粉末微注射成形脱模过程中的界面粘着及其调控

Strong interfacial adhesion occures during demolding of powder injection molding, which lead to reducing the quality of the micro-part and improving the wear of the mold. Interfacial adhesion and its control are key scientific issue and technology for demolding behavior of powder injection molding. In this project, the carbonyl metal feedstocks are prepared, and the silicon mold insert with micro-channels is used. The effects of the rheological property of the feedstock, suface energy, demolding temperature on the interfacial adhesion are invesitigated. By tribology theory and numerical simulation, the influence of interfacial adhesion on the residual stress distribution and demolding quality are analyzed. The causes of the demolding defects and the mold wear by the interfacial adhesion are explored. The surface modification of the silicon mold is conducted by the molecular self-assembly technology. The interfacial adhesion between the mciro-part and the mold is controlled. The influence of the control of interfacial adhesion on the demolding behavior and the mold wear is studied. The improvement of demolding quality by the molecular self-assembly technology is verified by the demolding experiment. The research results can provide the theoretical and technological supports for the wide application of micro PIM in many fields, such as MEMS, military, new energy and so on.

粉末微注射成形零件在脱模过程中存在强界面粘着，从而导致零件质量的降低和模具的磨损，界面粘着及其调控是粉末微注射成形脱模的主要关键科学问题和关键技术。基于此，本项目拟：1）制备羰基金属喂料体系，以单晶硅微通道为模具，研究喂料流变性、模具表面能、脱模温度等和界面粘着的相互作用关系，运用摩擦学理论和数值模拟方法，分析界面粘着对脱模应力和脱模质量的影响机理，揭示界面粘着引起脱模缺陷和模具磨损的原因，阐明界面粘着对脱模行为的作用机制；2）采用分子组装薄膜技术对模具表面进行改性，调控微型零件与模具间的界面粘着，研究界面粘着调控对脱模行为和模具磨损的影响机理，通过脱模实验验证分子自组装薄膜对提高脱模质量的可行性。本项目的提出针对粉末微注射成形中的重要基础问题，为其在微机电系统、微小武器系统和新能源等领域中的广泛应用提供理论基础与技术。

粉末微注射成形具有材料适应性好、尺寸精度高、成本低、效率高和可成形复杂形状微型零件等优点，是一种金属和陶瓷微型零件的先进微成形技术。然而在脱模过程中，由于尺寸效应，生坯微结构与模具的摩擦剪切与强界面粘着易造成微结构的破坏和模具的磨损。我们通过对粘结剂组分配比、粉末装载量和混炼工艺的优化，制备了适合粉末微注射成形使用的氧化铝喂料与羰基铁粉喂料。使用自行研制的磨损试验机模拟注射过程，考察了羰基铁粉喂料对不同模具材料的磨损行为，发现模具的耐磨性随其硬度的增大而增强。基于生坯与模具材料的宏观摩擦学行为，采用有限元分析方法模拟生坯的脱模过程，结果发现：生坯所受的脱模阻力主要来源于两部分：一是生坯与模腔之间的接触应力（当T>Tcr时是由于保压压力而产生的压应力，当T<Tcr时是由于模具和生坯间不同的热收缩引起的热应力），二是由于模具和生坯的界面粘着引起的脱模时的摩擦剪切力。当脱模温度一定时，随着热应力的增大，生坯与模腔壁间的摩擦系数增大，在脱模过程中越容易造成微结构的破坏；当热应力一定时，脱模温度越高生坯与模具间的摩擦系数越小，在脱模过程中微结构越不易遭到破坏。在脱出过程中，微结构的根部与微结构和模腔的接触面是生坯中应力最大的区域，并在脱模起始阶段承受到最大的脱模阻力，此时最易产生脱模缺陷。当脱模温度T<Tcr时，脱模阻力随着脱模温度的降低而增大，微结构的脱模越困难，同时当微结构距离生坯的几何中心越远，在脱模过程中承受的应力也越大，越容易受到破坏。当脱模温度T>Tcr时，在脱模过程中的任意时刻生坯的各个微结构处于相同的应力状态。在硅模具表面沉积类金刚石膜或自组装硅烷烃膜，均可以有效降低生坯微结构与模具间的摩擦系数，减少对模具的磨损和提高生坯的脱模质量。本项目的研究结果可为粉末微注射成形的广泛应用提供理论依据。