【摘要】：非晶合金,又名金屬玻璃,相較于普通合金材料,不僅具有更優(yōu)異的物理和機械性能,還能夠在其過冷液相區(qū)精確成型微米級結構,因此具有廣闊的應用前景。微機電系統(tǒng)(MEMS)領域的快速發(fā)展對精密微模具提出了更高的要求,即能夠可靠且大批量地制備具有微-納結構的微組件,因此以非晶合金作為制備微模具的新材料成為一種解決方案。本文致力于解決非晶合金作為微模具在實際應用中所面臨的問題,深入研究了非晶合金在注射成型中作為模具鑲件的可行性,以及熱壓成型中其脫模特性的研究。具體開展了以下幾方面的研究工作:通過銅模吸鑄法制備出Vit-1(Zr_(41.2)Ti1_(3.8)Cu_(12.5)Ni_(10)Be_(22.5))塊體非晶合金(BMG),經(jīng)過切割、連續(xù)拋光和熱壓成型等工藝制備得到非晶合金微模具鑲件。然后將其裝配于微注塑模具動模板上,選擇合適的工藝參數(shù),注射成型得到聚合物基微流控芯片。一系列的表征和測試結果表明,注射成型得到的微流控芯片較好地復制了微模具鑲件上的微結構特征,且微流控芯片的密封性和功能性測試均表現(xiàn)良好,非晶合金相較于傳統(tǒng)的電鑄鎳材料具有更高的硬度。本文的研究結果表明以非晶合金作為微模具鑲件是可行的,且相較與目前常用的模具鑲件材料具有更好的性能。注射成型和熱壓成型工藝是大批量制備聚合物基微器件的兩種方法,兩者對模具的性能有著相似的要求。然而在實際的冷卻脫模過程中,聚合物制品上的微結構有一定的損壞概率,會發(fā)生變形、撕裂甚至破壞等現(xiàn)象。針對這種現(xiàn)象,本文進行了基于非晶合金微模具的脫模性能研究。研究了PMMA與非晶合金微模具之間的表面黏附性能,實驗結果表明,兩者之間的黏附力在溫度為100℃時達到最大,然后隨著溫度的降低而降低,當溫度低于60℃時,黏附性幾近消失。接著通過正交實驗優(yōu)化脫模過程中的各個工藝參數(shù),結果表明:在脫模溫度為60℃,熱壓壓力為400N,分離速度為1mm/min,脫模方式為掀開式的工藝條件下,測得的脫模功最小,也即表明聚合物制品的表面微結構在該條件下破壞的概率最小。在脫模性能試驗研究的基礎上,基于其內(nèi)在機理提出了一個綜合考慮摩擦、黏附和形變作用的理論模型。從該模型中我們可以得到,聚合物制品微結構側在不同溫度下的受力情況,溫度越低也即溫差越大,微結構的側壁受力越大。微結構所在位置距對稱中心越遠,其受到的側壁力越大。脫模功在脫模溫度為60℃時數(shù)值最小,其中在脫模溫度低于60℃時,脫模功隨著脫模溫度的降低而近似線性增加;而在高于60℃時,隨著脫模溫度的上升表現(xiàn)出先上升后緩降的趨勢,與試驗結果吻合得很好。基于Abaqus軟件對脫模過程進行數(shù)值模擬,利用Python語言對后處理結果進行提取并得到可視化圖表,研究工藝變量和結構變量在不同時間點下對脫模性能的影響方式,并根據(jù)數(shù)值模擬結果探究最佳的脫模條件。結果表明,脫模溫度和脫模角對脫模性能影響最大,較高的脫模溫度即60-70℃、0°的脫模角、較低的微結構密度以及合適的結構深寬比最有利于完成成功的脫模。
【學位授予單位】：鄭州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN492
【圖文】：

1 緒論題研究背景及意義年來，隨著生物科學、生命科學、信息通訊技術的發(fā)展，需要越小型機械[1]。微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Systems，M迅速發(fā)展，這些微型和小型機械不僅在尺寸精度上要求嚴格，要精度，更重要的是要求組成的零件具有較高的力學性能、耐磨性微流控芯片是微器件的一個重要組成部分，其具有將化學、醫(yī)學、反應、分離、檢測等的功能，如圖 1.1 所示，而這一系列的操在一塊微米級的芯片上，并能夠自動完成整個分析過程[2]。

1 緒論典型的熱壓成型過程及壓力與時間分布如圖 1.3 和圖 1.4 所示。熱壓法多的優(yōu)點，比如：高通量、與大多數(shù)熱塑性材料良好的兼容性、較低的啟等。由于熱壓成型生產(chǎn)過程中聚合物材料的流動速度很低，且加工壓力小時間長，因此材料的內(nèi)應力比較低，適合用于制作高深寬比的光學器件

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本文編號：2721094