聚合物微塑件超聲模壓粉末成型方法及其塑化機(jī)理.pdf

1、聚合物微塑件憑借其優(yōu)良的性能，如耐氧化、耐腐蝕、導(dǎo)電率低、抗沖擊性能好以及部分聚合物材料還兼具有較好的透明性、生物相容性和可降解吸收性等特點(diǎn)，逐漸取代金屬微制件成為MEMS器件的傳動零部件和執(zhí)行零部件。聚合物微成型技術(shù)：如微注射、微熱壓及微擠出工藝在生產(chǎn)周期、制造成本、能量消耗、材料的適用范圍、模具結(jié)構(gòu)、成型設(shè)備等都有很大的差別，難以綜合兼顧。當(dāng)今聚合物微成型加工技術(shù)向著低生產(chǎn)成本、低能源消耗、高生產(chǎn)效率、高使用性能等方向發(fā)展，在聚合物

2、微成型加工技術(shù)中引入超聲振動作為一項(xiàng)新的塑化成型工藝受到了國內(nèi)外學(xué)者越來越多的關(guān)注。
　　本文提出了一種新穎的聚合物微塑件超聲模壓粉末成型工藝（Micro Ultrasonic Powder Molding，簡稱micro-UPM），該工藝預(yù)先將一定粒度范圍以內(nèi)的聚合物粉末填入料筒和微型腔（包含微型腔鑲塊）內(nèi)部，利用超聲振動使得粉末顆粒快速塑化，并在超聲沖頭壓力作用下迅速充滿微型腔，之后保壓、冷卻固化而得到微塑件。自制了一套無流道

3、組合式微模具和不同尺寸的各類微型腔鑲塊，利用micro-UPM工藝成型成功制備出了乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）、等規(guī)聚丙烯（iPP）和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）微塑件。搭建了一套帶有測溫模塊的可視化超聲塑化平臺，定性分析和定量測量了micro-UPM工藝過程中微塑件不同區(qū)域的成型溫度曲線，利用動態(tài)高速攝像模塊采集了iPP和UHMWPE微塑件成型時(shí)的動態(tài)塑化全程視頻。測溫曲線表明將熔體的成型溫度控制在熔點(diǎn)與降解溫度范圍內(nèi)能才能獲得

4、塑化質(zhì)量良好的micro-UPM微塑件。
　　研究了超聲持續(xù)時(shí)間和超聲塑化壓力對飛邊厚度的影響，設(shè)置超聲塑化壓力（Pu）恒定的情況下，隨著超聲持續(xù)時(shí)間的延長，微塑件飛邊厚度逐漸變薄，當(dāng)超聲持續(xù)時(shí)間超過臨界值后，飛邊會從微塑件基體上自動分離。差示掃描量熱儀（DSC）實(shí)驗(yàn)表明：與iPP原料粉末相比，micro-UPM iPP微塑件的熔點(diǎn)提高了約4℃，接近iPP微注塑件的熔點(diǎn)溫度，micro-UPM iPP微塑件的結(jié)晶度則有顯著提升。對

5、micro-UPM iPP微塑件不同區(qū)域進(jìn)行X射線衍射（XRD）分析，只出現(xiàn)了α晶型，而微注塑成型常見的β晶型則沒出現(xiàn)，與iPP微注塑件相比，micro-UPM iPP微塑件的結(jié)晶取向性不明顯，其晶體結(jié)構(gòu)并未呈現(xiàn)注塑成型常見的“表芯結(jié)構(gòu)”。利用micro-UPM工藝成型出了一系列以超聲持續(xù)時(shí)間為序的iPP微塑件，實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明伴隨著超聲持續(xù)時(shí)間的增加，微塑件的結(jié)晶度數(shù)值和晶粒尺寸不斷減小，其熔點(diǎn)溫度和起始結(jié)晶溫度逐漸向低溫轉(zhuǎn)移，結(jié)晶完

6、善性和內(nèi)部組織的致密性逐漸變好，當(dāng)超聲持續(xù)時(shí)間超過臨界值（1.2 s），微塑件內(nèi)部組織的致密性則變差，其內(nèi)部出現(xiàn)了孔洞狀結(jié)構(gòu)。退火前后micro-UPM iPP微拉伸試樣的拉伸強(qiáng)度和斷裂延伸率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，微拉伸試樣經(jīng)退火后能顯著改善其微觀力學(xué)性能，但是退火時(shí)間過長會使其發(fā)生一定程度的熱降解，退火處理并不會大幅度改善其微觀力學(xué)性能。
　　利用掃描電鏡（SEM）、偏光顯微鏡（PLM）、DSC、單晶XRD、萬能試驗(yàn)機(jī)和納米壓

7、痕儀等設(shè)備研究了micro-UPM UHMWPE微塑件的熱性能、兩相結(jié)構(gòu)及其形成規(guī)律、成型過程中的微觀形貌變化和微觀力學(xué)性能。結(jié)合成型過程中的溫度曲線和動態(tài)全過程的超聲塑化成型視頻研究了micro-UPM工藝的塑化機(jī)理。該工藝?yán)?0 kHz的高頻超聲振動，成型出的微塑件體積極小，粉末邊界之間能量高度集中激發(fā)“鏈膨脹”、極大促進(jìn)了分子鏈段擴(kuò)散交聯(lián)，使得micro-UPM微塑件達(dá)到幾乎完全的再結(jié)晶相材料，實(shí)現(xiàn)分子鏈段的擴(kuò)散交聯(lián)，得到了堅(jiān)固

8、的共晶聯(lián)接，再結(jié)晶相所占的體積分?jǐn)?shù)決定了微塑件的成型質(zhì)量。
　　利用高速鉆孔的方式在印制電路板（PCB）上鉆微孔陣列形成微型腔鑲塊，按照設(shè)定的成型工藝參數(shù)在micro-UPM實(shí)驗(yàn)平臺上成型出兩類微圓柱陣列塑件，微圓柱直徑分別為0.15和0.20 mm，所成型出的微圓柱塑件平均直徑均比同規(guī)格的微孔徑尺寸要小10.0μm左右，而高度尺寸則相差不大，圓柱側(cè)面粗糙度也較同規(guī)格的孔壁粗糙度大。DSC和納米壓痕實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：聚合物粉末顆粒未預(yù)

9、熱時(shí)，成型出的micro-UPM微圓柱塑件總體上為兩相狀態(tài)，包含初生態(tài)和熔化再結(jié)晶兩相，微圓柱部分和基體部分的局部彈性模量值的分布范圍是0.7~1.2 GPa。當(dāng)聚合物粉末預(yù)熱到85℃時(shí)，所成型的兩類micro-UPM微圓柱塑件整體則變成為熔化再結(jié)晶單相結(jié)構(gòu)，兩類微塑件結(jié)晶度數(shù)值相差不大，分別為54.7％和55.2%，微圓柱部分和基體部分局部彈性模量值分布范圍是0.6~0.8 GPa。單晶 XRD實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：當(dāng)原料粉末有預(yù)熱時(shí)，所成型