毕业设计（论文）UHMWPE塑烧板基板成型过程的数值模拟及其制备工艺研究.pdf

分类号UDC密级硕士学位论文UHMWPE塑烧板基板成型过程的 数值模拟及其制备工艺研究Numerical Simulation and Preparation Technology ofUHMWPE Sinter Plate Filter Substrate Forming Process作者姓名：侯文潭学科专业：机械工程（机械制 造及其自动化）学院（系、所）：机电工程学院 指导教师：蒋炳炎教授论文答辩日期皿率阻阈中南大学 2012年6月10日原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：隹文舜 0期:上a年6月/。日学住论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文,允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库,并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名：戊文萍 导师签名的则袅 日期；2年4月九日硕士学位论文摘要摘要论文针对塑烧板生产工艺复杂、原材料配方尚未公开、依赖进口、价格高昂、推广受限等问题，采用超高分子量聚乙烯（UHMWPE）代替传统树脂基复合材料，通过粉末压制烧结法成型塑烧板基板，采 用数值模拟与实验相结合的方法，研究了原料粒径和体积压缩比对制 件性能的影响规律,并根据塑烧板基板的特殊性能要求，对UHMWPE 塑烧板基板进行研发，获得了最优的工艺参数，为UHMWPE塑烧板 基板的研发提供指导。实验研究了不同粒径的UHMWPE粉末的松装密度，通过冷压成 型实验明确了成型压力与压坯密度、孔隙率和压缩比的关系，并获得 了 UHMWPE粉末的压缩应力应变曲线。结果表明，松装密度随原料 粒径的减小而降低，压坯密度和压缩比随成型压力不断上升，孔隙率 下降，为数值模拟中材料特性的设定及生产工艺的制定提供了参考。基于Shima-Oyane粉末屈服模型，采用数值方法研究了 UHMWPE塑 烧板基板的压制成型过程中，原料粒径和体积压缩比对粉末流动和压 坯相对密度的影响规律。研究发现，体积压缩比越小、粉末粒径越小，UHMWPE塑烧板基板压坯的相对密度分布越均匀，且相对密度随体 积压缩比的增大和粒径的减小而增加。在不同的工艺参数下采用粉末 压制烧结法成型UHMWPE塑烧板基板，对制件关键性能参数进行测 量，筛选出最优的工艺参数为：原料粒径为400y50呷，体积压缩比 为1.7o通过对合格制件的SEM观察发现多孔材料内部含有大量彼此 贯通且表面圆滑的三维空隙，且烧结颈形貌良好。通过对比仿真与实 验结果认为基于Shima-oyane模型的数值模拟是研究UHMWPE多孔 材料压制成型过程的可靠方法，表明粉末压制烧结方法是成型 UHMWPE塑烧板基板的有效途径。关键词超高分子量聚乙烯，多孔材料，塑烧板基板，数值模拟，成 型工艺硕士学位论文ABSTRACTABSTRACTAiming to resolve the problems of complex processing technique,unpublished prescription of raw material,import dependence,high price and limited polularization in Sinter plate filter producing,preparing the sinter plate filter substrate by the way of powder suppression sintering with ultra high molecular weight polyethylene(UHMWPE)instead of the conventional composite material is studied herein.The numerical simulation and experiment method were adopted to study the effect of particle sizes of UHMWPE and volume compression ratio on the performance