基于微米级非晶合金模具镶件制备微流控芯片及其脱模过程研究

发布时间：2020-06-19 17:10

【摘要】：非晶合金,又名金属玻璃,相较于普通合金材料,不仅具有更优异的物理和机械性能,还能够在其过冷液相区精确成型微米级结构,因此具有广阔的应用前景。微机电系统(MEMS)领域的快速发展对精密微模具提出了更高的要求,即能够可靠且大批量地制备具有微-纳结构的微组件,因此以非晶合金作为制备微模具的新材料成为一种解决方案。本文致力于解决非晶合金作为微模具在实际应用中所面临的问题,深入研究了非晶合金在注射成型中作为模具镶件的可行性,以及热压成型中其脱模特性的研究。具体开展了以下几方面的研究工作:通过铜模吸铸法制备出Vit-1(Zr_(41.2)Ti1_(3.8)Cu_(12.5)Ni_(10)Be_(22.5))块体非晶合金(BMG),经过切割、连续抛光和热压成型等工艺制备得到非晶合金微模具镶件。然后将其装配于微注塑模具动模板上,选择合适的工艺参数,注射成型得到聚合物基微流控芯片。一系列的表征和测试结果表明,注射成型得到的微流控芯片较好地复制了微模具镶件上的微结构特征,且微流控芯片的密封性和功能性测试均表现良好,非晶合金相较于传统的电铸镍材料具有更高的硬度。本文的研究结果表明以非晶合金作为微模具镶件是可行的,且相较与目前常用的模具镶件材料具有更好的性能。注射成型和热压成型工艺是大批量制备聚合物基微器件的两种方法,两者对模具的性能有着相似的要求。然而在实际的冷却脱模过程中,聚合物制品上的微结构有一定的损坏概率,会发生变形、撕裂甚至破坏等现象。针对这种现象,本文进行了基于非晶合金微模具的脱模性能研究。研究了PMMA与非晶合金微模具之间的表面黏附性能,实验结果表明,两者之间的黏附力在温度为100℃时达到最大,然后随着温度的降低而降低,当温度低于60℃时,黏附性几近消失。接着通过正交实验优化脱模过程中的各个工艺参数,结果表明:在脱模温度为60℃,热压压力为400N,分离速度为1mm/min,脱模方式为掀开式的工艺条件下,测得的脱模功最小,也即表明聚合物制品的表面微结构在该条件下破坏的概率最小。在脱模性能试验研究的基础上,基于其内在机理提出了一个综合考虑摩擦、黏附和形变作用的理论模型。从该模型中我们可以得到,聚合物制品微结构侧在不同温度下的受力情况,温度越低也即温差越大,微结构的侧壁受力越大。微结构所在位置距对称中心越远,其受到的侧壁力越大。脱模功在脱模温度为60℃时数值最小,其中在脱模温度低于60℃时,脱模功随着脱模温度的降低而近似线性增加;而在高于60℃时,随着脱模温度的上升表现出先上升后缓降的趋势,与试验结果吻合得很好。基于Abaqus软件对脱模过程进行数值模拟,利用Python语言对后处理结果进行提取并得到可视化图表,研究工艺变量和结构变量在不同时间点下对脱模性能的影响方式,并根据数值模拟结果探究最佳的脱模条件。结果表明,脱模温度和脱模角对脱模性能影响最大,较高的脱模温度即60-70℃、0°的脱模角、较低的微结构密度以及合适的结构深宽比最有利于完成成功的脱模。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN492
【图文】：

微流控芯片,来源,图片,小型机械

1 绪论题研究背景及意义年来，随着生物科学、生命科学、信息通讯技术的发展，需要越小型机械[1]。微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，M迅速发展，这些微型和小型机械不仅在尺寸精度上要求严格，要精度，更重要的是要求组成的零件具有较高的力学性能、耐磨性微流控芯片是微器件的一个重要组成部分，其具有将化学、医学、反应、分离、检测等的功能，如图 1.1 所示，而这一系列的操在一块微米级的芯片上，并能够自动完成整个分析过程[2]。

热压成型,压力,周期,热塑性材料

1 绪论典型的热压成型过程及压力与时间分布如图 1.3 和图 1.4 所示。热压法多的优点，比如：高通量、与大多数热塑性材料良好的兼容性、较低的启等。由于热压成型生产过程中聚合物材料的流动速度很低，且加工压力小时间长，因此材料的内应力比较低，适合用于制作高深宽比的光学器件

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