超声波辅助精密微注塑机理及应用研究

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1、第一章绪论第一章绪论随着微／纳米科学的技术进步，产品逐渐向微型化、精密化方向发展，各个领域对微型器件的需求越来越迫切，微型器件的复杂程度、加工精度、材料多样性和生产效率等方面的要求越来越高。微机电系统(MEMS)、微结构器件及其相关产品的应用和潜在市场也逐年扩大，特别是在生物医学、微型光学和微型传感器等领域的需求将会大幅度增加。聚合物材料以其抗氧化性、抗腐蚀性、良好的绝缘性和透明性，尤其是便于批量生产等优点，在微型零器件的加工制造领域的优势已越来越明显。1．1课题研究背景和研究意义微注塑成型技术是始于20世纪70年代的一门新兴先进制造技术，由于当时没有适合微注塑器件的专

2、用注塑机，只是利用普通注塑机进行微结构器件的注塑成型。20世纪80年代，随着各种微结构产品的需求增加，促进了微注塑成型技术的快速发展。1985年，世界上第一台微型注射装置MicromeIt在德国问世，随后其它国家紧随其后，先后有各种不同类型的微型注塑机问世，2005年香港理工大学的微型系统科技中心展示了他们研究开发的微注塑成型机，并介绍为目前全球最精确的注塑机。系统采用真空注入方式，注射速度1000mm／s，锁紧力2t，可以生产()．05mg的医用微型塑俐¨。微注塑机性能的不断提高，促进了微注塑成型技术的快速发展，德国、法国、美国等发达国家在微注塑模具的设计和制造以及微

3、注塑成型工艺等方面取得了一些研究成果，已经成功加工出微型齿轮、微流控芯片等微型聚合物器件。与国外相比，我国微注塑成型技术还处于起步阶段。近年来，由于我国聚合物微型器件的应用和潜在市场不断扩大，微注塑成型技术作为聚合物微型器件的主要加工技术之一，也逐渐受到了研究者的关注。微注塑成型制造的聚合物微型器件由于具有耐腐蚀性、良好的绝缘性、成型效率高和尺寸一致性好等优点，在生物医学、微型光学、精密仪器、医药工程、信息通信、军事等领域有着广泛的应用前景。具体表现在以下几个方面：(1)光学通信领域：传统光学通信材料为光学玻璃、石英等，这些材料为脆性材料，因此其主要加工方法为研磨和抛光

4、，加工工艺复杂，加工效率低，成型一致性较差。近年来，由于聚合物材料能够实现良好的光学性能，因此除在具有第一章绪论特殊要求的场合仍然采用传统光学通信材料以外，高分子聚合物材料已经逐渐取代光学玻璃、石英和硅等传统光学通信材料。例如，图1．1所示的树脂光学镜头和树脂导光板，已经广泛装配于国内外各类手机中。另外，由于微注塑成型技术易于实现批量生产，微注塑成型器件具有一致性、成本低、效率高等优点，因此，微注塑器件已经逐渐取代传统光学通信器件，在光学通信领域已经得到广泛应用。图1．1树脂光学镜头图1-2手机导光板(2)医学工程领域：采用微注塑成型技术成型的微泵具有精确的泵送系统，其

5、体积仅有拇指大小，泵的流量对水可达0．12mVmin，对空气可达2ml／min。微泵可以应用于微小剂量药液的注射和药液的配置，除了用于医学工程外，微泵也可用于需要精确计量液体用量的场合，如用于精密仪器润滑剂的注入【2】。(3)微机械电子领域：微注塑件的发展也加快了微机械的微型化进程，微型耳机、便携式电脑、电子表等都朝着微型化，多功能发展。各大知名公司上市的概念型手机，如腕带手机、折叠手机、附身手机等都大大增加了微型塑件的市场需求。微注塑技术已经不再是实验室的专属，它已经通过其产品，融入我们生活的方方面面。微注塑成型技术被真正应用于微型器件的制作只有十几年时间，目前还没有

6、形成成熟完善的聚合物微注塑成型理论体系，在实际加工过程中，微注塑加工技术缺乏理论指导，工艺参数的确定只能依靠反复试验摸索，因此，这样即浪费时间，也浪费原材料，并且对于精度要求较高的注塑件，并不能保证注塑件的精度要求。微注塑成型技术并不单纯是常规在尺寸上的减小，在成型机理上与常规的注塑成型技术有着根本的区别，并不能简单的将常规注塑成型技术应用到微注塑成型加工中，需要综合微流变学、微传热学、微流体力学、聚合物的微观形态学进行分析，一些在常规注塑中可以忽略的因素(壁面滑移、表面张力等)，在微注塑技术中变的不可忽略，并且对微注塑的成型加工可能起着决定性作用。因此，针对微注塑成型

7、技术的实际特点，从理论和实践上弄清楚注塑成型过2第一章绪论程rll因微尺度冈素导致的微结构质量与成型工艺条件之问的内在联系和作用机理的同时，对现有的微注塑成型技术进行改进，突破现有微注塑成型技术的瓶颈，大幅度提高高深宽比微注塑器件的成型质量和效率，就成为发展微注塑成型技术，满足聚合物微结构在不同领域微系统需求的关键所在。近年来，由于超声波的高频微观振动效应，各国的研究者就超声对聚合物材料性能的影响展开研究，一般认为，超声波对聚合物材料的影响主要包括：(1)超声波的高频微观振动效应可以增加聚合物高分子链之间的相互摩擦，产生粘性耗散热，不断对