高分子材料先进制造的“微积分”思想(最新版）

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来源：北京化工大学英蓝研究室 发布时间：2010年6月7日

杨卫民

1. 北京化工大学，机电工程学院，高分子材料先进制造英蓝实验室，北京100029
2. 青岛科技大学，机电工程学院，高分子材料先进制造山东省重点实验室，青岛 266061

摘要：为了解决现代制造业发展进程中，高分子制品微型精密化和大型复杂化所遇到的瓶颈，提出了高分子材料先进制造的“微积分”思想。基于这一思想，在高分子材料注射成型、挤出成型、静电纺丝、纳米复合材料制备和制品结构创新等先进制造技术领域开展了比较系统的原理探索和方法研究，发明了一系列加工成型新方法、新装备和制品应用新技术。通过部分工业化应用的实践检验，证明高分子材料先进制造的“微积分”思想对于突破传统制造模式的束缚，发展加工成型新方法和制品应用新技术具有一定的指导意义。
关键词：先进制造，高分子材料，材料加工、成型，微积分

A Concept of Differential and Integral Method Applied in Advanced Manufacture of Polymer Materials

YANG Weimin

1.
Beijing University of Chemical Technology, College of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing,100029

2.
Qingdao University of Science and Technology, College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao,266061

Abstract: In order to solve the bottleneck problem of polymer products striving for micro scale and precision or macro scale and complication in modern manufacturing, a concept of differential and integral method applied in advanced manufacture of polymer materials was brought up. On the base of this concept, principles of injection molding, extrusion, electrostatic spinning, nano-composite processing and structure innovation of polymer products have been studied, a series of new methods of polymer processing and molding, new equipments, and new technologies of product application have been invented. Some industrial application results have proved that, the concept of differential and integral method applied in advanced manufacture of polymer materials is a valuable guide to breakthrough the restriction of traditional manufacturing mode, and to develop new method of polymer processing and new technology of polymer products application.
Keywords: Advanced manufacture, Polymer material, Material processing, Molding, Calculous
前言
人类文明的进步在很大程度上取决于制造业的发展。现代制造业主要是将金属、无机非金属和有机高分子材料加工成各种用途的制品。自1907年出现合成酚醛树脂的一百多年以来，高分子材料的合成、加工和应用取得了突飞猛进的发展。高分子材料由于具有良好的低温加工性能、高度的设计自由性和集成功能性、低密度、高韧性等诸多优点，正越来越多地取代金属和无机非金属，成为现代制造业重要的基础材料。从小至万分之一克的微型精密齿轮到大至数吨重的巨型工程轮胎，可以体现出高分子材料加工制造技术的发展前沿和明显趋势。目前，高分子材料加工成型仍然延续着传统制造业的惯性思维模式：即用小型设备制造小型制品，用大型设备制造大型制品。沿着这一思路发展而成的工艺路线给高分子材料加工成型装备提出了越来越严峻的挑战。例如，在高分子材料的微注射成型装备方面，当塑化注射螺杆缩小到12mm时，已接近强度极限，进一步微小化就被迫回到了柱塞式注射成型的原始方法上；而在巨型工程轮胎制造装备方面，每开发一种更大规格的轮胎就需要配套相应的加工成型装备，设备投资规模和加工制造难度大幅度提高。这些问题已经成为制约高分子材料加工制造业继续发展的一大瓶颈。笔者在研究解决这些问题的过程中，受到高等数学经典微积分原理的启迪，提出了高分子材料先进制造的“微积分”思想。近年来，带领研究团队围绕高分子材料加工成型和制品应用的“微积分”原理及可行方法，开展了较为系统的研究。目前，有些研究课题已进展到工业化应用阶段，并取得了很好的效果。以下是在这一领域的研究探索和所取得成果的概要介绍。需要特别指出的是，尽管这一研究思路的萌生是源于经典数学的微积分原理，但在工程实际应用中不可能也无必要达到严格数学意义上的极限状态，因此，笔者给本文所提及的微积分概念加上了引号。

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