超声对微熔体黏性耗散及对流换热影响的研究

摘要

微机电系统(Microelectromechnical Systems，MEMS)技术及产品的快速发展，对微注塑成型制件的质量要求越来越高。但聚合物微制件成型时因其整体或局部结构尺寸微小，进而引发的熔体流动时的黏性耗散、对流换热、壁面滑移、表面张力及双电层效应等因素的作用明显增强，尤其是黏性耗散和对流换热行为对熔体流动特性的影响，直接导致熔体充模流动时的黏度及流场速度的变化，进而影响微模具型腔的填充质量。
　　本文基于对微注塑成型过程的熔体流动特性及影响熔体流动的微尺度因素的深入分析，提出采用理论分析、数值模拟和成型试验相结合的方法，研究微尺度通道中聚合物熔体流动时的黏性耗散和对流换热行为及其耦合作用对熔体流动的影响。首先依据聚合物流变学理论并结合微尺度通道中熔体流动的特点，分析了有无超声外场作用时，微通道中熔体流动时的黏性耗散和对流换热行为及其对熔体流动特性的影响，建立了考虑超声外场作用的黏性耗散数学模型。同时应用POLYFLOW软件对不同聚合物熔体在不同工艺参数作用下，流经长度12mm，截面尺寸为300×300μm的正方形微通道时的黏性耗散和对流换热行为进行了数值模拟。结果表明，黏性耗散作用明显强于对流换热。
　　应用超声辅助振动微注塑模具，采用单因素成型试验方法，对PP、HDPE、POM和ABS四种聚合物材料，在施加与不加超声外场作用时，以不同熔体温度、模具温度、注射压力和注射速度，流经不同尺寸矩形截面微通道时的黏性耗散和对流换热引起的微通道出、入口熔体温度差进行了试验测量。结果显示，无论有无超声外场作用，四种材料的微通道的出、入口熔体温差值均随注射压力和注射速度的增加而增大，随熔体温度和模具温度的升高而减小。同时，施加超声振动时的微通道出、入口熔体温差值高于不加超声振动。而微通道截面尺寸及工艺参数和超声功率一定时，聚合物的分子结构和热物理性能不同，其微通道出、入口的熔体温差值明显不同;但增大超声功率均可使其微通道出、入口的熔体温差值进一步增大。这表明施加超声外场作用可使微通道中熔体流动时的黏性耗散效应明显增强，而其对流换热作用增加有限。这一试验结果与数值模拟和理论模型计算结果得到的微通道出、入口熔体温度变化规律完全一致;但试验测得的熔体温差值小于理论模型计算和数值模拟值，这是由于理论计算和数值模拟时没有考虑通道壁面滑移和表面张力等微观因素的影响，而试验测量时存在这些因素。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 微注塑成型中黏性耗散和对流换热的研究现状

1．3 超声技术在微注塑成型领域的应用研究

1．4 课题主要研究内容

2 微注塑充模流动中黏性耗散和对流换热的理论基础

2．1 微注塑成型与常规注塑成型的差异

2．2 聚合物充模流动理论

2．3 微注塑充模流动中熔体的黏性耗散效应

2．3．1 微注塑充模流动中黏性耗散的数学描述

2．3．2 基于超声外场作用的黏性耗散模型建立

2．4 微注塑充模流动中对流换热行为

2．4．1 对流换热及其影响因素分析

2．4．2 对流换热引起的熔体温度变化

2．5 黏性耗散和对流换热对微通道中熔体流动行为的影响

3 超声辅助微注塑成型试验模具设计与制造

3．1 超声辅助微注塑模具设计制造

3．2 超声波的基本理论

3．2．1 超声波的传播特性

3．2．2 超声波类型

3．2．3 超声波的基本作用

3．2．4 超声技术的应用

3．3 超声振动系统设计

3．3．1 超声波发生器的确定

3．3．2 超声波换能器及其选材

3．3．3 超声变幅杆设计

4 微通道中熔体流动时黏性耗散和对流换热的数值模拟

4．1 模拟软件—POLYFLOW简介

4．2 数值模拟中的黏度模型

4．3 数值模拟中的简化和假设

4．4 模拟材料和几何模型

4．5 模拟结果讨论

5 微注塑充模流动中熔体黏性耗散和对流换热的试验测量

5．1 试验设备与仪器

5．1．1 注塑成型设备

5．1．2 模温机和水冷机

5．1．3 干燥机

5．1．4 温度传感器及数据采集系统

5．2 试验材料与工艺条件

5．3 试验原理及测量方法

5．4 试验结果分析与讨论

5．4．1 熔体温度不同时微通道出、入口的熔体温度差

5．4．2 注射速度变化时微通道出、入口的熔体温度差

5．4．3 模具温度不同时微通道出、入口的熔体温度差

5．4．4 注射压力变化时微通道出、入口的熔体温度差

5．4．5 超声功率变化对微通道出、入口熔体温差的影响

5．5 成型试验、数值模拟和理论计算结果的对比分析

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文与专利情况

致谢