1 气体辅助注射成型的起源
气体辅助注射成型（ Gas-Aassisted Injection Molding, GAIM ）是在常规注射成型（ Conventional Injection Molding, CIM ）基础上发展而来的一种新颖的聚合物加工方法 [1-9] 。 GAIM 最早可以追溯到 1971 年，美国人 Wilson 尝试在 CIM 过程中加气以制造厚的中空鞋跟。虽然以失败告终，但却为一个具有划时代意义的新技术诞生迈出了第一步。后来在 1983 年，一个英国人在采用结构发泡成型方法来制造机房的装饰材料时衍生出 “Cinpres” 的控制内部压力的成型技术，即 GAIM 的雏形。直到 1986 年，在德国国际塑料机械展览会上，该项技术才作为一种新的聚合物成型工艺而被人们加以接受，并冠之以“塑料加工业的未来技术” [1,10] 。
20 世纪 80 年代初期，在 Hoover Universal 工作的 Hunerberg 发现这种成型技术所具有的潜在价值和商业优势，他开始与 Olabisi 合作将其转化到商业应用中。相对而言，从 20 世纪 80 年代后期到 90 年代初期，这项技术并没有得到太多的重视。但在随后的几年内，则得到了不断完善和发展， 90 年代末期，作为一种商业化的技术，在欧美、亚太等地区， GAIM 技术开始逐渐应用到实际工业生产中。最近几年，不论在生产领域还是在研究领域，人们对 GAIM 的兴趣与日剧增。
2 GAIM 的基本原理、所需设备及工艺特征
2.1 GAIM 基本原理
GAIM 的成型的基本原理如图 1.1 所示，其工艺过程主要包括三个阶段 [4-9] ：
第一阶段为熔体注射。把经过精确计量的聚合物熔体注入型腔，此过程和传统注射成型相同，直至熔体充满型腔的 60% ～ 95% （一般按体积比，具体注射量随产品而异）。这一过程称为“欠料注射”，或“短射”（ short shot ）；
第二阶段为气体注射。把压缩气体注入熔体中，熔体流动前沿在高压气体的驱动下沿着阻力最小的方向继续向前流动，直至充满整个型腔。气体可通过注气元件（气针）从主流道进入，也可直接由型腔进入制品，目前气体控制方式多采用分阶段气体压力控制法；
图 1.1 GAIM 原理示意图
第三阶段为气体保压。制品在保持气体压力情况下冷却。在冷却过程中，气体由内向外施压，保证制品外表面紧贴模壁，并通过气体二次穿透，从内部补充因熔体冷却凝固带来的体积收缩。待制品冷却凝固后再排出高压气体，然后开模顶出制品，完成一个成型周期。
尽管 GAIM 是 CIM 工艺的一种形式变化，由于它和吹塑成型得到的制品都是中空的，所以人们有时很容易将这两种成型方法混淆。二者的主要区别在于中空的程度以及充填过程中熔体的流动模式不同。 GAIM 制品的中空体积一般不超过整个制品的 40% ，而吹塑制品的中空体积一般占到整个制品的 80% 以上； GAIM 在气体穿透阶段一般带来的是沿流动方向的剪切场，而吹塑过程中一般带来纵向的拉伸场。
2.2 GAIM 的主要设备
由图 1.2 可知，完成 GAIM 工艺过程的主要设备包括注射机、气体压力控制单元、高压气源和模具等设备 [11,12] 。
（ 1 ） 注射机
注射机精度的高低直接影响注射量的控制和延迟时间的反馈精度，进而影响制品的中空率和气道的形状，所以 GAIM 对注射机的精度要求很高。一般情况下，要求注射机的注射量精度误差控制在 % （以体积计）以内，且注射压力波动相对稳定，控制系统的电信号能够很好地反映实际注射过程，因此一般需要选用精密注射机。
（ 2 ） 气体压力控制单元
