微注塑充模流动中粘性耗散的研究

作     者：贝海鑫 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于同敏

授予年度：2010年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：微注塑成型 粘性耗散 数值模拟 毛细管流变仪 实验测量 

摘      要：微着微机电系统(MEMS)技术的发展,以单一的硅基材料制作的微小制件,已不能满足不同领域微系统产品对制件性能和质量的要求。高聚物材料因其具有质量轻、力学性能高、耐腐蚀等特点,使其通过微注塑成形方法制得的微小塑件在MEMS领域中获得了广泛应用。但微注塑成形时表现出许多与常规注塑成形不同的熔体流动行为,尤其是粘性耗散效应引起的微模具中的熔体温度变化,直接导致熔体充模流动时剪切粘度和速度梯度等流变参数发生变化,进而影响到微注塑成形的充模流动和微塑件的质量。 本文在对微尺度流动理论研究现状深入分析的基础上,以微注塑成形充模流动中的粘性耗散效应为对象,提出采用理论分析、数值模拟与实验测量相结合的方法,对微模具中熔体流动时的粘性耗散效应对充模流动的影响进行了深入研究。并借鉴传统注塑成型充模流动理论的研究方法,结合微注塑成形过程的实际特点,研究了微尺度条件下聚合物熔体充模流动的控制方程、本构方程,分析了粘性耗散作用机理及其对熔体充模流动行为的影响。 通过采用双料筒毛细管流变仪,对PMMA, POM, ABS, PP和PS五种聚合物熔体,流经不同尺寸口模时的剪切粘度值进行测量,并对测量结果应用Matlab软件进行数据拟合,得到Cross-WLF粘度模型参数,再用Polyflow分析软件,对不同聚合物熔体流经不同微通道过程中的温度和剪切粘度分布进行数值模拟,获得了剪切速率、入口温度等工艺参数以及微通道特征尺寸与截面形状对粘性耗散作用的影响关系。 同时采用与数值模拟相同的条件,应用以毛细管流变仪为基础自行研制的粘性耗散测量装置,对五种聚合物熔体在不同入口温度和剪切速率下,流经具有不同长径比以及直径分别为350μm和500μm的圆形截面口模与当量直径同样为350μm和500μm矩形截面口模时,由粘性耗散效应引起的口模出口熔体温升值进行了实验测量。并通过Excel软件获得了不同材料、不同口模尺寸和工艺参数条件下的实验结果曲线。 实验与模拟结果均表明,随着微通道直径或当量直径与长径比的减小,粘性耗散作用逐渐减弱;随着熔体入口温度的降低,粘性耗散作用逐渐增强;且矩形截面微通道中熔体的粘性耗散作用明显强于圆形截面微通道。这表明其他条件相同时,微通道的截面形状对熔体充模流动具有重要影响。对比实验与模拟结果还发现,熔体流经微通道过程中,其出口熔体温升是粘性耗散与通道壁面热传导综合作用后的结果,实际的粘性耗散生热量要高于实验测量值。