毛细管力在微纳米滚压成型中作用的研究

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微纳米滚压成型技术是一种新型的微纳结构加工技术,通过表面具有微结构的模具进行连续的压印复制,且具有生产设备简单、成本低和效率高等优点。近年来,微纳米加工技术也从最初的集成电路、微型器械领域,延伸到了生物芯片、精密仪器、存储设备和柔性显示器等领域。随着其应用范围越来越广泛,市场需求也随之增加,而传统的微纳加工技术在生产效率、生产成本和加工精度方面的限制,已无法满足市场需求。微纳米滚压成型技术以其独具的优势成了当下微细加工领域的研究热点。非晶体聚合物在微纳米滚压成型加工中,最适合的成型温度为其玻璃化温度以上附近。在该温度下,聚合物材料的力学响应为复杂的粘弹性,其成型机理也相对复杂。因此有必要对玻璃化温度附近,非晶体聚合物的充模机理以及脱模后的回弹变形进行系统而深入的分析。  本文首先从理论方面研究了聚合物流体的充模,基于润滑近似理论和边界无滑移条件,建立了不可压缩流体的二维流动粘性模型。此外,由于加工尺寸小至微纳米量级,材料表面体积比增大,相比于体积力表面力不可忽略。因此在充模理论研究中,考虑了由表面张力引起的毛细管力对充模高度的影响。得到了充模高度的分析解。基于提出的模型,自己开发了 matlab软件,可得到流体充模高度随时间、压力和温度的变化曲线。结果显示,毛细管力对聚合物流体在微纳米模腔中的充模影响不可忽略。  由于非晶体聚合物材料在微纳米滚压成型加工中,常选用的成型温度为其玻璃化温度以上20℃附近。该温度下非晶体聚合物的力学状态常呈粘弹性。本文根据蠕变和应力松弛实验分析了聚合物的粘弹特性。采用广义的Maxwell模型来拟合聚碳酸酯材料在玻璃化温度以上附近的应力松弛实验数据,拟合得到模型的Prony基数参数。又根据时温等效性原理,利用 WLF方程(Williams-Landel-Ferry方程)得到聚碳酸酯的应力应变主曲线。为成型过程的仿真模拟提供材料依据。  应用非线性有限元软件 ABAQUS/Explicit分别对微纳米滚压成型的充模和脱模过程进行仿真研究。结合之前建立的聚碳酸酯粘弹性模型,对比分析了温度、预压紧量和滚子速度对基底材料充模的影响。结果显示在预压紧量一定时,压印温度越高成型所需的力越小;温度和预压紧量一定时,滚动速度增大所需的力也随之增加。然后设计一组正交试验分析了三个工艺参数对压印脱模后成型质量的影响,采用充模高度、成型宽度和复制面积的误差率来作为压印质量的评判依据,得到了一组最优的成型参数。
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