金属玻璃微构件热压成型中纳米晶化调控及成型基础研究

This project focuses on how to control the quality and characteristic of micro metallic glass (MG) pattern that manufactured by hot embossing process. Precision manufacturing of functional surface structure based on the MG implant material is selected as the application object. In order to carry out the project successfully, the research work will be dividedinto several parts as follows. Firstly, the local large strain in the process of hot embossing MG will be modeled, and the difference behavior in hot embossing between the MG and amorphous polymers is expected to be described from the aspects of molecular conformation. Secondly, the phenomenon of partially crystallizing that induced by shear stress and temperature will be researched, the development rule of crystal nucleus in the MG is researched, and the method to adjust and control the nano-crystalline content in MG micro pattern will be explored. Thirdly, the flowing characteristics in hot embossing MG will be studied when the mould topology and the mould size changed. Fourthly, the process of hot embossing MG in quasi-closed mouldwill be optimized. Lastly, serial experiments of manufacturing the MG surface functional structure for enhancing bio-compatibility will be performed to verify the above research. This research can provide fundamental mechanism guidance for the manufacturing of MG micro pattern. The research results of this project can promote the wildly use of MG mciro/nano structures in the biology, medicine，micro bio-sensor, micro fuel cell and has a wide application prospect in the field of MEMS, life and energy .

以金属玻璃基生物植入材料表面功能结构的精密制造作为应用对象，研究金属玻璃微结构热压成型制造过程中的控形控性问题。具体研究内容包括(1)金属玻璃微热压成形过程中大应变行为建模，期望从分子构象角度解释金属玻璃热压成型与无定形聚合物热压成型的异同；(2)成形过程中温度及剪切力诱导作用下金属玻璃局部晶化现象及晶核发展规律，探索热压成型时金属玻璃微构件内的纳米晶体组份可调可控的方法；(3)微模具拓扑结构变化及构件尺寸变化时的金属玻璃热压成型流动特性；(4)准封闭模腔下金属玻璃微结构的成形优化工艺；(5)金属玻璃基生物兼容性表面功能结构的精确成形制造实验。 本项目的研究将为金属玻璃微构件的加工提供基础及机理指导。本项目研究成果对于促 进金属玻璃微纳结构在生物、医疗、微生化传感器、微型燃料电池等技术中的广泛应用有重 要的学术价值和应用价值，在 MEMS、生命、能源等领域将具有广阔的应用前景。

以金属玻璃基生物植入材料表面功能结构的精密制造作为应用对象，研究金属玻璃微结构热压成型制造过程中的控形控性问题。具体研究进展包括①建立了金属玻璃热压成型中的热-力耦合大应变模型。其温度依赖性主要体现在对于玻璃态转换温度的敏感性特点上，而其玻璃态转化温度会随着材料成分不同而有变化，并表现为应变率依赖性的特征。构建了融合弹簧和粘壶两种单元，综合考虑曼德尔应力，柯西应力，背应力，有效应力等影响的热-力耦合模型。②提出低压力热压成型新概念。由于微热压中剪切力对成型后微结构的性能具有较大影响，为了降低微热压成型中的剪切对金属玻璃微构件性能的影响，设计了新型的低压力微热压成型装置，用以控制晶化的速度。进行了系列的微热压正交实验，探究了低压力下热压成型过程规律。研究结果显示，低压力下微热压成型时，压力对流动过程的影响与现有文献报道结果有较大不同，压力不再对成型质量起到决定性影响，压印温度是最重要的影响变量。③对微热压成型过程进行了流动特性及脱模过程研究，结果显示目前的微热压工艺中由于压印力一直保持，易导致应力耦合效应，加剧成型中的应力集中及最终的脱模缺陷。④课题组提出了一种原创的跨尺度微结构制造方法，Flash Foam Stamp Lithography (FFSL),将日常生活中常用的光敏印章引入微制造领域，通过多次复合曝光可实现不同尺度微结构的嵌套加工，适合于功能微结构的快速制造，可作为软刻蚀及微浇注等工艺的复制模板。该方法的特点是可直接制造热压所需要的模具，避免了昂贵的光刻工艺的使用。⑤采用热压成型工艺制备了金属玻璃的表面功能结构，实现了亚微米级超疏水结构的制造，最高可实现接触角达138.2±1.4°的超疏水结构。拓扑学结构对于细胞的生物学行为有很大的影响，对金属玻璃构建植入物的性能也有较大影响，系统的探讨了以热压成型的方式在金属玻璃表面构建功能结构，并评估其对细胞粘附的影响。本项目研究成果对于促 进金属玻璃微纳结构在生物、医疗、微生化传感器、微型燃料电池等技术中的广泛应用有重要的学术价值和应用价值，在 MEMS、生命、能源等领域将具有广阔的应用前景。