超高深宽比微结构零件聚合反应注射成型技术及其演变过程原位研究

针对超高深宽比（>30）微零件(<1mm)低成本大批量制造的工业需求及现有微注射成型技术制造高深宽比微结构的技术局限，采用基于光电声原位在线监测的实验方法，深入研究基于超低粘度快速原位聚合固化材料的微注射成型方法，阐明提高超低粘度材料聚合固化速度的方法及其所受影响因素；在分子动力学与微观组织层面，揭示微尺度效应对新材料流变行为及相变固化行为的影响作用规律；同时，通过研究微结构零件表面与模壁表面黏附力及模具结构间挤压力的形成过程和建立描述脱模参数与微零件变形相互关系的数学模型，提出最优化可控性无损伤超高深宽比微结构脱模机制；并通过实验设计分析方法，基于微纳力学测试和材料微观组织表征技术手段，揭示微结构零件宏观表现性能与其相关微观形态的相互关联机理，从而建立能够预测超高深宽比微结构零件机械性能与成型精度的数学模型。最终为超高深宽比微结构零件的大批量快速制造的实现奠定材料设备工艺与科学理论基础。

针对超高深宽比微结构零件的低成本大批量制造的工业背景需求及现有微注射成型技术制造高深宽比微结构时的技术局限，采用在线监测的实验方法，深入研究基于超低粘度快速原位聚合固化材料的微注射成型方法，理解新方法中的材料，模具设计制备，产品性能控制表征等相关关键问题，从而为超高深宽比微结构的快速规模制造提供工艺理论基础及工艺原形，最终实现超高深宽比微结构件的低成本大批量制造。..项目通过甄选优化，开发出了可以在UV辐照条件下，快速固化且黏度低的液体硅胶材料。该硅胶材料基于已商业化的Momentive UV光固化硅胶产品，通过加入优化的铂基交联催化剂，使其光固化时间由原来的5分钟，缩短到30秒，通过调节铂基催化剂的配比，光固化时间及所需光强均可以相应调节，相关配方及工艺方法，将注册发明专利，且可实现产业化；同时，基于此新型低黏度UV光固化硅胶，项目组设计制造了真空辅助UV固化微注射成型装置，通过超短UV光蚀刻及优化反应离子蚀刻技术，制备了纳米级的高深宽比结构的硅片模芯，并通过此自制实验装置，实现了纳米级高深宽比结构的快速成型制造；基于对传统微注射成型工艺因为材料冷却固化过快而难于成型高深宽比微结构的深刻理解，项目组创新的设计了基于上述硅片模芯加工技术的精确微型腔加热结构，使得等同高深宽比的大流长比的微结构能够采用传统的工程塑料快速成型加工；项目组在项目执行过程中，对高深宽比微结构模芯的制造技术及工艺，额外作了卓有成效的研究，利用项目负责人在德国及国内的合作伙伴，特别探索了单点金刚石车削技术的微纳加工工艺，设计制备了集合不同深宽比微结构的模芯，并通过此模芯结合上述的成型装置，额外检验了磁性功能塑料基及硅胶基复合材料的高深宽比微结构复制性能；通过研究不同高深宽比微结构（微结构垂直于成型材料流动方向； 微结构与成型材料流动方向同向），及不同成型材料（弹性材料-硅胶基材料； 刚性材料-工程塑料）的脱模形态；项目采用自行设计开发制造的UV微注射装置及传统微注射工艺，对不同微纳高深宽比结构（1.纳米点阵, 2.纳米光栅，3.变深宽比微几何结构集合）进行了工艺优化与制备。实验结果表明， 微结构成型的优化工艺与微结构本身密切相关，同时与材料及成型工艺本身也密切相关，并没有统一规律可循。但对同一成型工艺，工艺参数对微结构的成型质量呈现相同的影响趋势。