气体压力控制单元主要包括信号控制系统（即触发器，包括位移触发器和电子触发器两种）和压力控制系统（气体压力控制器）。信号控制系统的主要功能是接收注射机射胶结束的信号以控制延迟时间，然后将此信号反馈给压力器。压力控制器接收到信号控制系统的信号后，根据设定值便可精确控制各个气体压力段的压力和时间。
图 1. 2 典型的 GAIM 设备示意图
（ 3 ） 模具
GAIM 制品模具和 CIM 制品模具的一个重要区别在于前者具有与压力控制器相连的气体通道，且型腔内要有气体穿透的通路，以便熔体能够顺利充满型腔。因此，在设计模具时要根据制品的尺寸形态及注射机的情况来安排气体进入制品中的部位，即选择通过注射机喷嘴、从流道内及从制品内三种方式中的哪种方式进行气体辅助注射成型过程。当选择从流道或制品内进气进行成型时，应考虑能否顺利脱模以及制品外观等问题，通常气针位置的选取是一个棘手的问题。
（ 4 ） 高压氮气源
高压氮气源主要是瓶装高压氮气，或从空气分离装置分离出的氮气经压缩后制备的高压氮气。气体压力控制器一般有启动压力 ，即只有当高压氮气源的压力高于 时，气体压力控制器才能正常工作。瓶装高压氮气或氮气分离增压装置的使用，一般需要根据实际生产情况来确定。
2.3 GAIM 的工艺分类
GAIM 除了如图 1.1 所示的标准成型法外，还有副腔成型法、熔体回流法、活动型芯法及改进成型法等四种 [13] 。
（ 1 ） 副腔成型法
图 1.3 副腔成型过程示意图
副腔成型法如图 1.3 所示。在型腔外面用阀门连接一个副腔。首先关闭阀门，然后熔体注满型腔。经过一定的延迟时间后打开阀门，随即向熔体中注入高压气体进行穿透和保压。在高压气体的作用下，多余的熔体就会通过阀门进入副腔，当气体穿透到一定程度时关闭阀门，并继续施加气体压力，对型腔内的熔体进行保压补缩，最后气体排出并顶出制品。
（ 2 ） 熔体回流成型法
熔体回流成型法如图 1.4 所示。熔体首先注满型腔，经过一定的延迟时间后，向熔体中注入高压气体进行穿透和保压。在高压气体的作用下，多余的熔体就会通过注射机喷嘴进入料筒，其过程与副腔成型法基本类似。 
图 1.4 熔体回流成型法示意图
（ 3 ） 活动型芯成型法
活动型芯成型法如图 1.5 所示。注射前，型芯伸入型腔，使型腔体积减小，然后熔体注入。经过一定延迟时间后，高压气体开始穿透熔体，随着气体的穿透，型芯逐渐后退，直至冷却定型。
图 1.5 活动型芯法成型示意图
3 GAIM 技术的发展
GAIM 的应用领域随着工业生产的发展而不断拓宽，如电视机、电冰箱、空调、或音响外壳，汽车塑料产品，家庭电器，手机、 PDA 和手提电脑外壳、日常用品等等。随着应用领域的扩大，更多 GAIM 的新方法应运而生，进一步推动了 GAIM 技术的发展。下面将简述几种比较新颖且具代表性的 GAIM 新技术，如外部气体辅助注射成型、振动气体辅助注射成型、冷却气体辅助注射成型、多腔控制气体辅助注射成型及气体辅助共注射成型技术等。
（ 1 ） 外部气体辅助成型技术 [14,15]
外部气体辅助注射成型（ External Gas-assisted Injection Molding ， EGAIM ）与传统的 GAIM 成型方法的不同之处在于它不像传统方法那样将气体注入塑料内以形成中空的部位或管道，而是将气体通过气针注入与塑料相邻的模腔表面局部密封位置中，故称之为“外气注塑”。从工艺的角度来看， EGAIM 取消了保压阶段，保压的作用由气体注射来代替。 EGAIM 提供的是一种对熔体在模具内冷却时施加压力的方法，要达到预定的效果，就必须控制注入模内的气体压力，因此必须准确控制气体注入阶段和压力增加的速率。这首先就要防止气体由制品表面和模具分型处泄露， EGAIM 工艺就是凭借模具和制件中的整体密封来做到这一点的。其基本工艺如图 1.6 所示。其突出优点在于它能够对点加压，可预防凹痕，减少应力变形，使制品表观质量更加完美。