of the substrate of the filter.Accoring to the particular function acquirement of sinter plate filter,the R&D of UHMWPE sinter plate filter substrate is preformed to obtain optimalizing parameters,which provides guidance of UHMWPE sinter plate filter substrate producing.The relationship between particle sizes of UHMWPE and loose density is studied by experiment.The effect of forming pressure on green density,porosity and compression ratio was investigated through powder cold forming,and the UHMWPE compression strain-stress curves varied with different particle sizes were obtained.Results indicated that the loose density decreases with the particle size reduces,green density and compression ratio increases with the forming pressure rising,while the porosity decreases.The results provide reference for material characteristic configuration in numerical simulation and producing process formulation.Based on the powder yield model of Shima-Oyane,the numerical simulation is performed to study the influence of particle size and volume compression ratio on powder flow and relative green density in the UHMWPE sinter plate filter compression forming process.The feasibility of Shima-Oyane model in silumation of polymer powder compression process is validated therein.lt is concluded that the relative density distribution tends to be uniform while the volume compression ratio and particle size reduces,and the relative density increases with the volume compression ratio rises and particle size decreases.The optimal process 硕士学位论文ABSTRACTparameters,which was 400-450gm fbr particle size and 1.7 for volume compression ratio were obtained by preparing UHMWPE sinter plate filters in various process parameter and taking measurement of key parameters fbr product properties.Scanning electron microscope(SEM)were used to observe the qualified parts.The result