时间：2024-01-11 11:53:26
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇高分子材料的取向，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
关键词：高分子材料；加工；形态控制
一、引言
高分子材料的性能与大分子的化学与链结构有着密切的关联，且材料形态也是重要影响因素之一。聚合物氛围结晶、取向等几种形态，多相聚合物择优扩相形态。聚合物制品形态的形成源自于加工中复杂的温度场与外力场作用。由此可见，关于加工过程中高分子材料形态控制具有重要的研究意义。
二、我国高分子材料加工中形态控制研究现状
高分子材料形态与物理力学性能之间的关联十分紧密，这也是高分子材料的重点研究课题。相较于其他材料，高分子材料具有非常复杂的形态，具体表现为高分子链的拓扑结构、共聚构型以及刚柔性非常复杂，在分子设计与结构调整中，可以对一些合成方法加以运用；其次，在高分子长链结构的影响下，其熔体的粘弹性非常突出；此外，高分子具有非常宽的弛豫时间，就是受到很小的应变作用，其产生的非线也会非常强烈。
对于聚合物的成型过程而言，在非等温场、不同强度的剪切与拉伸场的影响之下，就分子尺度而言，其大分子链会发生一系列化学反应；就纳米与亚微米尺度而言，大分子会有结晶与取向现象发生，如此一来就会有超分子结构的形成；而根据亚微米与微米尺度，多相聚合物会有不同相形态的形成，甚至会出现一些缺陷。而这些形态的影响因素非常广泛，例如加工中的外场强弱、作用频率、作用方式以及时间等。然而，现阶段关于这些问题的研究虽然有所深入，但相应的理论体系尚未成熟。此外，随着新聚合物的开发不断深入，在高分子材料加工中涌现出越来越多的成型加工方法，显然这使聚合物加工中的形态控制成为了一个长期的研究课题，对于高分子物理领域的发展无疑有着重要的影响。
在我国，关于新材料的研究起步以跟踪模仿为主，在知识产权与创新理论方面有所欠缺，并且基础研究与技术推广的通畅性也有待提升。其次，相关人员并不重视传统材料的升级与优化，很多高性能材料品种对进口的依赖性依然较强。再者，材料成型与加工设备也没有得到应有的关注，与一些发达国家相比，我国材料研究与整体发展依然存在诸多不足，显然这与国民经济与设备的发展需求不相适应。
聚合物的性能取决于形态，因此，在高分子材料领域中，聚合物形态与性能关系的研究一直以来都受到高度重视，然而在实践中，我们在二者之间的结合方面的研究上依然有所欠缺，具体可以从以下几个方面得到体现：
第一，在剪切速率与剪切应力非常低的情况下，聚合物共混物相形态的演化研究不断深入，然而在实践中，一些主要聚合物成型加工的剪切速率主要在10?～104s-1范围内，显而易见，相关研究成果对实际生产的指导作用依然有所欠缺。
第二，基于不同条件的不同特性聚合物，其共混物形态发展与演化研究依然是主要研究内容，而形态与性能关系的研究依然有所欠缺。
第三，在加工过程中，受到部分特殊外场的作用，聚合物凝聚态结构与相形态结构的研究有待深入。
截至今日，在聚合物及其复合物的成型加工中，就算成型设备与工艺条件属于常规，在外场作用下，人们依然没有彻底了解结构形态受到的影响，仅仅对一些粗略的定性关系有所认识，甚至有的推断还是错误的。以双螺杆挤出过程为例，人们仅对不同螺杆原件组合下外力场作用的不同会改变温度场，进而对产品产量、外观与内在性能产生影响这一规律有所了解。然而这一影响的具体方式却没有清楚的认识，业界研究人员也无法制定出定量的指导方案。在管材生产中，不管是落锤冲击不达标，还是纵向收缩产生波动，都没有搞清楚原因，也无法拿出改进方案，大部分情况下都是凭借经验进行处理。因此，现阶段很多成型设备与工艺控制的效果是否取得理想效果，我们依然难以准确判定。
一直以来，关于生产实践中的问题研究一直没有得到基础工作研究人员的关注。在成型设备与工艺技术的研究与开发中，相关规划也缺乏系统性。现阶段，我国塑料制品年产量超过了2200万吨，塑料机械工业取得了迅猛发展。然而在很多企业生产实践中，整个效率与质量依然有待提升，产生的能耗也没有得到有效控制。鉴于此，高分子材料成型加工将会成为未来高分子材料领域的研究重点，必须将侧重点放在高分子材料制品的研究上来，而不是过分的关注材料这一因素，只有如此，才能够提高高分子材料志制品质量。
三、高分子材料加工中形态控制的研究趋势
第一，基于常规的成型设备条件，聚合物及其复合物典型制品成型或型材生产在成型加工时，在设备与工艺条件改变的情况下，其形成的外场会有所差异，进而发生相应变化，例如塑化、结晶、赋型以及流动等，这些变化会改变制品形态、结构以及性能。
第二，极端的加工条件极端会改变聚合物及其复合物的形态结构变化规律，例如结晶结构、晶体大小等，在这类条件下，还需要尽可能对大尺寸高分子晶体的制备进行探究。
第三，在对新外场条件的分析、推断以及设定之下，通过对聚合物及其复合物结构形态与性能受到的影响研究，才能够围绕新的成型方法或具有特殊性能的高分子材料的制备进行探索，进而实现高分子材料性能的改善，并将节能性、经济性等方面的优势充分发挥出来。
四、结束语
总而言之，在未来工业领域的发展中，高分子材料的应用具有重要意义，而高分子材料加工中的形态控制则成为发展高分子技术的关键。作为相关研究人员，必须结合高分子材料加工中的形态控制研究与实践中存在的问题，采取相应的改进与优化对策，提高高分子加工整体水平，如此才能够从真正意义上推动我国高分子材料加工领域的进步。
参考文献：
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[2]李又兵，申开智.形态控制技术获取自增强制件研究[J].高分子材料科学与工程，2007，23（1）：24-27.
高分子材料：以高分子化合物为基础的材料，高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料，由千百个原子彼此以共价键结合形成相对分子质量特别大、具有重复结构单元的有机化合物。
高分子的分子量从几千到几十万甚至几百万，所含原子数目一般在几万以上，而且这些原子是通过共价键连接起来的。高分子化合物中的原子连接成很长的线状分子时，叫线型高分子(如聚乙烯的分子)。如果高分子化合物中的原子连接成网状时，这种高分子由于一般都不是平面结构而是立体结构，所以也叫体型高分子。
二、高分子材料的结构特征
高分子材料的高分子链通常是由103~105个结构单元组成，高分子链结构和许许多多高分子链聚在一起的聚集态结构形成了高分子材料的特殊结构。 因而高分子材料除具有低分子化合物所具有的结构特征(如同分异构体、几何结构、旋转异构)外，还具有许多特殊的结构特征。高分子结构通常分为链结构和聚集态结构两个部分。链结构是指单个高分子化合物分子的结构和形态，所以链结构又可分为近程和远程结构。近程结构属于化学结构，也称一级结构，包括链中原子的种类和排列、取代基和端基的种类、结构单元的排列顺序、支链类型和长度等。远程结构是指分子的尺寸、形态，链的柔顺性以及分子在环境中的构象，也称二级结构。聚集态结构是指高聚物材料整体的内部结构，包括晶体结构、非晶态结构、取向态结构、液晶态结构等有关高聚物材料中分子的堆积情况，统称为三级结构。
三、高分子材料按来源分类
高分子材料按来源分，可分为天然高分子材料、半合成高分子材料（改性天然高分子材料）和合成高分子材料。
天然高分子材料包括纤维素、蛋白质、蚕丝、橡胶、淀粉等。合成高分子材料以及以高聚物为基础的，如各种塑料，合成橡胶，合成纤维、涂料与粘接剂等。
四、生活中的高分子材料
生活中的高分子材料很多，如蚕丝、棉、麻、毛、玻璃、橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料和高分子基复合材料等。下面就以塑料和纤维素举例说明。
（一）、塑料
塑料是一种合成高分子材料，又可称为高分子或巨分子，也是一般所俗称的塑料或树脂，可以自由改变形体样式。是利用单体原料以合成或缩合反应聚合而成的材料，由合成树脂及填料、增塑剂、稳定剂、剂、色料等添加剂组成的，它的主要成分是合成树脂。
塑料主要有以下特性：①大多数塑料质轻，化学性稳定，不会锈蚀；②耐冲击性好；③具有较好的透明性和耐磨耗性；④绝缘性好，导热性低；⑤一般成型性、着色性好，加工成本低；⑥大部分塑料耐热性差，热膨胀率大，易燃烧；⑦尺寸稳定性差，容易变形；⑧多数塑料耐低温性差，低温下变脆；⑨容易老化；⑩某些塑料易溶于溶剂。塑料的优点1、大部分塑料的抗腐蚀能力强，不与酸、碱反应。2、塑料制造成本低。3、耐用、防水、质轻。4、容易被塑制成不同形状。5、是良好的绝缘体。6、塑料可以用于制备燃料油和燃料气，这样可以降低原油消耗。塑料的缺点1、回收利用废弃塑料时，分类十分困难，而且经济上不合算。2、塑料容易燃烧，燃烧时产生有毒气体。3、塑料是由石油炼制的产品制成的，石油资源是有限的。
塑料的结构基本有两种类型：第一种是线型结构，具有这种结构的高分子化合物称为线型高分子化合物；第二种是体型结构，具有这种结构的高分子化合称为体型高分子化合物。线型结构（包括支链结构）高聚物由于有独立的分子存在，故有弹性、可塑性，在溶剂中能溶解，加热能熔融，硬度和脆性较小的特点。体型结构高聚物由于没有独立的大分子存在，故没有弹性和可塑性，不能溶解和熔融，只能溶胀，硬度和脆性较大。塑料则两种结构的高分子都有，由线型高分子制成的是热塑性塑料，由体型高分子制成的是热固性塑料。
塑料的应用：透明塑料制成整体薄板车顶。薄板车顶的新概念基于透明灵活的聚碳酸酯或硅树脂材料，可以被永久性地塑造成单个的聚碳酸酯薄板，也可作为可折叠铰链和封条。拜耳材料科技研发的原型总共配备了四个灵活的薄板部件，形成了四扇“顶窗”，每扇窗都可单独打开和关闭。导轨用于连接薄板部件，形成一个牢固、透明的聚碳酸酯车顶外壳。一个同样透明的管子沿车顶结构中央纵向放置，在“顶窗”打开后用来调节折叠薄板。这样可以形成三维立体结构，组件比平坦的薄板更加牢固。同时也大大降低了单个组件的数量。
（二）、纤维素
纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖。不溶于水及一般有机溶剂。是植物细胞壁的主要成分。纤维素是世界上最丰富的天然有机物，占植物界碳含量的50%以上。纤维素是自然界中存在量最大的一类有机化合物。它是植物骨架和细胞的主要成分。在棉花、亚麻和一般的木材中，含量都很高。
纤维素的结构：纤维素是一种复杂的多糖，分子中含有约几千个单糖单元，即几千个（C6H10O5）；相对分子质量从几十万至百万；属于天然有机高分子化合物；纤维素结构与淀粉不同，故性质有差异。
纤维素的性能：纤维素不溶于水和乙醇、乙醚等有机溶剂，能溶于铜氨Cu(NH3）4（OH）2溶液和铜乙二胺 [NH2CH2CH2NH2]Cu（OH）2溶液等。水可使纤维素发生有限溶胀，某些酸、碱和盐的水溶液可渗入纤维结晶区，产生无限溶胀，使纤维素溶解。纤维素加热到约150℃时不发生显著变化 ，超过这温度会由于脱水而逐渐焦化。纤维素与较浓的无机酸起水解作用生成葡萄糖等，与较浓的苛性碱溶液作用生成碱纤维素，与强氧化剂作用生成氧化纤维素。
关键词：磁性高分子聚合物；吸附；重金属
1 磁性高分子聚合物l展现状
1.1 磁性高分子聚合物的合成方法
复合型磁性高分子材料主要是指在塑料或橡胶中添加磁粉和其他助剂，均匀混合后加工而成的一种复合型材料。复合型磁性高分子材料根据磁性填料的不同可以分为：铁氧体类、稀土类和磁性高分子聚合物晶磁粒类。根据不同方向上的磁性能的差异，又可以分为各向同性和各向异性磁性高分子材料。能够作为功能材料应用的主要有磁性橡胶、磁性塑料、磁性高分子微球、磁性聚合物薄膜等。复合型磁性高分子材料中的磁性无机物主要是铁氧体类磁粉和稀土类磁粉。稀土永磁材料是近年来备受关注的磁性材料，其粘结磁体的磁性可超过烧结铁氧体及其他金属合金，从第一代的SmCo系到第二代的NdFeB系，发展非常迅速。目前我国的NdFeB产量居世界前列，质量逐步提高，并且已有一些自己的专利技术。20世纪90年代以后，又出现了新型稀土磁性材料，如稀土金属间化合物，稀土永磁材料及磁性高分子聚合物及纳米晶复合交换耦合永磁材料等。