图 1.6 外部气体辅助注射成型技术示意图
（ 2 ） 振动气辅成型技术 [16,17]
一般的 GAIM 属于非动态成型工艺，如图 1.1 所示。而振动气体辅助注射成型工艺最大的改进之处便是引入一定振频和振幅的振动波，使常规 GAIM 成型时注入的“稳态气体”变为具有一定振动强度的“动态气体”，从而以气体为媒介将振动力场引入气体辅助注射成型的充模、保压和冷却过程中，使其成为动态的成型工艺。
振动的气体在气体辅助注射成型中主要有三种作用： ① 在熔体内部引入振动的气体，推动熔体充满整个模腔。振动的气体可以使熔体黏弹性减小，填充时更容易的流动和取向； ② 引入振动的气体，可以改进熔体填充过程机理，有效消除收缩痕及其它因流动性差而造成的缺陷； ③ 在模腔周围设计的特殊空气流道内引入振动气体，从模壁外部振动熔体，有利于平衡复合模腔内熔体的流动。图 1.7 是一种典型的多点注气的振动气体辅助注射成型设备示意图。整个装置分三个部分：注射机、气辅单元和气体控制 CPU 。
图 1.7 振动气体辅助注射成型设备示意图
（ 3 ） 冷却气体辅助注射成型技术 [18]
由于 GAIM 技术能够有效降低塑件的壁厚，相对于 CIM 而言， GAIM 制品的冷却速率比较快。即便如此，在 GAIM 工艺过程中冷却阶段在整个成型周期中所占的比例仍旧较大。在 GAIM 工艺过程中，当高压气体（氮气）将熔体穿透时，它提供的冷却作用非常小。如果制品在脱模时冷却不够充分，内部残余热量会使熔体再结晶，从而导致制品剧烈收缩而变形，严重时制品内部甚至会出现气泡。为避免以上情况的发生，可以采取延长模具冷却时间或使用次级冷却装置的措施，但这样会增加工艺成本。冷却气体气辅成型技术便是针对以上问题而出现的一种新方法。在此工艺中，气体通常被冷却至 -20℃ 到 -180℃ 。其主要优点在于：当冷却气体穿透熔体时，在模腔内产生塞流效应；塞流产生的残余壁厚比传统 GAIM 的要小；冷却气体也防止了制件内部起泡，并能产生较光滑的内表面。
（ 4 ） 多腔控制气体辅助注射成型技术（ PFP ） [19]
传统的 GAIM 方法应用于多腔模具是比较困难的，特别是在各个模腔尺寸不同时，原因在于输送至每个模腔的熔体量很难得到精确控制，而且控制气体通道或制品内部中空区域的截面面积也是比较困难的。为了解决这些问题，英国 Cinpres 气体注射（ CGI ）有限公司开发出了多腔控制气体辅助注射成型技术（ PFP ）。它利用由气体本身形成的模压和专用的切断阀，能够多次准确控制每个模腔内熔体在气体作用下的充填。此工艺过程如图 1.8 所示：（ a ）注嘴阀打开， PEP 阀关闭，熔体进入并充满模腔；（ b ）注嘴阀闭合，注气开始；（ c ）气体穿透熔体，形成中空， PEP 阀打开，熔体进入次级模腔；（ d ）料筒进料开始下次循环。
图 1.8 PFP 工艺过程示意图
（ 5 ） 气辅共注成型技术 [20,21]
聚合物共注射成型工艺在于先后向模腔内注入不同的聚合物熔体，进而形成多层结构制品的一种聚合物成型方法。而气体辅助共注射成型技术是聚合物共注射成型技术与气体辅助注射成型技术互相结合而形成的一种新工艺。它与聚合物共注射成型工艺相比，多了一个注气过程；相对常规 GAIM 而言，多了一个多层结构的形成过程。
它的工艺过程主要包括三个阶段： ① 熔体共注射阶段：此阶段与一般共注射成型工艺类似，当表层和内层所注入的熔体总量占型腔体积的一定比例，能够形成表层和内层结构时，停止注射熔体； ② 气辅注射阶段：高压气体注射进内层熔体，并在其内部进行穿透。随着气体的前进，被气体 “ 排挤 ” 的内层熔体带动表层熔体向前流动而充满整个型腔； ③ 保压冷却，释压脱模，顶出制品。