showed that there was numerous 3D space in the porous material with smooth surface,which were connected to each other and the shape of sintering neck is good.It can be concluded that it is a effective way of UHMWPE powder suppression sintering to prepare Sinter plate filter substrate.The comparation of simulation result and experimental result indicates that the Shima-Oyane model is a reliable method to study compression process of UHMWPE porous materials.KEY WORDS UHMWPE,porous material,sinter plate filter substrate,numerical simulation,processing parametersin硕士学位论文目录目录摘要.IABSTRACT.II第一章绪论.11.1 研究背景.11.2 塑烧板除尘器概述.21.2.1 塑烧板除尘器工作原理及其组成.21.2.2 塑烧板的市场现状及应用前景.21.3 UHMWPE多孔过滤介质特性及应用.31.3.1 多孔介质的分类.31.3.2 UHMWPE多孔材料及其特性.41.3.3 UHMWPE多孔材料的主要应用领域.51.4 UHMWPE多孔材料制备技术及粉末成型数值模拟研究现状.61.4.1 UHMWPE多孔材料常用生产方法对比.61.4.2 UHMWPE多孔材料压制烧结法成型的研究现状.71.4.3 粉末压制烧结成型过程数值模拟的研究现状.81.5 课题的来源、意义及论文主要研究内容.101.5.1 课题来源及意义.101.5.2 论文主要内容.10第二章UHMWPE粉末压制机理分析.132.1 粉末压制成型特性概述.132.2 粉末材料的变形与致密化.132.2.1 粉末材料屈服准则.132.2.2 粉末塑性变形中的致密特性.152.3 粉末松装密度的测定.162.3.1 UHMWPE粉末松装密度的测试.162.3.2 UHMWPE原料粒径与松装密度的关系.172.4 成型压力对UHMWPE粉末压坯性能的影响.172.4.1 加压速率对粉末压坯变形的影响.192.4.2 UHMWPE粉末的力学性能.202.4.3 压力对孔隙率和密度的影响.212.4.4 压力对压缩比的影响.222.5 本章小结.22IV硕士学位论文目录第三章UHMWPE塑烧板基板粉末压制过程的数值模拟.243.1 概述.243.2 粉末压制成形数值模拟软件的选用.243.2.1 仿真软件的选择.243.2.2 MSC.Marc 软件简介.253.3 粉末成形过程的数值模拟.263.3.1 单因素实验方案及实施步骤.263.2.2 模型建立与网格划分.263.2.3 压制过程模拟.273.4 粉末成形过程的数值模拟结果分析.303.4.1 体积压缩比对成型过程及制件性能的影响.303.4.2 原料粒径对制件性能及成型过程的影响.363.5 本章小结.41第四章UHMWPE塑烧板基板的制备及其工艺参数研究.424.1 实验方案设计及实验结果的统计分析方法.424.1.1 实验方案设计.424.1.2 实验结果考量方法.434.2 UHMWPE塑烧板基板粉末压制烧结模具的设计及制造.444.2.1 粉末压制烧结模具设计.444.2.2 模具的加工制造.444.3 UHMWPE塑烧板的制备及性能检测.454.3.1 UHMWPE塑烧板的成型工艺.454.3.2 UHMWPE塑烧板性能检测.454.4 UHMWPE塑烧板基板性能检测结果与分析.484.4.1 实验结果.484.4.2 实验结果讨论与分析.494.5 仿真结果验证.534.6 本章小结.54第五章总结与展望.555.1 全文总结.555.2 未来展望.56参考文献.58致谢.63攻读硕士学位期间主要研究成果.64硕士学位论文第一章绪论第一章 绪论1.1 研究背景随着科技和工业化生产的发展，能源、资源、三废治理等问题更加受到重视，特别是生物化工、精细化工、材料能源等高技术领域的迅速发展，对分离技术的 研究和开发提出更高的要求。