中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心知识库

金属微型零件具有优异的机械性能和热、电、磁、光等功能特性，在航空、航天、生物医疗和微机电系统等领域拥有巨大的应用前景。在诸多微成形技术中，微电铸技术因具有复制精度和重复精度高、材料适用范围广、成本低、可制备纳米晶材料和可成形复杂形状微结构等优点，成为当前制造金属微型零件的关键技术之一。高精度、良好表面质量的芯模是微电铸可靠成形金属微型零件的前提条件。当前的微电铸芯模通常由光刻技术制备的光刻胶微结构粘附在导电基板上构成，其制备工艺繁琐、制作周期长、使用寿命短、成本高昂，制约了微电铸技术的广泛应用，新型微电铸芯模的短流程、低成本制备成为微电铸技术发展的关键。 软刻蚀技术是利用弹性聚合物材料复制和转移原始模板微结构的一系列微成形技术，具有工艺简单，成本低，可精确复制复杂形状微结构等优点。聚二甲基硅氧烷（PDMS）是软刻蚀技术中最常用的弹性聚合物材料，因此，本论文采用软刻蚀技术制备的PDMS芯模代替当前的光刻胶结构芯模，以镍基微型零件的微电铸成形为例，研究PDMS芯模特性对微型零件形核与生长、铸层生长方式、铸层微观组织、微结构完整性、尺寸精度、机械性能和磁性能的影响，得到的主要结论如下： 1. 使用硅微流道作为模板，以PDMS微流道芯模的软刻蚀制备为例，提出通过提高PDMS芯模固化后的冷却速率，以减小PDMS芯模和微模板间界面粘着，制备高深宽比PDMS微结构芯模的新方法。通过考察冷却速率对PDMS芯模表面形貌、杨氏模量和界面粘着力的影响，发现界面粘着降低的原因有二：一是由于PDMS芯模和微模板间的热膨胀系数失配，通过快速冷却工艺在PDMS芯模表面可以制备出褶皱使得界面真实接触面积减少；二是在快速冷却过程中，由于PDMS芯模中非晶态玻璃的形成和交联密度增加，提高了PDMS芯模的杨氏模量。根据JKR接触理论模型和粘着数理论，增大PDMS芯模的表面褶皱振幅和杨氏模量可增大二者界面间的分离力，从而降低界面粘着力，减少了脱模过程对PDMS芯模微结构的损坏，成功制备出微流道深度为200 μm，深宽比高达10的PDMS微流道芯模。 2. 为解决当前光刻胶结构芯模制备工艺复杂且仅限于单次使用的问题，提出一种基于PDMS芯模的微电铸技术：首先，在高深宽比的PDMS芯模表面化学接枝聚多巴胺（PDA）薄膜；其次，利用PDA对银离子的还原作用，在芯模表面制备纳米颗粒银层；再次，微电铸成形金属微型零件；最后，脱模得到独立的金属微型零件。在脱模过程中，由于镍微型零件和纳米银层间的强界面粘着，导致PDMS芯模表面的银层被剥离，进而粘附在镍微型零件表面，粘附在镍微型零件表面的银层可通过在氨水中浸泡无损去除。PDMS芯模表面受损的银层可利用PDA的还原作用，通过化学镀进行再修复，实现了芯模的重复使用。由于表面化学镀银的PDMS芯模具有优异的导电性，使得微电铸在较高的过电位下进行，镍原子在芯模表面的形核方式符合Scharifker-Hills三维瞬时形核模型，可制备出晶粒细小的铸层，降低镍微型零件的表面粗糙度。 3. 由于微电铸过程中PDMS芯模微型腔中液相传质受限和电流密度分布不均，采用表面化学镀银的PDMS芯模仅能成功制备出最小横向特征尺寸为80 μm，最大深宽比为2.5的镍微型零件。因芯模微型腔中的液相传质行为与芯模表面润湿性密切相关，本文采用紫外光照对表面化学镀银的PDMS芯模进行超亲水性改性，使用超亲水的PDMS芯模微电铸成形镍微型零件。根据Bulter-Volmer方程，使用COMSOL有限元分析软件对铸层的生长过程进行仿真模拟，结果表明：超亲水的PDMS芯模微型腔中具有更均匀的镍离子浓度分布、过电位分布和电流密度分布，可有效增强微电铸过程中的液相传质，及时补充芯模表面消耗的金属离子，减少微电铸过程中的失铸缺陷。采用超亲水的PDMS芯模可成功制备出最小横向特征尺寸为20 μm，最大深宽比高达10的镍微型零件，显著提高了微电铸的成形能力，实验结果与模拟结果相吻合。 4. 针对表面化学镀银PDMS芯模微型腔中电流密度分布不均，提出了一种基于PDMS/Ag弹性导电复合材料芯模的微电铸技术。采用微米银颗粒作为导电填料，通过超声分散将银颗粒均匀分散在PDMS基体中，使用软刻蚀技术制备“三明治”结构的PDMS/Ag弹性导电复合材料芯模。在微电铸过程中，“三明治”结构可调控芯模表面的电力线分布，可微电铸制备独立的镍微型零件，适用于微图案和三维微型零件的微电铸成形。使用COMSOL有限元分析软件对铸层的生长过程进行仿真模拟，结果表明：芯模表面银颗粒的电力线相互叠加，可避免电流密度的边缘集中效应，制备出深宽比为5的镍微型零件。在脱模过程中，由于PDMS/Ag芯模具有良好的弹性和低表面能，减少了界面粘着对芯模微结构的损坏，有利于微型零件的脱模，实现了芯模的重复使用。然而，由于银颗粒和镍铸层间强的界面结合力，导致芯模表层少量Ag颗粒被从PDMS基体中拔出，PDMS/Ag芯模的表面导电性逐渐变差。当PDMS/Ag芯模被重复使用8次后，芯模表面的Ag颗粒含量降低到渗流阈值以下，芯模表面的导电通路被破坏，其导电性无法再满足微电铸的要求。 5. 对当前两种常用的微成形技术—微电铸和微浇注进行系统的对比研究，考察微成形技术对Ni75Fe25合金微型零件的微观组织、尺寸精度、显微硬度、饱和磁化强度和矫顽力的影响。结果表明：相比于微浇注技术制备的微米晶Ni75Fe25合金微型零件，微电铸技术可制备纳米晶的Ni75Fe25合金微型零件。因而，通过微电铸技术可制备具有更高成形精度、更小表面粗糙度、更大显微硬度和更高饱和磁化强度的Ni75Fe25合金微型零件，通过微浇注技术可制备具有更高致密度和更低矫顽力的Ni75Fe25合金微型零件。

无