聚合物激光辐照融化机理及微结构成型特征研究

摘要

聚合物微结构件在微机电系统和微分析系统中具有重要的应用，其成型工艺是国内外学者研究的热点。本文在分析现有聚合物微结构成型加工方法的基础上，提出基于激光辐照融化机制结合模具技术的聚合物微结构成型方法，采用理论分析、数值模拟和实验相结合的方法，进行聚合物激光辐照瞬态温度场及微结构特征融化成型的理论和实验研究，主要工作如下: 1.聚合物激光辐照融化理论研究。在系统分析激光能量—聚合物相互作用温度场的光热效应理论模型基础上，研究聚合物宏观形态变化和微观高分子运动机制;基于激光和聚合物相互作用理论，分析聚合物吸收激光能量的融化物理模型;通过建立聚合物激光辐照融化的能量平衡方程，从理论上推导聚合物温度变化与激光参数之间的相互关系，解析计算典型聚合物激光辐照融化的能量阈值，分析聚合物表面融化和整体融化过程特点及其控制方法，为深入研究聚合物激光辐照融化机制提供理论依据。 2.聚合物激光辐照融化形貌和组织特征分析。采用激光扫描辐照和定位辐照两种方式，进行聚酰胺PA12、聚氨酯TPU和聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的CO2激光融化实验，采用光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)分析激光辐照融化后的试样表面宏观和微观形貌特征，采用X射线衍射仪(XRD)分析激光辐照融化后试样微观组织变化，研究激光辐照融化对聚合物材料组织特征的影响，为选择适合激光辐照融化成型的聚合物材料提供依据。 3.聚合物激光辐照融化瞬态温度场数值模拟。构建以COMSOL有限元软件为平台的聚合物激光辐照融化温度场分析模型，模拟试样在激光直线扫描、矩形扫描、圆周扫描和定位辐照等不同方式作用下的温度场分布，分析激光扫描辐照过程中扫描路径、扫描速度、激光功率和光斑直径等激光参数对试样温度场变化影响;讨论激光定位辐照过程中激光功率、光斑直径、辐照时间以及试样厚度对温度场变化影响，明晰试样最高温度和最低温度变化以及二维和三维瞬态温度场分布特征，建立激光参数与试样温度场分布及其评价指标的关系模型，为激光辐照融化成型实验的工艺参数选择提供参考。 4.聚合物微结构特征激光辐照融化成型实验研究。在聚合物激光辐照融化实验和温度场数值模拟分析基础上，提出聚合物微结构特征的激光融化成型方法，明晰激光融化成型机理，分析激光融化成型工艺特点和要求。研制激光扫描辐照和定位辐照融化成型实验装置，进行PMMA微结构特征的激光融化成型试验，采用三维数码显微系统(VHX-1000)分析微结构表面形貌和测试微结构尺寸，验证聚合物微结构特征激光融化成型的可行性和有效性。 5.聚合物微结构特征激光融化成型质量评价与控制。针对激光扫描辐照融化成型的PMMA微结构试样，通过测试成型件微结构特征的尺寸偏差和表面粗糙度，分析激光功率、激光辐照时间、激光扫描速度、模具温度、模板表面粗糙度、成型压力和保压时间等工艺参数对成型质量的影响;采用MINITAB软件进行正交试验设计，进行多因素多水平交互作用的实验统计和分析，通过方差分析，研究工艺参数对成型质量的影响程度，通过工艺参数优化组合，形成聚合物激光融化成型工艺准则，为聚合物微结构激光融化成型的质量控制提供依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 聚合物微加工技术概述

1．3 聚合物微结构成型加工研究现状

1．3．1 微注塑成型

1．3．2 微热压成型

1．3．3 激光刻蚀

1．3．4 激光光致热塑成型

1．4 本课题研究意义及主要内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 研究内容

第二章 聚合物激光辐照融化理论研究

2．1 聚合物激光辐照理论基础

2．1．1 聚合物与激光相互作用

2．1．2 聚合物与红外激光相互作用

2．1．3 聚合物红外激光光热效应

2．2 聚合物激光辐照融化理论模型

2．2．1 激光辐照融化物理模型

2．2．2 能量方程

2．3 聚合物激光辐照融化解析计算

2．3．1 吸收层温度变化

2．3．2 能量转换计算

2．4 本章小结

第三章 聚合物激光辐照融化形貌和组织特征

3．1 实验设备及试样

3．2 测试方法

3．3 激光辐照融化宏观形貌

3．3．1 定位辐照宏观形貌特征

3．3．2 扫描辐照宏观形貌特征

3．4 激光辐照融化微观形貌

3．4．1 定位辐照表面微观形貌

3．4．2 扫描辐照试样表面微观形貌

3．4．3 扫描辐照试样剖面微观形貌

3．5 激光辐照融化结晶度

3．6 本章小结

第四章 聚合物激光辐照融化温度场数值模拟

4．1 激光辐照融化温度场数值模拟方法

4．1．1 COMSOL有限元软件简介

4．1．2 激光辐照融化温度场数值模拟的关键问题

4．2 直线扫描辐照温度场模拟

4．2．1 直线扫描模型

4．2．2 加载和模拟

4．2．3 温度场影响因数分析

4．3 矩形扫描辐照温度场模拟

4．3．1 矩形扫描模型

4．3．2 加载和模拟

4．3．3 温度场影响因素分析

4．4 圆周扫描辐照温度场模拟

4．4．1 圆周扫描模型

4．4．2 加载和模拟

4．4．3 温度场影响因素分析

4．5 定位辐照温度场模拟

4．5．1 定位辐照模型

4．5．2 模拟与结果分析

4．5．3 温度场影响因数分析

4．6 本章小结

第五章 聚合物微结构特征激光辐照融化成型实验

5．1 基本工作原理

5．2 实验系统

5．2．1 实验装置总体设计

5．2．2 激光设备和材料

5．3 激光扫描辐照融化成型实验

5．3．1 成型件设计

5．3．2 实验装置

5．3．3 实验方法与结果分析

5．4 激光定位辐照融化成型实验

5．4．1 成型件设计

5．4．2 实验模具

5．4．3 实验方法与结果分析

5．5 本章小结

第六章 聚合物微结构特征成型质量评价与控制

6．1 试验准备

6．2 尺寸精度分析

6．2．1 尺寸偏差测试

6．2．2 尺寸精度影响因数分析

6．3 表面粗糙度分析

6．3．1 表面粗糙度测试

6．3．2 模具表面粗糙度对成型质量影响

6．4 基于Minitab的工艺因数影响分析与优化

6．4．1 正交数组实验设计模型

6．4．2 正交数组实验设计的统计与分析

6．4．3 工艺参数优化

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 尚待解决的问题与应用前景展望

致谢

参考文献

博士在读期间科研情况