高分离精度、高运行效率的微孔过滤技术及微孔过 滤材料成为人们探究和研发的目标。塑烧板除尘器于1981年问世，其作为国外近20年研发生产的新一代超高效除 尘器，对于1岬以上粉尘，捕集效率高达99.999%,排放小于Img/n?,实现了真 正意义上的零排放。塑烧板除尘器的核心过滤元件一塑烧板，结构设计独特，耐酸碱、耐强湿、耐磨损，使用寿命长达10年以上，结构紧凑，体积仅为传统布 袋除尘器的1/3左右。典型的塑烧板除尘器和塑烧板如图1-1和图1-2所示。图1“典型的塑烧板除尘器 图1-2塑烧板塑烧板以其他过滤介质难以匹敌的性能和高昂的价格，始终垄断着高端过滤 介质领域。目前国内使用的塑烧板主要依靠进口，或购买国内外商合资企业的产 品，单板售价昂贵，严重制约了塑烧板的推广。在高昂利润的驱使下，近几年来 国内涌现出大量小厂加入塑烧板的国产化的行列，但其产品质量皆不尽人意，目 前尚未有单位或个人具备独立自主生产合格塑烧板的能力，主要原因在于：传统 塑烧板的多孔结构是通过多种高分子聚合物粉末混合、铸型、烧结而成的，原料 配方一直为国外的垄断企业所有，尚未公开且难以复制；塑烧板的波浪形外形使 其成型难度大大增加：国内在多孔介质生产中，对产品性能的控制主要依照经验，缺乏明确的生产方案，故国内鲜有既满足结构、尺寸要求，又满足工业应用需要，且质量稳定的合格产品问世。因此，针对塑烧板的性能参数及使用要求，采用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)粉末代替传统树脂基复合材料成型塑烧板基板，探究其可行性，硕士学位论文第一章绪论研究UHMWPE塑烧板的制备工艺，并采用数值模拟技术，探究粉末成型中的流 动规律,预测制件的性能,从而缩短国内自主产品的研发周期，降低产品的生产、制造成本，扭转国际塑烧板生产、销售的垄断局面，为塑烧板除尘器的国产化发 展奠定基础。1.2 塑烧板除尘器概述1.2.1 塑烧板除尘器工作原理及其组成塑烧板除尘器作为过滤式除尘器领域的高端产品，较其他工业上用于气固分 离的除尘器，如布袋除尘器、滤芯式除尘器等，具有收集效果好、适应性强、有 粉尘捕集效率高，压力损失稳定，清灰再生效果好，使用寿命长，结构紧凑小型 化，维护保养极为方便，能过滤含水、含油量高的粉尘及纤维粉尘的等诸多优点 等优点小叫被日益广泛应用于生物医药、矿山冶金、环境工程等工业分离过程。塑烧板除尘器本体主要由除尘器壳体、塑烧板滤芯、压缩空气反吹气缸、喷 吹管、固定多空隔板、进风口、出风口以及风机所组成。该机的工作原理和普 通袋式除尘器基本相同，当含尘气体流经风道由烧结板的外表面通过塑烧板时,粉尘被阻留在烧结板表面，洁净气体则通过烧结板后由排风管道排出，随着塑烧 板表面粉尘的增加，启动脉冲阀，将压缩空气喷入塑烧板内腔中，附着在烧结板 外表面的灰尘随着脉冲反吹或者重力作用落入下方的灰斗中。塑烧板除尘器在工作中起到关键性作用的即为其过滤介质一塑烧板。塑烧 板表面呈波浪形状，不仅结构紧凑，更使有效过滤面积增加两倍。整板呈典型的“杉树形”结构，沿中轴线对称，整板采用两个完全相同的单板粘接而成，因此，整板只需一套模具便可成型。整板由厚度为3.5mm,孔径约为30405，孔隙率 大于40%,拉伸强度大于2Mpa的基板和涂覆、渗透到基板表面的孔径约为23gm 的PTFE层组成。但由于塑烧板的外形特点使其成型难度和制造成本大幅提升，核心技术一直为国外所有，国内市场推广受到限制。1.2.2 塑烧板的市场现状及应用前景经过大量的调研发现，国外主要采用德国HERDNG公司生产的塑烧板，该 公司为塑烧板专利的持有者，经过二十年的发展和完善，目前处于国际塑烧板生 产的鼻祖及领军地位。国内的塑烧板过滤器市场被两家公司占据，其一是北京柯 林柯尔技术发展有限公司，该公司通过与德国禾鼎过滤技术有限公司全面合作，以许可证方式在我国生产制造禾鼎公司专利产品烧结板除尘器并使用 HERDING商标。其二为上海圣德机械设备有限公司，该公司为日商独资企业，作为国内首创生产制造塑烧板除尘器的实体企业，其产品不仅返销日本，也被国 硕士学位论文第一章绪论内多家大型钢铁企业广泛采用。由于塑烧板的附加值极高,市场反响强烈，因此，诸多小厂如雨后春笋般加入塑烧板制造的行业,但其产品质量均不尽人意。