稀土磁粉出现后，树脂粘结磁体飞速发展。作粘结剂的高分子主要是橡胶、热固性树脂和热塑性树脂。橡胶类粘结剂包括天然橡胶和合成橡胶，主要用于柔性复合磁体的制造，但与塑料相比，一般成型加工困难。热固性粘结剂一般用环氧树脂、酚醛树脂。热塑性粘结剂主要为聚酞胺、聚丙烯、聚乙烯等，聚酞胺P（A）类最为常见，综合考虑机械加工性、耐热性、吸湿性，目前最常用的PA基体是Nylon6、Nylon66等。除了上述这些聚合物基体外，刘颖等还用结构型的磁性高分子-二茂金属高分子铁磁体（OPM）粉作粘结剂与快淬NdFeB磁粉复合制成磁性高分子粘结NdFeB磁性材料，其磁性能比环氧树脂粘结NdFeB的磁性能高。磁性高分子微球所采用的高分子材料主要是蛋白质、生物多糖、脂类等生物高分子和人工合成的兼有各式各样功能基团的合成高分子。将合成高分子作为微球壳层的研究报导较多，同时，考虑到生物高分子的优良特性，近年来对生物磁性高分子微球的研究也正成为新型生物材料领域的研究热点。可以用于制备磁性聚合物膜的聚合物基体较多，原则上能用于制备高分子膜的聚合物都可以，如纤维素、氟碳塑料、聚醋、聚酞胺等。作者曾用聚偏氟乙烯和醋酸纤维素作基体膜，在其中分散磁性氧化铁粒子用于气体分离。聚醋磁性薄膜多用来制成磁带。目前国内外研究较多的是以核径迹蚀刻膜为基板的磁性高分子聚合物磁性材料，它实际上是采用模板法，以聚碳酸酷核径迹蚀刻膜为基体，在其中电沉积磁性粒子，利用其规整膜孔来控制得到的有序磁性高分子聚合物磁性材料。
1.2 磁性高分子聚合物的功能
复合型高分子磁性材料分为树脂基铁氧体类高分子共混磁性材料和树脂基稀土填充类高分子共混磁性材料两类，简称为铁氧体类高分子磁性材料和稀土类高分子磁性材料，目前以铁氧体类高分子磁性材料为主。以高分子化学和无机磁学为基础发展起来的磁性高分子材料，是高分子功能材料研究的热点。复合型磁性高分子材料，由于其具有高磁性、易加工和成本低等优点，使它广泛应用于微型电机、办公用品、家电用品和自动控制等领域，但如何提高磁性微粒在高分子基体材料中的分散度是提高其磁性能的关键。结构型磁性高分子材料，由于其具有轻质、低磁损、常温稳定、易加工及抗辐照等优点，且其介电常数、介电损耗、磁导率和磁损耗基本不随频率和温度变化，其适合制造轻、小、薄的高频、微波电子器件，广泛应用于军工、通讯、航天等高技术领域，改进合成方法以提高它的磁性能是以后研究的重点。磁性高分子微球作为一种新型的有机一单倍线无机复合功能材料，由于其兼具高分子的众多特性和磁响应性，它被用做酶、细胞、药物等的载体广泛地应用到了生物医学、细胞学和生物工程等领域。对于磁性高分子微球，如何制得高磁响应性、高比表面和单分散性好的微球，以及高分子结构的精细化和功能化是以后研究的热点。随着新技术的广泛应用，高分子磁性材料必将会有更广泛的应用和发展前景。
2 传统重金属的处理
2.1 传统处理方法
2.1.1 化学法
臭氧接触池的臭氧投加采用布气帽投加方式，均设有尾气破坏装置，避免臭氧泄漏污染大气。纯水具有接近7的pH（既不是碱性的也不是酸性的）。海水的pH值范围为7.5至8.4（中等碱性）。如果水是酸性的（低于7），可以加入石灰、苏打灰或氢氧化钠以在水净化过程中提高pH。石灰加入增加了钙离子浓度，从而提高了水的硬度。对于高度酸性的水，强制通风脱气器可以通过从水中去除溶解的二氧化碳，这是提高pH的有效方式。使水成为碱性有助于凝结和絮凝过程有效地工作，并且还有助于最小化铅从管道和管道配件中的铅焊料中溶解的风险。足够的碱度还降低水对铁管的腐蚀性。在某些情况下，可将酸加入碱性水中以降低pH。碱性水（高于pH7.0）不一定意味着来自管道系统的铅或铜不会溶解到水中。水沉淀碳酸钙以保护金属表面并降低有毒金属溶解在水中的可能性。所有高级氧化工艺（AOP）的特征在于具有共同的化学特征，在驱动氧化过程中利用HO自由基的高反应性的能力，其适合于实现完全减弱和通过甚至更少反应性污染物的转化。处理的目的是去除水中不需要的成分，并使其安全饮用或适合于工业或医疗应用中的特定目的。广泛的技术可用于去除污染物，如固体、微生物和一些溶解的无机和有机材料或环境持久的药物污染物。方法的选择将取决于被处理的水的质量，处理过程的成本和处理水的预期质量标准。
2.1.2 物理法
重金属处理系统可以包括砂或砂粒通道或室，调节进入的污水的速度以允许沙子、砂砾、石头和碎玻璃的沉降。这些颗粒被去除，因为它们可能损坏泵和其他设备。对于小型下水道系统，可能不需要砂粒室，但是在较大的工厂需要除去砂粒。砂粒室有3种类型：卧式砂粒室，充气砂粒室和涡流砂粒室，该过程称为沉降。流动均衡澄清剂和机械化二级处理在均匀流动条件下更有效。均衡池可用于临时存储日间或潮湿天气流量峰值。盆地提供在工厂维护期间临时保持进入的污水的地方，以及稀释和分配可能抑制生物二级处理的有毒或高强度废物的排放。对废水沉淀后的污泥进行离心脱水，形成泥饼委托专业的公司处理。水厂处理是从海水或者其他水源中中去除污染物的过程。它包括物理、化学和生物过程，以去除这些污染物并产生可以安全使用的水。水厂处理的副产品通常是称为污水污泥的半固体废物或浆料，其在适于处置或土地应用之前必须进行进一步处理。水厂处理也可以称为净水处理，其也可以应用于处理工业农业废水。
2.1.3 生物法
与单功能离子交换树脂不同，生物重金属处理法含有多种功能性位点，包括羧基，咪唑，巯基，氨基，磷酸酯，硫酸酯，硫醚，苯酚，羰基，酰胺和羟基部分。生物重金属处理法是更便宜，更有效的替代方法，用于从水溶液中除去金属元素，特别是重金属。广泛应用于重金属去除的生物重金属处理法，主要集中在细胞结构，生物吸附性能，预处理，修饰，再生/再利用，生物吸附建模（等温和动力学模型），新型生物重金属处理法的开发，旨在提高吸附能力的生物重金属处理法的预处理和改性。分子生物技术是解释分子水平机制的有力工具，并构建具有较高生物吸附能力和目标金属离子选择性的工程生物。尽管生物吸附应用面临着巨大的挑战，但金属去除的生物吸附过程的发展有两个趋势。一种趋势是使用混合技术去除污染物，特别是使用活细胞。另一个趋势是使用固定技术开发商业生物重金属处理法，并改善生物吸附过程，包括再生/再利用，使生物重金属处理法可以进行大力市场开发。
2.2 存在的不足
重金属的常规处理有着众多的不足，物理法通过吸附进行处理，大部分时候采用活性炭，但是近年来，活性炭有被滥用的嫌疑，因其表面积并没有所宣传的那样效果，同时活性炭价格较高，因此在重金属处理中并不十分合算。化学法采用大量化学物质进行沉淀与pH调整，但是这样会使得水质受到破坏，这样得到的水源可能无法有着更加合适的用途。
2.3 改进方向
使用磁性高分子聚合物净化池具有以下优点：增加净化池的可用功率，减少净化所需的时间。这些是通过用磁性高分子聚合物颗粒涂覆电极的表面来实现的，这样增加了电极的表面积，从而允许更多的电流在电极和净化池内部的化学物质之间流动。当净化池不使用时，磁性高分子聚合物材料可用作⒌缂与净化池中液体分开的涂层。在当前的净化池技术中，液体和固体相互作用，导致低电平放电，这降低了净化池的使用寿命。磁性高分子聚合物技术在净化池中的应用也存在着一些问题，磁性高分子聚合物颗粒具有低密度和高表面积。表面积越大，空气表面越容易发生氧化反应，这可能使净化池中的材料不稳定。由于磁性高分子聚合物颗粒的低密度，存在较高的颗粒间电阻，降低了材料的导电性。磁性高分子聚合物材料难以制造，增加成本。虽然磁性高分子聚合物材料可能大大提高净化池的能力，但它们可能成本高昂。
3 磁性高分子聚合物在重金属处理中的应用
3.1 作用机理
主要依靠顺磁性进行重金属吸附，顺磁是一种磁性的形式，其中某些材料被外部施加的磁场吸引，并且在所施加的磁场的方向上形成内部感应的磁场。与此相反，抗磁材料被磁场排斥，并在与所施加的磁场相反的方向上形成感应磁场。顺磁材料包括大多数化学元素和一些化合物，它们具有大于或等于1的相对导磁率（即非负磁化率），因此被吸引到磁场。施加场诱发的磁矩在场强中呈线性，相当弱。通常需要敏感的分析天平来检测效应，并且常规用SQUID磁强计进行顺磁材料的现代测量。顺磁材料对磁场具有较小的敏感性。这些材料被磁场略微吸引，并且当外部场被去除时材料不保持磁性。顺磁特性是由于存在一些不成对的电子，以及由外部磁场引起的电子路径的重新排列。顺磁材料包括镁，钼，锂和钽。与铁磁体不同，在没有外部施加的磁场的情况下，辅助磁铁不会保留任何磁化，因为热运动使自旋取向随机化。一些顺磁性材料即使在绝对零度下仍保持旋转紊乱，这意味着它们在基态下是顺磁性的，即在没有热运动的情况下。因此，当施加的场被去除时，总磁化强度降至零。即使在场的存在下，只有很小的感应磁化，因为只有一小部分的自旋将被场取向。这个分数与场强成正比，这解释了线性相关性。铁磁材料的吸引力是非线性的，而且更加强烈。通过细乳液聚合制备的磁性聚合物磁性高分子聚合物球的表面改性和定量表征的新颖有效的方案。由聚合物涂覆的氧化铁磁性高分子聚合物颗粒组成的复合磁性高分子聚合物球通过甲基丙烯酸甲酯和二乙烯基苯在磁性流体存在下的细乳液聚合制备。使用磁性聚合物与聚（乙二醇）（PEG）的表面改性反应获得亲水羟基官能化的磁性磁性高分子聚合物球。然后将亲和染料Cibacron blue F3G-A（CB）共价偶联以制备磁性无孔亲和吸附剂。通过透射电子显微镜和振动样品磁强计检查所获得的聚合物磁性高分子聚合物球的形态和磁性。基于IC-O-C/IC=O的强度比和PEG的含量之间的线性关系，通过使用扩散反射傅立叶变换红外光谱定量测量表面改性的含量。X射线光电子能谱（XPS）用于检测磁性磁性高分子聚合物球的表面同时比较与CB配体偶联的染料涂覆的和未涂覆的磁性磁性高分子聚合物球的XPS光谱，发现效果较好。
3.2 效果分析
以水厂净化为例，通过水厂的净水、输水管、取水泵三部分入手。对于净水厂的产能评估，应该着重于预臭氧的接触区域的进水量评估。因其采用石灰投入来改变酸碱性，因此对于水池中的水量进行预估是极为重要的，通过石灰投放量投入的调研可以正确预估净水部分的产能。在输水管道的输送过程中，可以对其流量进行监测与分析，通过进出水的流量与出水的沉淀物数值、pH值、微生物量来确定净水能力的实际水平。在取水泵的环节，通过对原水浑浊度、pH值与电导率的测定，对其洁水能力作出预估与在线的检测。在深度处理环节，对高压放电方式进行调研，对臭氧接触池的运行速率进行分析。在中央监控系统，可以直观地看到目前正在进行的各个环节的处理过程，进出水量、水的各种理化数值，系统还可以对其进行预估，预测未来可能出现的水量变化并加以提前控制。在中控室可以更好地计算水厂的实际产能，并且与各个环节进行比较，推断数据的真实性与有效性，对水厂的净水产能进行精确的复核。完善的中央监控系统：可以对现场设备、供配电系统、视频监控、管网压力等方面进行全面监控，可以及时发现管网参数的异动，借助自动化的控制来进行反馈与解决，从而最小化故障的波及范围，保证水质的要求。采取稳定高效的通信管理，使得工作人员可以在较短的时间内发现故障并且上报与解决。集成化的中央自动控制管理也是现代工厂的重要方向。
4 发展前景
通过采用磁性高分子聚合物，工作人员可以加强净水环节中的重金属处理能力，可以利用高新的技术进行产能的提升与设备的改进。净水效率的提升是一条光明而曲折的路，在这条路上会出现很多难题与挑战，这个任务长期而又艰巨，需要结合实际生产经验，不断地进行总结归纳。为实现自身的长远发展而进行大胆革新，利用创新思维进行现代化建设，从而大踏步地走向科学高效的重金属处理目标。
参考文献
