陶瓷微注射成形粉末喂料微尺度流变机理与分析方法研究

Investigation of micro-scale rheology of feedstock in micro ceramic injection molding is not only important for manufacturing well replicated micro components but also lays a solid theoretical foundation for process automatation. In micro ceramic injection molding, the feedstock exhibits micro-scale fluid flow which differs from coventional flow. Size reduction of the micro channel increases the effect of wall slip on micro-scale fluid flow of feedstock. Due to collective molecular motion effects and momentum exchange between moving molecules, the depth of the micro-channel and the radius of polymer gyration exert influence on micro-scale viscosity. Thus, the research is aimed to investigate the effect of wall slip and micro-channel size on the micro-scale fluid flow based on the in-house feedstock. A model is to be developed to simulate wall slip of non-Newton fluid by considering the temperature and pressure dependence of wall slip velocity and a viscosity model at micro-scale is to be established. By exploring wall slip and viscosity in micro channel, the rheology mechanism of the micro-scale fluid flow of the feedstock is studied, which lays a foundation for automatation of the process. The study is of theoretical and engineering importance for micro ceramic injection molding.

陶瓷微注射成形粉末喂料微尺度流变机理的研究不仅对制造充型良好的微型器件具有重要作用，也能为智能化控制建立必要的理论基础。陶瓷微注射成形中，粉末喂料的微尺度流动不同于宏观尺度流动，尺寸效应凸显。不仅微通道尺寸的下降会增加壁面滑移对粉末喂料微尺度流动的影响，微通道尺寸和聚合物分子回转半径在分子趋向效应和移动分子间动量交换的作用下，也会影响熔体微尺度流动粘度。本项目基于已开发的陶瓷微注射成形粉末喂料，从壁面滑移和微通道尺寸对熔体微尺度流动的影响入手，探索粉末喂料的微尺度流变机理和分析方法。本项目拟探讨温度及型腔压力对壁面滑移速度的影响规律，建立非牛顿流体壁面滑移模型，发展粉末喂料微尺度粘度的表征方法。通过深入探讨壁面滑移和微通道尺寸作用于充填过程的演化规律，揭示粉末喂料微尺度流动的内在机理，探索陶瓷微注射成形的控制原理。本研究对于陶瓷粉末微注射成形具有重要的理论与工程意义。

微系统与其相关产品的蓬勃发展，使得市场对微型零件的需求急剧增加。陶瓷微注射成形粉末喂料微尺度流变机理的研究对近净成形复杂三维形状的微型零件提供了重要的理论基础。通过在毛细管流变仪上选用不同口径的长口模、零口模对陶瓷氧化锆喂料进行实验研究，发现喂料属于非牛顿假塑性流体,喂料的粘度随着温度降低而降低，喂料的粘流活化能随着剪切速率的提高而减小。当剪切速率不高于400 s-1时，其粘流活化能值较剪切速率大于800 s-1时高出30%。这是因为随着剪切速率的提高，喂料中粘结剂组分的分子缠结遭到破坏，从而分子间的吸引力减弱，克服势垒需要的能量减少。当喂料熔体流经的通道尺寸不同时，在相同的剪切速率下对应的剪切应力不同，这表明氧化锆喂料熔体流动时出现了壁面滑移。壁面滑移的产生是因为两相流体中低粘度相在壁面处富集形成一个薄的滑移层。采取适用于非牛顿流体的修正Mooney方法求解壁面滑移速度，确定了壁面滑移模型。分析、拟合了氧化锆喂料熔体在不同尺寸的通道中（500微米和1毫米）的流变行为，建立了粘度方程。在探索陶瓷微注射成形粉末喂料微尺度流变机理的基础上，以兼具毫米级通道和微米级通道的电磁先导阀阀芯顶杆为研究对象，对壁面滑移与非壁面滑移模型进行对比，建立了适用于陶瓷微注射成形的数值模拟模型，并开发了阀芯顶杆的微注射成形模具。在数值模拟的基础上分析了陶瓷微注射成形阀芯顶杆的充填原理和工艺控制，其中包括注射速度、注射温度和模具温度对微注射成形微型零件质量的影响，并通过实验进行了验证。通过数值模拟获得了陶瓷微注射成形阀芯顶杆温度场与应力场的分布规律，分析了其温度场、粉末体积分数分布以及应力场与微注射成形阀芯顶杆质量之间的关系，并通过调整微注射成形参数得到了成形质量良好的氧化锆阀芯顶杆。这些数值模拟可以指导实际，有助于获得成形质量优良的微型零件，为微系统的制造提供必要的支持。