成型工艺的气垫壁面滑移是实现这一转变的有效技术.     

气辅共挤出界面位置对挤出胀大的影响

基于聚合物流变学理论,运用有限元方法,建立了半圆形共挤口模成型的理论模型,并对理论模型进行了数值模拟,研究了口模入口端熔体层间界面位置及熔体入口流率对共挤出胀大和熔体层间界面位置的影响。研究表明,气辅共挤过程中,当两熔体流率相等时,使得两熔体入口面积近似相等的r值(共挤口模入口处界面位置)能将熔体的离模膨胀率降为零值,同时保证熔体层间界面位置稳定;当两熔体流率不等时,熔体离模膨胀率随着自身流率的增大而增大,随着另一熔体流率的增大而减小,界面位置则向流率较低的一侧偏移。     

聚合物气体辅助挤出成型研究进展

挤出成型是聚合物加工领域出现得较早且应用最广泛的技术之一，聚合物传统挤出成型过程中存在的挤出胀大、扭曲变形等问题严重阻碍了该技术的进一步发展及推广应用。聚合物气辅挤出是本世纪初发展起来的一种新型成型工艺，通过在口模内壁与熔体表面间形成稳定的气垫膜层，使熔体以完全滑移非粘着方式挤出成型，改善了口模内熔体的流场分布，从而有效减小甚至消除了传统挤出过程中存在的影响制品质量的固有问题。该技术因具有节能、环保、改善制品质量等优良特性，自问世以来即受到聚合物加工领域诸多学者的广泛关注，相关研究成果对丰富和发展聚合物成型理论及其加工技术的进一步推广应用均具有重要的科学意义和工程价值。文中综述了聚合物气辅挤出成型问世以来国内外研究进展，主要介绍了该技术的成型机理和成型装置，气体辅助单层挤出、双层共挤、微管挤出及气垫膜层等方面的研究方法与研究成果，并在综述现有的研究基础上展望了气辅挤出成型的研究趋势。     

水辅助注塑制件壁厚分析

根据水辅助注塑技术应用短射法成型中空圆管制品的聚合物熔体流动的基本特征,把水辅助注塑充模阶段聚合物熔体流动行为简化为等温条件下幂率流体的稳态流动,应用流体力学理论,对圆管水辅助注塑中影响制件壁厚的因素进行分析。结果表明,制件的壁厚主要由水与熔体界面处的压力梯度和熔体前端压力梯度的比值确定,同时制件壁厚也受熔体的流变性能影响。     

微注塑成型充模流动中的对流换热实验

微注塑成型中,聚合物熔体与微型腔壁面间的对流换热行为与常规注塑成型不同,对流换热系数也发生了变化。通过采用微模具和温度传感器,对聚丙烯(PP)、ABS和两种聚甲醛(POM)熔体,以不同注射速度填充厚度为0.510 mm和0.420 mm,表面粗糙度为0.062μm、0.393μm和0.695μm的不同微型腔时的模具温度分布进行测量,从而求得对流换热系数。结果表明,微注塑成型中对流换热系数,与聚合物材料热物理性质紧密相关,热物性参数值高的材料,对流换热系数也大;且随注射速度和型腔表面粗糙度的增加以及型腔厚度的减小而增大。     

聚合物基微纳米复合材料的制备及微型注塑加工研究

微型高分子功能器件具有独特优点,发展迅速,应用广泛,是当今科学技术的重要前沿,迫切需要发展高性能多功能聚合物基微纳米复合材料,实现其微型注塑加工。介绍了近年来作者课题组在聚合物基微纳米复合材料制备及其微型注塑加工方面的研究进展:通过有机/无机杂化、固相剪切碾磨、纳米复合、分子复合及熔融共混技术等制备适合于微成型加工的高性能多功能聚合物基微纳米复合材料,如尼龙11/钛酸钡压电复合材料、聚乙烯醇/羟基磷灰石生物医用纳米复合材料、聚氨酯/碳纳米管导电复合材料等。解决了微纳米填料难分散、复合体系难加工的难题,实现了聚合物基微纳米功能复合材料的微型注塑加工,研究了其流变行为和充填行为,调控和优化了微型制品的结构与性能,为制备高性能多功能的聚合物微型器件提供了新材料、新技术和新理论。     

微注塑充模流动中的粘性耗散效应

微注塑成型中的粘性耗散效应引起的熔体充模流动行为变化,直接影响微塑件的成型质量。应用双料筒毛细管流变仪与微尺度口模和高精度温度传感器等组成的测量装置,对丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)熔体以不同剪切速率和口模入口温度,流经直径350μm和500μm而长径比不同口模时的粘性耗散效应进行了实验测量和数值模拟。结果表明,微通道中的熔体粘性耗散效应随剪切速率的增加而明显增强,随通道直径的减小和入口熔体温度的升高而减弱;但通道直径一定时,长径比的增大也会导致粘性耗散作用增强。     

高分子材料微型制品微分注射成型方法及设备

为了保证微量聚合物熔体的计量和均匀性,结合常规注射成型技术和微注射成型技术的优势,论文提出了一种新的批量成型加工高分子材料微型制品的方法——微分注射成型。在常规注射成型设备中加入微分系统,通过行星齿轮泵作为微分泵实现熔体的分流、输送、增压和计量,在保证成型制品精度的同时,具有塑化效果好、生产效率高的优点。论文介绍了微分注射成型方法的原理和设备构成,并利用CAD/CAE/CAM(计算机辅助设计/工程/制造)技术进行了研究,最终利用加工完成的设备初步实验验证了新方法及设备的可行性。     

