類固態(tài)聚合物等溫微納熱壓印成型機(jī)理的研究.pdf

1、微納制造是在微納米尺度上進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工和制造，以獲取一系列功能性材料和器件，從而滿足生物醫(yī)學(xué)、微電子、微光學(xué)、智能系統(tǒng)等高端前沿領(lǐng)域的具體需求。制造業(yè)尤其是微納結(jié)構(gòu)器件所屬的高端精密制造業(yè)水平的高低已成為一個(gè)國家綜合實(shí)力的直接體現(xiàn)，在國家的公共事業(yè)和國防安全領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。其中，聚合物微納結(jié)構(gòu)器件的制備是當(dāng)前微納制造方向的前端領(lǐng)域。本博士課題聚焦聚合物跨微納尺度的創(chuàng)新加工方法，從傳統(tǒng)熱壓印加工方法出發(fā)，分析其優(yōu)劣的同時(shí)提出改進(jìn)方

2、案，并對其中遇到的新問題、建立的新模型、內(nèi)在的新機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。
　　熱壓印加工方法最早由美國普林斯頓大學(xué)Chou S.Y.研究團(tuán)隊(duì)于1995年提出并成功制備出納米結(jié)構(gòu)陣列。盡管該方法具有方法簡單、復(fù)制精度高等優(yōu)點(diǎn)，但至今未得到大規(guī)模推廣應(yīng)用。究其原因，在于傳統(tǒng)熱壓印方法沒有擺脫“高溫成型，低溫脫?！钡墓に囁枷?，加工過程中需要對模具進(jìn)行周期性加熱冷卻，致使加工效率低下（周期長達(dá)15分鐘以上），與常用的注塑和擠出等加工方法相

3、比不具有比較優(yōu)勢。為解決這一難題，國內(nèi)外研究人員進(jìn)行了諸多探索，開發(fā)出了諸如“超聲波輔助加熱”、“石墨烯涂覆快變模溫”等新方法以提高加工效率。然而，目前的新方法均著眼于模具溫度的快速升降，在加工過程中多存在較大難度和設(shè)備依賴性，沒有從根本上解決加工效率低的問題。
　　在前人研究的基礎(chǔ)上，本課題另辟蹊徑，突破“高溫成型，低溫脫?！钡睦砟?，基于對聚合物材料的流變行為、本構(gòu)關(guān)系和應(yīng)力松弛特性的綜合考量，跳出原有熱壓印加工窗口，提出了一種

4、新的快速熱壓印方法:類固態(tài)聚合物等溫微納熱壓?。↖sothermal Hot Embossing in Solid-like State/IHESS）方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性，成功將成型周期縮短至20秒左右。等溫是指模具在整個(gè)熱壓印周期保持恒溫，壓印溫度就是脫模溫度;類固態(tài)是指被壓印聚合物處于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg以上，結(jié)晶熔點(diǎn)Tm(或粘流溫度Tf)以下的非流動(dòng)狀態(tài)。本課題基于以上內(nèi)容，對IHESS方法及其內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的深入研究

5、。研究成果如下:
　　1.分別建立類固態(tài)熱壓印過程無定型聚合物和結(jié)晶型聚合物的唯象學(xué)理論模型，得到材料在類固態(tài)下的本構(gòu)關(guān)系;建立了等溫?zé)釅河〕淠：投ㄐ瓦^程的數(shù)學(xué)模型，得到了適用于不同類型聚合物表面微納米結(jié)構(gòu)成型的熱壓印工藝。
　　2.研究聚合物在快速、小應(yīng)變微納壓印條件下材料的內(nèi)應(yīng)力對壓印應(yīng)力的響應(yīng)特性，應(yīng)力松弛隨時(shí)間和基片溫度的變化規(guī)律，以及保壓過程和脫模冷卻過程中應(yīng)力松弛對微納結(jié)構(gòu)復(fù)制精度的影響規(guī)律。提出等溫?zé)釅河≈萍?/p>

6、余應(yīng)力的控制準(zhǔn)則及提高微納結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的工藝原理和方法，得到了基于應(yīng)力松弛和蠕變的微納壓印結(jié)構(gòu)幾何穩(wěn)定性分析模型。
　　3.在方法創(chuàng)新的同時(shí)，為了完善對IHESS方法成型過程的認(rèn)識(shí)，本課題基于實(shí)際工藝條件，分別開展了宏觀模擬和分子動(dòng)力學(xué)模擬。對類固態(tài)下聚合物的成型過程以及成型過程中聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的演變機(jī)制和規(guī)律等基礎(chǔ)科學(xué)問題進(jìn)行了深入探討。
　　4.在等溫?zé)釅河》椒ǖ幕A(chǔ)上，進(jìn)一步提出了差溫?zé)釅河》椒ǎ蒙舷履＞卟顪赝貙捔藷釅河?/p>