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关键词强磁场技术与应用产业化
六十年现了实用超导材料，八十年代出现了性质优良的钕铁硼永磁材料，使人们可以不耗费很大的电功率获得大体积持续的强磁场，发展超导与永磁强磁场技术是20世纪下半叶电工新技术发展的一个重要方面。在各国高能物理、核物理、核聚变，磁流体发电等大型科技计划推动下，整个技术得到了良好的发展。低温铌钛合金及铌三锡复合超导线与钕铁硼永磁材料已形成产业，可进行批量生产。人们已研制成功了15特斯拉以下各种场强，各种磁场形态，大体积的可长期可靠运行的强磁场装置，积极推进着强磁场在各方面的应用。
1998年3月投入运行的日本名古屋核融合科学研究所的核聚变研究用的大型螺旋装置（LHD）是当今超导磁体技术水平的典型代表。装置本体外径13．5m，高8.8m，总重约1600t，其中4.2K冷重约850t。它有两个主半径3．9m，平均小半径0．975m，绕环10圈的螺旋线圈，三对内径分别为3.2、5．4和10．8m的极向场螺管线圈，中心磁场前期为3特斯拉（4.2K），后期为4特斯拉（1．8K），磁场总储能将达16亿J。超导强磁场装置需在液氦温度下运行，从使用出发，努力减少漏热以降低液氦消耗和研制配备方便可靠的低温制冷系统有着重要的意义。经不断努力改进，一些零液氦消耗和无液氦的超导磁体系统已在可靠的使用，它们只需配有小型的制冷装置即可持续运行，不需专人维护，使应用范围大大扩大。
我国在超导与永磁磁体技术方面也进行了长期持续的努力，奠立了良好基础，研制成多台实用磁体系统，有些已在使用，具备了按照需求设计建造所需强磁场装置的能力。中国科学院电工研究所研制成功的磁流体发电用鞍形二极超导磁体系统（中心磁场4特斯拉，室温孔径0．44m，磁场长1m，磁场储能8.8兆焦耳）和空间反物质探测谱仪用大型钕铁硼永久磁体（中心磁场0.13特斯拉，孔径1.lm，高0.8m）代表着我国当今的技术水平，无液氦磁体系统的研制工作也在积极进行中。
随着超导与永磁强磁场技术的成熟，强磁场的多方面应用也得到了蓬勃发展，与各种科学仪器配套的小型强磁场装置已形成了一定规模的产品，做为磁场应用技术的核磁共振技术，磁分离技术与磁悬浮技术继续开拓着多方面的新型应用，形成了一些新型产品与样机，磁拉硅单晶生长炉也成为产品得到了实际应用。
医疗用磁成像装置已真正成为一定规模的产业，全世界已有几千台超导与永磁磁成像装置在医院使用，我国也有永磁装置在小批量生产，研制成功了几台0．6—1．0特斯拉的超导装置。除继续扩大医疗应用猓谂赜τ么懦上褡爸糜诠ひ瞪碳嗖庥胧称费瘢罱毡窘辛擞糜诩觳馕鞴咸呛坑肟昭坝糜诒姹餝almon鱼雌雄性的实验，取得了有意义的结果。用于高岭土提纯的超导高梯度磁选机已有十余台在生产运行，磁拉硅单晶生长炉也已开始使用，但尚未形成规模，中国科学院电工研究所与低温工程中心曾在九十年代初研制成功超导磁分离工业样机，试制成功了两套单晶炉用超导磁体系统，为产品的形成奠定了基础。
总起来说，超导与永磁磁体技术已经成熟到可以提供不同场强，形态的大体积强磁场装置，开始形成了相应的高技术产业，但大规模产业的形成与发展还有赖于积极地进一步开拓强磁场应用，特别是可能形成大规模市场产品的开拓，根据不完全的了解，目前主要进行的工作有：
1在材料科学方面
（1）热固性高分子液晶材料强磁场下的性能及应用。国际上在0～15特斯拉磁场范围内对高分子液晶材料的取向行为、热效应、磁响应特性、固化成型过程等方面进行了研究，并作其力学性能和磁场的关系的定量分析，应用前景十分看好。
（2）功能高分子材料在强磁场作用下的研究。国际上高电导率的高分子材料、防静电及防电磁辐射高分子材料的研究和应用取得了很大进展，某些材料纤维的电导率经强磁场处理后，可达铜电导率的1／10，是极具潜力的二次电池材料。在防静电服和隐形技术方面电磁波吸收材料已用于军工领域。
（3）强磁场下金属凝固理论与技术研究。
（4）NdFeB永磁材料的强磁场取向。在NdFeB永磁材料加压成型过程中，采用4～5特斯拉强磁场取向，可大大提高性能，国外已开始实际应用。
2在生物工程与医疗应用方面
（1）血液在强磁场下性能的改变及对生物体的影响。国际上研究了人体及动物的全血的强磁场下的取向行为及其作用的主体——血红细胞的作用机制；血液在强磁场下流变性能的变化；血纤维蛋白质在强磁场下的活性变化及对生物代谢作用的影响；人血在强磁场中所受磁力、磁悬浮特性和光吸收特性。
（2）蛋白质高分子在强磁场下的特性及其应用。国际上研究了磷脂中缩氨酸在强磁场下的取向作用；肌肉细胞蛋白质在磁场中的磷代谢过程；神经肽胺酸在强磁场下的结构改变及蛋白质酰胺与氢的交换等。
（3）医疗应用。除继续发展人体成像系统外，近年来国际上还研究了在4—8特斯拉强磁场下血纤维蛋白质的活性以及对血管中血栓溶解的影响；强磁场及磁场梯度对血纤维蛋白的溶解过程的影响；强磁场对动物血细胞的活性及其对心肌保护特性的影响；外加磁场对血小板流动性能的影响及其在医疗上的应用等。
3在工业应用方面
除继续积极进行强场磁分离技术、磁悬浮技术的发展与应用外，近年来，国际上还研究了磁场对石油滞粘性能的影响及对原油的脱蜡作用；研究了磁场对水的软化作用及改善水质的作用；研究了外加磁场对改善燃油燃烧性能及提高燃值的作用；通过在强磁场中的取向提高金属材料的强度和韧性；通过表面吸出排除杂质、提高金属质量等。
4在农业应用方面
关键词：导热高分子 复合材料 研究 应用
中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）011-070-02
从上世纪40年代以来，人类对于高分子复合材料的研究已经有将近70年的历史，并且在工业材料应用领域得以普遍应用。但是，随着经济的发展、科技的进步，人们在导热材料应用程度与范围方面提出了更高的要求，不仅仅是满足于传统材料的单一性能，而是对材料优良的综合性能寄予了更高的期望，如用在化工生产以及废水处理的热交换器一方面要有良好的导热能力，另一方面又要能够耐化学腐蚀、耐高温；相应地在电子电气领域，随着集成技术以及组装技术方面的迅猛发展，电子元件以及逻辑电路的占地空间也越来越小，所以传统的高分子复合材料就不仅仅是需要良好的导热的功能，还要能够具备一定的绝缘能力。但是，由于受到传统工艺的限制，复合材料大部分属于导热性能良好的金属材料，往往不耐腐蚀，当前的技术为了克服导热材料的耐腐蚀性而采用了合金技术以及进行防腐涂层的技术，同时，复合材料的耐热性却降低了。由于传统导热材料无法满足人们对于工业生产中的应用，因此，新型导热高分子复合材料应运而生，人们更多地将其应用于各个领域。如何提升导热高分子材料的综合功能成为了工业领域乃至社会各界的重要研究课题。
1 对于导热高分子复合材料的课题研究现状
1.1 导热高分子复合材料的运作原理
声子、光子以及电子是固体形态内部的导热介质。由于聚合物往往是以饱和体系的状态呈现的，不存在电子导热的可能性，只能通过声子这一介质进行导热，要想到达传导热能，就要通过晶格振动的方式。聚合物的导热性能较差，这是由于聚合物往往具有较大的相对分子质量，分散性较强，分子链之间不能够缠结无规则方式存在，达不到结晶的条件，同时分子链会产生振动，声子受到振动，就会产生散射，大大降低了聚合物材料的导热性能。从理论上来说，要想达到提升聚合物材料导热性能的目的，可以从两个方面对其进行改进，一方面是在聚合物材料中填充进具有高导热率的物质，制成具有以聚合物为基础的导热复合材料，例如可以将环氧树脂填入碳纤维以及氮化铝材料中，增强高分子复合材料的导热性能；另一方面是利用最新的科技，将高导热率的材料进行聚合。如可以利用聚苯胺导热性能良好的优点，采用导热机制达到更佳的导热能力。
增强聚合物导热性能的方法中，在实践工作中，主要使用的是填充入高导热性能的材料来达到增强导热的目的，以复合成导热高分子复合材料，这也是当前工业上制备导热高分子复合材料的主要途径。但是，导热高分子复合材料传导热能的效率受到了湿度、分子链取向密度、结晶度、温度以及填充材料种类多方面的影响。
在实际工业的操作中，导热高分子复合材料传导热能的效率主要受到了所填充材料以及材料在复合材料中分布情况的影响。如果填充的材料过少，复合材料的导热性能就很难达到要求，如果填充的材料过多，那么复合材料相应的力学性能就会有所降低。只有找到填充材料和复合材料之间较科学合理的比例才能达到导热高分子复合材料最好的导热性能、最小的热阻。
1.2 常见导热高分子复合材料的实际研究成果
（1）应用聚乙烯复合导热材料。
聚乙烯由于其具有价格低廉、综合性能良好的优势，无疑成为了我国所有合成树脂中应用范围最广泛、进口量最大以及产能最大的一种塑料品种。在传统聚乙烯基础上改造而成的线性低密度聚乙烯，拥有热封性能良好，成膜性优良，脱模容易，抗蠕变能力，刚性良好，拉伸强度、撕裂强度以及冲击强度方面较好，适应环境能力好，导热性能较好等一系列的优点，正成为当前最新的塑料产品投入使用。
（2）应用硅橡胶复合导热材料。
当前研究导热硅橡胶的方面大都是围绕着填充型硅橡胶而进行，由于填料、加工工艺以及硅橡胶基体三方面是硅橡胶材料能够具有良好导热性的关键性因素。填料是通过自身的导热性能情况来决定复合材料的导热性能，工厂的加工工艺是否精良很大程度上也影响着硅橡胶导热的能力。
硅橡胶自身具有优秀的减震以及绝缘性能，但是在热导效能方面却比较差，一旦在硅橡胶中填充入具有高导热性能的材料，硅橡胶复合材料在导热性能上达到十几甚至是几十倍的提升。同时，填料在复合材料中的分布情况和填料在导热性能方面的表现也影响着复合材料导热性的程度好坏。如果填料在材料基体中的填充量不够的时候，就会导致填料之间的粒子接触面积过小，那么填料应有导热性就没有得到充分的发挥，无法形成导热良好的导热网链，大大提升复合材料的导热性能。
2 导热高分子复合材料在实践中的应用以及开发前景
目前，导热高分子复合材料的应用于潜艇蓄电池当中的冷凝器、导热绝缘材料、太阳能热水器以及导热管等方面，应用的领域涵盖了很多的方面，如化工生产、电子电器、航空航天以及军事等方面，并在其中发挥了重大的作用。由于导热高分子复合材料不但具有导热性能良好的优点，而且在自身独特的优势方面更是有着其它材料难以比肩的优势，导热高分子复合材料已经得到了人们越来越多的青睐，在市场上的接受度也是不容小觑的。相信随着人们在发展纳米复合技术方面的进展，日益完善关于导热高分子复合材料的模型，对于导热原理的研究更加深入，那么导热高分子复合材料的性能将会得到更大程度的发掘，应用的范围也会更加宽广，作用也会越来越大。
高分子材料的关键研究领域之一就是实现导热高分子复合材料从理论概念到形成产品，开发其经济效益的目的。尤其是在近十年的研究中，关于研究导热高分子复合材料的数学模型已经取得了很大的进步与发展，但是也受到了来自纳米复合技术的挑战，也可以说是带来了进步的机遇。当前对于导热高分子复合材料提升导热性能的研究一直仅仅停留在基础层面的共混复合，得到的复合材料在传导热能方面效果并不理想，复合材料在应用开发、导热机理方面的探索以及开发具有高导热性能的聚合物方面的研究还是停留在比较表面的层次，没有进行深入的探索。另外，预测热导性能的理论模型还是没有充分有力的理论基础支持，同时对于理论验证还是停留在根据经验来模拟的层次。因此，可以预见不管是现在还是在接下来更长的时间里，导热高分子复合材料领域都会围绕着制备高导热聚合物材料、建立复合高导热材料的运作模型、改变聚合物树脂基体的物理特性、开发与研究复合材料的新型技术等方面来进行，成为其重要的研究方向。导热高分子复合材料的相应研究也增强了高新技术领域进一步发展与进步的可能性。
参考文献：
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[2] 马传国，容敏智，章明秋.导热高分子复合材料的研究与应用[J].材料工程，2012，8（7）：40-45.
