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医用聚碳酸酯应力开裂与注塑工艺研究

李泳春  
【摘要】:随着医疗器械行业的发展,医用聚碳酸酯注塑制品得到越来越广泛的应用,然而在实际应用中会因应力开裂问题而产生失效,影响了其使用。注塑制品中存在的流动残余应力,其主要原因为:聚合物高温熔融后再经冷却时分子必定产生一定的取向应力,取向应力的存在就导致制品在使用过程中产生形变或开裂。当不存在任何外力情况下,高温熔融聚合物熔体的高分子链段是舒展延伸且成随机排列的状态。但是在注塑成型过程中,高压导致舒展状态下的聚合物分子受力,在压力驱动下,聚合物熔体以一个较大的速度进入模具中,流通过程中导致剪切应力的产生,同时伴随着流动阻力的存在,因此熔融状态下的聚合物分子链在流动方向收到不同程度的取向应力。然而成型时,高温的聚合物熔体经历一个较大的温度梯度,处于取向状态下的聚合物分子链在时间上不能自由舒展而达到能量最低的状态,所以形成了流动残余应力。本文采用注塑成型法对聚碳酸酯原材料进行加工,计划控制不同的注塑工艺条件制备出性能各异的PC制品,通过PC试样的拉伸强度实验、断裂伸长率实验、弯曲实验、以及抗冲击实验等来分析不同的注塑工艺对PC制品内应力的影响。此外,文中介绍了一种缩小过程模拟和力学仿真之间差距的综合方法。在这种综合方法的基础上,我们通过反向传播(BP)神经网络和从有限元模拟中得到的数据获得了一种能映射机械性能和工艺参数之间关系的数学函数。粒子群算法(PSO)与这种预测模型相结合可以找到最优工艺参数,从而显著提高产品的机械性能。最后,优化研究在聚碳酸酯(PC)制成的注塑制品上得到实施。模具温度、熔化温度、注射速度、压缩距离、压缩力、压缩速度和压缩等待时间都被视为设计参数。工艺参数的最佳值使得PC注塑制品在冲击荷载下的最大冯米斯应力最小化。通过采用科学合理的理论依据建立适用于本体系的模型,并结合实验数据对注塑工艺参数进行优化。针对影响聚碳酸酯制品的重要参数进行了单因素实验分析,对制品的退火工艺进行对比,旨在探索出制备综合性能优异且能减小应力开裂的注塑工艺条件、从而为实际生产提供理论依据。


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