聚苯乙烯与钛激光透射连接机理、工艺与数值模拟研究

发布时间：2020-08-23 14:33

【摘要】：激光透射连接因具有连接质量好、变形小、效率高、容易操作、非接触式、自动化等优点,从而成为连接生物相容性金属和聚合物的工艺,在医学方面有广泛的应用。然而聚苯乙烯为非极性聚合物,表面能较低,通过激光透射连接的方法无法实现聚苯乙烯与钛的直接连接。本文采用了氧等离子体改性、激光表面处理两种工艺方法实现了聚苯乙烯与钛的连接,并对激光透射连接聚苯乙烯与钛展开了实验与机理研究、工艺研究和温度场数值模拟研究。实验方面:研究了氧等离子体对聚苯乙烯表面改性和激光扫描氧化处理钛这两种工艺,通过激光透射连接实验和拉伸实验对比分析了聚苯乙烯与钛、聚苯乙烯与激光扫描氧化处理的钛、氧等离子体改性处理的聚苯乙烯与钛、氧等离子体改性处理的聚苯乙烯与激光扫描氧化处理的钛这四种不同组合的连接强度,并绘制了连接强度曲线图,研究发现改性处理的聚苯乙烯与激光氧化处理的钛进行连接时的强度是最高的;改性的聚苯乙烯与氧化处理的钛焊接件的拉伸失效形式为界面失效。机理方面:首先通过基恩士显微镜观测焊缝的微观形貌,发现在焊缝处形成了气泡,研究结果表明,细小均匀气泡存在的连接接头强度最高,气泡的形成能够在两连接件之间产生机械铆接作用,因此气泡的形成是连接强度高的一个原因;其次对聚苯乙烯表面、氧等离子体处理的聚苯乙烯表面、钛表面、激光处理的钛表面分别进行了接触角实验,研究了材料在氧等离子体处理和激光扫描氧化处理前后的表面能变化,研究发现氧等离子体处理的聚苯乙烯和激光扫描氧化处理的钛表面能都得到了较大的提高,表面能的提高改善了连接界面处的相容性,是提高连接强度的另一个原因;最后通过X射线光电子能谱分析的方法对连接接头进行界面研究,对不同元素的光电子能谱图进行对照,结果发现,氧等离子体处理的聚苯乙烯与经激光氧化后的钛连接接头处形成了Ti-C、Ti-O化学键,化学键的生成是连接强度高的成因之一。工艺研究方面:利用Isight软件对工艺参数进行初步筛选和灵敏度分析,根据灵敏度分析的结果筛选出对连接强度影响最大的五个工艺参数,分别为激光连接功率、激光连接速率、表面处理功率、表面扫描速率和氧等离子体处理时间,通过响应面法进行试验设计,建立连接强度与工艺参数之间的数学模型,得出工艺参数对连接强度的响应曲面图和等高线图,分析了各工艺参数之间的交互式影响;采用不同的优化准则,得出了最优的工艺参数组合。温度场数值模拟研究方面:通过ANSYS分析软件对连接件进行前处理和加载运算,研究温度场的变化规律,探索激光功率和连接速率对温度场的影响,并将连接宽度的模拟结果与实验结果进行对比,验证所建立模型的准确性。氧等离子体处理和激光氧化处理的方法能够有效解决聚苯乙烯与钛无法实现连接的难题,通过优化工艺参数获得最优的工艺参数组合,该研究为此工艺的工业应用奠定了基础。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG665
【图文】：

植入体,医用高分子材料

于恢复人体的生理系统功能。主要的生物医学植入体有用于治疗有听力障碍患者的人工耳蜗，治疗有心脏疾病患者的心脏起搏器[2]，能够用于治疗患者视觉障碍的视网膜植入体[3]，人工心脏瓣膜，人工肺，气管，支气管支架，骨科矫形器等。可植入的药物投送系统可以根据人体的不同状态释放一些化学药物，如止疼药来进行相应的治疗[4]。但是有些植入体不一定具有生物相容性，直接放入人体内会被排斥并且产生一些不良反应，因此这些植入体就需要采用具有生物相容性的材料进行封装，以确保植入体能够适应人体内复杂的环境。通过大量试验验证后发现许多材料都具有生物相容性，主要分为五大类：生物医用金属材料（如钛及钛合金、金、银、316L 不锈钢）、生物医用高分子材料、生物陶瓷、生物医用复合材料以及生物衍生材料[5]。聚合物具有很多优良的特性，比如抗腐蚀性、高弹性、高强度--质量比等，因此常被用作封装植入体的材料[6]。图 1.1 为医用高分子材料在植入体中的应用[6]。

原理图,激光,原理图,连接技术

江苏大学专业硕士学位论文连接基本原理连接技术是一种既高效又经济的连接技术，从 1970 年开始，激光了快速的发展。图 1.2 为激光透射连接的原理图[7; 8]，激光透射连足上层材料能够透过激光，下层材料对激光要有很好的吸收性，当材料照射在下层材料时，下层材料吸收激光能量，将热量传递到上两连接件的接触面融化，融化状态的连接材料在夹具夹紧力的作用在室温下冷却后，由于范德华力或化学键的作用，从而形成牢固的

连接系统,激光,工作台

第二章实验设备及聚合物表面改性设备S 半导体激光器采用搭接焊，激光器采用 DILAS 半导体激光器进行激光透射连接、控制器、显示器以及三轴联动工作台等组成，如图 2.1 所示。中激光器的型号为 Compact130/140，输出波长为 980±10nm，光斑 ~800μm，输出功率是(0-130)W，工作时温度应保持在 15℃~25℃之为 DyiT，工作台的行程范围是 300mm×300mm×200mm，最大速在电脑终端可以对工作台的移动距离、移动方向和速度大小等进。可手动调节激光头距离工作台的高度，实现离焦量的变化。

【参考文献】