不相容聚合物激光透射连接机理、工艺与数值模拟研究

发布时间：2017-09-03 21:26

  本文关键词：不相容聚合物激光透射连接机理、工艺与数值模拟研究

  更多相关文章： 激光透射连接 微锚接 表面接触角 XPS 响应面 温度场模拟

【摘要】：激光透射连接技术以其精度高、污染小、易控制的优点,越来越多地被应用于热塑性聚合物之间的连接。然而由于聚合物相容性和熔点的差异,不同种材料的连接强度并不是很高。本文通过在玻纤增强尼龙66(GFR-PA66)和尼龙66(PA66)表面镀金属Al层改善材料相容性,提高了聚碳酸酯(PC)/GFR-PA66和聚氯乙烯(PVC)/PA66的激光透射连接强度,对PC/GFR-PA66与PVC/PA66接头的连接机理和工艺进行了研究,并通过有限元模拟了PVC/PA66连接过程中的温度场分布。首先,分别采用冷喷涂技术和磁控溅射技术在GFR-PA66和PA66表面镀金属Al层,改善上下层材料相容性。使用VHX-1000型超景深三维显微镜观察镀层后PC/GFR-PA66、PVC/PA66接头处焊缝的微观组织形貌和纤维分布以及Al原子的分布,分析了焊缝区域由热降解产生的高压均匀小气泡、玻璃纤维与熔融聚合物之间形成的微机械锚接作用以及Al原子在熔融聚合物之间的迁移对接头连接质量的影响。采用表面接触角测量仪研究了金属Al原子的加入对PA66表面接触角的影响(即镀膜后PA66表面自由能的变化),从而计算出镀膜对上下层材料分子范德华力的影响,在物理连接方面解释了接头强度提高的原因。使用XPS分析焊缝处的化学键信息,分析了连接过程中生成了新化学键Al-O-C和Al-Cl,从而在化学反应的原理上解释了形成高强度接头的原因。然后,使用响应面法(RSM)对实验过程进行了设计规划,建立了工艺参数(溅射参数和焊接参数)与接头宽度和连接强度之间的数学模型,分析了工艺参数对连接质量的交互式影响,同时基于最大连接强度和最小焊接成本(最小焊缝宽度)的原则,优化了工艺参数组合。最后,运用ANSYS软件建立了PVC与PA66激光透射焊接的温度场有限元模型,得到了接头连接界面处温度场随时间变化的规律。通过数值模拟计算了在不同激光功率或扫描速度条件下,接头焊缝处温度场和接头宽度的变化趋势,结果与实验趋势基本一致,验证了温度场有限元模拟结果的准确性,为通过有限元模拟优化工艺参数提供了依据。本文为研究相容差的异种热塑性聚合物之间激光透射连接的机理奠定了理论基础,同时也为实际工业应用中的激光透射连接PA66与其他聚合物提供了技术支持。
【关键词】：激光透射连接 微锚接 表面接触角 XPS 响应面 温度场模拟
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG456.7
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-22
• 1.1 引言11-12
• 1.2 激光透射连接原理12-14
• 1.3 国内外研究现状14-19
• 1.3.1 对透射连接工艺和接头连接机理的研究14-18
• 1.3.2 激光透射连接数值模拟研究18-19
• 1.4 国内外现状评述与课题提出19-20
• 1.5 主要研究内容与意义20-21
• 1.6 课题来源21-22
• 第二章 聚合物表面金属化方法22-29
• 2.1 化学改性22-24
• 2.1.1 化学沉积（化学镀）22-23
• 2.1.2 电沉积（电镀）23-24
• 2.2 物理改性24-28
• 2.2.1 真空蒸发镀膜24-25
• 2.2.2 离子镀25-26
• 2.2.3 磁控溅射26
• 2.2.4 热喷涂26-27
• 2.2.5 冷喷涂27-28
• 2.3 本章小结28-29
• 第三章 玻纤增强PA66（GFR-PA66）与PC的激光连接性能及接头连接机理研究29-43
• 3.1 实验方案29-33
• 3.1.1 实验材料的选择29-30
• 3.1.2 材料冷喷涂前处理30-31
• 3.1.3 实验检测方法及设备31-33
• 3.2 实验结果分析及讨论33-42
• 3.2.1 气泡对接头连接强度的影响33-34
• 3.2.2 玻璃纤维对接头连接强度的影响34-36
• 3.2.3 Al原子分布对接头强度影响36-37
• 3.2.4 X射线光电子能谱分析（XPS）37-42
• 3.3 本章小结42-43
• 第四章 改性PA66与PVC的激光透射连接机理与工艺研究43-64
• 4.1 实验方案43-46
• 4.1.1 实验材料的选择43-44
• 4.1.2 材料磁控溅射前处理44
• 4.1.3 实验检测方法及设备44-46
• 4.2 实验优化方法46-47
• 4.2.1 响应面法RSM概述46
• 4.2.2 RSM实验设计方法46-47
• 4.2.3 RSM数据处理47
• 4.3 实验结果与讨论47-63
• 4.3.1 接触角与表面能47-50
• 4.3.2 气泡对接头连接质量的影响50-51
• 4.3.3 Al原子分布对接头连接质量的影响51-52
• 4.3.4 化学键生成对接头连接质量的影响52-55
• 4.3.5 工艺参数对接头连接质量的影响55-63
• 4.4 本章小结63-64
• 第五章 激光透射连接PVC和PA66的温度场数值模拟64-78
• 5.1 激光透射连接温度场模拟相关理论64-68
• 5.1.1 有限元法概述64-65
• 5.1.2 激光透射连接的温度场理论分析65-66
• 5.1.3 激光透射连接温度场有限元求解方法66-68
• 5.2 温度场有限元模拟过程68-72
• 5.2.1 前处理68-70
• 5.2.2 加载及计算70-71
• 5.2.3 后处理71-72
• 5.3 温度场模拟结果及分析72-77
• 5.3.1 温度场变化规律72-73
• 5.3.2 激光功率对温度场的影响73-74
• 5.3.3 扫描速度对温度场的影响74-75
• 5.3.4 模拟结果与实验结果的对比75-77
• 5.4 本章小结77-78
• 第六章 总结与展望78-80
• 6.1 研究结果与总结78-79
• 6.2 展望79-80
• 参考文献80-87
• 攻读硕士学位期间承担科研情况及主要成果87-88
• 致谢88

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本文编号：787418