微孔塑料是指泡孔直径为1～50微米、泡孔密度为10⁹～10¹²个／cm³、泡孔分布非常均匀的泡沫塑料，其设计思想即在高分子材料内部产生比原有缺陷更小的气泡，使泡孔的存在不仅不会降低材料的强度，反而会使材料中原有的裂纹尖端钝化，阻止裂纹在应力作用下扩展，从而提高其力学性能。由麻省理工学院（MIT）与Trexel公司共同研发的制备微孔塑料的微孔发泡技术（Mucell）已经商业化，其原理是将超临界状态的大气（N₂或CO₂）通过安装在注射机机筒上的注射器注射入聚合物熔体中，形成单一均相的聚合物／气体体系，随后，熔体被快速注射入模具型腔，随着压力骤降，超临界气体便会逸出，形成大量的微孔，然后微孔与模腔内熔体一起冷却定型而得到泡孔大小均匀、分布均匀的微孔塑料制品。微孔制品不仅力学性能优异，而且与传统注射工艺相比，微泡注射工艺还具有以下优点：减少耗能36％左右；成型周期缩短20～50％；原材料消耗减少5～30％。微泡注射成型提供了传统注塑工艺所不具有的巨大能力，为开发新型塑料产品、优化注射工艺和降低产品成本开拓了广阔的空间。微孔塑料制品正被应用于许多工业领域，如航空航天、汽车、医药、电子、食品包装等行业，越来越多的塑料加工企业投入资金对现有的注射机进行改造，利用微孔注射工艺进行生产，提高企业的竞争力。本文研究了微泡注射成型加工的基本原理和工艺过程，剖析了成型过程中微泡的成核、生长以及冷却定型机理；引入合理的假设，并进行必要的简化，建立了微泡生长和熔体流动的数学模型，并构造了有效算法，实现对微泡注射成型过程的数值模拟。主要内容包括：1、探讨了超临界流体在聚合物中混合、扩散、完全溶解进入聚合物形成物理性质均一体系的过程；探讨了气泡成核机理，分析了气泡长大理论模型的发展，以及气泡的稳定与固化过程。2、基于流体动力学和热力学理论，运用连续性方程、动量方程、菲克扩散定律以及亨利定律，描述微泡的流体动力学生长和扩散生长，建立微泡生长过程的数学模型。3、计入微泡生长对熔体流动的驱动作用以及微泡对熔体粘度的影响，宏观上将成型过程视为单相流。基于粘性流体力学基本理论，考虑模具冷却效应，用连续性方程、动量方程和能量方程来描述成型过程中熔体的流动和传热，并与微泡生长方程耦合，建立微泡注射成型过程的数学模型。4、微泡注射成型过程数学模型的数值求解。利用伽辽金加权余量法建立型腔内压力场求解的有限元方程，沿厚度和时间域差分建立温度场求解的差分方程，并对微泡生长方程进行差分离散。构造有效算法对这些方程进行求解，实现微泡注射成型过程的数值模拟。