高強寬比微結(jié)構(gòu)熱壓印成型過程的數(shù)值模擬

高強寬比微結(jié)構(gòu)熱壓印成型過程的數(shù)值模擬

0抗粘層、模具溫度及脫色方向誤差對成型質(zhì)量的影響該聚合物的熱壓形成方法是一種低成本低、效率高、操作簡單的微納米結(jié)構(gòu)。它是微納米結(jié)構(gòu)加工的主要技術(shù)。由于聚合物與模具間熱膨脹系數(shù)(Coefficientofthermalexpansion,CTE)的不同,冷卻到脫模溫度時相互之間會出現(xiàn)較大的熱應(yīng)力,同時模具和聚合物之間較大的表面自由能所產(chǎn)生的粘附效應(yīng)加劇了微結(jié)構(gòu)脫模時出現(xiàn)缺陷的風(fēng)險。這使得脫模過程成為決定熱壓印成型質(zhì)量的一個關(guān)鍵階段。目前關(guān)于脫模缺陷的研究主要圍繞著抗粘層的效果與壽命、脫模力的測量等方面展開。GUO等通過在Ni模上附著聚四氟乙烯(Polytetra區(qū)性fluoroethylene,PTFE)的抗粘層以降低模具和聚合物相互作用的表面自由能,試驗結(jié)果表明該方法能夠有效地改善脫模后的表面質(zhì)量。YOSHIHIKO等研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)圖案深寬比小于3時,附著抗粘層可明顯提高壓印成品表面質(zhì)量,但對高深寬比結(jié)構(gòu)而言,抗粘層的效果并不明顯。WORGULL等對脫模應(yīng)力進(jìn)行了模擬并設(shè)計了脫模力測量裝置。高深寬比微結(jié)構(gòu)的加工對脫模條件的要求更為苛刻,微小的脫模方向偏差都可能會損害微結(jié)構(gòu),關(guān)于脫模方向誤差的影響迄今為止尚無相關(guān)報道。本文采用有限元模擬了脫模過程,詳細(xì)分析了抗粘層、脫模溫度及脫模方向誤差對脫模質(zhì)量的影響。為了避免脫模方向誤差設(shè)計了新型的氣動脫模機構(gòu),并通過試驗對其脫模效果進(jìn)行了驗證。1tg模型模擬法聚合物微熱壓成型原理如圖1所示。熱壓印裝置抽取真空后將聚合物基片加熱到Tg(玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度)以上,通過在模具上施加一定的壓力,并保持一定的時間,即可在聚合物基片上壓制出與陽模凹凸互補的微結(jié)構(gòu)。然后在加壓的條件下,將模具和刻有微結(jié)構(gòu)的基片一起冷卻后釋放真空并脫模,即可得到所需的微結(jié)構(gòu)。1.1接觸約束無約束條件的求解脫模過程是一個典型的接觸問題,可描述為求解區(qū)域內(nèi)位移場U,使系統(tǒng)的勢能∏(U)在接觸邊界條件的約束下達(dá)到最小式中U——系統(tǒng)節(jié)點位移矩陣k——系統(tǒng)剛度矩陣G——約束接觸約束算法就是通過對接觸邊界約束條件的適當(dāng)處理,將式(1)所示的約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束優(yōu)化問題求解。根據(jù)無約束優(yōu)化方法的不同,主要可分為罰函數(shù)方法和Lagrange乘子法等。為了便于高效率的數(shù)值計算,通常采用增廣Lagrange乘子法方法進(jìn)行求解。Lagrange乘子法通過引入乘子λ,定義接觸勢能為式(1)的約束最小化問題便可以轉(zhuǎn)化為無約束最小化問題為改進(jìn)迭代效果,增廣Lagrange乘子法通過在修正勢能泛函式(3)中增加一懲罰項式中EP——罰因子將g(U)進(jìn)行一階Taylor展開可得式中g(shù)0——固定約束G——約束對位移的梯度將式(3)、(5)聯(lián)立,可得接觸系統(tǒng)的控制方程為1.2接觸對的模擬為了實現(xiàn)脫模應(yīng)力的模擬,需要首先計算熱—結(jié)構(gòu)耦合所造成的熱應(yīng)力。然后在熱應(yīng)力場的基礎(chǔ)上,施加模具和聚合物間的相對位移約束,以進(jìn)行非線性接觸迭代分析。整個模擬過程的邊界條件如圖2所示,對模具底部施加垂直方向的固定約束,圖2中θ為脫模偏角。在計算熱應(yīng)力時為了降低運算量,對模具和聚合物的左邊界采用對稱邊界條件,為了更接近于脫模前的真實情況,模具及聚合物上已撤消了壓印力,因而其接觸表面可能存在一定的滑移,故而只在聚合物下表面施加y方向約束。