[关键词]超声振动；挤出成型
随着高新技术的快速发展，塑料制品凭借其重量轻、化学稳定性强、电绝缘性好等优点，在航空航天、电子通信、汽车、家用电器、医疗卫生等领域内的应用越来越广泛。然而常规成型加工的塑料制品往往存在熔接痕明显、翘曲变形严重、内部应力不均等缺陷，已成为制约塑料制品高质量、高精度的关键问题。
目前，超声振动在聚合物成型加工技术的应用主要集中在挤出成型与注射成型中。根据施加方式不同，可分为超声振动施加到模具口模、热流道、冷料穴以及超声振动直接作用于熔体等形式。超声振动对熔体的作用主要包括机械效应、热效应和空化效应三种。
超声振动在挤出成型中的应用
1.超声振动对共混物相容性及力学性能的影响
共混改性对于获得高性能、高强度的聚合物制品尤为重要，然而对于大多数不相容的聚合物，由于共混后不同组分的分子链之间的相互作用力较小，导致各相之间的界面张力相差较大，因此界面性能往往不能达到理想效果。而施加超声振动能够促使不同组分聚合物的分子链高频振荡，从而促进各相分子链之间的相容性，增强分子间作用力，达到改善制品力学性能的目的。
CHEN G.S等人对HDPE/PS共混挤出成型的研究表明，超声振动使得模口压力降和熔体表观粘度显著下降，同时，超声振动使得分散系中颗粒大小减小，增加了HDPE和PS共混分子界面粘附力及相容性，使得制品断裂拉伸率和抗冲击强度均有所提高。
JIANG G.J.等人研究了超声振动对POM/PS（80/20）共混流变特性和制品机械性能的影响。实验结果表明，正常情况下，POE和PS是不相容的，但是施加超声振动后，分散阶段粒子变小，促进了共混物之间的相容。此外，在口模温度和压力不变的情况下，口模熔体流量随超声功率的增大而增大，口模温度为150℃时，POM表观粘度为1.1×104Pa・s，200W功率超声时，表观粘度降低为7×103Pa・s，证实了超声振动可以显著降低熔体流动粘度，促进熔体流动。
WEI L.Q.等人研究了超声振动对聚合物共混制品力学强度的影响。研究发现，聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）材料塑件在高频低振幅超声振动作用下，挤出成型浇口压力降降低，塑件表面质量提高，抗拉强度增强，但是，当超声功率高于200W时，塑件出现严重的超声降解，机械性能下降，因此适当的超声强度可以提高塑件力学性能。
2.超声振动对聚合物熔体流动行为及微观结构的影响
郭少云等人研究了挤出过程中超声对mLLDPE熔体流动行为的改善状况。研究发现，随着施加超声功率的升高熔体表观粘度和口模压力明显的下降，而且，熔体流动不稳定现象有所改善，挤出质量大幅度提高。这可能是由于超声施加在熔体上后，分子链在某一平衡点做类似简谐振动，导致分子平均动能急剧增加，增加的平均动能一部分传递给周围的分子链，从而提高其运动能力，促进分子链的解缠作用，提高聚合物的流动性能，另一部分平均动能以热量或粘性摩擦力的形式耗散，因此施加超声振动后整个熔体体系温度有所升高，进一步表现为熔体表观粘度下降，流动性能改善。
李慧林等人研究了超声振动对挤出过程中PP成型及微观结构的影响，并通过热差分析量热（DSC）和广角X射线衍射（WAXD）对超声辅助挤出PP进行了微观结构的观察分析，结果表明超声振动能够缩短熔体分子链间的距离，降低分子结晶的缺陷以及无序取向，从而使得PP晶格取向有所改善。此外，李慧林、郭少云等人还研究了超声在挤出过程中对HDPE流变行为及结构特性的影响。得出超声振动能够改善HDPE加工性能的主要原因是，超声振动促进了分子链的蠕动，降低了熔体与模具型腔壁的表面应力，而不是对熔体粘度变化产生永久影响；研究还发现，分子链的取向有利于晶核的形成，短的分子链易于分子结晶并产生良好的晶格，超声振动导致了分子结晶的时间延长、分子链的取向以及分子链的缩短，从而提高了HDPE结晶度和结晶质量。
CAO Y.R.等人研究了超声振动对PP挤出成型结晶行为的影响。广角X射线衍射分析（WAXD）结果分析表明，PP晶体组成发生变化，β晶体含量增多，超声振动促使α晶体向β晶体转化使结晶度降低。实验说明了超声振动可以改变热塑性聚合物的晶体组分。
总结
通过上述分析超声振动在聚合物成型中的应用进展，可以得出超声外场对于聚合物成型的几种作用效果：
（1）超声振动能够增加共混物相容性，促使分散系中颗粒大小减小，明显提高共混制品力学性能。
（2）改善熔体流动不稳定及挤出胀大现象，大幅度提高聚合物挤出成型质量。
（3）降低聚合物熔体粘度，改善熔体充填流动性能，改善制品微观组织结构，提高制品力学性能及成型质量。
（4）改善聚合物的塑化质量，提高微结构复制率，并且能够缩短制品的成型周期，提高生产率。
参考文献
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（一）优化人才培养方案，加强课程体系建设专业学位硕士研究生的人才培养方案应更加突出行业、企事业单位的职业性质和特点的要求[5]。按照行业特点或职业需要优化人才培养方案，构建课程体系。在课程设置中尽可能体现出与学术型硕士研究生的区别，在课程设置上突出实用化、工程化、技术化和职业化特点，改变课程设置僵化、强调统一、灵活性差等缺点。
1.课程体系的构建要打破原有全日制学术型研究生课程体系的框框，在重视基础理论能力培养的同时，要适度增加通用型理论课程模块，即“大学科、大平台”课程。材料工程专业学位研究生应掌握各种材料的制备技术、材料的各种分析手段和表征方法，以及工程技术与实践能力。因此，作为专业学位课，我们设置了《材料工程案例分析》、《材料制备技术》和《材料现代分析方法》三门课程。其中，《材料工程案例分析》是一门综合性工程技术性很强的课程，内容涉及金属材料、无机材料、高分子材料以及复合材料在实际工程应用中的特点及技术指标要求，例如金属材料的失效原因分析及采取的措施；电子陶瓷材料在高温烧结时颜色变黑的原因；钛酸钡本应为绝缘材料，但添加稀土元素变为半导体材料；等等。与其他基础课程相比，与企业生产实践的联系更为密切，重点在于培养学生分析和解决实际工程技术问题的能力。《材料制备技术》涉及各种材料的制备原理、制备方法与应用特点，是材料工程研究生必须掌握和了解的基础理论知识。《材料现代分析方法》是一门重要的工具课，既涉及到基础理论知识，又侧重于方法的具体实践应用，是必须掌握的专业学位课程。其内容包括X-射线衍射、扫描电镜、透射电镜、能谱分析、光电子能谱、原子力显微镜、差热分析、红外光谱、核磁共振、激光粒度分析、比表面测试等各种表征和分析测试方法。这些核心课程的设立将奠定专业学位研究生解决实际工程和技术问题的理论基础。
2.根据培养方向不同，灵活设置研究生课程模块，即“小方向”课程。例如，根据材料工程方向发展的特点和结合材料学院的科研基础，材料工程专业硕士研究生的培养方向主要有材料加工成型与模具设计、电子功能材料与器件、新能源材料与电源技术、高分子材料合成与改性等四个方向。在这四个方向上可灵活设置专业方向模块课程，即每个方向设置两门任选课程。材料加工成型与模具设计方向主要课程有《材料成型技术与模具》和《材料表面工程技术》，电子功能材料与器件方向主要有《先进无机材料与物理性能》和《光电转换材料与器件》，新能源材料与电源技术方向主要有《电化学原理及测试技术》和《新型能源材料》，高分子材料合成与改性方向主要有《高分子材料选论》和《有机波谱分析》。按不同的培养方向灵活设置研究生课程，可为专业学位研究生提供更大的自主选择性，有利于培养其职业素养，提高学习效率。
3.除了专业学位课和选修课外，为了提高研究生的解决实际工程和技术问题的能力，强化专业实践能力，作为必修课程，设置了《材料科学与工程实验》和《专业实践》这两门课程，以更好地凸显专业学位研究生职业取向和过硬的专业实践的特色。同时，还设置了学术讲座、知识产权、信息检索、技术经济分析等课程，以期全面培养专业学位研究生的信息获取能力和企业技术管理等能力。总之，课程设置要联系企业实际需求，考虑专业学位硕士研究生学习工作和研究背景等实际因素，根据企业技术创新的需求，整合教学资源，开发出一套以因材施教、体现学科前沿和实践性的专业学位研究生课程体系，不断提高研究生解决实际技术问题的科研攻关能力。比如，在材料工程专业学位硕士研究生的培养过程中，我们让研究生学习典型的数据处理软件Origin和CAD、ProE等工程制图软件，而该类实用工程软件的学习无疑将提高专业学位研究生的实践技能。
（二）加强师资队伍建设专业学位研究生的硕士论文选题应来自于企业和科研课题，工程背景明确，应用性强。因此，专业硕士研究生导师要求双导师制。一位是校内的导师，另一位是企业导师。学校导师主要负责研究生的课程学习、开题报告、学位论文理论部分的指导等；企业导师负责专业学位研究生的选题、工作安排、专业实践能力的培养、学位论文实践部分的指导等。学校、企业导师要共同制定研究生培养方案，从而保证专业学位研究生培养的质量。在实际操作中，要注意以下问题：
1.在导师遴选上，既要对导师的学历、职称、科研成果等进行量化评定，又要从工程实践经验、基础理论和指导能力及精力等方面对导师进行全方位综合测评。只有达到要求的校内外导师才有资格被聘为专业学位研究生导师。此外，要弱化对导师学历的要求，强化对导师工程实践能力和专业技术能力的要求。
2.加强专业学位研究生导师素质建设。随着专业学位硕士生规模的不断扩大，现有校内导师有相当数量是从学校到学校的年轻导师，他们虽然学历高，但大多缺乏实际工程经验。为此我们有计划地选派年轻教师到设计院、高新技术企业去挂职锻炼。同时，通过承担企业的横向研究，使年轻教师了解工程实际，参加企业的产品开发、设计、技术改造以及企业的运行、营销和管理，从而了解企业的需求。同时，在稳定现有导师资源的同时，我们从企业聘请或引进有工程技术背景的技术人员和专家作为专任的专业学位研究生指导教师，根据学科方向相近或相似的原则，成立3～5人由校内和校外导师组成的导师指导团队，这样可有效发挥各自导师的作用。
3.聘请企业专家担任相关课程任课教师。例如，《材料工程案例分析》这门学位课，可以聘请行业技术专家以专题讲座形式讲授新技术、新工艺和新设备，分析企业面临的技术难题或企业实际发生的技术难题如何攻关解决等，强化研究生解决实际工程技术问题的意识和能力；加大实践领域专家承担专业课程教学的比例，明确实习实践导师和论文导师的职责。
（三）深化校企合作，建立研究生联合培养基地结合专业和行业的特点，选择条件好的企事业单位、科研院所等共建研究生联合培养实习实践基地，强化产学研用人才培养链条。材料学院已与行业部门共建实习实践基地十多个。2012年，桂林电子科技大学材料学院和桂林电器科学研究院有限公司共建了研究生联合培养基地，该基地被批准为省级研究生联合培养基地。上级有关部门拨专款用于该基地的建设。材料学院的专业学位研究生可方便地到该基地实习实践，企业的导师和校内导师组成导师指导团队共同指导专业学位研究生。同时，联合培养基地拿出专项资金用于改善研究生的实习实践条件以及资助专业学位研究生的科研课题。经过实践发现专业学位研究生的工程实践能力和职业技能明显提高。目前已基本形成了培养单位和行业部门良性互动的包括课堂实践、科研实践和企业实践的实践教学体系。
二、结语
关键词： 扭曲向列相；液晶盒；制作工艺；特性测试
中图分类号：TN141.9 文献标识码：B
Twisted Nematic Liquid Crystal Cell Fabrication and Testing
WEI Wei, ZHU Fu-jing, YANG Hao-liang, LIU Chang-song
(Suntech Photovoltaic School, Wuxi Professional College of Science and Technology, Wuxi Jiangsu 214028, China)
Abstract: This paper presents a experiment of making and testing a twisted nematic liquid crystal cell based on the experiment platform of professional colleges. This paper expounds the experiment's technological process, the materials and devices, the operation methods, and tests the basic characteristic of the liquid crystal cell from the experiment. This experiment works well in the actual teaching process.