气辅共注射成型技术同时具有共注射成型和 GAIM 工艺两项技术的优点。因此，在一些有多种性能要求的多功能中空聚合物制品（如内外层具有不同性能），或者外层为高性能材料、内层为废旧塑料的低成本塑料制件中，此项成型技术得到广泛应用。然而，为了实现聚合物的气体辅助共注射成型，必须对常规的共注射成型设备进行改造，即在共注射成型设备的基础上增加一套气体压力控制系统。
4 GAIM 工艺的优缺点 [1-9,22,23]
4.1 GAIM 工艺的优点
将厚壁部分和薄壁部分结合在一起，采用 CIM 成型时，制件厚壁和薄壁结合部的残余应力较大，容易翘曲变形，表面有缩痕。结构发泡成型的缺点是制件表面的气穴往往因化学发泡助剂过分充气而造成气泡，而且装饰使用时需要将表面喷涂修饰。 GAIM 将结构发泡成型和 CIM 的优点结合在一起，可在保证产品结构强度的前提下大幅度降低生产成本，提高制品的表观质量，具有良好的经济效益。
图 1.9 CIM 和 GAIM 充填过程中型腔内压力分布示意图 ： a- GAIM; b-CIM
与 CIM 相比， GAIM 有许多优点： ① 减少残余应力，降低翘曲出现的几率：由于气体更容易进行压力传递，气体的穿透使熔体压力分布均匀，并且 GAIM 制品的壁厚较薄，所以 GAIM 制品的残余应力较小，翘曲不容易发生； ② 消除收缩痕，提高表面质量： GAIM 的保压过程中，塑料的收缩可以通过气体的二次穿透得到抑制，这是因为气体压力能够使熔体紧贴模壁，熔体冷却收缩容易得到补偿； ③ 降低注射压力，延长模具寿命，降低注塑机机械损耗：由于压力梯度和熔体的流动性有一定关系，当熔体的流动长度增加而又要求熔体流动速率不变时，入口压力应该保持一定的压力梯度，这是 CIM 入口压力不断增加的原因。而 GAIM 工艺过程中，由于气体非粘性的特点，它可以把压力有效传递到熔体和气体的交界面而不会明显产生压力降。 CIM 和 GAIM 充模过程中压力变化的比较如图 1.9 所示； ④ 节省材料：由于气道所形成的中空结构占据大量空间，一般情况下 GAIM 制品要比 CIM 制品节约 15% （质量比）的原料； ⑤ 缩短成型周期： GAIM 制品的壁厚比较薄，它比 CIM 制品更容易冷却。此外，在泄压的过程中，高压气体会带走一部分热量，因而会明显缩短成型周期； ⑥ 更适用于厚度变化大制品的成型： 对于壁厚差异较大的制品，可将气道安排在制品厚壁和薄壁的交界部位，从而保证制品的质量。为此， GAIM 制品在设计上有很大的自由度。
更重要的是， GAIM 可以在不增加制品重量的前提下，实现制品的结构性增强。其原理是将气道设置在加强筋和制品薄壁及厚壁的交界部位，以增加制品横截面的惯性矩，从而增强制品的强度和刚度。图 1.10 所示是几种常见的 GAIM 制品加强筋的形状，中空部位为气道。
图 1.10 常见的几种气道加强筋形状
4.2 GAIM 工艺的缺点
尽管 GAIM 相对于 CIM 有显著的优点，经济效益更高，且发展非常迅速，但是由于其内在的工艺特点，仍然存在如下缺陷： ① 需要增加供气、压力控制甚至气体回收等装置，而且要求注射机有较高的精度。因此，设备的一次性投资比较大； ②GAIM 涉及更多的工艺参数，因此需要有效控制工艺参数之间的关系以获得高质量的制品。各工艺参数的控制稍有误差，制件的质量和生产过程的稳定性就会受影响； ③ 一旦 GAIM 制品气道结构设计和气针位置安排不合理，或气辅设备操作不当，就会造成气路不畅、气针堵塞等问题，这些问题很容易导致生产不稳定或生产率下降； ④ 在 CIM 成型中积累的工艺经验不能完全用来解决 GAIM 制品的缺陷，工艺师必须利用 CAE 软件，在设计前进行模拟分析，以便确定合理的设计方案和工艺参数，积累经验，以减少缺陷发生的几率。因此， GAIM 要求操作人员和工艺师要有较高的专业素质。
