面向生物芯片应用的非晶合金模具的精密复制

摘要

微流控芯片是生物芯片中最受关注的一类,在生物医学中有着广泛的应用。在微流控芯片的制备技术中,高分子聚合物是最合适的基片材料,其制备过程一般采用热压印、模塑及注塑成形方法将阳模的微结构复制到聚合物基片上。目前所采用的阳模如电铸镍模、硅模、SU-8模及阳极氧化铝模等存在生产耗时长、材质易碎、使用寿命低等诸多问题。而非晶合金的优异力学性能,化学性能及过冷液态区的超塑性,使其不仅具有高强度、高硬度、良好的耐腐蚀、耐磨性,且具有优异的成形性能。将其作为高分子聚合物成形阳模,将能解决现有模具存在的诸多问题。
　　本研究瞄准生物芯片应用市场,首先设计出具有微流槽结构的微型模尺寸图,然后加工掩膜版,并利用在硅表面干法蚀刻出阴母模。采用铜模吸铸法制得Zr35Ti30Be26.75Cu8.25块体非晶合金,并进行热力学及结构表征。采用热压成形的方法在370℃、1×10-3s-1条件下热压成形Zr35Ti30Be26.75Cu8.25非晶合金,获得结构完整的非晶合金微流槽模具。采用SEM对非晶合金与硅模的界面进行微观分析,发现没有任何明显间隙存在。采用DEFORD-3D软件对热压成形过程进行模拟。并采利用Hagen-Poiseuille理论进行计算。获得与实验结果一致的理论结果:在此热压成形条件下,较低的成形应力就可以实现非晶合金微流槽模具的精密复制。
　　考虑到温度和应变速率是影响非晶合金热压成形时材料的流动特性的主要因素。本文接下来研究了Zr35Ti30Be26.75Cu8.25块体非晶合金在不同温度和应变速率下单轴压缩变形行为,结果发现,在一定温度下,随着应变速率的增加,Zr35Ti30Be26.75Cu8.25非晶合金的流动特性出现了由牛顿流变非牛顿流变的转变。在相同的温度和应变速率下,本研究对Zr35Ti30Be26.75Cu8.25非晶合金进行热压成形,采用SEM对成形后微流槽模具的完整性和成形高度进行分析,获得非晶合金的流动特性与成形能力之间的关系。并采用DEFORD-3D软件对不同流动特性下的热压成形进行模拟,得到与实验一致的结果:非晶合金在牛顿流变状态下具有较好的微成形能力,但非牛顿流变不利于成形。
　　考虑到模具尺寸增大将可能对热压成形工艺及成形件质量造成影响。本文最后对大尺寸微阵列模具分别在常规热压、热压成形时保压和增加夹具对材料流动进行约束三种条件下的成形能力进行了研究。结果发现:增加边框约束并进行保压时,可以成形出结构完整的微阵列模具。

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1 绪 论

1.1 生物芯片概述

1.2 非晶合金热塑性微成形的国内外动态分析

1.3 本文的主要研究内容

2 生物芯片的结构设计、硅模加工及样品制备

2.1 生物芯片微结构的设计

2.2 硅模加工

2.3 非晶合金样品制备

3 非晶合金微流槽模具的精密复制

3.1 引言

3.2实验方法

3.3 结果及讨论

Si

Si

3.4本章小结

4 微成形过程中材料的流动特征与成形能力研究

4.1 引言

4.2 实验方法

4.3 结果及讨论

4.4 本章小结

5 大尺寸非晶合金阵列模具的热压印成形

5.1 实验方法

5.2 保压对非晶合金阵列模具热压印成形的影响

5.3夹具对非晶合金阵列模具热压印成形的影响

5.4 尚存问题及可能解决办法

6 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表的论文和专利