[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

说明书

本发明公开一种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，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；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。本发明利用仿真模拟电场诱导聚合物表面微结构成形的动态过程，更加直观的观察聚合物表面结构的成形变化，研究电场形状、参数、空气间隙、聚合物薄膜厚度等对实验的影响。

技术领域

本发明属于微纳米技术领域，具体涉及一种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。

背景技术

表面上的微织构作为控制摩擦磨损的一种方法，能够有效改善摩擦副表面摩擦学性能、提高承载能力、延长使用寿命等。根据不同的需求，利用软材料，加工具有相似的特殊功能的微织构表面，对社会的发展以及科学的进步都有一定的积极的作用。

目前对表面微织构的研究多集中于硬质材料以及凹坑微织构，而对软质材料以及凸起微织构的摩擦磨损特性的研究还有所欠缺；同时现有的表面微织构造型技术制备的图案多集中于二维形貌，与仿生学中的表面微织构的相关研究不符，而三维形貌的制备方法依然有所欠缺。电场诱导表面成形因其高效简便的加工优点逐渐成为研究热点，但目前多为实验研究，缺乏仿真理论依据，因而无法控制聚合物微纳结构成形的精度。现有的仿真研究结果未能解释材料成形规律，即电场强度和空气间隙等参数对聚合物的作用机理。

近年来，数学模型被广泛运用于计算微粒间扩散、迁移等物理行为。相场模型(phase-field model)相较于传统锐利界面模型(sharp-interface model)能够准确模拟粒子间形态的渐变过程，且不需要显示跟踪界面移动位置，大大降低计算复杂性；同时能解释微粒结构能量变化的关系，提供更准确的科学理论模型。

因此，如何更好的利用相场模型针对电场诱导聚合物表面微结构可控成形进行研究是亟待解决的问题。

发明内容

基于上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于相场模型的电场诱导聚合物表面微结构可控成形机理进行研究的方法，其为聚合物表面微结构材料加工作技术指导。

本发明采用以下技术方案：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，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；

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。

作为优选方案，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。

作为优选方案，所述玻璃化温度为70℃-150℃。

作为优选方案，步骤S2中，施加电压范围为50V-500V。

作为优选方案，电场诱导时间为0.2h-3h。

作为优选方案，步骤S3中，系统模型包括多种能量和多种动力。

作为优选方案，所述能量包括化学能、表面能、电能、热能。