5 GAIM 的主要应用领域
GAIM 主要应用于大型家电和汽车配件的生产 [24,25] 。就电视机行业而言，我国彩电行业几乎全部采用 GAIM 技术来生产大屏幕电视机的外壳。 TCL 、海尔、海信、长虹、康佳等著名电视机生产厂都相继引进了 GAIM 工艺技术。例如， TCL 彩电的前面板和后面板均采用 GAIM 技术进行生产。在汽车行业， GAIM 技术广泛应用于仪表盘、内装饰件及保险杠等零件的制造。例如，神龙富康轿车的仪表盘基本上都是采用这一技术生产的。
塑料家具的生产是 GAIM 技术的另一个重要应用领域。仿硬木家具在外观上要具备木质家具较为粗大的圆柱或立方结构，用 CIM 来加工，存在冷却速度慢、材料收缩不易控制、制品翘曲变形严重等难以克服的障碍，而且原料用量大、成本高；采用 GAIM 技术，以上问题即可迎刃而解。总之， GAIM 技术已为以上行业带来了不可估量的经济效益。
6 GAIM 的研究进展
近年来， GAIM 在工业生产中强劲发展势头已引起广大研究者的密切关注，他们纷纷开展了与 GAIM 充模过程相关的数值理论以及和 GAIM 模具设计相关的试验研究。这些研究主要集中在气体穿透和残余壁厚的数值理论计算、气道结构设计对 GAIM 制品力学性能的影响、工艺参数对穿透长度和残余壁厚的影响等方面，而工艺参数与形态结构的形成与演化、形态结构与 GAIM 制品物理性能的关系则少有涉及。
6.1 GAIM 充模过程数值模拟
20 世纪 70 年代初，计算机辅助工程技术开始应用于 CIM 方面 [26,27] ， Toor 等人 [28] 首先采用数值方法模拟 CIM 工艺过程中熔体的充填过程。 Lord 等人 [29] 对熔体在圆管内的一维流动做了详尽研究，并建立了有限差分计算模型，此后，一维流动分析技术趋于成熟。 70 年代中期， Broyer 等人 [30] 采用流动分析网络法（ FAN ）对二维等温流动做了计算，并对保压固化及分子取向问题进行了探索。 Hieber 等人 [31] 将 Hele-Shaw 流动创造性地推广到非牛顿流体的非等温流动情况。
在借鉴 CIM 数值分析思想的基础上， Wang [32] 等人开始采用控制体积法，结合有限元法及有限差分法来模拟 GAIM 工艺过程中的充填过程。 20 世纪 90 年代初期，国外的一些研究机构开始对 GAIM 充填流动模拟展开研究，主要包括对气体穿透机理、气体穿透长度和树脂皮层厚度的预测。 Turng [8] 等人借鉴 CIM 充模流动分析的研究，实现了对气体作用下熔体在型腔中流动的数学描述，并采用粒子跟踪算法（ Particle Tracing Algorithm ）对熔体前沿和气体前沿进行跟踪，其实质是根据熔体和气体进入型腔的时间，分别计算区域内的熔体和气体，从而确定充填过程中熔体前沿和气体前沿的位置。 Gao [33] 等人采用控制体积法来处理 GAIM 充填过程中熔体前沿和气体 - 熔体界面这两类移动边界问题。 Chao 等人 [34] 研究了气辅控制单元中的气体压力动态模型，首次引入非线性动态模型，并得到实验验证。不过，非线性动态模型虽然可以有效预测 GAIM 中各界面的运动规律，其结果对于理解工艺特征和不同工艺参数之间的关系也很有帮助，但实用性较差。为此，他又提出了基于非线性模型基本特征的二次方模型，实验结果表明，该模型能够精确预测气体注射压力瞬态变化。 Khayat [35] 采用 Eulerian 边界元法实现了气体主穿透阶段的三维数值模拟。 Shen [36] 则采用有限元法实现了气体穿透阶段气体前沿位置、气体 - 熔体界面（残余壁厚的尺寸）以及熔体前沿位置的预测。
