微米級金屬玻璃模具結構強度及疲勞性能.pdf

1、近些年來，微機電系統(tǒng)（MEMS）領域得到了快速發(fā)展，在對結構件精度提出更高要求的基礎上，精密微模具的加工成為了關鍵的問題?，F(xiàn)有的微模具加工方法均存在一定局限性。尋找一種成本低的加工方法制作出強度高、精度高的微模具具有十分重要的工程意義。金屬玻璃，不僅具有優(yōu)異的強度、硬度、耐磨損等力學性能，當溫度升高至其過冷液相區(qū)時，又可以像高分子材料一樣成型各種復雜的圖形。由于缺少了傳統(tǒng)晶態(tài)金屬內(nèi)部晶界結構特點的限制，對金屬玻璃進行微熱壓印成型實驗，可

2、以在原子級別上精確復制模具上的結構化圖案。降低溫度，金屬玻璃既可以保持這些被復制上的圖案，又可以恢復原有優(yōu)異的力學、物理以及化學性能。大部分金屬玻璃的玻璃化轉變溫度都高于常用工程高分子材料的熔融溫度，這使得金屬玻璃可以作為模具應用于微成形領域。本文主要針對微米級金屬玻璃模具結構強度及疲勞性能，開展以下幾方面研究：
　　（1）對 Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5（Vitreloy1，簡稱 Vit-1）大塊金屬

3、玻璃進行切割，制備出不同尺寸的塊狀金屬玻璃樣品。利用自行設計的拋光裝置拋光圓片狀樣品。通過原子力顯微鏡對拋光后的樣品表面進行粗糙度測定。X射線衍射驗證切割拋光后的金屬玻璃樣品仍然處于非晶狀態(tài)。利用DSC測定出該金屬玻璃的玻璃化轉變溫度及過冷液相區(qū)，為后續(xù)熱壓實驗溫度的設定提供參考。利用 ICP體硅加工工藝，獲得表面具有特定微結構的硅模具。對圓片狀金屬玻璃樣品進行微熱壓印成型實驗，獲得單軸靜態(tài)壓縮和壓-壓疲勞實驗所需微圓柱樣品，通過掃描電

4、子顯微鏡和激光共聚焦顯微鏡對微圓柱形貌進行表征。
　　（2）取一部分微圓柱樣品進行退火處理。利用X射線衍射對退火前后的樣品進行表征，并進行單軸靜態(tài)壓縮實驗，比較微圓柱樣品退火前后的力學性能。利用掃描電子顯微鏡對靜態(tài)壓縮失效的樣品進行形貌表征并分析其靜態(tài)壓縮斷裂失效機理。
　　（3）利用疲勞試驗機分別對退火前后的微圓柱樣品進行單軸壓-壓疲勞實驗。取107次循環(huán)壽命為無限壽命。將實驗獲得的應力-壽命數(shù)據(jù)點擬合得到S-N曲線，比較

5、退火前后樣品的壓-壓疲勞性能。通過掃描電子顯微鏡對失效樣品的整體及斷裂表面形貌進行觀測，并分析樣品在循環(huán)載荷作用下失效的機理。
　?。?）利用拋光機對不同尺寸的大塊金屬玻璃板材進行金相拋光，通過微熱壓印成型實驗復制硅模具上不同形狀的微流控芯片圖形。在得到的金屬玻璃微模具上利用熱壓成型工藝加工PMMA微流控芯片成品。再利用有限元模擬軟件COMSOL，以實驗獲得的疲勞壽命 S-N曲線作為失效判據(jù)，預測微模具結晶前后在高分子材料熱壓成型