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微结构件的注射成形及其组织与性能

卢振  
【摘要】: 微注射成形作为一种微成形工艺,其具有材料适用广、几何形状和尺寸适应性好、低成本、高效率、可连续化、自动化生产等一系列优点。该工艺制造的微结构件,在信息通讯、精密仪器、航空航天、生物与医药工程和军事等领域,有着广阔的应用前景。国外对微注射成形的研究开始于二十世纪八十年代末,国内对微注射成形的研究正处于起步阶段,由于研究历史较短,相关研究还不够深入和系统。因此,开展微注射成形方面的研究具有重要的理论意义和实用价值。 本文针对聚合物及陶瓷微结构件的注射成形,系统地分析了微注射成形工艺参数对微结构成形质量的影响,表征了微结构件的内部组织形态及力学性能,揭示了其形成机理。 在详细分析微尺度下熔体充模流动理论的基础上,设计并制作了适合于微注射成形的模具,模具采用主体结构和微型腔镶块相分离的模式。通过微注射成形工艺制得聚丙烯微结构件,微结构部分是具有微米级直径的微圆柱阵列。不同工艺条件对微结构成形性能的分析表明,对于微型盲孔类型腔注射前模具抽真空是必需的,与注射压力相比,微圆柱的填充高度受模具温度影响更大。基于以上分析进行了聚合物微注射成形工艺优化。 通过偏光显微镜(PM)、扫描电镜(SEM)、激光共焦显微镜(OLS)、X射线衍射仪(XRD)等分析装置,揭示了聚丙烯微结构件的内部组织形态、晶体类型及分子取向,检测结果表明直径在微米级的微结构仍表现为“表芯结构”,即非晶表面层、柱晶剪切区和球晶芯核区;微结构部分与大尺寸基板均含有α晶和β晶,且β晶在微结构部分的相对含量明显高于基板;微结构部分的分子取向微弱。采用纳米压入及显微压入测试方法,表征了聚丙烯微结构件的力学性能,结果表明,微圆柱的硬度和模量从芯核区向表层逐渐增加,不同尺寸的聚丙烯微圆柱硬度值相似。 以石蜡、聚丙烯、硬脂酸为粘结剂制备了适合于粉末微注射成形的喂料,通过粉末微注射成形制得了ZrO2微结构件生坯,在分析微结构生坯热脱脂和烧结热力学的基础上,制定了适合于微结构件的脱脂及烧结工艺。不同工艺条件对微结构成形性能的分析表明,相对高的模具温度和注射压力是获得结构完整且具有高致密度的微结构生坯的先决条件,增加烧结温度可以增加零件的最终致密度,但容易导致晶粒的过度长大和尺寸不均匀。基于以上分析进行了粉末微注射成形工艺优化。结合ZrO2陶瓷微结构件的显微组织分析,探讨了微结构部分与基板的晶粒长大及致密化机理,结果表明,微结构部分和基板具有相同的晶粒长大机制,且致密化过程均为晶界扩散控制方式,导致了微结构部分与基板具有相同类型和大小的晶粒结构。采用纳米压入及显微压入测试方法,表征了不同尺寸的ZrO2微结构的硬度和模量,测试结果表明,同一参数下不同尺寸的微结构的硬度及模量近似一致。


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