| 基于PDMS微模具表面性能调控的陶瓷软刻蚀成形 | |
| Alternative Title | 无 |
| 李敏 | |
| Thesis Advisor | 孟军虎 |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 理学博士 |
| Degree Discipline | 物理化学 |
| Keyword | 陶瓷微器件 软刻蚀 微模具 PDMS表面改性 Ceramic microcomponents Soft lithography Micromolds PDMS surface modification |
| Abstract | 陶瓷材料具有优异的高温力学性能、化学稳定性和生物相容性等，广泛应用于消费类电子、生物医疗和航空航天等领域。然而，陶瓷具有高硬度和脆性等特点，使其难以进行微加工。软刻蚀成形技术具有成本低和净成形等优点，是制备复杂形状陶瓷微器件的可行技术。针对陶瓷软刻蚀成形过程中高固相水基浆料在聚二甲基硅氧烷（PDMS）微模具内流动性差、生坯与模具间易粘着而断裂以及模具容易发生磨损等问题，本论文通过掺杂微/纳颗粒、接枝刺激响应性薄膜、溶胶-凝胶和自组装技术等对PDMS微模具进行表面改性，设计和制备了适用于水基陶瓷浆料的表面润湿性可调节的模具和适用于乙醇基陶瓷浆料的耐磨损的模具，研究了PDMS微模具表面改性对浆料的注模行为、生坯的脱模行为和模具的使用寿命等的影响，阐明了其注模和脱模机理，制备了具有高深宽比的无缺陷氧化铝微器件，为陶瓷微器件的批量化生产和应用提供了一定技术支撑。本文的主要研究内容和结果如下： 1. 通过在PDMS中掺杂油酸（OA）改性的TiO2纳米颗粒，制备了润湿性可调节的PDMS-TiO2@OA微模具。经过UV辐照后，TiO2@OA在光催化作用下生成Ti-OH，使得微模具由疏水性变为亲水性，促进了水基氧化铝浆料在模具内的流动性。随着浆料中水分的不断挥发，Ti-OH中的-OH逐渐被空气中的O2取代而恢复原有的结构。PDMS-TiO2@OA微模具经过彻底干燥之后变成疏水性有利于生坯的脱模。最终用固相含量为75 wt%的水基氧化铝浆料制备了微结构宽度为96.4 ± 0.5 µm、最大深宽比为2.7的无缺陷氧化铝微器件生坏，但是PDMS-TiO2@OA微模具重复使用3次之后失效，其使用寿命有待提高。 2. 通过可见光引发聚合在PDMS表面接枝了温度响应性聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAAm），制备了湿度敏感的PDMS-Br@PNIPAAm微模具。在注模阶段PNIPAAm与水基氧化铝浆料中的水分子形成分子间氢键，使得PDMS-Br@PNIPAAm微模具由疏水性变为亲水性。将模具冷藏处理加速了其润湿性的转变，提高了水基氧化铝浆料在模具内的流动性。PDMS-Br@PNIPAAm微模具经过彻底干燥之后变为疏水性，有利于脱模过程中生坯的剥离。最终用固相含量为75 wt%的水基氧化铝浆料制备了微结构宽度为73.7 ± 0.8 µm、最大深宽比为3.6的无缺陷氧化铝微器件生坯，而且PDMS-Br@PNIPAAm微模具可以重复使用13次以上并保持高保真性，其使用寿命得到提高。 3. 通过自组装技术在Si基底制备了疏水性四乙氧基硅烷/十八烷基三氯硅烷（TEOS/OTS）双层薄膜，并考察了该薄膜用于改性PDMS微模具以提高脱膜效果和使用寿命的可行性。与OTS自组装薄膜相比，TEOS/OTS双层薄膜表面有纳米团簇，减少了接触面积，降低了其粘着力。由于双层薄膜结构更稳固，而且OTS转移到对偶起到润滑作用，使其具有优异的摩擦学性能。采用表面组装TEOS/OTS双层薄膜的PDMS微模具，用固相含量为70 wt.%的乙醇基氧化铝浆料制备了微结构宽度为92.4 ± 0.5 µm、最大深宽比为3.0的无缺陷氧化铝微器件生坯，而且PDMS@TEOS/OTS微模具可以重复使用34次以上，其使用寿命得到大幅度提高。 4. 为了提高微模具的抗磨损能力，通过溶胶-凝胶和自组装技术在Si基底制备了疏水性OTS/SiO2复合薄膜，并考察了该薄膜用于改性PDMS微模具以提高脱膜效果和使用寿命的可行性。OTS和SiO2纳米颗粒复合提高了薄膜的表面疏水性，降低了其粘着力。由于OTS作为转移膜可以降低剪切力，而且SiO2纳米颗粒在磨损区域起到修复作用，使其具有优异的抗磨损性能。采用表面组装OTS/SiO2复合薄膜的PDMS微模具，用固相含量为70 wt%的乙醇基氧化铝浆料制备了微结构宽度为93.6 ± 0.5 µm、最大深宽比为2.7的无缺陷氧化铝微器件生坯，而且PDMS@OTS/SiO2微模具重复使用21次之后仍然可以复制陶瓷微器件并保持高保真性。 |
| Other Abstract | 无 |
| Subject Area | 不填 |
| MOST Discipline Catalogue | 允许多值(多值间使用英文分号分隔) |
| Table of Contents | 不填 |
| DOI | 不填 |
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| Citation statistics | |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/26404 |
| Collection | 羰基合成与选择氧化国家重点实验室（OSSO） |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 李敏. 基于PDMS微模具表面性能调控的陶瓷软刻蚀成形[D]. 北京. 中国科学院大学. |
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