因此，从其优异性能和市场前景来看，塑烧板除尘器的研发是一个方兴未艾的高技术产 业领域。对于塑烧板除尘器的经济性分析，从整套系统上比较，一次性投入塑烧板除 尘器比湿法电除尘高出20%左右，但塑烧板除尘器极大地节省了水处理等费用,并降低了水资源的消耗，且维修、更换等维护费用极低，长期运行效益显著。并 且，随着在各行业的大量推广使用，国内塑烧板生产厂商的萌发和激增以及市场 竞争的加剧，塑烧板除尘器的一次性投入费用将会进一步下降，这也必将大力推 动我国过滤、除尘及材料回收领域的发展。因此，随着国家相关部门对于节能、环保加大管理、治理和惩罚力度，相对于其他过滤设备，塑烧板除尘器的优异性 能将进一步为人们所熟知，其在国内将存在不可限量的发展空间。1.3 UHMWPE多孔过滤介质特性及应用1.3.1 多孔介质的分类多孔介质是指含有大量孔隙的固体，具体是指含有孔隙、微裂纹等各种类型 毛细管体系的固体材料介质。其中的固相部分称为固相骨架，未被固相占据的空 间称为孔隙。固相应和孔隙都应遍布整个介质，即在介质中取一适当大小的体元，该体元内必须有一定比例的固体颗粒和孔隙。孔隙空间应有一部分或大部分是相 互连通的，且流体可在其中流动，这部分孔隙空间称为有效孔隙空间，而不连通 的孔隙空间或虽然连通但属死端孔隙的这部分空间是无效孔隙空间。多孔材料中的孔隙有交联孔、通孔、闭孔和盲孔之分，如图14所示。C一闭孔（closed）,B-blind（盲孔），Tthrough（通孔）,Iinterconnected（交联孔）图1Y孔的分类不同的孔隙类型对应的应用范围也不尽相同，贯通孔的多孔材料主要用于热 交换器、催化剂载体和过滤介质；半通孔的多孔材料主要用于生物医药植入材料、消音器、轴承和吸声装置；闭合孔材料主要作为承载装置和吸能装置使用。工业上应用的过滤介质种类繁多，按其结构和性状可分为挠性介质、刚性介 3硕士学位论文第一章绪论质及松散性过滤介质三大类。其分类如表1-1所示。表1-1过浅介质的分类过滤介质分类挠性介质棉、毛、丝织物，合成纤维织物，玻璃纤维织物，非织造 纤维织物如非织造滤布、滤纸、滤毡、过滤衬垫等刚性介质烧结金属网，金属纤维烧结毡，粉末烧结材料，多孔陶麦，烧结多孔塑料，烧结铝氧化物，玻璃过滤介质等松散性介质硅藻土，膨胀珍珠岩粉，纤维素，砂，木炭粉目前使用最多的过漉材料有堆积纤维、多孔陶瓷、烧结金属、烧结塑料和多 孔滤膜，其的主要特性如表1-2所示：表1-2常用漉材及其特性过滤材料化学相容性可再生性机械强度介质脱落价格堆积纤维一般不可再生低多较高多孔陶瓷较好较好低少量较高多孔金属差好高少量高fHMWPE多孔材料好好较高少量低多孔漉膜好较难柔性滤材无高从表1-2可见，堆积纤维和多孔金属化学相容性较差，因此只在能在特定的 领域使用：多孔陶瓷化学稳定性好但生物吸附力强而且质脆，使用范围有限；多 孔滤膜虽具有过滤速度快、吸附少的优点，但柔性滤材可再生困难，消耗量大和 价格昂贵等问题使其推广受到限制。UHMWPE多孔材料以其出色的综合性能，在众多过滤介质中脱颖而出。1.3.2 UHMWPE多孔材料及其特性超高分子量聚乙烯（UHMWPE）一般指粘均分子量大于100万的聚乙烯，是 一种高结晶线性热塑性工程塑料，由于其具有平面锯齿形的简单结构，分子链长 且没有庞大的侧基且分子量很大，分子链之间相互缠绕，故可有效地松弛应力，诱发屈服形变和塑性形变，具有高抗冲性。UHMWPE多孔材料是指以UHMWPE 为基体，通过不同的成型方法在UHMWPE基体上产生大量的微观连通孔洞，从 而可以满足各种应用需要的材料。UHMWPE多孔材料的优异性能主要表现在：易于生产加工叫摩擦系数小，耐磨损性能极好，具有优良的抗冲击强度，吸音吸能效果好，耐各种化学药品 的腐蚀，耐核辐射，遇水不膨胀，无味、无毒，具有生理惰性和生理适应性等等。硕士学位论文 第一章绪论这些优良的特性使UHMWPE在工程技术中大量应用。在耐磨性方面，将磨损率按公式虫/-“）/】。来计算，其中8为 磨损率，/为磨前的质量，或为磨后的质量。UHMWPE与其常用材料相比，其 耐磨性也非常出众，其与HDPE、PA6、PTFE、45碳钢、不锈钢磨损率的对比如 表1-3所小。表1-3几种常见材料的磨损率的平均值UHMWPEHDPEPA6PTFE45碳钢不锈钢0.621.321.512.314.024.05UHMWPE是韧性极佳的聚合物，其抗冲击强度也十分优异，并且其冲击强 度随摩尔质量提高而增大，当摩尔重量升高到150万时，冲击强度达到最高值。