基于超声的精密制件成形凝固机理及其凝聚态结构性能与寿命研究

In forming cooling for precision parts, the Polymer molecules hard to form a neat closely packed condensed state structure. which formed parts always with not-high forming accuracy, poor quality performance and short service life. It exists as a serious impediment for the development and application of precision injection forming technology and its application of high-end parts. This project applies high polymer condensed matter theory, ultrasonic field, the tracer particle with thermochromic materials and molecular dynamics simulation and TEM observation and other methods, to study the whole process of ultrasonic energy from the flow pattern evolution of polymer layers, multi-scale structural characteristics and different levels, to the pile of molecules condensed and aggregated structure. Thus to create conditions from outside to inside for long-chain molecules form a neat closely packed high strength performance aggregated structure. Thereby to reveal the application of ultrasonic field activate molecular inherent flow, to reduce the internal stress and motion resistance, to enhanced the micro mechanism for condensing power when molecular cohesion pyramiding, to model the relationship between the molecular structure of polymer and ultrasonic field and the conditions of forming process and the molecular structure of condensed matter and parts strength properties and the service life, to form a precision plastic forming theory and application technology which based on polymer condensed matter theory and ultrasonic, to provide effectively theory and technical supports for high strength properties parts forming.

针对精密制件成形冷却时，聚合物分子难以快速形成规整紧密排列的凝聚态结构，导致制件尺寸精度不高、强度性能较低和使用寿命较短这一严重阻碍精密注塑成形技术发展及其制件在高端领域应用的关键难点问题，应用高聚物凝聚态理论、超声外场、示踪粒子与示温材料可视化及分子动力学模拟和TEM观测等方法，研究借助超声能量从高分子多层次、多尺度结构特性及其不同尺度单元的流动形态演变历程，到分子凝聚堆砌机制及其凝聚态结构性能的全过程，由外及内为长链分子形成规整紧密排列的高强度性能凝聚态结构创造有利条件；进而揭示应用超声外场激发流动分子自身内在活力，减小不同单元内部应力和运动阻力，增强分子凝聚堆砌时其内在凝聚动力的微观作用机理，建立高分子结构与超声外场和工艺条件及其凝聚态结构与制件强度性能和使用寿命之间关系模型，形成基于高聚物凝聚态理论和超声作用相结合的精密注塑成形理论和应用技术，为高强度性能制件成形提供理论与技术支撑

注塑制件内部的分子凝聚态结构，是保证制件在不同工程领域应用以承受外力和抵抗外界老化因素侵蚀的根本前提。针对注塑成形加工中高聚物分子链难以形成均匀有序和规整紧密排列的结晶或取向态结构，而导致制件力学性能及使用寿命低下的问题，提出利用超声外场能量来激发流动中的高聚物分子自身内在活性，增强制件冷却时的分子凝聚动力，进而成形出具有高强度性能凝聚态结构的制件。采用理论分析、分子动力学模拟和成型实验等方法，重点研究了工艺参数和超声外场及其耦合作用对制件凝聚态结构形成的影响关系和机理，以及制件凝聚态结构与其力学性能和抗老化性能间的内在联系，建立了成型工艺参数和超声外场及其耦合作用下的制件凝聚态结构与其力学性能和抗老化性能间的关系模型。并以平板和壳体制件为对象，设计制造了实验模具并进行成型试验。研究了工艺参数与超声外场及其耦合作用，对制件内部分子形成凝聚堆砌结构的影响规律。研究发现注射压力是驱动分子链形成规整取向排列，进而生成晶核并生长为晶体的根本前提；熔体及模具温度是保证流动分子具有足够的内在能量和运动活性，使其快速凝聚堆砌成为晶体结构的基本保证。而适当的超声外场与工艺参数耦合则能有效增强分子运动活性，促进更多的分子或局部链段形成晶核并生长为晶体，使制件结晶度明显提高。分子动力学模拟也显示同样的结果。同时采用示温材料可视化成型试验，研究了模腔内熔体温度变化与制件内部凝聚态结构形成之间的关联关系，获得了制件凝固过程中的熔体温度变化规律。在此基础上，对不同工艺参数和超声外场作用下成型的具有不同内部凝聚态结构的制件，进行了多种方式的老化实验与测试，获得了不同老化作用因素对制件凝聚态结构的侵蚀机理及制件抗老化性能和力学性能间的关联关系。同时发现，施加超声外场作用下的制件其力学性能和抗老化侵蚀能力都明显提高。通过项目的系统研究，形成了基于超声外场作用的注塑制件成型加工理论与技术。