超声与微尺度效应多因素耦合对微注塑流动和微塑件质量影响的研究

针对微注塑成形领域一直存在微尺度效应引起熔体充模流动困难和微塑件填充不完整及收缩变形等质量缺陷，这一阻碍微注塑成形技术发展的关键瓶颈问题，集成应用现代超声、可视化与示踪粒子技术及分子动力学模拟和TEM观测等方法，深入研究超声外场作用下微尺度效应的表现行为和变化特征，对微注塑充模流动和微塑件质量性能影响的微观机理，揭示在微尺度效应基础上叠加超声外场作用时，超声参数、微尺度效应和微注塑工艺等多因素耦合作用，对微模具流场中的聚合物熔体从分子链段自身活动能力、链结构形态演变及冷却凝聚时的分子结晶取向与堆彻排列和凝聚态结构特性，到微塑件质量性能形成全过程的内在因素作用机理和外界因素影响规律；建立超声场作用下的微注塑流动理论及微尺度效应、超声参数和微注塑工艺与微塑件质量性能之间的关系模型；形成超声外场─微注塑成形一体化加工理论和新的应用技术，为高品质微型塑件的注塑成形，提供有效的理论依据与技术支撑。

微尺度效应是影响微注塑熔体充模流动和微制件成型质量的关键因素，本项目提出借助超声外场能量来激发高聚物分子自身的内在活性，加速充模流动中的高聚物分子微观形态调整或构象变化，以减小微尺度效应引起的熔体充模流动困难，进而提高微模具型腔的填充性能和微制件的成型质量。采用理论分析、数值模拟和成型试验方法，重点研究了微通道中熔体流动时的粘性耗散、对流换热和壁面滑移等微尺度效应对熔体流动的影响机理，建立了能够较为准确地表征超声外场作用下微通道中熔体流动的粘性耗散和对流换热理论模型；并以微流控芯片、微圆柱阵列结构和细胞培养皿微型制件为对象,设计制造了微注塑模具并进行成型试验，研究了超声外场作用对微模具型腔填充性能和制件质量的影响关系，发现超声外场能够有效提高微模具型腔的填充性能，提高幅度可达18%；同时采用示踪粒子可视化成型试验方法，研究了超声外场作用对高聚物熔体充模流动行为的影响，获得了熔体流动前沿形态和分子运动轨迹、流场速度分布及玻纤取向状态变化规律，发现超声外场能使分子沿流动方向的直线性运动轨迹更长，流场速度加快且分布均匀；高玻纤含量时熔体中的玻纤取向性明显增强；选用薄壁平板型制件进行成型试验，研究了超声外场对制件填充质量、成型收缩和力学性能的影响规律，发现超声作用能够明显提高制件填充质量，降低成型收缩率，提高制件拉伸强度，最高超过40%。采用分子动力学方法，模拟了纳米尺度通道中高聚物分子的流动行为，发现通道壁面作用对分子流动影响明显；光滑壁面时，边界处易发生速度滑移；而粗糙壁面时，滑移现象消失。而施加超声外场作用时，高聚物分子链流动形态更加舒展，取向明显；分子流动速度加快，壁面滑移速度有所增大，分子扩散能力大大增强；这表明超声外场的激励作用能够改变分子链的运动形态，使其更容易流动。通过项目综合研究，深入揭示了微注塑充模流动中的微尺度效应对熔体流动的影响机理和超声外场作用对高聚物分子流动及其形态变化的影响规律，获得了超声外场与微尺度效应及工艺参数多因素耦合作用，对熔体充模流动和微制件质量的影响关系，形成了基于超声外场作用的微型制件注塑成型理论和应用技术，为微型制件注塑成型加工提供了有效的理论依据和技术支持。