本文關鍵詞：聚合物激光輻照融化機理及微結構成型特征研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：聚合物微結構件在微機電系統(tǒng)和微分析系統(tǒng)中具有重要的應用,其成型工藝是國內(nèi)外學者研究的熱點。本文在分析現(xiàn)有聚合物微結構成型加工方法的基礎上,提出基于激光輻照融化機制結合模具技術的聚合物微結構成型方法,采用理論分析、數(shù)值模擬和實驗相結合的方法,進行聚合物激光輻照瞬態(tài)溫度場及微結構特征融化成型的理論和實驗研究,主要工作如下：1.聚合物激光輻照融化理論研究。在系統(tǒng)分析激光能量—聚合物相互作用溫度場的光熱效應理論模型基礎上,研究聚合物宏觀形態(tài)變化和微觀高分子運動機制；基于激光和聚合物相互作用理論,分析聚合物吸收激光能量的融化物理模型；通過建立聚合物激光輻照融化的能量平衡方程,從理論上推導聚合物溫度變化與激光參數(shù)之間的相互關系,解析計算典型聚合物激光輻照融化的能量閾值,分析聚合物表面融化和整體融化過程特點及其控制方法,為深入研究聚合物激光輻照融化機制提供理論依據(jù)。2.聚合物激光輻照融化形貌和組織特征分析。采用激光掃描輻照和定位輻照兩種方式,進行聚酰胺PA12、聚氨酯TPU和聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的CO2激光融化實驗,采用光學顯微鏡(OM)和掃描電鏡(SEM)分析激光輻照融化后的試樣表面宏觀和微觀形貌特征,采用X射線衍射儀(XRD)分析激光輻照融化后試樣微觀組織變化,研究激光輻照融化對聚合物材料組織特征的影響,為選擇適合激光輻照融化成型的聚合物材料提供依據(jù)。3.聚合物激光輻照融化瞬態(tài)溫度場數(shù)值模擬。構建以COMSOL有限元軟件為平臺的聚合物激光輻照融化溫度場分析模型,模擬試樣在激光直線掃描、矩形掃描、圓周掃描和定位輻照等不同方式作用下的溫度場分布,分析激光掃描輻照過程中掃描路徑、掃描速度、激光功率和光斑直徑等激光參數(shù)對試樣溫度場變化影響；討論激光定位輻照過程中激光功率、光斑直徑、輻照時間以及試樣厚度對溫度場變化影響,明晰試樣最高溫度和最低溫度變化以及二維和三維瞬態(tài)溫度場分布特征,建立激光參數(shù)與試樣溫度場分布及其評價指標的關系模型,為激光輻照融化成型實驗的工藝參數(shù)選擇提供參考。4.聚合物微結構特征激光輻照融化成型實驗研究。在聚合物激光輻照融化實驗和溫度場數(shù)值模擬分析基礎上,提出聚合物微結構特征的激光融化成型方法,明晰激光融化成型機理,分析激光融化成型工藝特點和要求。研制激光掃描輻照和定位輻照融化成型實驗裝置,進行PMMA微結構特征的激光融化成型試驗,采用三維數(shù)碼顯微系統(tǒng)(VHX-1000)分析微結構表面形貌和測試微結構尺寸,驗證聚合物微結構特征激光融化成型的可行性和有效性。5.聚合物微結構特征激光融化成型質量評價與控制。針對激光掃描輻照融化成型的PMMA微結構試樣,通過測試成型件微結構特征的尺寸偏差和表面粗糙度,分析激光功率、激光輻照時間、激光掃描速度、模具溫度、模板表面粗糙度、成型壓力和保壓時間等工藝參數(shù)對成型質量的影響；采用MINITAB軟件進行正交試驗設計,進行多因素多水平交互作用的實驗統(tǒng)計和分析,通過方差分析,研究工藝參數(shù)對成型質量的影響程度,通過工藝參數(shù)優(yōu)化組合,形成聚合物激光融化成型工藝準則,為聚合物微結構激光融化成型的質量控制提供依據(jù)。
【關鍵詞】：激光技術 聚合物 成型加工 溫度場 數(shù)值模擬 微結構特征
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TQ316;TN249
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 第一章 緒論13-28
• 1.1 引言13-14
• 1.2 聚合物微加工技術概述14-17
• 1.3 聚合物微結構成型加工研究現(xiàn)狀17-25
• 1.3.1 微注塑成型17-19
• 1.3.2 微熱壓成型19-20
• 1.3.3 激光刻蝕20-24
• 1.3.4 激光光致熱塑成型24-25
• 1.4 本課題研究意義及主要內(nèi)容25-28
• 1.4.1 研究意義25
• 1.4.2 研究內(nèi)容25-28
