基于电解液在PDMS自扩散机制的金属3D微结构阵列制造方法研究

Metal 3D microstructure array is of significant importance in such as aerospace, weapon, semiconductor, biomedicals, adaptive optics, wireless and automotive. However, current micro/nano fabrication methods have the general difficulties for achieving a comprehensive design optimization, in account of resolution, batch cost and process controllability. This research project is therefore proposed to raise a novel metal deposition method, through combining the self – diffusion of electrolyte in PDMS and the electrodeposition, for implementing additive manufacturing of micro/nano 3D structures. The coupling impacts from electrolyte concentrations and ion species, PDMS crosslinking, electrical field and contact deformation on the self – diffusion behaviors will be investigated, for understanding the method of controlling the layer thickness during metal deposition. The further mergence with micro-contact printing technique offers the access to additively manufacturing microstructure array. Microscopic characterization methods will be also developed for prompting the understanding of metal deposition mechanism and performance. The project opens a new technical routine for studying additive manufacturing of metal microstructures.

金属3D微结构阵列在包括航空航天、武器装备、半导体电子、生物医疗、自适应光学、无线通讯和汽车等领域发挥重要作用。目前存在的微纳米加工方式，较难从分辨度(纳米级别)、批量成本、过程可控性方面实现综合设计与优化。该项目提出基于电解液在PDMS(Polydimethylsiloxane：聚二甲基硅氧烷)的自扩散机制，与电沉积技术结合来制备具有纳米层厚分辨率的金属逐层堆积。通过研究电解液浓度/类别、PDMS交联、电场强度、接触变形等参数与自扩散行为的耦合关系，掌握自扩散与电场驱动下的超薄金属沉积层厚的控制方法。而进一步与微接触印刷技术结合，实现金属3D微结构阵列的增材制造。通过发展相关微纳表征手段，完善对于该新方法下的金属沉积机制与性能理解。该项目将为研究金属微结构增材制造提供新的技术途径。

金属3D微结构阵列在包括航空航天、武器装备、半导体电子、生物医疗、自适应光学、无线通讯和汽车等领域发挥重要作用。目前存在的微纳米加工方式，较难从分辨度、批量成本、过程可控性方面实现综合设计与优化。..通过项目实施，创建了基于弹性体纳米孔结构自扩散的高精密沉积技术，对自扩散过程中PDMS载液腔扩散层微结构的力学性能和尺寸精度进行表征测量，揭示了自扩散过程对其结构稳定性和图案精度的影响。通过调控PDMS交联程度，研究多级孔成形方式，获取局部未交联分子产生的局部微纳分子间隙以及微纳孔隙的成形，探索了硅橡胶薄膜改性处理方法对自扩散效果的调控能力。验证了金属离子在PDMS纳米孔隙中自扩散的能力，研究电解液、PDMS交联、接触变形等参数与自扩散行为的耦合关系，通过电场力驱动对金属沉积过程的沉积速度和取向性进行控制，揭示了电场力驱动下金属沉积的机理。研究了基于PDMS弹性体界面调控与交联固化为基础的多维制造能力，研究表征自扩散能力、金属沉积分布的微纳表征方法，发展了自扩散与电场驱动下的超薄金属沉积层厚以及纳米特征尺寸结构成型（~100nm）的控制方法，实现金属3D微结构阵列的增材制造。进一步，发展了基于多物理场固化的自扩散模组直接成形方法，通过开展基于PDMS润湿界面调控与多材料沉积的增材制造技术，实现了PDMS材料作为后续可设计沉积模组的快速制造，推进实用化及拓展技术的应用。..通过项目实施，在本领域有重要影响的国内外学术期刊累计发表高质量论文15篇；在金属基微纳结构制造、多材料表界面调控与3D微结构制造授权发明专利2项。该项目将为研究金属微结构增材制造提供新的技术途径，相关成果可以顺利推广到比如扩散–反应微纳米技术、微纳米流体、双相介质、微纳米接触力学、表面控制技术等科研问题的研究。