以UHMWPE、HDPE、ABS、PA66、PC、POM、PTFE为例，它们的抗冲击强度 对比如表1-4所示。表1-4几种聚合物材料的抗冲击强度对比（MPa cm）UHMWPEHDPEABSPA66PCPOMPTFE14027.216-446-1171-9587316由上表可见，UHMWPE在化学稳定性、再生性能、机械强度、耐磨性、抗 冲击性等方面有着其他刚性过滤介质不可比拟的优势，而其低廉的价格，更使其 在众多过滤介质中脱颖而出，极好地满足了工业应用的要求，成为众多应用场合 的首选。1.3.3 UHMWPE多孔材料的主要应用领域UHMWPE多孔材料的出色性能使其在各个行业都受到了更多的关注与重视,应用前景非常广阔。在生物医学领域，目前主要用于关节替代材料（如仿生软骨 a”】、仿生关节UZ5）、人工组织支架（如基因生长支架【的）、血液泵【叼、包 装袋等医用材料中，并且其可使复杂的药物分离提纯过滤的工艺大大简化，目前 主要用于离心柱筛板、层析柱筛板、细胞培养皿支撑座、移液器滤芯及止溢滤芯 等中。在工业生产领域，多用于瓷机滤板、压滤机滤板1用、塑烧板除尘器滤芯1网、曝气器曝气片网及精密过滤滤材等方面，以用于化工、制药、食品、冶金、电 力等领域的气、液体的净化除尘，污水、废水的过滤处理，选矿及贵重金属 的回收等。在其他领域，利用UHMWPE的多孔扩散原理，制造蓄电池隔板隔膜、消声器及精密电子元件的吸盘等。UHMWPE微孔材料广阔的应用前景和巨大的 市场潜力使之成为欧美发达国家功能材料科学研究的热点。硕士学位论文第一章绪论1.4 UHMWPE多孔材料制备技术及粉末成型数值模拟研究现状1.4.1 UHMWPE多孔材料常用生产方法对比UHMWPE是一种具有优异综合性能的热塑性工程塑料，但其加工性能却不 甚理想。目前，UHMWPE多孔材料的制备方法主要有相分离法卬】、热分解法、核径迹法、拉伸法和颗粒烧结法。这五种制备方法的对比如表1-5所示。表1-5 UHMWPE多孔材料的五种制备方法比较方法工艺难度加工成本孔径大小/gm对材料要求制件复杂度相分离法较容易较高0.1-10较高低热分解法较容易较低0.01100高较高核径迹法困难高0.05-12低低拉伸法较难低20250高低颗粒烧结法容易低1-100低高由于UHMWPE的分子量极长，熔体粘度高达108Pa-S,熔体流动指数接近 0,即使熔融也几乎无法流动，并且其临界剪切速率低，故在低剪切速率时易发 生熔体破裂、滑流、喷流等问题，从而导致孔洞、脱层现象的出现。同时，由于 UHMWPE的摩擦系数小，在进料时易打滑进而无法输送物料。虽然目前针对 UHMWPE的成型已开发了柱塞挤出、螺杆挤出、注塑、吹塑等热塑性加工方法，但这些方法也导致了 UHMWPE的分子量在加工过程中大幅度下降，大大影响了 UHMWPE原有的优异性能。因此要获得高性能制件，压制烧结成型方法是最佳 选择。颗粒压制烧结法具有成型容易、操作方便、加工成本低、制品孔径分布范 围广且可成型复杂制件的特点，并且模压加工的UHMWPE制品在世界发达国家 中占所有成型方法的80%以上，在我国更高达90%以上口叫该方法以其突出的 优势一直为人们所沿用和推崇。压制烧结法即将装入模具中的粉料加压以达到致密，颗粒间距离减小的效果,后对压制后的生坯进行加热烧结，当烧结温度超过高聚物的玻璃化转变温度时，聚合物处于高弹态，此时由于高分子链段的内旋转，促使大分子链的一部分产生 卷曲与伸长，这样高聚物颗粒从外到内会逐渐变得柔软而富有弹性，颗粒之间的 接触面会自动地增加。当继续加热到高聚物颗粒外表面为粘流态时，由于温度较 高，分子的热运动变得较为容易，分子链段也就易于活动，这样相互接触的颗粒 表面，由于分子链段的相互扩散、移动而彼此粘结起来。控制成型过程中的成型 压力，烧结温度和保温时间，使颗粒间仍有部分孔隙，就形成了多孔体。6硕士学位论文第一章绪论1.4.2 UHMWPE多孔材料压制烧结法成型的研究现状在国际方面，1962年，Herbert Goethel和Eugen Jacobi”首次利用压制烧结法 采用分子量为10Z106的聚乙烯粉末制备了多孔材料，研究了烧结温度对坯体密度 和孔隙率的影响，并发现了多孔材料在烧结过程中的收缩现象。