气体在穿透过程中的分布和气道的形状对理解气体的穿透非常重要。 GAIM 工艺过程中，气体穿透时气体 - 熔体界面的求解是模拟 GAIM 充填过程中的难点和重点。为此，很多学者通过简化参数来研究气体的穿透特性。 Kamisli F. 等人 [37] 采用摄动方法，研究非牛顿流体在圆管和矩形截面管道中仿 GAIM 的两相流动，以 Ca 1/2 （修正的毛细管数）为摄动参数求出气体穿透界面的内部解和外部解，通过渐近匹配展开法求出气体穿透厚度比例，并得出树脂皮层的厚度随着非牛顿指数的增大而增大的结论。 Poslinski [38] 以牛顿流体硅胶膏代替非牛顿聚合物熔体进行实验和数值分析，研究发现中空率（残余壁厚与型腔半径的比值）与毛细管数（ Capillary Number ）有一定关系，但是即便毛细管数再大，中空率也只是保持一个恒定值，约为 0.34 。由于聚合物熔体一般是非牛顿，而硅胶膏是牛顿流体，其流动行为的差异必然导致计算结果的误差，他的结论虽然有一定的参考价值，但仍有值得商榷之处。
国内对 GAIM 的研究相对较晚。 80 年代中期，我国科学家注意到 GAIM 技术的优势及其对未来塑料加工业革命性影响，开始对它进行数值模拟理论的研究。其中，台湾地区对 GAIM 的研究工作开展得早一些， Chen SC. 等人 [39-43] 通过改进数值模型对 GAIM 中的充填和保压阶段进行数值模拟，同时也将其应用于冷却分析中，对薄板上加肋等典型 GAIM 制品进行一次穿透、二次穿透的理论和实验研究。华中科技大学的周华民、李德群等 [44-46] 在有限元和有限差分混合法的基础上推导出 GAIM 成型过程中熔体充填和气体穿透的数值模型。另外，郑州大学的申长雨、李倩、王利霞 [47-51] 等，南昌大学的柳和生 [52,53] 等均在气体穿透数值模拟方面作出了一定的探索。
由于新型聚合物材料的层出不穷及其加工工艺的多样性，虽然流变模型及其本构方程的研究一直在突破前人研究的框架，但至今仍然没有一个模型能够完整描述某种聚合物在加工中的三态（高弹态、粘流态和玻璃态）及其流变行为。因此，有必要针对 GAIM 工艺过程中独特的约束界面（刚性的模壁和柔性的气体）情况， 探索熔体在短射阶段的流变行为及气体穿透阶段二次流动与熔体牵伸行为之间的关系，构建更适合描述熔体在 GAIM 过程独特约束界面中流变行为的数学模型。
在 GAIM 软件商业化方面，欧美国家的研究机构和软件公司走在世界的前列。例如，美国康奈尔大学 Wang 教授所在课题组开发的 C-GasFlow 、德国亚琛大学 Menges 教授领导的 IKV 研究所开发的 CADMOULD Megit 、加拿大国家研究协会工业材料研究所 Gao 等开发的 GAIM 模拟软件均有一定的国际性影响。值得一提的是，澳大利亚 Colin Austin 领导的 MoldFlow 公司把美国的 C-mold 公司并购后，在 GAIM 模拟方面已经在国际上独领风骚。国内的研究机构也不甘示弱，开始在 GAIM 数值模拟方面崭露头角。例如华中科技大学 李德群 教授领导的模具工程国家重点实验室，郑州大学 申长雨 教授领导橡塑模具国家工程研究中心以及南昌大学 柳和生 教授都在这一方面做出了许多开创性的工作。
6.2 GAIM 工艺参数和制品的宏观性能