為了模擬這一情況采用有限元分析軟件ANSYS中的非線性接觸分析功能,將接觸表面視為一對接觸對。模具由于相對硬度較高作為目標(biāo)面,而聚合物作為接觸面,采用2D面—面接觸單元附著于模具和聚合物的接觸面上。開始脫模時,在y方向?qū)酆衔锸┘右粋€微結(jié)構(gòu)高度的位移?？紤]到手動脫模時其方向不一定和y方向垂直,故對x方向也施加一個位移,該位移大小和脫模方向有關(guān)。為了便于分析參數(shù)變化對脫模力造成的影響,使用ANSYS參數(shù)化語言(ANSYSparametricdesignlanguage,APDL)編寫了模擬用的命令流文件,修改其中的一些參數(shù)后,重新讀入命令流文件即可完成整個分析過程。1.3pmma材料屬性模擬選用Ni作為模具材料,聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate,PMMA)作為基片,在脫模階段可將PMMA視為彈性材料,其材料屬性見下表。根據(jù)ZHANG等的試驗結(jié)果,Ni和PMMA間等效摩擦因數(shù)約為0.4,而在Ni上附著了抗粘層PTFE后其和PMMA間的摩擦因數(shù)約為0.1。在所有模擬中使用的壓印溫度為125℃,微結(jié)構(gòu)高度為60μm,微結(jié)構(gòu)的深寬比為3,聚合物基片厚度為50μm。2自動脫色和動手脫色主要是對比影響脫模應(yīng)力的因素主要有脫模溫度Td、模具與聚合物間的摩擦因數(shù)μ、模具和聚合物間熱膨脹系數(shù)的差值等。而自動脫模和手動脫模主要的區(qū)別在于,手動脫模時其脫模方向容易出現(xiàn)一個角度偏差。為了便于表示脫模應(yīng)力在不同階段的分布,以微結(jié)構(gòu)高度H的1/10作為長度單位,將脫模時模具和聚合物相對位移ΔH表示為該長度單位下量綱一值,即D=10×△H/H。2.1格蘭克氏原螯蝦模具參數(shù)對模具應(yīng)力的影響圖3顯示了不同階段脫模應(yīng)力分布。從圖3中可以看出,微結(jié)構(gòu)底部一直存在應(yīng)力集中。因而該部位是脫模時最容易損傷的位置,通常會造成微結(jié)構(gòu)的頸縮現(xiàn)象。如果脫模應(yīng)力過大以至于超過了聚合物的強度極限,微結(jié)構(gòu)的頸縮現(xiàn)象將會加劇,甚至直接發(fā)生連根拔起。另外在脫模的最后階段微結(jié)構(gòu)有一種要擺脫模具的束縛,收縮回原狀的趨勢,這時微結(jié)構(gòu)的表面容易被刮傷出現(xiàn)摩擦學(xué)中所謂的“犁溝”現(xiàn)象(圖4)。為了比較有無抗粘層對脫模效果的影響,對摩擦因數(shù)對脫模應(yīng)力的影響進(jìn)行了模擬,如圖5所示。圖5中可以看出隨著脫模距離的增大,聚合物受到的脫模應(yīng)力近乎呈線性減小。在脫模開始階段摩擦因數(shù)對脫模應(yīng)力的影響較大,脫模后期摩擦因數(shù)的影響幾乎消失。當(dāng)μ從0.4降低至0.1時,在脫模的初始階段(D=1處)最大脫模應(yīng)力從38.5MPa降至29.5MPa,降幅為23.9%。如果按照庫侖摩擦理論,其應(yīng)力和摩擦因數(shù)成正比,脫模應(yīng)力的降幅應(yīng)達(dá)75%。這種貌似矛盾現(xiàn)象的產(chǎn)生,主要是由于脫模應(yīng)力不僅僅是由模具和聚合物間的摩擦力所造成的,其更大的部分是由于聚合物的收縮被模具抑制所產(chǎn)生的熱應(yīng)力。這一點可以從脫模后期,摩擦因數(shù)的改變幾乎對脫模應(yīng)力沒有影響而得到證實。圖6顯示的是脫模溫度對脫模應(yīng)力的影響,圖6中可以看出脫模溫度的變化對脫模應(yīng)力有著更大的影響,提高脫模溫度可以顯著降低脫模時的應(yīng)力。脫模溫度從室溫(20℃)提高到60℃時,最大脫模應(yīng)力從55.9MPa降至33.1MPa,降幅達(dá)40.8%。理論上脫模溫度越高越有利于降低脫模應(yīng)力,但脫模溫度過高時聚合物容易變形,雖然脫模應(yīng)力降低了,卻更容易形成脫模缺陷。對于玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度約為105℃的PMMA而言,由于其強度極限約為40MPa,故脫模溫度需要控制在40℃以上,通常選擇在50～60℃之間,超過80℃后試驗中便發(fā)現(xiàn)脫模質(zhì)量難以控制。