微注塑成型中仿生表面织构设计及其界面动力学研究

The goal of this project is to obtain a new technology to reduce the flow resistance of melt in micro injection molding. Biomimetic surface texture is made on micro injection mold with inspiration from indocalamus leaf and reed leaf. The topology design and collaborative design of biomimetic surface texture will be studied. Then orthogonal experiment is proposed to get the best biomimetic surface texture. The dynamics of interface between melt and texturing surface will be investigated. The adhesion between texturing surface and melts and the wetting of texturing surface will be revealed. The contact angle and sliding angle of melts will be also examined. Thus, the physical model and the mathematical model of drag reduction of biomimetic textured surface will be proposed. A mesoscale simulation method is developed to simulate the filling flow of melts in microchannels which contain biomimetic surface texture at the wall. The velocity distribution, pressure distribution and shear stress distribution in microchannel will be presented. The slip velocity at the wall and the slip length will be calculated. Then, the influence of surface texture on the flow resistance of melt will be revealed. The influence of temperature on the flow of melts on the biomimetic textured surface will also be investigated. The flow of melt in texturing microchannel will also be studied experimentally. The pressure drop at both ends of microchannel will be tested to verify the validity of the theory and simulation results. The experimental results will be helpful to optimization design of surface texture for drag reduction.

项目的目标是获得降低微注塑成型中熔体充模流动阻力的新原理和新技术。以箬竹叶、苇叶为仿生原型，在微注塑模具内壁设计仿生表面织构，研究叶面的表面织构拓扑设计、耦合设计及织构参数设计，提出用正交实验获取优化的表面织构。研究仿生织构化表面与熔体的流固界面动力学，建立熔体-织构化表面间的粘附动力学模型以及熔体在织构化表面的润湿模型，实验测量分析熔体的接触角、滚动角，提出仿生表面织构减阻的物理模型和数学模型。研究熔体在仿生织构化的微流道内流动行为，建立介观仿真模型，分析微流道内速度场、压力场、剪切应力场以及壁面滑移速度和滑移长度，揭示出熔体流动阻力与表面织构拓扑结构、耦合结构以及织构参数间关系，并探明不同温度时熔体在织构化表面的流动行为。搭建熔体在仿生织构化微流道内流动的实验台，测试熔体在微流道内流动时的压力降，对理论和仿真研究结果进行验证，探索微注塑模具内壁最优的仿生减阻表面织构设计。

微注塑成型中需要解决的问题之一是如何克服高分子溶液/熔体的充模阻力。针对该问题，本研究提出了在模具内壁设计仿生表面织构进而实现降低充模阻力的新技术。采用扫面电子显微镜测量了箬竹叶、芦苇叶、水稻叶的表面结构，三种叶片均具有较强的疏水性，仿生叶片结构设计了微突起、微凹坑、沟槽+微突起等拓扑结构，并在高分子溶液或熔体流经的微流道内设计拓扑结构。研究结果表明仿生表面织构具有一定的减阻效果，其中仿生微突起结构的减阻效果最好，减阻率约为6.4%。研究了疏水/油表面的滑移减阻行为，发现滑移长度与液-固间排斥作用参数存在近似的二次函数关系，壁面附近存在低密度区域，阻碍了流体动量传递，致使壁面产生滑移。仿生表面织构内部存在低速漩涡，一方面低速流体起到润滑膜的作用，另一方面漩涡起到了类似滚珠的作用，使流体与壁面的滑动摩擦变成滚动摩擦，减小了流体在微通道内的流动阻力。基于耗散粒子动力学方法，从新的介观尺度研究了微通道内高分子溶液流动迁移行为，通过给壁面粒子施加虚拟的速度，提出了该方法用于分析壁面滑移的滑移边界模型。研究结果显示微通道中高分子溶液的剪切稀化行为，并揭示了高分子链在微通道内的迁移机理，壁面与高分子链间的流体力学相互作用会驱使高分子链远离壁面，而扩散率梯度作用又会使高分子链朝着离开通道中心的方向迁移。搭建了微通道内流体流动的压力降测试系统，实验结果显示不含仿生表面织构的微通道两端的压力降比含仿生表面织构的大，即仿生表面织构的流动阻力小，验证了仿生表面织构的减阻行为。研究了微纳尺度下润湿材料界面力学行为，结果表明水膜存在时金属材料铜的应力松弛量大于无水情况，不可恢复性变形量因水膜的出现而加剧，水膜阻碍了弹性恢复和塑性变形的释放。研究成果可以为微注塑成型技术提供一定的理论基础，同时为微尺度空间内的流-固界面体系的界面动力学和减阻技术提供理论依据。研究成果发表了SCI论文5篇，获得授权发明专利2件。