Keywords: twisted nematic; liquid crystal cell; production technology; performance test
引 言
在液晶显示实验教学中渗透一些反映当前高科技的实验，对于学习内容更新和改革都是十分有益的，而液晶显示科技领域可以开发出很多新的实验。本文介绍基于实验室制作扭曲向列相液晶盒的实验以及液晶盒的透过率测试。本实验通过清洗与干燥工艺、取向排列工艺、制盒工艺、灌注液晶工艺四个工艺流程进行液晶盒的制备，并通过光台测试成功测试了液晶盒的透过率。
1 扭曲向列相液晶盒的显示原理
在扭曲向列相（TN）液晶显示器制造工艺中，TN型要求两玻璃片内表面处液晶分子的排列方向互成90°，为实现这一点，必须在基片的表面上设置有特定取向的涂覆膜或摩擦出沟槽，以作为约束液晶分子取向排列的手段。在玻璃外表面贴附相互正交的偏光片，从而实现显示效果。
2 实 验
2.1 清洗与干燥工艺
清洗工艺的主要目的是去除玻璃表面的低能物质，主要为油脂类污染物。在清洗工艺中，将用到洗洁精和去离子水。
第一步：用洗洁精清洗ITO玻璃。洗洁精是一种表面活性剂，它能使互不相溶的液体成为稳定的乳浊液。如果把油、水和适量洗洁精混在一起振荡，则油便以细小液滴分散在水中而成为稳定的乳浊液，长期静置也难以分层。洗洁精就是通过这种乳化作用，将油脂包围在水中而形成乳浊液来达到去污作用。
第二步：用去离子水去除洗洁精的残留，ITO玻璃在完成去离子水与洗洁精混合液的清洗之后，表面会残存大量洗洁精。利用洗洁精与水互溶的特性，可通过多次重复使用去离子水清洗，以达到去除ITO玻璃表面洗洁精残留的目的。
2.2 取向排列工艺
取向排列工艺是在ITO玻璃内表面制成一层取向膜，使用材料为聚酰亚胺（PI）和甲基吡咯烷酮（稀释剂）。
第一步：稀释PI取向剂。PI溶液浓度过高会造成成膜不均匀问题，影响后序的摩擦工艺；PI浓度过低会造成膜厚过小，摩擦时容易造成摩擦过度甚至膜脱落。PI的稀释使用专用稀释剂——甲基吡咯烷酮。通过多次试验得出，本次实验中聚酰亚胺和甲基吡咯烷酮以1:6的比例稀释为最佳比例。
第二步：涂膜和固化。为了使取向膜均匀地附着在玻璃基板上，采用液体涂布的方法进行涂膜，这样可以依靠液体表面的张力得到平整均匀的膜。涂布聚酰亚胺溶液后，经高温缩合固化，形成所需的取向膜。本次实验所使用的涂膜方法是浸泡法，将待涂膜的玻璃基板浸入取向材料溶液中，取出后形成均匀的膜层；固化方法采用热固化。
第三步：取向摩擦。使用有机高分子材料的绒布对取向层进行摩擦，两片玻璃上摩擦方向正交。摩擦后取向层上出现沟槽，沟槽对液晶分子的锚定作用使液晶分子沿沟槽方向排列，因此液晶分子在盒内产生90°扭曲。实验中使用的绒布为医用清洁纱布，摩擦时玻璃平行放置，两片玻璃取向层均向上，沿玻璃对角线进行45°摩擦。摩擦力度控制适中，摩擦过度和摩擦不足均会造成坏片。
2.3 制盒工艺
利用封接材料将两片ITO玻璃对位贴合，制成特定厚度间隙的液晶盒。
第一步：制作间隙物Mylar。考虑Mylar材料厚度要小、硬度要大，本次实验使用树脂材料薄膜制作Mylar，根据玻璃的尺寸切割制作两个“L”形Mylar。Mylar的厚度决定了液晶盒的厚度。
第二步：制作空盒。将制作好的两个Mylar对齐放置在一片玻璃之上，两个“L”形Mylar保持3mm间距以形成液晶灌注口及空气排出口，之后将另一片玻璃进行对位压合。对位后使用燕尾夹固定，再使用AB胶（主要成分为环氧树脂）对两片玻璃进行封接。封接后进入烤箱进行烘烤固化，固化后得到一个有两个3mm开口的液晶盒。
2.4 液晶灌注工艺
本次实验采用注射式灌注方法，灌注时使用微量滴管吸取少许液晶材料，从液晶灌注口缓慢注入，盒内空气从另一开口排出。灌注过程主要依靠液晶材料的毛细作用，灌注过程持续0.5小时左右。灌注过程中遇到盒内气泡要迅速进行反倒回流处理，否则气泡将无法消除，导致在显示区域内形成坏点。灌注结束后使用AB胶进行封口。
3 扭曲向列相液晶盒的光台检测和透过率测试
3.1 光台检测
光台检测是利用偏光片来进行的。两片偏光片偏光方向平行放置将形成光线透过的亮场，两片偏光片正交放置将形成光线无法透过的暗场。
对于本次实验所制作的液晶盒，液晶分子的90°扭曲排列会使通过液晶层的光线产生90°的旋光，因此由两片偏光片和一个90°扭曲的液晶盒组成的光学系统，将会在偏光片平行放置时产生暗场，而在偏光片正交放置时产生亮场。
3.2 透过率测试
使用液晶电光效应综合实验箱，对本次实验所制作的液晶盒进行透过率测试，测试结果如图4所示。
4 结 论
本次实验是通过学校现有实验条件，对实际生产条件要求很高的液晶盒进行了制作，达到了明暗对比显示的效果。开展扭曲向列相液晶盒的制作及测试实验对丰富液晶显示实验内容、拓宽学生知识具有一定意义。
参考文献
[1] 范志新. 液晶器件工艺基础[M]. 北京：北京邮电大学出版社，2000，299-363.
[2] 刘承桓. 液晶显示器的清洗技术[J]. 清洗技术，2004，2（3）：38-47.
关键词：液晶显示器；偏光片；聚乙烯醇膜；三醋酸纤维素
中图分类号：TN141 文献标识码：A
1 概述
液晶显示器（LCD）以其质轻体薄、低工作电压、低功耗、无辐射危害、平面直角显示、影像稳定不闪烁、易于实现大面积显示等优点，逐步取代CRT，成为信息时代终端显示器件的主流产品。其中，偏光片是液晶面板的关键零组件，主要作用是将自然光转化为线偏振光，通过外加电压控制液晶分子的转向，来控制光线的穿透与否，进而产生面板明暗之显示效果。
本文首先介绍偏光片在液晶显示器中的应用原理，接着介绍偏光片的基本结构与组成偏光片的各膜层材料，最后介绍目前生产偏光片的主要企业和近几年偏光片的市场情况。
2 偏光片在液晶显示器中的应用原理
光是一种电磁波，光的电场振动是横波，即光的电振动是在与光前进方向垂直的平面上。自然光的电振动在振动平面的各个方向是完全均匀的，如图1；如果光波的电振动只限于某一确定的方向上，就是线偏振光了，如图2。在液晶显示器中，通过使光透过或遮断来实现图像显示。但太阳光及由液晶显示器背光源发出的光是自然光，要实现完全遮断，是非常难的；而线偏振光电振动方向单一，对其遮断要比自然光容易得多，这个特性为其在液晶显示器中的应用，提供了得天独厚的条件。
偏光片就能产生和检测偏振光。偏光片有一个特定的方向指向，称之为透光轴，与这个方向垂直的电振动被阻挡，而与这个方向平行一致的电振动则可以自由通过。这样自然光通过偏光片以后，就变成了线偏振光。同样，当偏振光透过偏光片时，如果偏振光的振动方向与偏光片的透射方向平行一致，就几乎不受到阻挡；如果偏振光的振动方向与偏光片的透射方向相垂直，则几乎完全不能通过。在两片透光轴方向正交的偏光片中间加入具有扭转特性的液晶分子，就能控制光线的通过，从而达到显示图像的目的。
3 偏光片的基本结构
偏光片是一种复合膜，由中间能产生偏振光线的偏光膜和复合在两边的起保护作用的基材膜组成偏光片原板。在普通TN-LCD产品中，根据不同的使用要求，需要在偏光片原板的一侧涂敷一定厚度的黏结剂，并复合上保护黏结剂的离形膜，而在另一侧则要根据产品类型为透射型、反射型或半透半反型，分别复合保护膜、反射膜或半透半反膜。对STN-LCD产品，还要在黏结剂层一侧，根据客户的不同需要，按一定的补偿角度复合具有位相差补偿能力的位相差膜和保护膜。另外，在基板外层还需要再加一层离形膜和保护膜，以便与LCD贴合。近年来为满足液晶面板大型化和薄型化的需要，还要在偏光片上附加不同的功能膜，如广视角膜、高清晰度膜、增亮膜等。图3所示为典型的透射型偏光片的基本结构。
3.1 偏光膜
偏光膜是使偏光片具有偏光特性的核心膜层，采用添加碘且单轴延伸的聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）膜片，主要成分为聚乙烯醇和碘，故称碘系偏光膜。其中聚乙烯醇的水溶液具有很好的成膜性能。并因聚乙烯醇透明性好，与碘等的亲和性好，在拉伸时的取向性高等优点，被作为LCD偏光膜的原料使用。
碘是一种典型的二向色性物质，对光波具有选择吸收性。在与聚乙烯醇延伸方向相同的方向上，PVA中所含的碘分子被吸附取向，如图4所示，使之能够吸收偏振方向与延伸方向(吸收轴)平行的光。与吸收轴垂直方向(透光轴)上的光侧透过。因此，各个方向都有振动的自然光透过偏光片后，就变成了振动方向与透光轴方向平行的偏振光。碘分子与PVA分子形成络合物，几个碘分子相连形成聚碘，并单方向均匀排列，由于这种聚碘的形成，碘系偏光膜片具备非常好的偏光特性，对光学性能要求高的TFT-LCD中多采用这种偏光膜片。
3.2 基材膜
由于PVA膜片耐湿热性能和机械强度差，不便于使用和加工，因此需在PVA膜两侧各复合一层具有高光透过率、耐湿热性能好、强度高、黏结性优良及光学上各向同性的透明薄膜作为基材膜，一方面可起保护作用，另一方面则可防止PVA膜的回缩。目前LCD偏光片所用基材膜的主要成分为三醋酸纤维素（Triacetylcellulose，TAC），其组成非常复杂，一般还包含可塑剂、助溶剂、润湿剂、滑剂以及紫外线吸收剂等。三醋酸纤维素以流延法加工成膜，至今仍是透过率最高的高分子材料之一。
3.3 黏结剂及保护膜
为保证被基材膜（TAC）所夹的偏光膜靠近LCD屏一侧与屏的贴合，需在TAC外层涂上黏结剂，并复合上保护黏结剂的离形膜，其在偏光片贴附时即被撕去。对黏结剂的要求有：容易从离形膜上剥离；无须借助溶剂、热或其它手段，只需施加轻度指压即可与LCD屏牢固粘合；同LCD屏玻璃面的黏结良好；而且，要具有良好的再剥离性：偶遇贴附不良的情况，当剥离偏光片时，不对LCD屏造成任何损伤。虽然黏结剂的种类很多，但用于偏光片的主要是聚丙烯酸酯溶剂型黏结剂。
另一方面，为防止相对于LCD屏另一侧的基材膜受损或玷污，还需要再贴附一层保护膜。这种保护膜应具备外观良好，具有防静电效果，并且无光学缺陷等特性。偏光片用保护膜主要有聚乙烯(PE)保护膜和PET保护膜两种。PE保护膜价格便宜，主要用于扭曲向列型和超扭曲向列型等中低端偏光片产品中。PET保护膜在薄膜强度、耐划伤性、耐热性方面优于聚乙烯保护膜。但价格为聚乙烯保护膜的5倍左右，所以主要用于高端偏光片成品中。
3.4 离形膜
偏光片用离形膜是一种进行了硅处理的PET膜，因为是偏光片黏结层的离形膜，所以剥离时不可以连黏结剂一起剥离下来，另外对于原膜的光学性能最终要求取向角为零，有较高的平滑性、透明性和洁净度。
关键词： 注塑成形； 气体反压； 熔体； 流动形态； 剪切应变速率
中图分类号： TQ316.33文献标志码： B
0引言
塑料具有质轻、加工易、精度高、成本低、成形自由度大、技术发展成熟等优点，所以应用日益广泛，但在石油资源紧张、原材料成本提高、环保要求等条件下，为提高塑料制品的附加值，除在塑料材料的改性技术上有所突破外，更需要在成形技术方面有所创新.气体反压（Gas Counter Pressure， GCP）技术[14]是近年来发展起来的一项新技术，其能够有效降低塑料熔体前沿的压力差，实现均匀充填，改善塑料制品的机械性能[12]和表面缺陷[34]，减小翘曲变形[5]及提高制品成形质量[6]等.