到目前为止，在 GAIM 领域，对制品的力学性能的研究不多，且主要集中在气道结构对力学性能的影响。台湾的 Chen SC [54] 等探讨了气道结构对制品拉伸、冲击和弯曲性能的影响，并发现 GAIM 制品的力学性能随着气道横截面积的增大而增大 [55] 。吉林大学李义 [56] 等人研究了 GAIM 成型 PP 的拉伸和弯曲性能，并对 GAIM 制品和 CIM 制品的这两个指标进行对比，结果表明 GAIM 制品的拉伸和弯曲强度都明显高于 CIM 制品的对应指标。他们认为气体的穿透行为能促使聚合物分子链或链段产生强烈取向，这种取向能够使 GAIM 制品产生“自增强”。 Chien [57] 测试了用不同形状横截面的模具制备聚苯乙烯（ PS ）的 CIM 和 GAIM 制品的拉伸强度、弯曲强度以及冲击强度，比较发现， GAIM 制品的机械性能明显优于 CIM 制品。他认为 GAIM 制品的机械强度一般随着气道横截面积的增大而增大，但受工艺参数的影响不大。 Chien [58] 还用不同形状横截面的模具制备了玻纤增强尼龙的 CIM 和 GAIM 制品，并测试了它们的弯曲强度。通过对比发现， GAIM 制品的弯曲性能（弯曲强度、能量吸收和弯曲刚度等）都明显优于 CIM 制品。此外，他们还发现气道的横截面形状对弯曲性能也有一定影响。 Chien [59] 还研究了气体穿透长度与 GAIM 制品断裂行为的关系，认为气体穿透所产生的气道对断裂行为的影响要比残余应力或应力集中对其的影响大。 Turng [60] 采用数值方法，研究了管状、平板状及复杂形状的 GAIM 制品对外部应力作用下的响应行为。他们认为对 GAIM 制品进行力学性能分析时要针对具体情况对制品形状进行简化，这样才能有效评估 GAIM 制品的力学行为。 Parvez AZ 等人 [61] 的研究发现工艺参数对气道形状、“手指”效应、残余壁厚和力学性能都有显著影响，其中又以预注射量和延迟时间对其影响严重。 Ong [62] 的研究也发现气道结构对 GAIM 制品的力学性能有很大影响，截面模量和截面扭矩分别与最大弯曲载荷和刚度相关联，且 GAIM 制品相对于 CIM 制品具有更大的刚度 - 重量比。 Hu [63] 通过弯曲强度测试，并结合数值分析，认为气道能对 GAIM 制品的机械性能产生结构性增强效应。 Liu [64] 研究了工艺参数对满射和短射 GAIM 工艺过程中气体穿透长度、表面收缩痕及弯曲强度的影响，结果发现，熔体温度、延迟时间和气体保压时间对满射 GAIM 工艺过程中的气体穿透长度有显著影响，满射 GAIM 制品表面收缩痕随着气体穿透长度的增加而减小，而且满射 GAIM 制品的弯曲强度要大于短射 GAIM 制品的弯曲强度。但是他们都没有给出导致 GAIM 制品和 CIM 制品力学性能差异的根本原因。
此外， Liu [65] 研究了玻纤增强尼龙 6 的 GAIM 制品表面粗糙度与工艺条件的关系。 SEM 观察发现，玻纤暴露在制品表面是导致制品外表面凸凹不平的主要原因。通过流动分析，他还发现充模过程中的喷射流和紊乱流是导致玻纤暴露在制品表面的原因。 Chien [66] 通过测量 GAIM 制品内外表面的光泽度发现，光泽度对结晶度和残余壁厚非常敏感，工艺参数和气道结构形状也对其有很大影响。 Liu [67] 也研究了不同工艺条件下 GAIM 制品表面的光泽度，结合充填过程中的数值模拟，他认为充填过程所产生的剪切应力梯度可能是导致光泽度在气道和平板交界出现较大差异的主要原因，另外，制品表面较大的粗糙度也是影响表面光泽度的主要原因。
6.3 GAIM 工艺过程中的形态结构演变
