[发明专利]基于相场模型的聚合物表面微结构可控成形机理研究方法

权利要求书

1.基于相场模型的聚合物表面微结构可控成形机理研究方法，其特征在于，包括步骤：

S1、将样本即聚合物材料放入一定温度下加热使其达到熔融状态；

S2、对熔融状态下的聚合物施加电场，通过图形化电极板、设置不同电场强度，诱导聚合物表面微结构成形为各式阵列结构，得到不同时段的聚合物表面微结构形态变化状况；

S3、建立电场诱导聚合物表面微结构的系统模型；步骤S3中，系统模型的构建过程：

确定模型体系初态，包括环境状态、粒子坐标，推导出电场、温度场共同作用下聚合物微结构可控成形数学模型中的系统总自由能表达式：

G代表的是系统的总自由能；

在此方程中，f(c)所表达的物理意义是局部自由能，它是一个关于相场变量c的函数，相场变量c代表聚合物材料，表示的是表面能，其中h表示的是系统的梯度能系数，是外加电场提供给系统的静电能，其中φ表示的是系统中外加电场的电场强度，ε₀表示真空介电常数，ε_r表示聚合物的介电常数，ε_r(c)表示聚合物的介电常数和空气介电常数的线性插值；

当介电介质中没有自由电荷时，电势满足：

聚合物分子发生扩散迁移运动的驱动力是由体系化学势能μ提供的，化学势能μ与系统总自由能G存在如下的函数关系：

而聚合物分子扩散迁移的驱动力F_d又等于体系化学势能的变换：且化学势能μ与相场变量的扩散通量J之间的关系可以表示为：M表示的是设定温度下的聚合物分子的迁移率；

基于Cahn-Hilliard非线性方程并联合质量守恒定律：

结合聚合物原子扩散通量J的表达式，考虑聚合物熔融状态下黏度影响，对流通量由c·v给出，其中v表示流速，相场变量c的状态演化方程推导如下：

用特征速度V_c、特征长度L_c、特征时间t_c＝L_c/V_c归一化控制方程，电势φ采用公式进行处理，在聚合物表面区域有|Δε_r|＝ε_r^polymer-ε_r^air，而表面能的意义可以用Cahn系数来描述，通过公式求得，P_e＝V_cL_c/(M₀f₀)反映了扩散时间尺度和对流时间尺度的比率，结合公式(5)和公式(6)得到电场诱导聚合物表面成形的变量c的控制方程：

结合聚合物表面分子的扩散迁移过程，将偏微分方程式(5)变形为：

将式(8)移项变形为为变形后方程中的线性部分，为变形后方程中的非线性部分，其中，μ′为化学势能μ的线性部分，对于线性部分μ′，令经过上述处理之后，公式(7)将变化为如下形式：

在求解过程中，A定义为常量，采用傅里叶变换对公式(9)进行转化推导，得到的表达式如下：

S4、对模型中的微分方程进行编译得到仿真数据，并将仿真数据导入可视化软件中进行图像显示，得到相应的模拟仿真结果。

2.根据权利要求1所述的基于相场模型的聚合物表面微结构可控成形机理研究方法，其特征在于，步骤S1中，包括以下步骤：

S1.1、将所述样本均匀涂抹至试验台表面，进行预固化；

S2.2、通过加热装置对所述样本加热至相应玻璃化温度以上，使其达到熔融状态。

3.根据权利要求2所述的基于相场模型的聚合物表面微结构可控成形机理研究方法，其特征在于，所述玻璃化温度为70℃-150℃。

4.根据权利要求1所述的基于相场模型的聚合物表面微结构可控成形机理研究方法，其特征在于，步骤S2中，施加电压范围为50V-500V。

5.根据权利要求1所述的基于相场模型的聚合物表面微结构可控成形机理研究方法，其特征在于，电场诱导时间为0.2h-3h。