为提高超临界微孔发泡注射成形制品的表面质量，研发人员曾用变模温感应加热[23]、绝热模具层[7]、表面贴膜工艺[89]等方法，以拓展微孔注塑工艺的应用.在目前的工程实践中，GCP技术在超临界微孔发泡注射成形中的应用最为常见.在超临界微孔发泡注射成形时，型腔内充满一定带压气体抑制气泡生成的反压法能有效控制表面气泡流痕（见图1）.当超临界流体（Super Critical Fluid， SCF）溶解于高分子熔体中，且熔体前沿受反压气体作用时，因GCP压力大小不同，可能出现3种情况：当没有GCP压力时，在熔体充填阶段发泡将自然发生而导致有银丝留痕缺陷产生于制品表面；如果GCP压力大于标准大气压但小于维持SCF所需的临界压力时，发泡将受到限制；当GCP压力大于临界压力时，熔体将在反压作用期间维持为单相泡核而无泡孔产生.[14]
图 1GCP技术示意
Fig.1Schematic of GCP technology
作为一种先进的设计手段，数值模拟技术在注塑成形加工领域应用日趋广泛.从开始仅能模拟熔体注塑充填[10]，到集成化模型模拟充填、保压，再到冷却成形全过程[11]，进而发展气体辅助注塑成形等双相流动的模拟[12]以及成形质量预测等.相对于注塑GCP技术的实验研究成果，反压技术的数值模拟迄今鲜有人研究.
超临界微孔发泡注射成形涉及到泡孔成长的空气力学，与常规注射成形相比较复杂，为便于模拟，本文只考虑带反压的常规注塑成形工艺，用数值方法对GCP技术进行探索.利用有限元软件ANSYS CFX平台，通过二次开发，建立高分子材料的CrossWLF七参数黏度模型，定义模拟所需要的材料，改变平板注塑制品成形过程的GCP压力，对成形充填过程进行三维数值模拟，讨论GCP压力对熔体充填流动的影响.
1模型与算法
在注塑成形过程中，熔体充填阶段的数学模型满足质量守恒、动量守恒和能量守恒三大定律.熔体在充填过程中，流动前沿上受到GCP的作用，形成气熔界面.根据工艺特点，对气熔边界进行简化和假设：1）气体在熔体充填过程中假设为不可压缩流体；2）因为熔体黏度远大于气体黏度，假设气体黏度为0；3）气体的比热容远小于熔体，不计气体内部的能量交换；4）气体密度远小于塑料熔体，忽略其重力；5）气熔界面两侧物质不发生能量交换.
1.1平板制件
以平板注塑件为例，模拟注塑成形过程中GCP压力对塑料熔体流动的影响，制品的几何尺寸为4 mm×4 mm×1 mm，形状见图2a.浇口为侧浇口，尺寸为1 mm×1 mm×1 mm.对几何模型用四面体网格单元离散，网格边长设定为0.1 mm，节点个数为7 846，单元总个数为30 246，见图2b.制品成形工艺参数见表1.
a）制件尺寸示意图，mb）有限元网格图，m图 2平板制品的尺寸及网格示意
Fig.2Schematic of size and mesh of plate product
表 1注塑成形工艺参数
Tab.1Injection molding processing parameters参数值模具温度/℃60熔体温度/℃230入口速率/（m/s）1参数值模壁传热系数/（W/（m2・k））25 000GCP压力/MPa0， 1， 2
在塑料熔体充填开始前，型腔内充满带压气体，然后改变GCP压力大小，采用数值方法分析塑料熔体流动前沿位置、充填时间、熔体流动速率和剪切应变速率等相关模拟结果，量化分析GCP压力对注塑成形中塑料熔体流动状态的影响.
1.2材料的黏度模型
ANSYS CFX的材料库提供理想空气、水、铜、铝、钢铁和烟煤等材料参数，但没有聚合物材料.为研究聚合物材料的流动，通过软件接口添加.聚丙烯PP的CrossWLF七参数黏度模型见式（1），材料属性用CEL语言定义完成.η（T，（γ・P））=η0（T，P）1+η0（γ・/τ）1-n
η0（T，P）=D1exp-A1（T-T～）A2+（T-T～）（1）式中：n为非牛顿指数；T～为材料的玻璃化转变温度，T～=D2+D3P；D1，D2，D3为材料常数；τ*为剪切变稀行为开始时的剪应力；A1和A～2为材料常数，A2=A～2+D3P.
选择Shell公司生产的牌号为XM 6700S的PP材料，式（1）中的材料参数值以及PP材料的模型参数分别见表2和3.
表2PP材料参数
Tab.2PP material parameters参数数值熔化温度/°C135熔体密度/（kg/m3）775参数数值比热容/（J/kg・℃）2 830热传导系数/（W/m・℃）0.19
表3PP材料的模型参数
Tab.3Model parameters of PP material七参数变量数值七参数变量数值n0.209 8D1/（Pa・s）6.93×1011τ*/Pa30 354D2/℃-10A126.507D3/（℃/Pa）0A～2/℃-221.55
1.3边界条件
选用流动区域内熔体气体两相均一模型进行模拟，即熔体、气体有共同的速度场、压力场和温度场，而熔体的物理性质参数取决于两组分的变化.
模拟注射成形充填过程的边界条件：1）入口为速度边界条件，熔体速度和温度已知，入口聚合物熔体组份等于1，空气为0；2）模壁处熔体速度为零，属无滑移边界条件，壁面接触处的传热系数取值为25 000 W/（m2・℃）；3）出口处为压力边界条件，相对压力设置为0；4）熔体前沿仅考虑表面张力，忽略热交换；5）GCP压力通过型腔内空气压力变化表示，分别取0，1和2 MPa进行模拟，GCP压力为0相当于传统（常规）注塑成形.
2结果与讨论
2.1GCP压力对熔体前沿的影响
在不同的GCP压力作用下，塑料制品熔体完成充填所需时间不同，同一时刻塑料熔体的充填体积分数也不同.为验证模拟结果的合理性，取GCP压力为0时（即传统注塑成形）PP熔体的充填体积分数随时间变化情况，见图3.
a） t=0.01 sb） t=0.10 sc） t=0.15 sd） t=0.20 s图 3传统注塑成形中体积分数随充填时间的变化
Fig.3Change of volume fraction with filling time
during conventional injection molding
由图3可知：PP熔体在型腔中的充填体积分数随时间变化比较均匀；靠近浇口中心位置熔体的充填速度较快；靠近模具壁处，由于模具壁温度低，塑料熔体的温度接触模具壁面后迅速降低，熔体形成冷凝层，影响熔体的流动，充填较慢.改变GCP压力为1和2 MPa，依次完成数值模拟，结果发现：当GCP压力为0时PP充填满整个型腔约0.3 s，GCP压力为1 MPa时充填时间为1.0 s，GCP压力为2 MPa时充填时间为2.0 s.由此可知：GCP压力增大时，PP熔体充填满整个型腔所需时间也相应增加，表明反压气体会影响对塑料熔体在型腔中的流动.
考虑GCP压力变化时，从模拟结果提取给定时刻PP熔体的流动前沿的位置和形状，可直观观察GCP压力对熔体流动的影响.不同GCP压力下给定时刻熔体的流动前沿见图4.由图4可知：当GCP压力增加时，熔体前沿面受的GCP压力增大，熔体流动需克服较大的压力， PP充满型腔所需的时间增加；当熔体前沿有1或2 MPa反压气体的压力作用时，熔体前沿形状发生变化，与传统注塑成形相比，曲面曲率变大，表明该截面处的速度梯度变小，利于熔体型腔的均匀充填.
a） P=0， t=0.10 sb） P=0， t=0.30 sc） P=1 MPa， t=0.10 sb） P=1 MPa， t=0.30 se） P=2 MPa， t=0.10 sf） P=2 MPa， t=0.30 s图 4指定时刻时不同GCP压力下的流动前沿位置
Fig.4Flow front position at given times under
different GCP pressures
流动方向截面处的SEM结果见图5.对比图3和5，发现ANSYS CFX模拟的塑料熔体充填过程与实验中熔体型腔中的流动前沿形状趋势一致，模拟结果合理.由图5b可知：当型腔有GCP压力后，熔体前沿类似抛物线形状的线条变得密集均匀，熔体前沿的曲率变小，与图4的模拟结果趋势一致.
a） 传统注塑成形b） 反压注塑成形图 5不同成形工艺下熔体流动方向截面处的
扫描电子显微镜观察结果
Fig.5Scanning electron microscope view results of cross section in melt flow direction under different molding processes
2.2GCP压力对熔体速度的影响
为量化GCP压力对熔体速度的影响，选定浇口附近固定位置为参考点，提取模拟结果中指定位置处不同GCP压力下的熔体速度，见图6.在充填0.10 s时，GCP压力为0，1和2 MPa时的熔体速度分别为0.52，0.48和0.45 m/s，最大降幅为13.5%.此模拟结果与图5类似，即GCP压力增大时，熔体沿流动方向上的速度有减小趋势.
为便于直观观察反压技术对充填的影响，通过气体辅助注塑工艺进行实验.图7a中，气体内部压力为3 MPa，外部反压气压为0，相当于常规的气体辅助注塑成形；图7b中，外部GCP压力为5 MPa，相当于2 MPa反压条件下的常规的气体辅助注塑成形.在给定的时刻，GCP压力为2 MPa（外部压力为5 MPa）时气体的流动长度（图7b）小于GCP压力为0的长度（图7a）.实验结果间接证明GCP压力可降低熔体和气体的速度.由于GCP压力相当于增加熔体的保压压力，使得熔体的密度增大，在内气体积近似相等的条件下，内压力相同的气体穿透长度明显减小.
图 6不同GCP压力下熔体沿流动方向的速度曲线
Fig.6Melt velocity curves along flow direction
under different GCP pressures
a） 内部气压3 MPa，外部气压0
b） 内部气压3 MPa，外部气压5 MPa
图 7不同GCP压力下充填速度的实验结果
Fig.7Experimental results of filling velocity under
different GCPpressures
2.3GCP压力对剪切应变速率的影响
剪切应变速率对熔体取向、熔体破裂和残余应力等影响显著，GCP压力对剪切应变速率的影响可作为评价成形工艺参数是否合理及GCP技术优劣的指标之一.浇口附近位置处不同GCP压力下纤维增强塑料试样中纤维取向的测量与模拟结果见图8.由此可知：在GCP压力作用下，近浇口处厚度方向的纤维取向小于无GCP压力作用下的传统注塑制品，试样性能更均匀；在GCP压力作用下，试样厚度方向的纤维取向差异更小，取向张量Azy在皮层与芯层的最大差值为0.12；无反压时，Azy在皮层与芯层的最大差值为0.21.目前无法模拟反压作用下的纤维取向.传统注塑的纤维模拟取向结果与实验结果趋势一致，但忽略材料弹性的黏性本构方程使得模拟结果偏大.
图 8不同GCP压力下近浇口位置处纤维取向的
测量和模拟结果
Fig.8Measurement and simulation results of fiber orientation
near gate under different GCP pressures
浇口附近熔体的剪切应变速率随时间的变化曲线见图9.由此可知：随着时间的增加，熔体的剪切应变速率先升高后下降，表明熔体流动前沿到达选定的参考点位置时该处熔体的剪切应变速率可认为是熔体前沿所受的最大剪切应变速率；当GCP压力为2 MPa时，熔体剪切应变速率变化相对平缓，便于成形过程中所制备产品性能的均匀性，与图8中测量的纤维取向结果一致.GCP压力为0，1和2 MPa时熔体的最大剪切应变速率分别为6.1×106，5.8×106和2.6×106 s-1.与传统注塑成形相比，GCP压力为2 MPa时最大剪切应变速率下降42.7%，可有效改善成形加工中的分子（纤维）的取向，使垂直于流动方向的制品性能得到提高.
图 9不同GCP压力下浇口附近熔体剪切应变
速率时间曲线
Fig.9Curves of shear rate variation against time of melt
near gate under different counter pressures
3结束语
初步实现GCP技术的数值模拟，以平板制品为例，研究GCP压力对塑料熔体充填过程中流动状态的影响.从模拟结果看：GCP压力对熔体的流动形态有明显影响；GCP压力不同，熔体的流动速度、最大剪切应变速率也发生变化，并且随着GCP压力的提高熔体的流动速度、剪切应变速率都呈下降的趋势.模拟结果与实验的趋势吻合.
由于反压工艺使用方式多样，本文没有考虑GCP压力的保持时间且简化较多，为更精确模拟GCP技术，还需结合现场参数，进一步完善数学模型与模拟方法.
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关键词：注塑成型； 暂态冷却； 变模温； 熔接痕； Moldex 3D
中图分类号：TQ320.66；TB115.1 文献标志码： A
Numerical simulation on injection molding of
variable mold temperature
MIAO Lilei, XIE Pengcheng, YANG Weimin
(College of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China)
Abstract： Due to the issue that the classical constant mold temperature control technology easily leads to the defects on the plastic part surface, such as weld line, flow mark and depression, the flow analysis on a typical diecavity is performed by Moldex 3D, and the weld line position is predicted; the pressure maintaining and cooling effect of traditional cooling technology and variable mould temperature technology is compared by the transient cooling module of the software, which takes the method of changing cooling way and injection time. The analysis results show that the variable mold temperature technology can improve product quality without reducing production efficiency.
