微注塑成型中仿生表面織構設計及其界面動力學研究

《微注塑成型中仿生表面織構設計及其界面動力學研究》是依託浙大寧波理工學院，由許少鋒擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：微注塑成型中仿生表面織構設計及其界面動力學研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：許少鋒
• 依託單位：浙大寧波理工學院

項目摘要

項目的目標是獲得降低微注塑成型中熔體充模流動阻力的新原理和新技術。以箬竹葉、葦葉為仿生原型，在微注塑模具內壁設計仿生表面織構，研究葉面的表面織構拓撲設計、耦合設計及織構參數設計，提出用正交實驗獲取最佳化的表面織構。研究仿生織構化表面與熔體的流固界面動力學，建立熔體-織構化表面間的粘附動力學模型以及熔體在織構化表面的潤濕模型，實驗測量分析熔體的接觸角、滾動角，提出仿生表面織構減阻的物理模型和數學模型。研究熔體在仿生織構化的微流道內流動行為，建立介觀仿真模型，分析微流道內速度場、壓力場、剪下應力場以及壁面滑移速度和滑移長度，揭示出熔體流動阻力與表面織構拓撲結構、耦合結構以及織構參數間關係，並探明不同溫度時熔體在織構化表面的流動行為。搭建熔體在仿生織構化微流道內流動的實驗台，測試熔體在微流道內流動時的壓力降，對理論和仿真研究結果進行驗證，探索微注塑模具內壁最優的仿生減阻表面織構設計。

結題摘要

微注塑成型中需要解決的問題之一是如何克服高分子溶液/熔體的充模阻力。針對該問題，本研究提出了在模具內壁設計仿生表面織構進而實現降低充模阻力的新技術。採用掃面電子顯微鏡測量了箬竹葉、蘆葦葉、水稻葉的表面結構，三種葉片均具有較強的疏水性，仿生葉片結構設計了微突起、微凹坑、溝槽+微突起等拓撲結構，並在高分子溶液或熔體流經的微流道內設計拓撲結構。研究結果表明仿生表面織構具有一定的減阻效果，其中仿生微突起結構的減阻效果最好，減阻率約為6.4%。研究了疏水/油表面的滑移減阻行為，發現滑移長度與液-固間排斥作用參數存在近似的二次函式關係，壁面附近存在低密度區域，阻礙了流體動量傳遞，致使壁面產生滑移。仿生表面織構內部存在低速漩渦，一方面低速流體起到潤滑膜的作用，另一方面漩渦起到了類似滾珠的作用，使流體與壁面的滑動摩擦變成滾動摩擦，減小了流體在微通道內的流動阻力。基於耗散粒子動力學方法，從新的介觀尺度研究了微通道內高分子溶液流動遷移行為，通過給壁面粒子施加虛擬的速度，提出了該方法用於分析壁面滑移的滑移邊界模型。研究結果顯示微通道中高分子溶液的剪下稀化行為，並揭示了高分子鏈在微通道內的遷移機理，壁面與高分子鏈間的流體力學相互作用會驅使高分子鏈遠離壁面，而擴散率梯度作用又會使高分子鏈朝著離開通道中心的方向遷移。搭建了微通道內流體流動的壓力降測試系統，實驗結果顯示不含仿生表面織構的微通道兩端的壓力降比含仿生表面織構的大，即仿生表面織構的流動阻力小，驗證了仿生表面織構的減阻行為。研究了微納尺度下潤濕材料界面力學行為，結果表明水膜存在時金屬材料銅的應力鬆弛量大於無水情況，不可恢復性變形量因水膜的出現而加劇，水膜阻礙了彈性恢復和塑性變形的釋放。研究成果可以為微注塑成型技術提供一定的理論基礎，同時為微尺度空間內的流-固界面體系的界面動力學和減阻技術提供理論依據。研究成果發表了SCI論文5篇，獲得授權發明專利2件。