Hiroyuki Iida和 Moriyama阳采用粒径为100gm和30即，分子量为900万的UHMWPE粉末，通过 分层压制技术、烧结工艺配合切削等加工方法，制备出了表面粗糙度为0.2pm的 多孔材料，研究了成型压力和烧结温度对UHMWPE多孔材料表面粗糙度、拉伸 强度和透气率的影响。K.M.SOUTO和A.A.SILVA3】以油田废液的油水分离的 过漉介质为研究对象，在不同的烧结时间和粉末粒径的条件下制备了不同性能的 UHMWPE多孔材料，并指出原料粉末的粒径越小，烧结时间越长则多孔介质的 过滤效果越好。K.LAdlerson和R.S.Webber1271使用电子显微镜观察了UHMWPE多 孔材料的成型过程，结果指出UHMWPE颗粒在高温烧结和受压的情况下，微观 上表现为烧结颈的生长和分子链的运动，使颗粒在接触部位出现连接彼此的微纤 维，宏观上则表现为多孔材料。在国内，刘广建教授磔291长期从事UHMWPE制品成型的研究，对模压成型 工艺及其参数的优化进行了研究，并总结出了模压成型工艺中烧结时间与制品厚 度的经验公式，并研究了UHMWPE人工麒臼的制备工艺及其摩擦磨损性能。中 南大学李启厚在测试了超高分子量聚乙烯树脂粉末性能的基础之上，确定 了其模压成型工艺参数，并且通过理论分析与实验研究,对这一工艺进行了改进。同时，针对超高分子量聚乙烯熔体特性，制备出超高分子量聚乙烯多孔材料，并 指出压制烧结法具有流程简单,投资少，成本低的优点。中南大学蒋炳炎教授卬3到 课题组对于UHMWPE多孔材料的成型工艺进行了细致透彻地研究，掌握了压制 烧结模具的设计要点，指出了UHMWPE的最适烧结温度窗口，获得了成型过程 中粉末粒径、成型压力、烧结温度和保温时间对于多孔材料使用性能的影响，明 确了原料粒径和压缩比在成型因素中对制件性能的影响最大，可制备孔径范围在 3gm240gm,孔隙率在20%60%,拉伸强度大于2MPa的UHMWPE多孔材料，具有很强的工程应用价值,现已将其成功应用于层析柱用筛板、止溢滤芯等场合。此外，杨军网采用压制烧结法对UHMWPE的瓷机滤板进行了研制，针对其使用 要求制定了UHMWPE粉末的成型工艺方案，设计了压缩模具结构，明确了采用 UHMWPE替代瓷机滤板的其可行性。除此之外，其他一些学者也就不同功用的 UHMWPE多孔材料的成型工艺、可行性论证及使用效果进行了广泛研究437。由此可见，对于UHMWPE多孔材料的研究主要集中于应用领域，在理论分 析，模具设计和加工工艺等方面均已取得一定的进展，但以目前的成果来看，采 用UHMWPE成型复杂结构制件未见先例，且通过成型简单外形制件获得的加工 7硕士学位论文第一章绪论工艺，对于复杂结构多孔材料成型时是否具有指导和借鉴意义，尚未得到验证。1.4.3 粉末压制烧结成型过程数值模拟的研究现状计算机数值模拟技术作为仿真分析的有效手段，在过去的十多年来发展迅速。粉末体力学性能与致密材料不同，粉末制品的生产工艺也具有复杂性和多样性特 点，压制压力与压坯密度之间的关系是压制理论的核心问题，粉末体压制变形规 律和压制过程的致密化机理是需要深入研究的问题。但是，由于粉末的成形中涉 及大量参数，如粉末材料的成分、含量、成型模具的种类和形状，成形的压力、温度以及摩擦力等等，而且粉末成形自身也是一个材料非线性、几何非线性和边 界条件非线性的组合非线性过程口叫因此，如何更科学、更准确地体现数值模 拟的价值是现在普遍面临的问题之一。从现有的研究方法来看，主要有连续介质力学方法和非连续介质力学方法两 大类。非连续介质力学方法将粉末材料看成是粉末颗粒的集合，以此建立单个颗 粒微观压制行为与粉末集合体宏观压制规律的联系，它主要采用了球形颗粒密集 堆积的微观力学方法。非连续介质力学方法主要有三种方法：离散单元法、细观 有限元法和可变形的离散单元法。目前应用较广的是离散单元法。离散元方法(Discrete曰ement Method,DEM)起源于分子动力学方法，是上 世纪70年代后期由PcundalL G shi和Jwilliams等多个学科的研究者共同发展起来 的一种模拟非连续体的代表性数值方法。它从粉末颗粒的颗粒性出发，通过建立 粉末颗粒间的相互作用及孔洞模型来进行研究，代表性的模型有Fleck和Hell模型,但这种方法模型复杂，计算较为困难。重庆大学温彤网基于离散单元法研究了 在开口容器中，粉末在凸模压制下的流动特点，获得了颗粒的运动轨迹、运动速 度以及坯体的密度分布等重要信息，总结了几种较为典型的粉末流动模式，并进 行了相关的实验验证。