Key words： injection molding; transient cooling; variable mold temperature; weld line; Moldex 3D
作者简介： 苗利蕾(1983―)，女，山东苍山人，硕士研究生，研究方向为微分注塑成型过程的数值模拟，(Email)；
谢鹏程(1979―)，男，湖南会同人，副教授，博士，研究方向为高分子材料成型加工理论及设备，(Email)0引言
随着家电、通信、消费电子、汽车内饰和光电等产业的发展，消费者对塑料制品提出壁厚更薄、结构更复杂、表面更美观以及强度更高等要求.传统的注塑成型技术通常采用恒定模温控制技术，但低模温会导致聚合物熔体在充模流动过程中提前冷却，从而在型腔壁形成冷凝层，阻碍熔体的成型，降低熔体的充模能力，难以应用于成型透明度较高的光学产品、表面具有微结构的塑件以及强度较高的复合材料制品等.［1-4］同时，聚合物熔体过早冷却还将导致塑件表面产生熔接痕、流动痕和凹陷等表面缺陷,极大地降低产品的表面质量，需要用打磨和喷涂等后续工序加以掩盖,不仅增加生产成本和能源消耗，还会污染环境，危害操作人员的健康.提高模具温度后，虽然可以提高产品表面的外观品质，但容易产生翘曲、下陷和尺寸精度不够等现象，同时延长成型周期，增加生产成本.［5］
在注塑成型过程中，对填充过程进行数值模拟可预测实际注塑过程中可能出现的缺陷、优化模具结构设计、调整工艺参数和有针对性地制订解决方案，达到减少材料浪费、降低生产成本、提高产品质量和市场竞争力等目的.
1变模温技术原理
变模温技术又被称为快速加热冷却技术，其基于动态的模温控制方式，根据不同工艺阶段的特点和要求随时调整模具温度，从而解决常规注塑工艺存在的熔接痕、喷射痕、流动痕、翘曲和浮纤等缺陷.在熔体充填型腔阶段，在冷却水路中通入高温蒸汽或高温油提高模具温度，从而提高熔体的流动性，大幅提高成型制品的品质，使熔体填充到普通注塑成型不易填充的区域；同时在冷却阶段，通过通入冷却水迅速降低模具温度，减少冷却时间，缩短注塑成型周期，从而在不影响注塑生产效率的基础上，彻底消除熔接痕、流动痕和凹陷等缺陷，有效提升塑件表面的光泽度，提升注塑件的品质，省去对环境污染严重的二次喷涂等后续工序.目前，变模温技术主要用于薄壁注塑成型、高光注塑成型和微特征产品等.
现有的变模温技术主要有快速加热冷却(rapid heat cycle molding)、脉冲式冷却(pulsedcooling)和水管温度的冷热切换等，但仍较多采用传统的冷却方式，即利用冷却管道中的冷却介质以热传导的方式将热量带走，其加热技术主要有蒸汽式加热、电热式加热［6］、火焰加热［7］、气体加热［8］、感应加热［9］和红外线加热［10］等.
2研究方法
2.1基础建模
采用SolidWorks绘图软件，构建填充模型，见图1.该模型中，经浇口进入型腔的两股流动的熔体相碰撞，使熔体分子链沿厚度方向而不是沿充模主流方向上取向，从而在圈出部分形成熔接痕.在Rhinoceros中对模型进行网格前处理，设定initial mesh size为0.8，节点数为36 291个，三角形网格单元数为12 874个，四面体实体单元数为86 227个（与SHELL网格相比，SOLID网格能更好地模拟熔体在型腔中的流动波前，故采用SOLID网格）.冷却水路布置以及参数设定见图2和3，冷却水路的直径为8 mm.图 1基础建模
Fig.1Fundamental
modeling图 2冷却水路布置
Fig.2Layout of cooling
water channels图 3冷却水路参数设定
Fig.3Parameter set of cooling water channels
2.2模型参数
模型塑件尺寸为30.00 mm（长）×28.00 mm（宽）×3.00 mm（厚），模具尺寸为37.22 mm×35.23 mm×31.18 mm ，模穴体积为1.304 7 cm3，模座体积为36.124 9 cm3，冷却水管体积为3.451 85 cm3.所用材料为ABS_POLYLACPA756S(CHIMEI).
2.3需解决的问题
采用传统注塑方法单浇口进浇时，因产品壁厚较薄，易在熔体对接区域产生熔接痕，熔接痕的出现将降低该处的充模质量，进而影响该处的力学性能.为提高浇口处和熔接线处温度，设定如图2所示的冷却管路布置，一方面可延缓浇口固化、增加保压补缩，另一方面可提高熔接线处熔体的温度，提高该处的力学强度.
2.4黏度
流体流动阻力随黏度变化，黏度越高，流动阻力越大，流动越困难.对一般热塑性塑料，黏度是塑料成分、温度、压力和剪切率的函数.就温度效应而言，热塑性塑料的黏度一般随温度升高而降低；就剪切率的效应而言，剪切率越高，代表加工变形的速率越大.高分子链被排向，使大部分塑料具有黏度随剪切率升高而下降的切变致稀性.
2.5PVT关系
塑料的质量体积或密度是相对状态、温度和压力等的函数，一般而言，可利用状态方程式或PVT方程式进行定量计算.模式参数由试验取得，代入此类经验公式中即可求得塑料在某温度和压力下的质量体积或密度值.ABS_POLYLACPA756S材料的黏度和PVT关系分别见图4和5.
图 4材料的黏度
Fig.4Viscosity of material图 5材料的PVT关系
Fig.5PVT relationship of material2.6比热容和热导率
将单位塑料温度提高1 ℃所需的热量是塑料温度容易改变与否的度量，比热容越高，塑料温度越不易变化；热导率是塑料热传导特性的度量，热导率越高，热传导效果越佳.塑料在加工过程中温度倾向均匀，不会因热量局部堆积而产生热点.热导率以及比热容关系到塑料热传导、冷却性质，亦影响到冷却时间的长短.材料的比热容和热导率见图6和7.
图 6材料的比热容
Fig.6Specific heat capacity of material图 7材料的热导率
Fig.7Heat conductivity of material
3分析参数及结果讨论
3.1分析参数
在Moldex 3D分析软件中设定的分析参数见表1，通入蒸汽温度为200 ℃.
表 1分析参数
Tab.1Analysis parameters方式普通冷却变模温1变模温2冷却水温度/℃303540455030354045503035404550注射时间/s0.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.10.10.10.10.1保压时间/s2.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.0冷却时间/s3.03.03.03.03.03.03.03.03.03.03.03.03.03.03.0通入蒸汽时间/s〖7〗1.01.01.01.01.00.30.30.30.3〖〗0.3通入冷却水时间/s5.55.55.55.55.54.54.54.54.54.54.54.84.84.84.8
3.2分析结果讨论
图 8模型中熔接痕位置
Fig.8Position of
weld line
in model模型中熔接痕位置见图8.图9中，由浇口压力1和2比较可得，与普通冷却方法相比，当注射时间相同时，采用变模温方法将降低浇口压力，同时会减小熔接痕处的压力；由浇口压力2和3比较可得，缩短注射时间将提高浇口压力，同时会提高熔接痕处的压力；由曲线熔接痕处压力1，2和3可得，当冷却水温度为40 ℃时，熔接痕处压力最高.冷却水温度与熔接痕处温度关系见图10.其中，1为普通冷却，2和3均为变模温，其工艺参数见表1.在图9中，由熔接痕处压力1曲线得，提高冷却水温度可提高熔接痕处的温度；由熔接痕处压力1和2曲线比较可得，在注射阶段通入蒸汽可提高模具局部温度，即采用变模温技术可提高熔接痕处温度；通过查看熔接痕形成时的温差，可判断熔接痕的质量，熔接痕处的温度越接近注射温度，熔接痕质量越好；熔接痕处压力越高，温度越高，制品产生熔接痕处的力学性能越高.根据图9和10，当注射时间为0.1 s，通入蒸汽时间为0.3 s，冷却水温度为40 ℃时，制品熔接痕处力学性能最好、熔接痕质量最高.图 9冷却水温度与型腔压力的关系
Fig.9Relationship between cooling water temperature
and diecavity pressure
图 10冷却水温度与熔接痕处温度关系
Fig.10Relationship between cooling water temperature
and weld line temperature4结论
(1)数值模拟可采用数学方程式描述系统中各变量之间的关系，同时在系统软件的支撑下研究不同工况下的温度场，具有准确可靠、灵活多变、速度快等特点；但应根据实际情况判断模拟结果的可用性并综合模拟结果，得出理论最佳注射工况以指导实际生产.
(2)在分解温度以下适当提高熔体与模具温度，较高的模具温度可使熔体在模具型腔中的流动性增加，但增加熔体温度和模具温度会使成型周期延长.
(3)适当提高注射压力和保压压力，适当加快充模速度或减少注射时间，可提高熔接痕处的压力.
(4)变模温技术利用蒸汽加热，使模具表面维持较高温度，在不影响注塑生产效率的基础上，消除熔接痕、流动痕和凹陷等缺陷，有效提升塑件表面的光泽度，提升制品品质.
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一种技术从运用到成熟竟然长达20年之久，这种现象在计算机领域里是罕见的。从1986年NEC制造了第一款有液晶屏幕的便携式计算机，到2005年末液晶显示器的市场占有率首次与CRT持平，液晶显示技术在PC中的应用经历了20年的缓慢成长过程。
液晶显示器的历史虽然不算太短，但因长期只用于便携设备的静态图文显示，响应速度慢的问题没有引起足够重视。近年来，液晶显示器在台式机中应用越来越普遍，视频播放、游戏的应用也呈爆发性增长，此时响应时间问题才因此倍受关注。
有人曾提出，电脑的速度已经足够快，不用再花力气去提高CPU频率了。这样的预言家现在仍不乏其人，几年前就有些人认为，响应时间已经到了终极，而事实并非如此。虽然液晶显示器响应时间从早期上百ms缩短到了4ms，但与CRT显示器相比依然逊色不少。就目前来说，3D加速显示卡每秒可以运算出的画面帧数都在200以上，要玩Quake3等游戏，更是需要300帧/s的刷新率才会非常流畅，4ms的响应时间显然是不够的。而在即将到来的高清电视时代，短响应时间仍然是液晶电视的卖点。
响应时间，这个看似简单的问题为何迟迟不能一下子搞定，为什么会历时多年仍缓慢前进，是哪些因素阻碍了LCD响应速度的提升？这还得从头说起。
生性笨拙的显示介质
液晶作为弹性连续体，具有可沿展性、可扭曲性和可弯曲性。液晶显示主要利用了液晶分子能够扭曲的特性，以及扭曲液晶的旋光性，入射光的偏振面沿液晶的扭曲螺旋轴旋转，液晶旋转角度就决定了液晶盒的透光量，从而决定了该像素的亮度高低。
液晶材料可以分成高分子液晶与低分子液晶两种，想要提高液晶显示器的响应速度，就要选择分子量较小的液晶。这好比跳水运动员，小巧的身体能使动作更敏捷，能够更灵活地完成空中转体等高难度动作。
液晶是一种有机分子，由于其分子结构具有对称性，使得分子集合体在没有外界干扰的情况下形成分子相互平行排列，以使系统自由能最小。液晶按结构的不同可分为三类：向列相、胆甾相和近晶相，目前用于显示器件中的通常为向列相液晶和胆甾相液晶。向列相液晶的排列方式是分子重心无平移周期性，具有分子取向有序性。胆甾相实际是向列相的特殊形式，分子重心无平移周期性，具有分子取向有序性。
无论向列相，还是胆甾相液晶，均存在响应速度慢的问题，其中转矩大小和粘性高低是影响LCD动态性能的两个内在因素。虽然在实际应用上，通常选择的都是低分子液晶，其分子长2～3纳米，直径约0.5纳米，但利用这种分子级别的材料制成的显示器，其响应速度只能达到ms级，而CRT、OLED等属于电子级别工作原理，响应速度一般都可达到μs级别，PDP为原子级，速度稍慢，也不存在响应时间问题。
首选TN型，只因扭曲角度小
向列相液晶沿分子的长轴方向运动自如，粘滞系数只是水的粘滞系数的数倍。未加电压时，液晶扭曲的角度由液晶盒两端相互平行的配向膜上的沟槽方向决定，TN(Twisted Nematic，扭曲向列)型液晶盒中两个配向模呈正交(两个面在空间垂直但不相交)分布，液晶分子相应地扭曲了90°。一旦有电压施加于液晶盒两端，线状液晶的扭曲度会依电场的强弱在0°～90°之间变化，这就是液晶的“扭转式场效应”。当电场强度达到一定数值时，液晶的扭曲度变为0°，此时扭曲的线被完全拉直，因为透明电极外面两片正交偏光板的作用，所以几乎不透光。
