聚合物激光辐照融化机理及微结构成型特征研究

发布时间：2017-05-02 01:01

  本文关键词：聚合物激光辐照融化机理及微结构成型特征研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：聚合物微结构件在微机电系统和微分析系统中具有重要的应用,其成型工艺是国内外学者研究的热点。本文在分析现有聚合物微结构成型加工方法的基础上,提出基于激光辐照融化机制结合模具技术的聚合物微结构成型方法,采用理论分析、数值模拟和实验相结合的方法,进行聚合物激光辐照瞬态温度场及微结构特征融化成型的理论和实验研究,主要工作如下：1.聚合物激光辐照融化理论研究。在系统分析激光能量—聚合物相互作用温度场的光热效应理论模型基础上,研究聚合物宏观形态变化和微观高分子运动机制；基于激光和聚合物相互作用理论,分析聚合物吸收激光能量的融化物理模型；通过建立聚合物激光辐照融化的能量平衡方程,从理论上推导聚合物温度变化与激光参数之间的相互关系,解析计算典型聚合物激光辐照融化的能量阈值,分析聚合物表面融化和整体融化过程特点及其控制方法,为深入研究聚合物激光辐照融化机制提供理论依据。2.聚合物激光辐照融化形貌和组织特征分析。采用激光扫描辐照和定位辐照两种方式,进行聚酰胺PA12、聚氨酯TPU和聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的CO2激光融化实验,采用光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)分析激光辐照融化后的试样表面宏观和微观形貌特征,采用X射线衍射仪(XRD)分析激光辐照融化后试样微观组织变化,研究激光辐照融化对聚合物材料组织特征的影响,为选择适合激光辐照融化成型的聚合物材料提供依据。3.聚合物激光辐照融化瞬态温度场数值模拟。构建以COMSOL有限元软件为平台的聚合物激光辐照融化温度场分析模型,模拟试样在激光直线扫描、矩形扫描、圆周扫描和定位辐照等不同方式作用下的温度场分布,分析激光扫描辐照过程中扫描路径、扫描速度、激光功率和光斑直径等激光参数对试样温度场变化影响；讨论激光定位辐照过程中激光功率、光斑直径、辐照时间以及试样厚度对温度场变化影响,明晰试样最高温度和最低温度变化以及二维和三维瞬态温度场分布特征,建立激光参数与试样温度场分布及其评价指标的关系模型,为激光辐照融化成型实验的工艺参数选择提供参考。4.聚合物微结构特征激光辐照融化成型实验研究。在聚合物激光辐照融化实验和温度场数值模拟分析基础上,提出聚合物微结构特征的激光融化成型方法,明晰激光融化成型机理,分析激光融化成型工艺特点和要求。研制激光扫描辐照和定位辐照融化成型实验装置,进行PMMA微结构特征的激光融化成型试验,采用三维数码显微系统(VHX-1000)分析微结构表面形貌和测试微结构尺寸,验证聚合物微结构特征激光融化成型的可行性和有效性。5.聚合物微结构特征激光融化成型质量评价与控制。针对激光扫描辐照融化成型的PMMA微结构试样,通过测试成型件微结构特征的尺寸偏差和表面粗糙度,分析激光功率、激光辐照时间、激光扫描速度、模具温度、模板表面粗糙度、成型压力和保压时间等工艺参数对成型质量的影响；采用MINITAB软件进行正交试验设计,进行多因素多水平交互作用的实验统计和分析,通过方差分析,研究工艺参数对成型质量的影响程度,通过工艺参数优化组合,形成聚合物激光融化成型工艺准则,为聚合物微结构激光融化成型的质量控制提供依据。
【关键词】：激光技术 聚合物 成型加工 温度场 数值模拟 微结构特征
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ316;TN249
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 第一章 绪论13-28
• 1.1 引言13-14
• 1.2 聚合物微加工技术概述14-17
• 1.3 聚合物微结构成型加工研究现状17-25
• 1.3.1 微注塑成型17-19
• 1.3.2 微热压成型19-20
• 1.3.3 激光刻蚀20-24
• 1.3.4 激光光致热塑成型24-25
• 1.4 本课题研究意义及主要内容25-28
• 1.4.1 研究意义25
• 1.4.2 研究内容25-28
