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微尺寸下聚合物熔体充填过程的研究

作　者: 李春千
导　师: 申长雨；曹伟
学　校: 郑州大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 表面张力壁面滑移微观粘度数值模拟熔体前沿
分类号: TQ320.662
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 62次
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内容摘要

降低原材料耗费,扩展塑件的功能和应用领域是聚合物成型永恒的话题。这使得微注塑成型成为微成型领域的热点之一。本文通过假定适当的边界条件和初始条件,对聚合物熔体的充填流动行为进行了研究,引出了三个在注塑成型中与流道尺寸无关的参数。通过对聚合物熔体在微尺寸下非等温流动的数值模拟,分析了表面张力,黏度的尺寸效应和壁面滑移对其流动的影响,论文主要内容如下：1.分析了聚合物熔体充填流动过程中界(表)面能的变化,将作用在熔体前沿的界(表)面张力的影响,转化为熔体前沿的附加压力降。2.对常规注塑成型充填过程的控制方程进行了分析并得到了三个与流道尺寸无关的流变学参数。在控制方程中添加了表面张力,黏度的尺寸效应和壁面滑移对熔体流动的影响。3.通过对聚合流动行为的数值模拟,探讨了各种尺寸效应对聚合物熔体充填过程中流变参数的影响。4.采用直径为1μm,10μm,和100μm的微流道作为几何模型,分析了五种数学模型描述的聚合物熔体在不同的表观剪切速率下流动前沿的无量纲速率沿径向的分布规律,探讨了在不同的剪切速率和流道尺寸下各种尺寸微观效应对聚合物熔体的充填行为的影响。模拟结果表明在极小的尺寸和低的表观剪切速率下,表面张力在三种微观效应中占主导地位下,随着流道尺寸的增加,表面张力和黏度的尺寸效应衰减,转而壁面滑移成为对流动影响最大的尺寸效应。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-10
1 绪论  10-16
  1.1 微注塑成型中的尺寸效应  11-14
    1.1.1 表面张力  11-12
    1.1.2 壁面滑移  12-13
    1.1.3 黏度的尺寸效应  13-14
  1.2 微注塑成型数值模拟的概况  14-15
  1.3 本课题的主要内容  15-16
2 微观尺度下的表面张力效应  16-27
  2.1 表面张力与表面过剩自由能  16
  2.2 聚合物对微流道内壁的润湿  16-17
  2.3 液体在固体表面的接触角与Young方程  17-19
  2.4 Young-Laplace方程  19-20
  2.5 表面张力与接触角的测定方法  20-23
    2.5.1 悬滴法测表面张力  20-21
    2.5.2 毛细管法测表面张力  21-23
  2.6 毛细管上升法的自由能分析  23-24
  2.7 表面张力效应对牛顿流体的影响  24-27
    2.7.1 牛顿流体在圆管中流动的方程  24-25
    2.7.2 牛顿流体在微流道中流动的表面张力效应  25-27
3 微注塑成型充填过程的数学模型  27-41
  3.1 聚合物充填流动的基本方程  27-29
    3.1.1 连续性方程  27
    3.1.2 动量方程  27-28
    3.1.3 能量方程  28-29
  3.2 聚合物熔体充模流动的边界条件  29-30
  3.3 聚合物流动分析的黏度模型  30-32
    3.3.1 幂率模型  30
    3.3.2 Carreau四参数模型  30-31
    3.3.3 Cross模型  31-32
    3.3.4 二次幂率模型  32
  3.4 注塑充填过程的数学模型  32-37
    3.4.1 奈维-斯托克斯方程  32-34
    3.4.2 注塑成型一维充填过程的数学模型  34-36
    3.4.3 注塑成型充填过程的数值实现  36-37
  3.5 微注塑成型一维充填过程的数学模型  37-39
    3.5.1 壁面滑移模型  38
    3.5.2 微观黏度模型  38
    3.5.3 表面张力模型  38-39
  3.6 本章小结  39-41
4 微注塑成型充填过程的数值分析  41-58
  4.1 聚合物充填流动的数值分析  42-45
    4.1.1 聚合物熔体在圆管内流动的控制方程  42
    4.1.2 聚合物熔体充填过程中的无量纲流变参数  42-45
  4.2 微观黏度修正的聚合物流动的算例分析  45-49
  4.3 壁面滑移修正的聚合物流动的算例分析  49-50
  4.4 表面张力修正的聚合物流动的算例分析  50-53
  4.5 聚合物熔体在微流道内的入口压力分析  53-57
  4.6 本章小结  57-58
5 不同工艺参数下微尺度效应的数值分析  58-64
  5.1 聚合物熔体在直径为10微米的流道内的数值模拟  58-60
  5.2 聚合物熔体在直径为100微米的流道内的数值模拟  60-61
  5.3 聚合物熔体在直径为1微米的流道内的数值模拟  61-62
  5.4 本章小结  62-64
6 结论与展望  64-66
  6.1 结论  64
  6.2 展望  64-66
参考文献  66-70
致谢  70

微尺寸下聚合物熔体充填过程的研究

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