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基于超声振动的细胞培养皿微型腔填充性能的研究

基于超声振动的细胞培养皿微型腔填充性能的研究

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作者：蒋天明大连理工大学

学位级别：硕士

微注塑成型以其可实现高效率、低成本、大批量自动化生产微型制件等优点,在微机电领域获得广泛应用。但微型制件成型过程中因模具型腔整体或局部特征尺寸微小,使聚合物熔体的充模流动十分困难,尤其当制件的结构复杂时,熔体填充微模具型... 详细信息

微注塑成型以其可实现高效率、低成本、大批量自动化生产微型制件等优点,在微机电领域获得广泛应用。但微型制件成型过程中因模具型腔整体或局部特征尺寸微小,使聚合物熔体的充模流动十分困难,尤其当制件的结构复杂时,熔体填充微模具型腔时的流动阻力将会成倍增加,极易引发微型制件填充不完整等质量缺陷,严重影响微制件的成型质量。本文在深入分析微注塑成型特点和超声振动在聚合物成型加工领域研究现状的基础上,提出将超声振动应用到微注塑成型中,借助超声外场的高频振动作用产生的热及机械等效应来降低聚合物熔体的粘度,从而改善其充模流动性能。首先以生物医学领域应用的带有复杂结构的细胞培养皿微型制件为对象,设计制造了具有超声振动功能的微注塑成型模具,实现了微注塑成型系统与超声振动系统的有效集成。然后,应用所设计的细胞培养皿超声辅助微注塑成型模具,以HDPE和PP两种聚合物材料,进行了施加和不加超声振动的单因素和正交成型实验,研究了工艺参数和超声参数变化,对微模具型腔填充性能的影响关系。结果显示,不加超声振动时,除增大注射速率使PP材料的微型腔填充率稍有降低外,增大其他工艺参数均可使HDPE和PP材料的微型腔填充率明显增加;而施加超声振动时,当超声功率一定,而超声频率分别为20KHz、25KHz和30KHz时,HDPE的微型腔填充率均随着超声功率的增加而增加,PP材料则除了在超声频率为25KHz时,其微型腔填充率随着超声功率的增加而增加外,其余两种频率下,其微型腔填充率是随着超声功率的增加而先增大后减小,分析认为这是由于超声振动引起PP材料的结晶和解取向程度增加,导致制件的体积收缩增大,进而使其微型腔填充率下降。最后,通过对填充型腔的熔体温度和压力的测量,分析了超声外场的热效应和机械效应对聚合物熔体填充流动行为作用机理。通过X射线衍射、红外光谱扫描、偏光显微镜等微观测试分析,研究了超声外场作用对制件成型过程中的分子结晶、取向和降解的影响规律。分析结果表明,超声振动产生的热效应使聚合物熔体分子链的活性和热运动增强,熔体温度升高;超声振动以声压的形式叠加于熔体流动方向的剪切力场,相当于对熔体施加一个脉动冲击作用力,加速了大分子充模流动,使熔体在流动过程中的压力损失减少;超声产生的高频剪切振动会使大分子链断裂,引起聚合物产生不可逆的化学降解,这些作用都会使熔体粘度降低,有利于微型腔填充率的增加。

关键词：超声振动工艺参数微模具型腔细胞培养皿超声作用机理

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铝合金随焊超声冲击焊缝组织改变及影响机理研究

铝合金随焊超声冲击焊缝组织改变及影响机理研究

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作者：葛洪亮哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随焊超声冲击焊接方法是基于课题组超声TIG复合焊接方法改进而来的焊接方法。本课题在以往研究的基础上,着重探究超声加入对焊接组织细化行为、气孔行为的影响规律及其作用机理。对在已有随焊超声冲击系统基础上,换用可以在试板上连续... 详细信息

随焊超声冲击焊接方法是基于课题组超声TIG复合焊接方法改进而来的焊接方法。本课题在以往研究的基础上,着重探究超声加入对焊接组织细化行为、气孔行为的影响规律及其作用机理。对在已有随焊超声冲击系统基础上,换用可以在试板上连续滚动的变幅杆,对该系统进行改进。对于超声促进异质形核作用的研究,主要通过对2mm厚铝锂合金和纯铝的连续焊和定点焊方式进行试验。在电弧点燃时施加超声,铝锂合金定点焊焊点内出现大量细小等轴晶,取代了柱状晶。而纯铝定点焊试验中则没有出现晶粒细化现象。在纯铝定点焊熔池中添加氧化铝粉末时,焊点组织出现大量等轴晶。试验结果表明,超声具有促进第二相异质形核作用,这是通过空化、声流等作用,改善了熔体对第二相质点的润湿以及提高了熔体的熔点而实现的。在此基础上进行超声打碎晶粒试验研究。利用纯铝不产生异质形核作用而细化组织的特点,在纯铝定点焊电弧熄弧后施加超声,出现了晶粒被超声扭曲、打碎的现象。其中,熔合线附近的柱状晶被声流作用产生的弯曲应力冲击,产生变形,空化作用使其变形增加甚至断裂。焊点中心区,晶粒组织受到空化作用的影响,明显细化,平均晶粒尺寸由无超声时75μm减小到40μm左右。晶粒的形状因子增大,形状因子小于0.6晶粒所占比例由60%下降到20%到30%。超声促进异质形核作用与超声功率有关,而打碎晶粒作用与晶粒所在的位置有关。两者存在相互影响、制约的关系。焊缝中心处,打碎晶粒作用的产生有助于促进形核作用的产生。形核作用产生后反过来限制了打碎晶粒作用,两者总体效果是使晶粒组织更加细化。最后进行了超声对气孔行为的影响研究。加入超声后,焊缝中的总气孔率下降了30.4%到60.8%,而焊接速度由200mm/min降低至100mm/min时气孔率下降了13%。气孔率随超声功率的增加呈现出先降低后升高的趋势。此外超声区的气孔大小也产生了变化,气孔尺寸和气孔率规律相同。利用点式激光测振仪对熔池中振动进行测量,结果表明,超声功率的增加使熔池中超声空化程度增加。综合这些结果,分析得出超声对气孔行为的影响机理。在功率较小时,瞬态空化产生气核,有助于气泡产生、长大以及上浮逸出,当功率较大,空化作用太剧烈,产生气泡过多,部分气泡来不及逸出。故产孔率随超声功率增加呈现出先降低而后升高的变化趋势。

关键词：随焊超声冲击形核打碎晶粒气孔行为超声作用机理

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