表面润湿性可逆调控的软刻蚀微纳成形与缺陷控制

In soft lithography, the integrity, quality and feature size of ceramic micro/nano components are determined by surface wettability. However, the different surface wettabilities are required during molding, drying and demolding. Reversible surface wettability and defects controlling are key scientific issues in soft lithography of micro/nano components. In this project, the effects of surface wettability on the filling, drying, and demolding behaviors at the micro/nano scales are studied. The influences of surface wettability on the flow resistance, substrate constraint during drying, and interfacial adhesion during demolding are analyzed. The defects forming mechanism of the micro/nano components is explored. By grafting stimuli-responsive polymer films on the mold surface, the mechanisms of the reversible wettability in soft lithography are studied. Effective methods for solving surface wettability problems and defects controlling are proposed. The results can provide theoretical and technological supports for reliable mass production and wide application of ceramic micro/nano components using soft lithography.

软刻蚀成形中的注模、干燥和脱模过程对表面润湿性提出了不同要求，单一表面润湿性严重影响陶瓷微纳器件的完整性、可靠性和特征尺寸极限，因此，亲疏水性可逆调控和缺陷控制是软刻蚀微纳成形技术中的关键科学问题。本项目通过研究微纳尺度下表面润湿性对陶瓷浆料流动注模、干燥和脱模行为的作用规律，揭示润湿性对浆料的流动阻力、干燥基底约束和脱模界面粘着的影响机制，探索限域空间内微纳器件缺陷产生的内在机理。通过在模具表面上构筑智能响应性薄膜，研究软刻蚀微纳成形中的亲疏水性的可逆转化调控机理，提出解决表面润湿问题和控制器件缺陷的有效方法。本项目实施取得的创新性成果，可以为陶瓷微纳器件的可靠、批量化成形和广泛应用提供理论基础与技术支撑。

本项目制备了多种表面润湿性可控的聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具，研究了陶瓷软刻蚀成形过程中的亲疏水性可逆调控和缺陷控制等关键科学问题，主要工作与结果如下：（1）通过表面引发原子转移自由基聚合法制备了表面湿度响应性的PDMS@甲基丙烯酸3-磺酸丙酯钾盐（PSPMK）模具。在注模阶段，模具表面的PSPMK聚合物薄膜发生水化形成水化层，有利于水基浆料在模具微型腔中的流动填充。随后在水基浆料的干燥过程中，模具表面的聚合物薄膜逐渐去水化，聚合物刷呈现收缩的构象，利于生坯的脱模，该模具可重复使用十次。（2）通过可见光引发聚合制备了湿度敏感的PDMS-Br@聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAAm）模具。在注模阶段，PNIPAAm链与浆料中的水分子形成分子间氢键，使得PDMS-Br@PNIPAAm模具表面由疏水性变为亲水性，提高了水基浆料在模具微型腔内的流动填充。经过干燥之后PDMS-Br@PNIPAAm模具表面变为疏水性，有利于生坯的脱模。用固相含量为75 wt%的水基氧化铝浆料制备了深宽比为3.6的微结构生坯，其使用寿命为13次。（3）通过自组装技术制备了表面疏水性的PDMS@四乙氧基硅烷/十八烷基三氯硅烷（TEOS/OTS）模具。TEOS/OTS双层薄膜表面有纳米团簇，粘着力很小。使用固相含量70 wt.%的乙醇基氧化铝浆料可制备出最大深宽比为3.0的微结构生坯，而且该模具的使用寿命高达34次。（4）通过溶胶-凝胶和自组装技术制备了PDMS@OTS/SiO2模具。OTS和SiO2纳米颗粒不仅能提高模具的表面疏水性，还可以降低其粘着力。用固相含量为70 wt.%的乙醇基氧化铝浆料可制备出最大深宽比为2.7的微结构生坯，该模具可重复使用21次。（5）研究了水基氧化铝浆料在PDMS模具内的受限干燥行为。当水基浆料在强亲水的基底上干燥时，PDMS模具几乎不能释放浆料内产生的毛细管应力，但当水基浆料在弱亲水的基底或者疏水的基底上干燥时，PDMS模具可通过弹性变形有效地释放浆料内的毛细管应力，厚壁的PDMS模具能更多地减少裂纹数量，然而也会导致更加严重的咖啡环效应，增加坯体的非均匀性。