聚合物光学产品成形过程宏观形变与介观结构的一体化在线调控

Transparent polymers are widely used for optical products. The national demand of developing advanced equipment results in stricter shape and performance requirement for optical polymer components. But large and uneven shrinkage and complicate morphology evolution during molding process would cause poor surface precision and great difference of optical properties, which has significant effects on final products’ optical properties. Therefore, integrated online control of macro-deformation and meso-structure in molding process of optical polymer product was proposed in this proposal. Systematic study on integrated model, inspect method and control technique will be established. Based on macro-microscopic modeling, this project will try to reveal forming law of optical properties considering the product deformation and orientation structure; develop a new method to inspect orientation structure and a new theory to control molding process by outfield ultrasonic technique; and finally achieve integrated optimization and online control of optical polymer products. The developed technologies will be applied in the manufacture of the control-room mask of battleplanes and high-end aspheric lenses. Overall, this project is important to break through the technical bottleneck of molding high performance and high precision polymer optical products, develop new methods to online inspect and control polymer molding process, and explore frontier theory and techniques in integrated shape-performance manufacturing area.

透明性聚合物广泛用于成形光学产品，发展高端装备的国家需求对聚合物光学零部件提出了更严格的形/性要求。但成形中材料收缩大且不均匀、大分子链取向结构演化复杂，导致面形精度难保证、材料内部光学特性差异大，显著影响产品光学性能。为此，本项目提出聚合物光学产品成形过程宏观形变与介观结构的一体化在线调控新思路，拟从集成模型、感知手段和调控方法三方面开展系统研究。通过跨尺度建模揭示考虑形变收缩和取向结构的产品光学性能形成规律，创建成形过程取向结构的介电感知和超声外场辅助调控新原理、新方法，最终形成聚合物光学产品成形过程-光学性能的集成优化与调控技术，并在整体化战机舱罩、非球面透镜等典型高端产品中应用验证。项目的实施对突破高性能精密聚合物光学产品成形的技术瓶颈、探索聚合物成形过程在线感知与调控的新方法、发展成形成性一体化制造学科前沿理论与技术具有重要意义。

航空高端装备、精密电子器件等对聚合物光学零部件提出了严格的形/性要求，需解决成形中材料收缩大且不均匀、大分子链取向结构演化复杂，导致产品面形精度与光学性能难保证的问题。项目从感知手段、集成模型和调控方法三方面开展了系统研究，主要成果包括：1）提出了取向结构的介电测量新方法，开发出叉指电极介电传感装置，实现了成形过程中取向结构演变的在线检测；2）建立了取向结构与宏观流场的耦合计算方法，实现了考虑面形精度与材料光学特性的光学集成仿真；3）研发了成形收缩的模具-工艺-工况协同调控技术，提出取向结构的超声辅助成形与高弹态成形调控方法，提升了产品的光学性能。项目发表论文58篇，其中SCI收录50篇，ESI高被引2篇。做学术会议报告24次，ANTEC会议最佳论文1篇，全国流变学优秀会议论文1篇。申请发明专利30项，授权15项。成员获国家级人才4人次。项目提出的聚合物取向介电在线感知新方法被ASME Fellow Turng教授评价“是目前可在线检测成形过程取向的唯一可行方法，意义重大、前景广阔”；提出成形收缩的模具-工艺-工况协同调控技术，被德国亚琛工业大学塑料加工研究所所长、SPE Fellow Hopmann教授评价“注塑成形在线监控和实时工艺优化领域的巨大进步”；提出的透镜磁悬浮无损检测方法被美国三院院士哈佛大学Whitesites教授评价“在磁悬浮基础理论研究及其在聚合物应用方面取得了重大突破”。成果在航空透明件、精密光学透镜等产品成功应用。国内首次成形出变厚度、大曲率航空航天透明件，成为美国外唯一掌握该技术的国家，解决我国航空航天透明件的“卡脖子”难题。光学精密透镜大规模应用于瑞声、海康威视等知名企业。成果“塑料注射成形过程形性智能调控技术及装备”获2019年国家科技进步二等奖。