STN(Super Twisted Nematic，超扭曲向列)LCD与TN型LCD主要差别在于，TN型LCD的液晶分子排列由上到下旋转的角度总共为90°，而STN型LCD的液晶分子排列，其旋转的角度会大于180°～270°。在扭曲向列显示器件中，除了TN和STN这两种主要的类型，还有扭曲角在100°～120°之间的HTN(High Twist Nematic)，以及扭曲角为70°的LTN(Low Twist Nematic)等，他们的制作工艺基本相同，只是配向膜的角度有所不同而已。TN与STN旋转角度的差异，造成特性上的差别，具体表现在：TN型液晶扭曲角度小，图像对比度较低，响应时间较短(50ms以下)，而STN型LCD因为液晶分子扭曲角度大，图像质量明显提高，但响应时间较长(100ms以上)。常言道，有得必有失。TN与STN之间各有短长，选择时就只有“择其善而从之”了。笔记本电脑史上，一个时期内曾大量使用STN型液晶显示器，不过后来TN型显示器的图像质量问题通过使用更好的液晶材料解决了，所以STN被TFT-TN所取得，STN以及它的变种DSTN、CSTN液晶面板目前仍在手机和PDA这些不太强调速度的设备中占有一席之地。
采用有源矩阵，消除等待时间
液晶面板的像素以矩阵式的结构被组织起来，矩阵式结构分为“无源”和“有源”两种驱动方式，它们的差别在于：有源矩阵(Active Matrix，简称AM)中每个液晶单元的亮度由一只薄膜晶体管控制，而无源矩阵(PassiveMatrix，简称PM)中没有晶体管，外部引线直接连接到液晶单元的电极上。
在TN型、STN型、CSTN型等无源矩阵中，同一行或者同一列的显示单元共用一个电极。由于每个行(列)都有许多的像素，信号经过这些像素进行传递，位于同一行(列)的液晶盒像多米诺骨牌那样逐个反转，而为了让屏幕显示一致，后面液晶盒势必需要较长的等待时间，才能有信号过来，这样势必造成整体速度放慢。
被动矩阵LCD的响应时间为100～250ms。当响应时间为200ms时，最多只能支持每秒5帧的帧频，否则图像质量会很低。我国电视节目采用的PAL制式为隔行扫描方式，帧频为每秒25帧，对应的全程响应时间(注意：不是ISO所定义的上升时间！)为1/25=0.04s，即40ms。被动矩阵显然不能满足观看视频节目的需要。
而以TFT为代表的有源矩阵LCD，虽然制造工艺复杂，造价较高，却可以大大提高响应速度。TFT屏幕由纵横交错的TN型液晶与薄膜晶体管组成，每个TN液晶盒可被独立控制，由于每个液晶盒由一只晶体管控制，所以每个液晶盒可以分别被选中，实现点亮或熄灭的目的。TFT LCD液晶盒类似于DRAM的存储单元，只是每个液晶单元的透光度是连续可变的，并非“0”和“1”两种状态。也就是说，RAM是数字的，而LCD是模拟的。要使液晶盒在“透光/阻光”两种状态之间切换，需施加/撤除约-5V到+20V的电压，电压大小决定了透光度的高
低。所施加的电压还给电容充电，这样在电压撤出以后，由电容继续给液晶盒供电，让显示的内容记忆下来。有了这种记忆能力，地址线和数据线就可以腾出手来对其他的液晶盒进行充电了。因为无需等待一个液晶盒显示过程结束，就能开始对其他液晶盒进行充电操作，所以可以迅速完成整个屏幕的刷新工作。
由于每个像素不分先后地受到平等对待，消除了像素之间相互“拖后腿”现象。所以，TFT这种有源矩阵被称为主动矩阵(Active Matrix，AM)，而无源矩阵则相应地被称做被动矩阵(Passive Matrix，PM)。主动矩阵液晶显示器虽然造价高(比被动矩阵高60％左右)，但因响应速度快，而且响应时间与屏幕尺寸和分辨率无关，适应了对不断扩大的屏幕的要求，也为未来高清晰度电视的普及铺平了道路。目前所有的液晶显示器和液晶电视的显示屏均采用主动矩阵结构。
常规技术，已无能为力
石墨与金刚石都是由碳分子构成，却因为结构差异而表现出迥异的性能。同样，在以液晶作为显示介质的显示器件中，由于结构上的区别，响应时间也会有所不同。这就是科学上“结构决定性能，性能反应结构”的规律。
1.降低粘滞系数，步履维艰
业界通常使用“弹性连续体理论”来解释液晶显示的原理，该理论忽略单个液晶分子的行为，而是把它看成一个连续的介质。在外加电磁场作用下，弹性液晶体会发生展曲、扭曲和弯曲三种形式的的弹性形变，外力撤除后依靠弹性势能恢复到施加外力前的状态，其光学特性的改变正是液晶体形状改变的结果。
撇开液晶的光学性质不谈，仅就其力学性能来说，虽然它具有液体的流动性，但也具有高分子材料所具有的高粘滞性，且粘滞系数与分子量大小密切相关：分子量越大，粘滞系数通常也越升高。而作为液晶材料的内在特性，粘滞特性的改善对缩短响应时间的贡献率当然也是最大的。虽然上升过程主要依靠电场强度及产生的推力决定，下降过程主要取决于配向膜施加给液晶的扭曲力，但液晶的粘滞系数大小对两个过程中液晶翻转的速度都起作用。
不过，想获得低黏滞系数的液晶材料是非常困难的事情，因为液晶显示器的响应时间并不是一个独立的参数。在物理层面上，它与液晶的清亮点、透光度，甚至漏电流等物理参数之间都存在错综复杂的关系；从性能表现来看，它又与画面质量和色彩表现力密切相关。此外，还有成本与市场方面的因素等等，这些都要求设计师综合考虑，不可能单纯地考虑响应时间而忽视其他因素。俗话说：江山易改，本性难移。在TN、STN液晶显业中一度广泛使用的端基为氰基的液晶材料，如含氰基的联苯类、苯基环己烷类液晶，但因氰基液晶材料易于引入离子性杂质，电压保持率低，不能满足TFT LCD的要求。从TFT LCD的需求来看，除了要求在20℃时粘度应小于35mPa・s以外，还需要具有高电压保持率(一般要求电阻率至少大于1012Ω・cm)和较低的阈值电压，以达到低电压驱动、降低功耗的目的。
由于各参数之间往往相互联系又相互制约，对液晶材料性能要求越多，开发新型液晶分子的难度也越大。为了获得低黏度系数的液晶材料，必须弄清液晶化合物的结构与性能之间的关系，并且通过性能-结构之间的关系，去指导具有特殊性能的液晶分子的合成。譬如，酯键具有较高的清亮点和高黏滞系数；乙撑桥键具有较低的清亮点和黏滞系数；醚类桥键具有较低的清亮点，但黏滞系数较高。通过上面的介绍我们可以看出，单一液晶化合物已难以满足高性能LCD的要求，所以目前研究人员需要同时在两条战线上作战：一条战线去合成新的化合物，另一条战线将不同的液晶单体进行合理混配，以弥补单一化合物的不足。
2.液晶层变薄，权宜之计
减少LCD厚度，也是缩短响应时间的一个有效措施。厚度降下来以后，需要翻转的液晶量减少，在同样的力量作用下速度就会比较快。来自ViewSonic的数据表明，厚度降低30％，响应速度会提升50％。
不过，厚度的降低也会带来一些负面影响：液晶层厚度太薄，不仅色彩暗淡，而且会缩小可视角度；此外，还会增加制造难度，坏点增加成品率降低，制造成本提高。所以，通过减少厚度来缩短响应时间的手段非常有限，特别在大屏幕液晶电视的制造中是谨慎采用的。
矫枉过正，overdrive技术受青睐
如果说前面的技术都是在屏幕上做文章，那么，在屏幕方面缺乏更为有效的提速手段时，研究人员自然就将注意力转移到控制信号的优化上来。
2001年末，ExtremeTech网上出现了这样一条消息：NEC研究团队在研究平板电视时，提出了这样一个主意：既然使用1V的驱动电压需要20ms，为什么不可以将驱动电压提高到2V，而获得10ms的响应时间呢？在接下来的研究中，NEC取得了成功，响应时间不是被缩短了1倍，而是接近10倍―从55ms缩短到6ms。N E C看似简单的一个发现，孵化出炙手可热的RTC(Response Time Compensation，响应时间补偿)技术，引发了LCD响应时间的革命。RTC技术对响应时间的杀伤力，出乎许多人的意料。RTC为何如此有效呢？欲知其中奥秘，还得从头谈起。我们知道，LCD是靠液晶的扭曲改变液晶层的透光度来显示信息的，而扭曲度的变化是靠外力来实现，这个外力要克服液晶固有的弹力，外力与弹力之差称为转矩(Torque)。下面的表达式描述了转矩T的理论值计算方法公式:
T =1／2 (εparallel -εperpendicular)εo E2 sin(2θ)其中，εpa ral lel为液晶在平行方向的介电系数， εperpendicular为液晶在正交方向上的介电系数，E为电场强度，θ为液晶扭转角。
从上面的表达式可以看出，转矩T的大小与电场强度E的平方成正比，电场强度越高，扭转角度越大。另一方面，转矩大小直接决定了液晶分子的运动速度。根据动力学公式F=ma，质量m相同时，受力F越大，加速度a就越高。因此，施加在液晶盒两端的电压不仅可以决定液晶分子的偏转角度，而且还可以对转换速度产生很大影响。
RTC正是基于上述观点的一个技术措施，其基本原理是：将来自显卡的视频信号加入了过冲电压，然后去驱动液晶单元。可见，RTC技术体现了“矫枉过正”的思想，这种思想说起来也并不新鲜，自动控制系统中为了提高系统的反应速度，也惯用这种技术方案。
可见RTC原理并不复杂，实施起来也很简单：只要在PCB上集成一只加速芯片，用很低的成本就能将一块响应时间为16ms的面板升级到4ms。所以，这项技术一面世，立即受到液晶显示器和电视机厂商的追捧。台湾钰瀚公司见机而动，及时推出Overdrive系列液晶加速芯片供应市场，优派、明基等液晶显示器大厂以及众多液晶电视制造商均使用了他们的Overdrive芯片(图7)。
那么，过冲电压的幅值为多少才合适呢？每个制造商
给出的数值可能不太一样，过冲电压值及持续时间等参数均可根据情况在可编程加速芯片中设定。优派的数据是：正常驱动电压值比过冲峰值电压低60％。事实上，视频信号千变万化，液晶电容在不同扭转角度会有不同数值，欲达到随机性的动态补偿，既提高响应速度，又不损失图像质量，不过，目前这种粗旷型的时间补偿技术还做不到。事物总是有两面性，Overdr ive技术在缩短上升时间的同时，也带来了负面影响：过冲电压将增加液晶返回难度，导致下降时间和灰阶响应时间延长；过度补偿将导致图像严重失真；过冲电压是否会缩短液晶寿命，也还有待证实。由此看来，Overdrive技术虽然对缩短响应时间起到过积极作用，但也绝非包治百病的灵丹妙药。
以TFT为核心的主动矩阵技术，对提升液晶响应速度做出了巨大贡献，但随着响应速度的进一步提升，TFT又将成为自我束缚的缰绳。
CRT显示器只要利用荧光的余辉就可以实现光的短暂停留，但液晶显示器就不行了，它没有这种记忆能力。从理论上说，TFT的作用仅相当于一个开关，让背光源的光线通过还是不通过。但是，我们从液晶显示器显示单元的剖面结构图来看，在上下两层玻璃间夹持液晶，便会成为一个平板电容器，这就是液晶盒的分布电容ClC(Capacitor of liquid crystal)。ClC仅为0.1pF，TFT充好这个电容后，它无法将电压保持到下一次TFT再对此点充电时。这样一来，电压有了变化，所显示的灰阶就会不正确。因此一般在面板的设计上，会再加一个存储电容Cs(storage Capacitor，约为0.5pF)，以便让充好电的电压能保持到下一次更新画面。存储电容使TFT LCD具备了必要的记忆力，与此同时也带来负面影响。一方面，由于电容两端的电压不能突变，这一特性会使驱动信号幅度衰减，陡度下降，信号畸变，画质降低；另一方面，电容的存在使频率响应恶化：信号幅度会随信号频率的升高而降低。要弥补信号强度的损失，又需要加大驱动电流。譬如，驱动频率由32Hz提高到200Hz时，驱动电流就需相应增加5～10倍。随着分辨率的提高和响应时间的缩短，TFT将因电流增加而产生更多热量。
为了克服因缩短响应时间而给TFT带来的高功耗问题， TFT半导体材料先后于上个世纪90年代初和90年代末分别实现了从无定型的非晶硅(a-Si)向多晶硅(p-Si)的转变，以及从多晶硅向低温多晶硅的两次转变。传统的非晶硅材料的电子迁移率在0.5cm2／Vs以内，而多晶硅的电子迁移率可达200cm2／Vs。对于相同响应时间的液晶面板，使用多晶硅替代非晶硅，不仅可以缩短响应时间，还可将功耗减少10％左右。
未来之路还漫长
百米赛跑的世界纪录，想缩短0.01秒都是非常的困难，因为这已接近人的生理极限。同样道理，对生性笨拙的液晶显示介质来说，要继续向前迈进的技术难度也将会很大。可以预见，未来几年内主要还是要通过对RTC技术的完善，将响应时间从毫秒阶段推进到微秒阶段。此后，欲进一步缩短响应时间，研究人员将不得不从以改进驱动信号为主要手段的“电子战场”，重新回到以寻找低黏滞系数液晶材料的“分子战场”上来。