熔体流速测定仪测量准确度的影响因素

大部分聚合物加工成型都是利用其黏流态下的流动行为,在塑料加工成型中一个重要指标就是流动性指标,常用的即为聚合物的熔融指数。所谓熔融指数(MI)就是在一定的温度和负荷下,聚合物熔体在10min内流经一个规定直径和长度的标准毛细管的质量。对于不同的聚合物,统一规定了若干个适当的温     

采用紫外光刻电铸技术的微型腔注塑成型

针对复杂微型腔制作的难点,基于紫外光刻电铸(UV-LIGA)技术和掩膜腐蚀的方法加工了细胞皿微型腔。以聚丙烯(PP)进行单因素充模流动工艺试验,通过极差分析,研究了注射速率、模具温度、熔体温度、保压压力和保压时间对微制品成型质量的影响规律。注射速率对提高充填率起主要作用,模具温度和熔体温度是次要因素,而保压压力和保压时间相对其它因素对充填质量影响较差,但必须保持在一个较高的水平。在获取优化工艺参数后,获得合格的制品。因此基于UV-LIGA技术和掩膜腐蚀的方法制作复杂结构微型腔对于微注塑成型是可行的。     

聚合物熔体振动挤出成型技术的研究进展

介绍了各种聚合物熔体振动挤出成型技术,包括机械振动、电磁振动和超声振动,对实现振动的装置或口模进行了简要介绍,利用这些振动设备对聚合物熔体振动挤出技术进行研究,发现振动挤出可使聚合物熔体加工流变性能和力学性能都得到一定程度的改善,凝聚态结构也发生了一些变化。     

气体流量对管材气辅挤出的影响

将气体简化为广义牛顿流体,并作为单独的内外两层,针对管材型气辅挤出口模,建立了二维有限元模型,并进行了数值模拟,研究了气体流量对口模出口处剪切速率、熔体速度及口模流道中心处熔体压力的影响。研究表明,当气体流入口模流道内,聚合物熔体在口模出口处厚度为-0.85~0.85 mm剪切速率为零,为促使聚合物熔体既满足表面质量不因剪切速率不均引起表面质量缺陷,又满足在厚度方向的尺寸要求(即2 mm),故需将聚合物熔体与气体相汇处的流道沿厚度方向扩大0.3 mm;同时也为了进一步降低因速度梯度大而引起的表面质量缺陷,文中进气体流量为2.512×10-3m/s最佳。因此,当气体作为一种辅助工艺引入到聚合物挤出成型当中,需在两相流相汇处流道沿厚度方向预留足够的空间(本文是预留制品厚度的20%的尺寸)以满足制品的尺寸及表面质量要求。     

饱和黏弹性土中圆柱形隧洞的振动特性

基于流体不可压缩饱和多孔介质理论,将衬砌视为具有分数导数本构关系的多孔黏弹性体,在频率域内研究了在内水压力作用下饱和黏弹性土和衬砌系统的振动特性。通过引入与孔隙流体体积分数有关的应力系数,合理地确定了隧洞边界衬砌和孔隙水共同承担的内水压力值。利用衬砌内边界上的边界条件以及衬砌和土体界面处应力和位移的连续性条件,给出了隧洞边界部分透水条件下饱和黏弹性土和分数导数型黏弹性衬砌系统简谐耦合振动时系统动力响应的解析解。结果表明:饱和黏弹土和衬砌结构的动力响应与衬砌材料的黏性有关;应力系数合理地确定了衬砌和孔隙水共同承担的内水压力值。     

超声在聚合物熔体检测与成型加工中的应用

介绍检测超声与功率超声各自特点及其分别在聚合物熔体检测和成型加工过程中的应用,对超声实时检测、精准反馈聚合物熔体内部信息和提高熔体性能、成型制品质量等方面的作用机理和应用效果进行概述;并对超声在聚合物熔体检测与成型加工中的发展进行了展望。     

塑料微流控芯片的注塑成型

有别于传统的微流控芯片压塑成型方法,本文提出注塑成型加工塑料微流控芯片的新工艺.采用UV-LIGA技术制作成型微通道的型芯,设计制造了微流控芯片注塑模具.充模试验表明,如何使微通道复制完全是微流控芯片注塑成型的主要技术难点.模拟与理论分析表明,熔体在微通道处出现滞流现象是复制不完全的主要原因;搭建了可视化装置对此加以试验验证.利用正交试验方法进行充模试验,研究各工艺参数对微通道复制度的影响.试验表明模具温度对提高微通道复制度起决定性作用;注射速度和熔体温度是次要因素,而注射压力相对其他因素影响力较差,但必须保持在一个较高的水平.依此形成塑料微流控芯片的注塑成型工艺,对于宽80μm、深50μm截面的微通道而言,可使微通道复制度由70%提高到90%,满足使用要求.     

超声振动对聚合物挤出过程及制品性能的影响

描述了超声振动技术在聚合物挤出成型过程中的典型应用方式及其研究结果,重点阐述了挤出模头中引入超声振动后,超声振动对聚合物熔体挤出过程及制品结构性能的影响。