聚合物微熱壓過程理論及其裝備技術(shù)研究.pdf

1、聚合物微熱壓成型技術(shù)作為一種成本低、效率高、質(zhì)量優(yōu)的微細(xì)加工方法，已成為微納機(jī)電系統(tǒng)加工技術(shù)中的一種重要方法也是目前的研究熱點(diǎn)。本學(xué)位論文結(jié)合國家863計劃項目“面向微流控芯片的微模具制造裝備研究”(No.2002AA421150)及教育部博士點(diǎn)基金“聚合物三維微流體芯片制造新方法及工藝研究”(No.20030335091)對微熱壓成型過程理論及其裝備技術(shù)進(jìn)行了研究。針對項目的研究任務(wù)和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，本論文積極吸收相關(guān)學(xué)科的新思想、新

2、技術(shù)，采用理論研究、計算機(jī)仿真與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，以微熱壓技術(shù)中亟需解決的問題為研究對象，通過對聚合物微熱壓成型的機(jī)理及微熱壓裝備關(guān)鍵技術(shù)的研究，建立了壓印過程模型、揭示了微壓印過程中聚合物流變特性與壓印質(zhì)量及壓印效率間的內(nèi)在關(guān)系、提出了模具拓?fù)鋬?yōu)化策略、優(yōu)化了壓印工藝、研發(fā)了熱壓裝備。論文的主要32作如下： 第一章，闡述了本學(xué)位論文的研究背景與意義，詳細(xì)介紹了國內(nèi)外在熱壓成型技術(shù)機(jī)理、工藝及成型裝備等領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。在此基

3、礎(chǔ)之上，提出了論文的主要研究內(nèi)容。 第二章，闡述微熱壓中聚合物從宏觀力學(xué)表征到微觀結(jié)構(gòu)變化的變形機(jī)理，引入了聚合物微加工中宏觀力學(xué)表征的三種現(xiàn)象，時間依賴性、溫度依賴性及時溫等效轉(zhuǎn)換性?；诰酆衔锏木W(wǎng)絡(luò)理論及分子理論，從微觀角度解釋了聚合物壓印過程的流變行為及聚合物分子運(yùn)動機(jī)理，為后續(xù)章節(jié)的理論、仿真及實(shí)驗(yàn)研究奠定理論基礎(chǔ)。 第三章，通過對微流控芯片熱壓過程進(jìn)行受力分析，建立了基于流變理論的微流控芯片熱壓過程模型。為了更

4、好地表征壓印過程的粘彈性力學(xué)行為，將聚合物的材料常數(shù)”修正為時間的函數(shù)?；诹黧wNS方程對壓印過程進(jìn)行了推導(dǎo)，所得結(jié)論和基于流變理論的結(jié)果吻合，從另一方面驗(yàn)證了模型的正確性。在微流控芯片熱壓過程模型的基礎(chǔ)上，對常規(guī)微熱壓過程進(jìn)行了建模研究，通過對兩組流動進(jìn)行耦合建立了微熱壓過程模型，獲得了壓印完成所需時間及聚合物微結(jié)構(gòu)高度和時間的變化關(guān)系。 第四章，對模具拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與聚合物流動特性間的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。采用DEFORM軟件分析

5、了熱壓過程聚合物流動的影響要素，揭示了模具占空比、模具深寬比、模具寬厚比、模具位姿變化時所呈現(xiàn)出不同的流動形貌及流動特性。解釋了不等溫壓印過程和等溫壓印過程流動行為不同的原因。針對壓印過程易出現(xiàn)的填充效率不佳以及熱壓過程本質(zhì)上是一個模腔非封閉的聚合物流動問題，提出了模具結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化策略，通過在模具邊緣布置一些流動壩，達(dá)到降低邊界處聚合物流動率、促進(jìn)聚合物有效填充的目的。仿真結(jié)果表明優(yōu)化策略對促進(jìn)聚合物填充具有很好的效果。 第五章

6、，系統(tǒng)的分析了熱壓成型過程缺陷產(chǎn)生原因，使用ANSYS軟件對冷卻及脫模階段聚合物的受力狀況進(jìn)行了有限元模擬分析。分析結(jié)果顯示冷卻階段一直保持的壓印力會造成模具及聚合物微結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中，是形成模具斷裂、微結(jié)構(gòu)破損等現(xiàn)象的一個重要原因。首次研究了脫模方向?qū)γ撃Ｙ|(zhì)量的影響，由于微小的脫模方向偏差就可能引入很大的切向力而導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)的破壞。為了確保正確的脫模方向，設(shè)計了新型的自動脫模機(jī)構(gòu)。提出了壓印過程優(yōu)化工藝，通過在冷卻過程中緩慢減少壓印力，直至

7、冷卻到脫模溫度時釋放完畢。該優(yōu)化工藝不但可以有效的降低壓印力造成的應(yīng)力集中，還可以避免由于過早釋放壓印力而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)回彈及變形。第六章，在理論及仿真研究的基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)有壓印裝備中存在的一些問題，自行設(shè)計了基于帕爾帖效應(yīng)的聚合物微熱壓裝備。采用半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行升降溫，在降溫時輔助以水流帶走半導(dǎo)體制冷片表面熱量，設(shè)計了精密溫控的模糊PID控制器，使得熱壓裝備的溫度控制精度達(dá)到0.2℃，升降溫速率達(dá)1℃/S，能大幅度提高壓印效率。使用液壓方式

8、施加壓強(qiáng)，降低了壓印過程的壓力不均勻分布，提高了壓印品質(zhì)。 第七章，為了驗(yàn)證自行設(shè)計的微熱壓裝備的性能，進(jìn)行了溫度、壓力及真空度控制精度的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明熱壓裝備能較好的滿足設(shè)計要求。選擇兩種典型的微結(jié)構(gòu)，微流控芯片及液晶導(dǎo)光板進(jìn)行了壓印實(shí)驗(yàn)研究，分析了各個工藝參數(shù)對成型后質(zhì)量的影響。通過分析微流控芯片尺寸誤差，得出在低溫下壓印所產(chǎn)生的回彈是微流道尺寸誤差的主要原因。采用正交表分析了導(dǎo)光板熱壓時工藝參數(shù)對壓印質(zhì)量的影響，獲