• 第二章 聚合物激光輻照融化理論研究28-43
• 2.1 聚合物激光輻照理論基礎28-34
• 2.1.1 聚合物與激光相互作用28-29
• 2.1.2 聚合物與紅外激光相互作用29-31
• 2.1.3 聚合物紅外激光光熱效應31-34
• 2.2 聚合物激光輻照融化理論模型34-39
• 2.2.1 激光輻照融化物理模型34-36
• 2.2.2 能量方程36-39
• 2.3 聚合物激光輻照融化解析計算39-42
• 2.3.1 吸收層溫度變化39-40
• 2.3.2 能量轉換計算40-42
• 2.4 本章小結42-43
• 第三章 聚合物激光輻照融化形貌和組織特征43-60
• 3.1 實驗設備及試樣43-44
• 3.2 測試方法44-46
• 3.3 激光輻照融化宏觀形貌46-53
• 3.3.1 定位輻照宏觀形貌特征46-49
• 3.3.2 掃描輻照宏觀形貌特征49-53
• 3.4 激光輻照融化微觀形貌53-56
• 3.4.1 定位輻照表面微觀形貌53-54
• 3.4.2 掃描輻照試樣表面微觀形貌54-56
• 3.4.3 掃描輻照試樣剖面微觀形貌56
• 3.5 激光輻照融化結晶度56-58
• 3.6 本章小結58-60
• 第四章 聚合物激光輻照融化溫度場數(shù)值模擬60-88
• 4.1 激光輻照融化溫度場數(shù)值模擬方法60-65
• 4.1.1 COMSOL有限元軟件簡介60-61
• 4.1.2 激光輻照融化溫度場數(shù)值模擬的關鍵問題61-65
• 4.2 直線掃描輻照溫度場模擬65-74
• 4.2.1 直線掃描模型65-66
• 4.2.2 加載和模擬66-69
• 4.2.3 溫度場影響因數(shù)分析69-74
• 4.3 矩形掃描輻照溫度場模擬74-77
• 4.3.1 矩形掃描模型74-75
• 4.3.2 加載和模擬75
• 4.3.3 溫度場影響因素分析75-77
• 4.4 圓周掃描輻照溫度場模擬77-80
• 4.4.1 圓周掃描模型77-78
• 4.4.2 加載和模擬78
• 4.4.3 溫度場影響因素分析78-80
• 4.5 定位輻照溫度場模擬80-86
• 4.5.1 定位輻照模型80-81
• 4.5.2 模擬與結果分析81-83
• 4.5.3 溫度場影響因數(shù)分析83-86
• 4.6 本章小結86-88
• 第五章 聚合物微結構特征激光輻照融化成型實驗88-105
• 5.1 基本工作原理88-90
• 5.2 實驗系統(tǒng)90-93
• 5.2.1 實驗裝置總體設計90-92
• 5.2.2 激光設備和材料92-93
• 5.3 激光掃描輻照融化成型實驗93-99
• 5.3.1 成型件設計93-94
• 5.3.2 實驗裝置94-96
• 5.3.3 實驗方法與結果分析96-99
• 5.4 激光定位輻照融化成型實驗99-103
• 5.4.1 成型件設計99
• 5.4.2 實驗模具99-102
• 5.4.3 實驗方法與結果分析102-103
• 5.5 本章小結103-105
• 第六章 聚合物微結構特征成型質量評價與控制105-121
• 6.1 試驗準備105-106
• 6.2 尺寸精度分析106-111
• 6.2.1 尺寸偏差測試106-108
• 6.2.2 尺寸精度影響因數(shù)分析108-111
• 6.3 表面粗糙度分析111-114
• 6.3.1 表面粗糙度測試111-113
• 6.3.2 模具表面粗糙度對成型質量影響113-114
• 6.4 基于Minitab的工藝因數(shù)影響分析與優(yōu)化114-119
• 6.4.1 正交數(shù)組實驗設計模型114-116
• 6.4.2 正交數(shù)組實驗設計的統(tǒng)計與分析116-118
• 6.4.3 工藝參數(shù)優(yōu)化118-119
• 6.5 本章小結119-121
• 第七章 總結與展望121-124
• 7.1 全文總結121-123
• 7.2 尚待解決的問題與應用前景展望123-124
• 致謝124-125
• 參考文獻125-136
• 博士在讀期間科研情況136-138
• 1. 發(fā)表論文136-137
• 2. 授權專利137
• 3. 申請專利137
• 4. 主持科研項目137-138

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