Zr基非晶合金模具原型制备技术及应用

摘要

利用块体非晶合金在较宽的过冷液相区的超塑性性能进行微米或纳米级成型是当前块体非晶合金应用研究的热点之一。同时块体非晶合金由于其独特的组织结构具有较高的强度、耐磨性和抗腐蚀性,满足可重复批量生产复杂而有精密微细结构塑件的性能要求,是制造精密微模具的理想材料。目前块体非晶合金已应用于微米/纳米级的零件(如微齿轮,微弹簧,IC探针等)、高密度存储装置、相干光学零件、微型模具及微型传感器等微制造领域。因此研究一种面向微流控芯片的热压转印非晶合金模具的新型制造工艺是具有很大的实际意义的。
　　本论文主要工作就是开发出一种块体非晶合金微模具。首先在硅片上刻蚀出微流道阴模,利用非晶合金较宽的过冷液态区易成型特点,通过热压法将其复刻到非晶合金上,从而得到非晶合金精密微模具,再通过热压转印法将非晶合金得到的图案转印在聚合物上,形成聚合物微流道。从而实现聚合物微流道的热压转印成型,并可望形成一套可实现重复应用的热模压工艺。
　　对非晶合金热压成型过程进行仿真模拟,观测非晶合金热压过程的应力应变和材料充型变化,指导实际的热压过程。应力应变主要集中在靠近微流道直角尖端处,成型效果有难易,圆盘结构最易充型,弯型结构和直流道结构次之,长直流道结构和直角流道结构再次之,最后是三叉120°流道结构。
　　研究热压温度、热压速率和热压压力对非晶合金模具制造的影响,确定非晶合金模具制造的合理参数,实现块体Zr48Cu45Al7非晶合金模具制造工艺。热压实验结果显示,参数的不同,成型效果不同,温度470℃、热压压力3600N和热压速率5×10-3mm/min这一组参数实验效果最合理。并列举了成型过程中出现的问题(如非晶表面氧化,部分充型等),结合仿真模拟和实验,分析问题的产生原因和解决方案。
　　研究热压温度、热压速率、热压压力和热压时间对非晶合金模具转印聚合物微流道的影响,确定热压转印工艺的合理参数,实现聚合物微流道热压转印制造工艺。热压转印试验结果显示,参数的不同,成型效果也是不同的,温度145℃、速率1.5×10-2mm/s、时间90s和压力3000N这一组参数实验效果最合理。热压方式2(非晶合金、聚合物和凹模三明治结构)效果更好,热压压力对热压转印工艺的影响最大,温度其次,时间和速率最后。

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1绪论

1.1 课题的目的及意义

1.2热压转印模具制造工艺现状

1.3全文内容安排

2块体Zr48Cu45Al7非晶合金热压成型模拟

2.1块体Zr48Cu45Al7非晶合金热压成型模拟理论

2.2块体Zr48Cu45Al7非晶合金热压成型模拟过程

2.2 网格划分

2.3块体Zr48Cu45Al7非晶合金热压成型模拟结果和分析

2.4本章小结

3 块体Zr48Cu45Al7非晶合金热压成型

3.1块体Zr48Cu45Al7非晶合金材料及成型方法

3.2 块体Zr48Cu45Al7非晶合金的成型设备及参数选取

3.3 块体Zr48Cu45Al7非晶合金的热压实验过程及结果

3.4 合理工艺参数的确定及实验验证

3.5 本章小结

4 聚合物PMMA热压成型

4.1聚合物PMMA材料

4.2聚合物PMMA热压设备及参数选取

4.3聚合物PMMA热压成型因素主次优化分析

4.4聚合物PMMA热压试验因素优化分析

4.5 本章小结

5 全文总结与展望

致谢

参考文献

附录一 攻读硕士期间发表的论文目录