PSP复合技术制备Sialon陶瓷微型零件的尺寸精度控制研究

This project is set out to tackle the problems in the precision control of PSP the technology which combines the UV Photolithography, Soft Lithography and powder metallurgy techniques for the fabrication of Sialon ceramic micro components. Experiments and simulation will be combined to explore the effects of processing parameters on the cross-linking degree of SU-8 photoresist and the mechanism of the cross-linking, revealing the relation between cross-linking degree and the dimensional accuracy of the SU-8 master mould; Optimized composite design will be proposed to replace the current polydimethylsiloxane(PDMS) soft mould.Polytetrafluoroethylene (PTFE) nanoparticles will be introduced and the effects of the PTFE content on the strength of the PDMS will be investigated. The correlation between PTFE-PDMS composites and replica accuracy will be revealed; Pressureless sintering experiments will be designed to study the densification mechanism of Sialon ceramics and the relation between the densification and dimensional accuracy of Sialon ceramic micro component. Through this project the theoretical system of the PSP technology for the fabrication of micro component with tunable dimensional accuracy will be established and important experimental and theoretical foundation will be provided for the net shape micro-forming technology.

针对将紫外光刻、软刻与粉末冶金技术相结合的新型微成形复合技术（PSP）存在的零件尺寸精度控制困难的问题，本课题拟以制备高性能赛隆陶瓷（Sailon）微型零件为导向，围绕PSP技术中对影响零件尺寸精度控制的模具、材料和烧结这三个关键因素开展研究工作。利用实验与模拟相结合的方法，通过工艺设计研究外界条件对SU-8光刻胶交联程度的影响规律及其交联聚合可控机制，揭示交联程度与SU-8主模具尺寸精度的关联性；提出能替代聚二甲基硅氧烷（PDMS）软模具材料的优化复合设计，引入聚四氟乙烯纳米颗粒(PTFE)，研究PTFE对PDMS的强化机制及PTFE-PDMS复合材料作为软模具的复制精度；设计无压烧结实验，研究Sailon陶瓷微型零件致密化机理及其对零件尺寸精度的影响机制。通过本项目的研究，建立PSP技术制备尺寸精度可控的微型零件的理论体系，为微型零件近净成形技术的发展提供重要的理论和实验基础。

微机械电子系统自20世纪80年代后期崛起以来发展迅速，被认为是继微电子后又一个对国民经济和军事具有重大影响的技术领域。本项目针对将紫外光刻、软刻与粉末冶金技术相结合的新型微成形复合技术（PSP）存在的零件尺寸精度控制困难的问题，研究了UV-LIGA阶段SU-8光刻胶交联控制过程及高精度主模具的制备过程；研究了PDMS软模具的强化设计及其软模具的制备过程；研究了粉末冶金阶段无压烧结Sialon陶瓷微型零件致密化机理。通过本项目的实施，获得了较好的光刻工艺（前烘温度65℃，前烘时间3h，曝光时间选择20min，显影时间20min，后烘温度65℃，后烘时间5min），成功制备了特征尺寸为70微米，高度近1mm的SU-8微型主模具；利用PDMS成功复制了主模具的特征；以3°/s的升温速度在600°进行保温排除粘接剂，在1750°的温度下用氮化硅粉掩埋烧结24小时成功制备了相对密度超过92%的Sailon陶瓷微型齿轮。本项目所涉及到对SU-8光刻胶的交联机理和的认识对电子工业领域里高深宽比微纳结构的制造具有重要的科学指导意义；对Sialon 陶瓷烧结机制的认识能够为性能优越的陶瓷零件的制备奠定重要的理论基础。通过本项目的研究建立了PSP技术尺寸精度可控的微型零件制备理论体系，为微型零件近净成形技术的发展提供重要的理论和实验基础，该技术在精密机械领域具有良好的应用前景。