国内外从事 GAIM 制品形态结构研究的学者很少。 Chien 等人 [68] 采用具有不同气道尺寸的模具制备了 PS 、 PP 和 Nylon 制品，通过拉伸和冲击表征发现，只有 Nylon 制品的力学性能受气道结构和尺寸的影响较大， XRD 结果进一步表明，这种现象归因于 Nylon 在 GAIM 制品中较大的结晶度； Magalhaeso R [69] 则用液氮代替常温氮气，在超低温状态下制备了 PP 的 GAIM 制品，并把它的结晶形态与常温氮气成型的 GAIM 制品的结晶形态进行比较。通过偏光图片对比发现，采用常温高压氮气成型的 GAIM 制品，在制品表层附近区域是高度的取向结晶结构，而在气道附近的大部分区域是球晶结构，这表明在表层附近的剪切应力比较大；而对于采用低温高压氮气进行成型的 GAIM 制品，在表层附近区域和气道附近区域都是高度的取向结晶结构，这表明不仅在表层，而且在气道层都有强烈的剪切作用。通过以上对比可知，高压气体的温度会显著影响到 GAIM 成型过程中的流动行为，进而影响到制品的结晶结构的形成。漆宗能、梁瑞凤等人 [70] 研究了 聚苯乙烯（ PS ）的 GAIM 制品的 层状结构现象， 并重点探讨了这种 结构的形成机制。他们认为，在 GAIM 工艺过程中， 超临界氮气与熔体形成一个不相混溶的界面，当界面波形的波长超过某一个下限值时，界面变得不稳定 , 发生剧烈变化，因而产生了自相似的图形，它与有限扩散的生长不稳定性类似，因此出现了这种层状结构（见图 1.11 ），而 CIM 制品则没有这种结构（见图 1.12 ）。他们把这种结构最终解释为超临界气体的穿透所致的喷泉效应。
图1.11 PS 的 GAIM 制品断面 图 1.12 PS 的 CIM 制品断面
由于双折射（ Birefringence ）值可以间接反映分子链在加工过程中的取向行为， Carrillo A.J 等人 [71] 为此研究了 PS 的 GAIM 制品不同区域的双折射现象。研究结果表明，双折射值在次表层最大，表层较大，而在气道部位最小，且同一层次的双折射值随着距离浇口的增加而减小，在气体未穿透部分的不同区域，双折射值基本上保持常数，且非常小，如图 1.13 所示。此外，他们还考察了熔体温度、预注射量、气体压力、注射速率以及延迟时间等工艺参数对双折射值的影响，发现最主要的影响因素是熔体温度和延迟时间，其次是注射速率。
图 1.13 距离 G AIM 制品浇口不同位置处沿壁厚方向的双折射值
Yang 和 Zheng 等人研究了在 GAIM 制品中 PC/PE 共混物的形态演化 [72,73] 以及玻纤的取向 [74] 行为，并以之对比 CIM 制品的形态演化和取向行为，最后得出如下结论：
（ 1 ） 气体穿透能够产生更大的剪切应力 ，从而导致更强烈的形变和取向；
（ 2 ） GAIM 制品的最大形变区和取向区偏离表层 ；
（ 3 ） GAIM 制品的分散相形变和玻纤取向行为与 CIM 制品中的明显不同，这主要归因于气体穿透带来的强烈剪切作用。此外，他们还研究聚烯烃在气体穿透作用下的形态结构演变 [75] 。
7 总结
GAIM 已经问世多年 , 在许多方面都有着可喜的成果 , 虽然此技术日趋完美 , 但 新的构思和设想将使该技术的优势更加明显，必然在更多的应用领域发挥巨大的作用。目前 , 与国外相比 , 我国的 GAIM 应用有一定的距离 , 随着电子、通信、汽车等工业的快速发展 , 对成型塑料制品的要求也在不断提高 , 这必将继续推动这项技术的更快发展。
GAIM 的科学研究还不均衡，很多研究主要集中在气体的穿透行为及其对流动行为的影响等方面， 尽管在 GAIM 制品的形态结构和性能方面开展了一些工作，但 GAIM 制品中的形态结构和性能的关系研究还不充分，且形态结构的形成机理还不明确，有待进一步深入研究。
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