2.2模具角度偏差對微結(jié)構(gòu)傾斜的影響在手動脫模過程中脫模方向很難保證垂直,脫模方向和垂直方向存在5°偏差時,不同階段脫模應(yīng)力分布如圖7所示。從圖7中可以看出5°的偏差使得聚合物應(yīng)力出現(xiàn)大于100MPa的應(yīng)力集中,聚合物將會出現(xiàn)塑性變形,甚至斷裂破壞。在脫模到最后階段(D=8)時,微結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力集中達(dá)到190MPa,出現(xiàn)比較大的傾斜,傾斜容易以塑性變形的形式固定下來,形成微結(jié)構(gòu)傾斜缺陷(圖8)。為了評估脫模方向偏差所造成的危害,對不同角度偏差的脫模情況進(jìn)行了模擬。圖9顯示了脫模傾角變化對脫模應(yīng)力的影響。從圖9中可以看出隨著脫模角度偏差的增大,脫模應(yīng)力急劇增大,其最大應(yīng)力均在微結(jié)構(gòu)傾斜程度最大時出現(xiàn)(D=8)。模擬結(jié)果顯示無論是否存在抗粘層(μ=0.4時無抗粘層,μ=0.1表示使用了PTFE抗粘層),微小脫模方向誤差都會造成巨大的應(yīng)力集中,使得微結(jié)構(gòu)出現(xiàn)傾斜甚至斷裂。因而必須要采取措施確保脫模時不出現(xiàn)方向偏差,以保證脫模質(zhì)量。3設(shè)備和測試3.1致熱/致冷裝置常規(guī)的脫模機構(gòu)(圖10)是將聚合物的兩邊夾住,然后拉住模具往上運動,達(dá)到分離的效果。這種結(jié)構(gòu)由于聚合物材料中心部位缺少約束,易造成脫模時微結(jié)構(gòu)中心凸起,引起翹曲變形,同時中心部位微結(jié)構(gòu)也會由于脫模方向不垂直而引入側(cè)向應(yīng)力。為了降低自動脫模時微結(jié)構(gòu)變形,設(shè)計了一種新型的氣動脫模裝置如圖11所示,其原理就是通過進(jìn)氣口注入氣體(如氮氣),通過氣體的壓力推動聚合物和模具的分離。由于流體的等壓性,可以確保脫模時模具和聚合物受到均勻的壓力,不發(fā)生傳統(tǒng)脫模機構(gòu)中出現(xiàn)的翹曲變形現(xiàn)象。同時氣體分子還可以憑借氣壓作用,滲透到模具和聚合物作用表面,從而有效地降低模具和聚合物間的粘附作用。該裝置還可獨立地作為對脫模后微結(jié)構(gòu)翹曲變形的矯正裝置及微結(jié)構(gòu)脫模后降低表面粗糙度的回火裝置。由于熱壓時升降溫過程頻繁,需要高效的升降溫系統(tǒng),為此我們利用致熱/致冷可由電源正負(fù)切換而相互轉(zhuǎn)換的帕爾帖效應(yīng)自行設(shè)計了基于帕爾帖原理的升降溫系統(tǒng)該系統(tǒng)從20℃升到140℃不超過2min,從140℃降到20℃小于1.5min。采用液壓方式施加壓印力,溫度、真空度及壓印的控制均采用可編程控制器(Programmablelogiccontroller,PLC)實現(xiàn),為了方便設(shè)定各個控制參數(shù),采用個人計算機進(jìn)行人機交互。圖12為自制的熱壓成型裝置。3.2ni模具的制備為了驗證所設(shè)計的脫模裝置的脫模效果,對高深寬比結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱壓試驗研究。模具采用微電鑄法制得的Ni模具,聚合物選用PMMA,采用數(shù)控機床將其切割成30mm×30mm×1mm尺寸的方塊用于壓印及脫模研究。圖13即為采用自動脫模裝置,在te=125℃,pe=3MPa,td=50℃,真空壓強為-0.09MPa的條件下制得的深寬比約為3.3的高質(zhì)量的微結(jié)構(gòu)電鏡掃描圖。4u2004模具過程分析(1)隨著微納米技術(shù)的發(fā)展,熱壓印成型必然會獲得更廣泛的應(yīng)用,也必將對其成型質(zhì)量提出更高的要求。對于高深寬比結(jié)構(gòu)而言,脫模過程對成品質(zhì)量有著決定性影響。(2)采用有限元對熱壓印中的脫模過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了脫模溫度、有無抗粘層及脫模方向誤差對脫模質(zhì)量的影響。對于使