聚合物类固态微热压印过程中本构关系的研究

摘要

目前，微纳光学器件、流体器件、微反应器、微散热器等功能器件，以及超疏水材料、抗光反射材料、导电/导热复合材料等功能材料在生物医学，汽车制造，信息通讯等众多领域已有越来越多的应用。微热压印方法作为典型的聚合物微纳制造技术之一，是推动“中国制造2025”创新发展，持续进步的源泉与动力。在聚合物微纳制造快速发展的背景下，在类固态等温热压印方法缩短热压印周期的研究基础上，本文以实验、模拟与理论分析相结合的研究方法，针对类固态微压印过程中存在的一系列复杂本构关系等机理性的基础科学问题，通过纳米压痕实验、蠕变实验、应力松弛实验，微结构热压印实验，建立本构模型，松弛模型，以及DEFORM、ABAQUS有限元模拟等研究手段，探究类固态微压印充模、保压、脱模不同阶段的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料的本构关系，应力松弛特性对微结构制品复制精度的影响规律。
　　通过PMMA类固态热压温区的纳米压痕实验结果，建立一阶单指数本构模型，以表征类固态温度区的应力应变关系。并将其用于DEFORM模拟软件材料属性的确定，进行了类固态微纳压印充模过程的数值模拟，进而合理优化压印工艺参数。
　　使用自行搭建的拉压蠕变松弛仪进行PMMA类固态温区的蠕变实验，从广义开尔文模型、标准线性体模型、三元件修正模型中筛选出非线性拟合程度高的三元件修正模型得到蠕变柔量表达式。另外，对V形槽结构制品和微透镜结构制品进行了常温蠕变实验，表明常温蠕变很缓慢，在足够长的时间内对压印成型微结构的几何特征和光学性能无显著影响。
　　根据应力松弛实验和蠕变规律，建立应力松弛理论模型，实现了蠕变柔量和松弛模量之间的转化。通过不同温度和保压时间条件下V槽和半球阵列微结构类固态微热压印实验，验证了应力松弛三元件修正模型对聚合物微热压印保压时间选取的适用性和指导意义。基于应力松弛实验数据，构建Prony黏弹本构模型，进行ABAQUS纳米压痕仿真，建立起应力松弛与纳米压痕的内在联系并分析其对微纳压印的参考价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和研究意义

1．1．1 课题研究背景

1．1．2 课题研究意义

1．2 聚合物微热压印技术研究概况

1．2．1 聚合物微热压印技术基本原理

1．2．2 聚合物微热压印技术研究进展

1．3 聚合物微热压印机理研究概况

1．3．1 聚合物微热压印机理研究进展

1．3．2 聚合物类固态等温微热压印方法原理分析

1．3．3 聚合物类固态等温微热压印方法应用领域

1．4 论文的主要研究内容

第二章 基于纳米压痕的类固态微热压印充模过程本构关系研究

2．1 前言

2．2 纳米压痕技术

2．2．1 纳米压痕技术概况

2．2．2 经典压痕理论和分析方法

2．2．3 压痕应力应变的测量计算

2．3 PMMA在不同温度下的纳米压痕实验

2．3．1 实验条件

2．3．2 实验过程

2．3．3 实验结果分析

2．4 PMMA充模过程中本构模型的建立

2．4．1 聚合物常用的几种典型本构模型

2．4．2 一阶指数模型的建立

2．5 基于DEFORM软件对类固态微压印充模过程的模拟

2．5．1 DEFORM软件介绍

2．5．2 材料定义与建模

2．5．3 模拟结果分析

2．6 本章小结

第三章 不同温度下PMMA蠕变特性的研究

3．1 前言

3．2 蠕变行为理论分析

3．2．1 高分子材料蠕变性能影响因素

3．2．2 高分子材料典型蠕变曲线

3．2．3 高分子材料蠕变模型

3．3 PMMA类固态温度区单轴压缩蠕变实验

3．3．1 实验条件

3．3．2 实验过程

3．3．3 实验结果分析

3．4 PMMA类固态温度区蠕变本构方程的建立

3．4．1 广义的kelvin黏弹性模型拟合蠕变曲线

3．4．2 标准线性体模型拟合蠕变曲线

3．4．3 三元件修正模型拟合蠕变曲线

3．5 V槽与半球阵列微结构常温蠕变实验

3．5．1 V槽与半球阵列微结构制件的制备

3．5．2 两制品的常温蠕变实验

3．5．3 实验结果分析

3．6 本章小结

第四章 类固态PMMA应力松弛特性及微结构热压印实验

4．1 前言

4．2 聚合物应力松弛行为理论分析

4．3 聚合物应力松弛的研究现状

4．4 PMMA单轴压缩应力松弛实验

4．4．1 实验条件

4．4．2 实验过程

4．4．3 实验结果分析

4．4．4 应力松弛三元件修正模型的建立

4．5 PMMA在类固态温度区微结构热压印实验

4．5．1 实验条件

4．5．2 实验过程

4．5．3 实验结果分析

4．6 基于ABAQUS纳米压痕过程模拟

4．6．1 有限元软件介绍

4．6．2 PMMA黏弹性模型

4．6．3 纳米压痕有限元模型的建立

4．6．4 仿真结果与实验结果对比

4．7 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

创新点摘要

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介