O.CoubeM采用离散元法及Drucker-PragerCap模型研究了 粉末在模具中的填充情况及在压制情况下的密度分布和粉末流动情况。J L Cho*等人采用离散元法对细观粉末的压制过程中，壁面摩擦对于粉末的影响进 行了理论和实验研究。A.Mehrotra采用三维离散元法研究了在粉末压制成型中，颗粒固连和压制速度对粉末充模的影响。杨霞，果世驹同用离散元技术分别对 铁粉的冷压、常规温压和模壁润滑温压过程进行了模拟，分析了三种不同压制条 件下铁粉颗粒的致密化过程。高红云等四】基于离散元法，并综合考虑重力、接 触力、阻尼、摩擦、范德华力等多种作用力的影响，建立了粉末流动温压过程中 粉末堆积的数学模型。对相同材料不同粒径的二元颗粒粉末和相同粒径不同材料 的二元粉末颗粒的混粉过程进行了研究。离散元法是分析散体力学的有效工具，但该方法也存在一定的局限性，比如，离散元法只是在分析流动显著、离散度大的问题上结果比基于连续体理论的好，硕士学位论文第一章绪论而对于“连续性”的散体的计算精度尚不及有限元分析法45。除此之外，运用 离散元法在模型选择和参数选取方面也存在一定难度，并且，对于离散元法多数 人直接采用PFC-2D/3D软件进行DE M分析，但此种软件在理论和算法的设计开发 方面还不够完善，分析计算的精度不高，因此，离散元法整体有待进一步发展。基于连续介质力学的粉末多孔材料的成形建模是研究的主流。由于松装粉末 中存在大量的空隙，因此粉末体在压制初期属于非连续体，但目前非连续介质力 学的基本理论还不完善，若将粉末视为非连续体来研究，将会给建模和数值模拟 带来很大不便。而基于连续介质力学对粉末成形的研究是将粉末体视为“体积可 压缩的连续体”，在对该连续体进行弹塑性分析时就可以采用连续体塑性力学的 理论和分析方法。这种方法的核心内容为粉末体屈服准则的建立，常用的准则有 Kuhn、Downey、Shima-Oyane、Gurson、Doraivelu和Lee准贝ij等。黄春曼利用MSC.Marc软件模拟了多台面同步器齿毂的粉末三维压制成型 过程，研究了压制过程中的密度分布，并根据仿真结果对工艺参数进行了优化。董洁等也采用MSC.Marc软件对纯铝粉的模压过程进行了三维有限元数值模拟，获得了在压制过程中粉末的流动规律、坯体的变形特征和相对密度分布。四川大 学张涛网等运用MSC.Marc软件，采用基于更新的拉各朗日的热一机耦合分析法 对高聚物黏结炸药(PBX)粉末的温压成型过程进行了数值模拟，获得了粉末体的 几何形变、应力场及相对密度分布等相关数据。中南大学欧阳鸿武14刃使用 MSC.Marc软件模拟了 3种不同装粉方式下，钛粉在压制过程中粉末的流动情况及 压坯的密度分布规律，仿真结果与实验结果取得了较好的一致性。上海交通大学 的岳胜利阿利用MSCMare有限元分析软件对热电池粉末成形过程进行模拟，获 得粉末压制过程中的变形特征、应力和密度变化规律等数据。西北工业大学的李 健对三维圆柱等截面粉柱温压成形过程进行了有限元数值模拟。得到了最终 三维坯体模型内部密度、温度和应力等参量的分布情况，以及粉末颗粒轴向和径 向的流动规律，并进行了实验验证。合肥工业大学在金属粉末温压成型方面做了 一定的研究，王德广等利用MSC.Marc软件，采用基于更新的拉格朗日的热-机耦合分析方法，模拟了铁基粉末的温压成型工艺过程，研究了压制成型过程中 的粉末的力学行为。华南理工大学李元元等却对椭圆模型的本构方程进行了 推导，并采用Marc软件对金属粉末冷压成型过程进行了数值模拟，并且对铁粉 的温压成型过程中的密度分布运用Marc软件进行了仿真分析，认为摩擦力对于 密度分布影响甚大。由大量的中英文文献检索可知，目前学术界已普遍认同对于粉末压制烧结成 型的数值模拟研究,但内容主要集中于粉末冶金、陶瓷成型和复合材料成型方面，对于聚合物的压制成型鲜有问津。本文以UHMWPE作为研究对象，研究高分子 硕士学位论文第一章绪论聚合物粉末的压制成型中的密度场的变化及粉末材料的流动情况，从宏观和微观 全面认识粉末的变形过程，定性、定量地预测坯体的成型情况，以降低人力、物 力消耗，缩短研究分析时间，掌握其工艺参数对制件性能的影响，为生产实践提 供指导性依据，并为以后同类材料的压制成型过程模拟提供参考。1.5 课题的来源、意义及论文主要研究内容1.5.1 课题来源及意义塑烧板除尘器的出现使气固分离设备的高分离精度、高运行效率、高使用寿 命成为可