聚合物微纳结构超声波压印产热机理与成形关键问题研究

聚合物微纳结构的高效、高精度成形是聚合物MEMS制造的关键问题，已有方法在制作效率和复制精度方面尚存在很大的局限性。超声波压印基于局部快速加热，可实现微纳结构的快速成形，相关研究虽刚刚起步，但具有良好的研究与应用前景。拟基于摩擦和粘弹性产热方式，从微观角度对聚合物超声波压印过程中的产热机理进行研究，以微纳体积聚合物熔体质量流动不充分和压印气穴问题为切入口，对超声波微纳压印过程中的产热机理、质量流动规律及气穴生成机理等关键科学问题进行研究，建立聚合物微熔体在微纳结构成形过程的质量流动模型，形成基于导流结构的超声波压印微纳结构的设计流程和方法，结合水汽、超声空化、聚合物局部过热以及弱边界层效应研究气穴的产生及抑制方法。通过对上述超声波微纳压印过程中关键问题的研究，揭示超声波微纳压印的成形机理，从而提高微纳结构的成形质量及复制精度，促进聚合物MEMS技术的研究和应用。

聚合物微器件在生化分析、环境保护和能源领域具有广阔的应用前景，但是其制作技术是制约其推广应用的瓶颈问题。本项目针对聚合物MEMS器件中结构的快速、高精度成形技术，基于超声波作用下聚合物与模具界面间的局部快速产热，开展了聚合物超声波压印成形技术研究，实现了微结构的高效复制。首先研究了超声波压印成形机理，基于测温实验和有限元仿真，获得了各工艺参数对成形结果的影响规律。为了提高成形的可控性，提出了两种超声波成形方法：热辅助和粘弹热触发超声波成形方法。针对聚合物熔体质量流动不充分，基于在模具上制作辅助增压结构实现微结构的均匀复制；针对超声压印工艺中气穴现象进行了研究，根据其产生位置，结合超声理论，得出其产生的根本原因为超声空化作用，并提出相应的抑制方法。通过对上述超声波压印关键问题研究，揭示了超声波压印成形机理，实现了微纳结构的单面和双面复制以及微流控芯片的结构成形，成形周期小于60s，复制率优于97%。综上，作为一种新的聚合物微纳结构成形方法，超声波压印具有高效和高精度优势，并适用于大部分的热塑性聚合物材料，因具有潜在的商业化制造前景。