复杂形状超光滑表面器件多维超声辅助精密注塑方法的基础研究

The fabrication of polymer devices with complex shape and ultra-smooth surface is a new challenge for precision injection molding technology, the traditional injection molding technology cannot meet simultaneously the requirements of high shape replicability, accuracy stability and surface/subsurface integrity by the mold temperature rapid increasing and cooling. In this project, a new method of precise injection molding based on multi-dimensional ultrasonic vibration is proposed. In order to reveal the precision injection molding mechanism of polymer device with the complex shape and ultra-smooth surface under the multi-dimensional ultrasonic vibration, the flow and rheological behavior, the aggregation structure, the mechanism of the surface interaction (adhesion, and the friction behavior) of polymer materials induced by the multi-dimensional ultrasonic vibration are investigated. And on this basis, multi-dimensional ultrasonic vibration assisted precision injection mold system and technology are developed. During injection molding, the multi-dimensional ultrasonic vibration will online change flow behavior of the polymer melt, and perfect the aggregation structure of polymer material, and optimize the adhesion and the friction between polymer surface and the mold cavity, thus, the precision and efficient production of polymer device with the complex shape and ultra-smooth surface is achieved. This project will expand the application fields of the higher character polymer materials and promote the development of manufacturing technology of polymer devices with complex shape and high surface quality surface.

复杂形状超光滑表面聚合物器件的制造是精密注塑成型技术面临的新挑战，传统注塑成型技术仅依靠提高模具温度和快速冷却的方法无法同时满足高形状复原性、精度稳定性和表层/亚表层完整性的要求。本项目提出多维超声振动辅助复杂形状精密注塑成型的新方法，针对多维超声波作用下复杂形状型腔中聚合物材料流态演变及流变行为、聚集态结构形成、表面作用机制（吸附、摩擦行为）等基础理论问题进行研究，揭示多维超声波振动作用下复杂形状器件精密注塑成型机理。并开发多维超声波振动辅助精密注塑模具系统及工艺，通过多维超声波振动在线改变聚合物材料的流动状态和聚集态结构，优化脱模阶段聚合物表面与型腔表面的粘附和摩擦行为，从而提高聚合物材料的充模能力以及制品的力学性能和表面质量，实现复杂形状超光滑表面聚合物器件高效生产。本项目的研究将拓展高性能聚合物材料的应用领域，促进复杂形状高表面质量聚合物器件制造技术的发展。

航空、汽车、新能源等产业为了应对燃料成本上升、降低 CO2 排放和越来越严苛的环保法律法规，都在开发可持续发展的方案。其中采用“以塑代钢”的轻量化技术是降低能耗，提高能源利用效率的最有效手段之一。随着在航空航天、汽车、新能源等领域器件的制作中，低密度、低摩擦性、高耐磨性、高刚性、高强度的高性能聚合物材料逐渐取代传统的金属材料，批量化的聚合物器件的制造技术成为关注的焦点。在本研究中，提出了基于多维超声振动复杂形状超光滑精密注塑成型新方法，突破现有聚合物器件精密注塑方法的瓶颈和工艺限制，在不大幅提高模具温度、注塑速度等工艺参数的前提下多维度全面改善复杂型腔内聚合物流动性和聚集态结构，消除传统精密注塑过程中器件表面形成的熔接痕、收缩变形、彩虹纹等缺陷，实现高质量表面聚合物器件精密注成型制造。揭示了多维超声振动作用下聚合物熔体流变行为演变和聚合物材料的聚集态结构形成机制，从理论上阐明多维超声振动对聚合物器件成型精度、表面缺陷和力学特性的影响机制；在阐明了多维超声作用下聚合物材料与型腔表面作用机制基础上，利用多维超声振动的剥离效应，以及瞬间卸载特性和摩擦力反转特性引起的减摩效应实现复杂形状聚合物器件的无损伤脱模。并研发了可实现复杂形状超光滑器件多维超声辅助注塑成型模具系统和注塑工艺，为实现复杂形状超光滑器件精密注塑成型制造和产业应用奠定了基础。