發(fā)布時(shí)間：2019-02-16 19:05

【摘要】：聚合物微塑件憑借其優(yōu)良的性能,如耐氧化、耐腐蝕、導(dǎo)電率低、抗沖擊性能好以及部分聚合物材料還兼具有較好的透明性、生物相容性和可降解吸收性等特點(diǎn),逐漸取代金屬微制件成為MEMS器件的傳動(dòng)零部件和執(zhí)行零部件。聚合物微成型技術(shù):如微注射、微熱壓及微擠出工藝在生產(chǎn)周期、制造成本、能量消耗、材料的適用范圍、模具結(jié)構(gòu)、成型設(shè)備等都有很大的差別,難以綜合兼顧。當(dāng)今聚合物微成型加工技術(shù)向著低生產(chǎn)成本、低能源消耗、高生產(chǎn)效率、高使用性能等方向發(fā)展,在聚合物微成型加工技術(shù)中引入超聲振動(dòng)作為一項(xiàng)新的塑化成型工藝受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者越來(lái)越多的關(guān)注。本文提出了一種新穎的聚合物微塑件超聲模壓粉末成型工藝(Micro Ultrasonic Powder Molding,簡(jiǎn)稱micro-UPM),該工藝預(yù)先將一定粒度范圍以內(nèi)的聚合物粉末填入料筒和微型腔(包含微型腔鑲塊)內(nèi)部,利用超聲振動(dòng)使得粉末顆�？焖偎芑�,并在超聲沖頭壓力作用下迅速充滿微型腔,之后保壓、冷卻固化而得到微塑件。自制了一套無(wú)流道組合式微模具和不同尺寸的各類微型腔鑲塊,利用micro-UPM工藝成型成功制備出了乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、等規(guī)聚丙烯(i PP)和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)微塑件。搭建了一套帶有測(cè)溫模塊的可視化超聲塑化平臺(tái),定性分析和定量測(cè)量了micro-UPM工藝過(guò)程中微塑件不同區(qū)域的成型溫度曲線,利用動(dòng)態(tài)高速攝像模塊采集了i PP和UHMWPE微塑件成型時(shí)的動(dòng)態(tài)塑化全程視頻。測(cè)溫曲線表明將熔體的成型溫度控制在熔點(diǎn)與降解溫度范圍內(nèi)能才能獲得塑化質(zhì)量良好的micro-UPM微塑件。研究了超聲持續(xù)時(shí)間和超聲塑化壓力對(duì)飛邊厚度的影響,設(shè)置超聲塑化壓力(Pu)恒定的情況下,隨著超聲持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng),微塑件飛邊厚度逐漸變薄,當(dāng)超聲持續(xù)時(shí)間超過(guò)臨界值后,飛邊會(huì)從微塑件基體上自動(dòng)分離。差示掃描量熱儀(DSC)實(shí)驗(yàn)表明:與i PP原料粉末相比,micro-UPM i PP微塑件的熔點(diǎn)提高了約4℃,接近i PP微注塑件的熔點(diǎn)溫度,micro-UPM i PP微塑件的結(jié)晶度則有顯著提升。對(duì)micro-UPM i PP微塑件不同區(qū)域進(jìn)行X射線衍射(XRD)分析,只出現(xiàn)了α晶型,而微注塑成型常見(jiàn)的β晶型則沒(méi)出現(xiàn),與i PP微注塑件相比,micro-UPM i PP微塑件的結(jié)晶取向性不明顯,其晶體結(jié)構(gòu)并未呈現(xiàn)注塑成型常見(jiàn)的“表芯結(jié)構(gòu)”。利用micro-UPM工藝成型出了一系列以超聲持續(xù)時(shí)間為序的i PP微塑件,實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明伴隨著超聲持續(xù)時(shí)間的增加,微塑件的結(jié)晶度數(shù)值和晶粒尺寸不斷減小,其熔點(diǎn)溫度和起始結(jié)晶溫度逐漸向低溫轉(zhuǎn)移,結(jié)晶完善性和內(nèi)部組織的致密性逐漸變好,當(dāng)超聲持續(xù)時(shí)間超過(guò)臨界值(1.2 s),微塑件內(nèi)部組織的致密性則變差,其內(nèi)部出現(xiàn)了孔洞狀結(jié)構(gòu)。退火前后micro-UPM i PP微拉伸試樣的拉伸強(qiáng)度和斷裂延伸率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),微拉伸試樣經(jīng)退火后能顯著改善其微觀力學(xué)性能,但是退火時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使其發(fā)生一定程度的熱降解,退火處理并不會(huì)大幅度改善其微觀力學(xué)性能。利用掃描電鏡(SEM)、偏光顯微鏡(PLM)、DSC、單晶XRD、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和納米壓痕儀等設(shè)備研究了micro-UPM UHMWPE微塑件的熱性能、兩相結(jié)構(gòu)及其形成規(guī)律、成型過(guò)程中的微觀形貌變化和微觀力學(xué)性能。結(jié)合成型過(guò)程中的溫度曲線和動(dòng)態(tài)全過(guò)程的超聲塑化成型視頻研究了micro-UPM工藝的塑化機(jī)理。該工藝?yán)?0 k Hz的高頻超聲振動(dòng),成型出的微塑件體積極小,粉末邊界之間能量高度集中激發(fā)“鏈膨脹”、極大促進(jìn)了分子鏈段擴(kuò)散交聯(lián),使得micro-UPM微塑件達(dá)到幾乎完全的再結(jié)晶相材料,實(shí)現(xiàn)分子鏈段的擴(kuò)散交聯(lián),得到了堅(jiān)固的共晶聯(lián)接,再結(jié)晶相所占的體積分?jǐn)?shù)決定了微塑件的成型質(zhì)量。利用高速鉆孔的方式在印制電路板(PCB)上鉆微孔陣列形成微型腔鑲塊,按照設(shè)定的成型工藝參數(shù)在micro-UPM實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上成型出兩類微圓柱陣列塑件,微圓柱直徑分別為0.15和0.20 mm,所成型出的微圓柱塑件平均直徑均比同規(guī)格的微孔徑尺寸要小10.0μm左右,而高度尺寸則相差不大,圓柱側(cè)面粗糙度也較同規(guī)格的孔壁粗糙度大。DSC和納米壓痕實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:聚合物粉末顆粒未預(yù)熱時(shí),成型出的micro-UPM微圓柱塑件總體上為兩相狀態(tài),包含初生態(tài)和熔化再結(jié)晶兩相,微圓柱部分和基體部分的局部彈性模量值的分布范圍是0.7~1.2 GPa。當(dāng)聚合物粉末預(yù)熱到85℃時(shí),所成型的兩類micro-UPM微圓柱塑件整體則變成為熔化再結(jié)晶單相結(jié)構(gòu),兩類微塑件結(jié)晶度數(shù)值相差不大,分別為54.7%和55.2%,微圓柱部分和基體部分局部彈性模量值分布范圍是0.6~0.8 GPa。單晶XRD實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:當(dāng)原料粉末有預(yù)熱時(shí),所成型出的micro-UPM微塑件基體部分結(jié)晶度大于微圓柱部分,且(110)晶面的晶粒尺寸大于(200)晶面。
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【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ320.662
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本文編號(hào)：2424745