类固态聚合物等温微纳热压印成型机理的研究
微纳制造是在微纳米尺度上进行产品设计、加工和制造，以获取一系列功能性材料和器件，从而满足生物医学、微电子、微光学、智能系统等高端前沿领域的具体需求。制造业尤其是微纳结构器件所属的高端精密制造业水平的高低已成为一个国家综合实力的直接体现，在国家的公共事业和国防安全领域发挥着重要作用。其中，聚合物微纳结构器件的制备是当前微纳制造方向的前端领域。本博士课题聚焦聚合物跨微纳尺度的创新加工方法，从传统热压印加工方法出发，分析其优劣的同时提出改进方案，并对其中遇到的新问题、建立的新模型、内在的新机理进行系统深入的研究。 热压印加工方法最早由美国普林斯顿大学Chou S.Y.研究团队于1995年提出并成功制备出纳米结构阵列。尽管该方法具有方法简单、复制精度高等优点，但至今未得到大规模推广应用。究其原因，在于传统热压印方法没有摆脱“高温成型，低温脱模”的工艺思想，加工过程中需要对模具进行周期性加热冷却，致使加工效率低下（周期长达15分钟以上），与常用的注塑和挤出等加工方法相比不具有比较优势。为解决这一难题，国内外研究人员进行了诸多探索，开发出了诸如“超声波辅助加热”、“石墨烯涂覆快变模温”等新方法以提高加工效率。然而，目前的新方法均着眼于模具温度的快速升降，在加工过程中多存在较大难度和设备依赖性，没有从根本上解决加工效率低的问题。 在前人研究的基础上，本课题另辟蹊径，突破“高温成型，低温脱模”的理念，基于对聚合物材料的流变行为、本构关系和应力松弛特性的综合考量，跳出原有热压印加工窗口，提出了一种新的快速热压印方法:类固态聚合物等温微纳热压印（Isothermal Hot Embossing in Solid-like State/IHESS）方法，并通过实验验证了其可行性，成功将成型周期缩短至20秒左右。等温是指模具在整个热压印周期保持恒温，压印温度就是脱模温度;类固态是指被压印聚合物处于玻璃化转变温度Tg以上，结晶熔点Tm(或粘流温度Tf)以下的非流动状态。本课题基于以上内容，对IHESS方法及其内在机理进行了系统的深入研究。研究成果如下: 1.分别建立类固态热压印过程无定型聚合物和结晶型聚合物的唯象学理论模型，得到材料在类固态下的本构关系;建立了等温热压印充模和定型过程的数学模型，得到了适用于不同类型聚合物表面微纳米结构成型的热压印工艺。 2.研究聚合物在快速、小应变微纳压印条件下材料的内应力对压印应力的响应特性，应力松弛随时间和基片温度的变化规律，以及保压过程和脱模冷却过程中应力松弛对微纳结构复制精度的影响规律。提出等温热压印制件残余应力的控制准则及提高微纳结构稳定性的工艺原理和方法，得到了基于应力松弛和蠕变的微纳压印结构几何稳定性分析模型。 3.在方法创新的同时，为了完善对IHESS方法成型过程的认识，本课题基于实际工艺条件，分别开展了宏观模拟和分子动力学模拟。对类固态下聚合物的成型过程以及成型过程中聚集态结构的演变机制和规律等基础科学问题进行了深入探讨。 4.在等温热压印方法的基础上，进一步提出了差温热压印方法，利用上下模具差温拓宽了热压印加工方法的加工温区和适用范围，并可利用不同微纳结构最优成型工艺的差别，实现双面微纳结构制品的高效制备。 5.利用IHESS方法，完成了聚合物-金属复合微结构散热器、微流控芯片、柔性传感器等典型微纳结构功能器件的制备。 本研究提出了类固态等温热压印方法，采用恒温工艺替代变温工艺，破解了热压印方法成型周期长这一最大瓶颈。该方法操作简单，有望成为跨微纳米尺度聚合物功能制件的主流成型方法之一。
类固态聚合物;微纳制造;等温热压印;工艺流程
北京化工大学
博士
机械设计及理论
吴大鸣
2018
中文
TQ316
162
2018-09-10（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）