• 第二章 聚合物激光辐照融化理论研究28-43
• 2.1 聚合物激光辐照理论基础28-34
• 2.1.1 聚合物与激光相互作用28-29
• 2.1.2 聚合物与红外激光相互作用29-31
• 2.1.3 聚合物红外激光光热效应31-34
• 2.2 聚合物激光辐照融化理论模型34-39
• 2.2.1 激光辐照融化物理模型34-36
• 2.2.2 能量方程36-39
• 2.3 聚合物激光辐照融化解析计算39-42
• 2.3.1 吸收层温度变化39-40
• 2.3.2 能量转换计算40-42
• 2.4 本章小结42-43
• 第三章 聚合物激光辐照融化形貌和组织特征43-60
• 3.1 实验设备及试样43-44
• 3.2 测试方法44-46
• 3.3 激光辐照融化宏观形貌46-53
• 3.3.1 定位辐照宏观形貌特征46-49
• 3.3.2 扫描辐照宏观形貌特征49-53
• 3.4 激光辐照融化微观形貌53-56
• 3.4.1 定位辐照表面微观形貌53-54
• 3.4.2 扫描辐照试样表面微观形貌54-56
• 3.4.3 扫描辐照试样剖面微观形貌56
• 3.5 激光辐照融化结晶度56-58
• 3.6 本章小结58-60
• 第四章 聚合物激光辐照融化温度场数值模拟60-88
• 4.1 激光辐照融化温度场数值模拟方法60-65
• 4.1.1 COMSOL有限元软件简介60-61
• 4.1.2 激光辐照融化温度场数值模拟的关键问题61-65
• 4.2 直线扫描辐照温度场模拟65-74
• 4.2.1 直线扫描模型65-66
• 4.2.2 加载和模拟66-69
• 4.2.3 温度场影响因数分析69-74
• 4.3 矩形扫描辐照温度场模拟74-77
• 4.3.1 矩形扫描模型74-75
• 4.3.2 加载和模拟75
• 4.3.3 温度场影响因素分析75-77
• 4.4 圆周扫描辐照温度场模拟77-80
• 4.4.1 圆周扫描模型77-78
• 4.4.2 加载和模拟78
• 4.4.3 温度场影响因素分析78-80
• 4.5 定位辐照温度场模拟80-86
• 4.5.1 定位辐照模型80-81
• 4.5.2 模拟与结果分析81-83
• 4.5.3 温度场影响因数分析83-86
• 4.6 本章小结86-88
• 第五章 聚合物微结构特征激光辐照融化成型实验88-105
• 5.1 基本工作原理88-90
• 5.2 实验系统90-93
• 5.2.1 实验装置总体设计90-92
• 5.2.2 激光设备和材料92-93
• 5.3 激光扫描辐照融化成型实验93-99
• 5.3.1 成型件设计93-94
• 5.3.2 实验装置94-96
• 5.3.3 实验方法与结果分析96-99
• 5.4 激光定位辐照融化成型实验99-103
• 5.4.1 成型件设计99
• 5.4.2 实验模具99-102
• 5.4.3 实验方法与结果分析102-103
• 5.5 本章小结103-105
• 第六章 聚合物微结构特征成型质量评价与控制105-121
• 6.1 试验准备105-106
• 6.2 尺寸精度分析106-111
• 6.2.1 尺寸偏差测试106-108
• 6.2.2 尺寸精度影响因数分析108-111
• 6.3 表面粗糙度分析111-114
• 6.3.1 表面粗糙度测试111-113
• 6.3.2 模具表面粗糙度对成型质量影响113-114
• 6.4 基于Minitab的工艺因数影响分析与优化114-119
• 6.4.1 正交数组实验设计模型114-116
• 6.4.2 正交数组实验设计的统计与分析116-118
• 6.4.3 工艺参数优化118-119
• 6.5 本章小结119-121
• 第七章 总结与展望121-124
• 7.1 全文总结121-123
• 7.2 尚待解决的问题与应用前景展望123-124
• 致谢124-125
• 参考文献125-136
• 博士在读期间科研情况136-138
• 1. 发表论文136-137
• 2. 授权专利137
• 3. 申请专利137
• 4. 主持科研项目137-138

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