基于硅模具的非晶合金三维微纳结构可控制备研究

现代科学技术发展，微型化趋势日益加剧，高性能复杂三维微纳结构在众多领域的应用需求越来越大，对材料和加工制备提出了更高的要求。非晶合金作为具有优异性能的一种新材料，其成形加工是当前的研究热点。本项目提出一种集成光刻、刻蚀、硅片减薄、对准、多层硅片直接键合技术来制备三维微纳尺度的硅模具，再利用此模具结合超塑性成形和热键合技术制备非晶合金三维微纳结构的复合加工方法。同时，针对微纳尺度下非晶合金的超塑性成形特性和规律开展研究，探索工艺因素、尺度效应、摩擦、浸润等对成形过程和成形质量的影响机制，结合有限元方法和分子动力学分析进行建模仿真，以掌握成形质量控制方法，提高成形极限，最终开发一种大批量、低成本、高柔性的非晶合金复杂三维微纳结构成形方法，为推动我国非晶合金的理论研究和广泛应用提供科学理论和技术基础。

本项目针对非晶合金微纳结构的可控制备研究，通过理论、仿真和试验相结合，搭建了非晶合金负压吸铸工艺实验平台，研究了基于硅模具的非晶合金超塑性成形热力学参数/变形特性的影响，包括退火温度、加热速率、孕育时间、变形特性等对成形工艺的影响，并对其超塑性成形过程进行了仿真研究，还采用分子动力学仿真研究了纳米压入过程，最后成功制备了成形良好的非晶合金微小齿轮，采用纳米压痕方法研究了该微小零件的微观力学性能；研究了基于负压吸铸的非晶合金微小零件成形研究，包括负压吸铸成形仿真、非晶合金吸铸应力仿真分析、非晶合金负压吸铸成形等，成功制备出单层、多层非晶合金微小零件；开展了非晶合金激光焊、扩散焊的仿真和试验研究，实现了非晶合金之间、非晶合金与铝、铜等的焊接，得到了质量良好的多层非晶合金/铝/铜焊接接头，提出了焊接结晶预测模型并得到了验证。相关研究工作共发表SCI论文21篇，申请国家发明专利14项，其中授权7项，为非晶合金的理论研究、微纳结构制备和广泛应用奠定了良好的基础。