微米級金屬玻璃模具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞性能.pdf

1、近些年來，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）領(lǐng)域得到了快速發(fā)展，在對結(jié)構(gòu)件精度提出更高要求的基礎(chǔ)上，精密微模具的加工成為了關(guān)鍵的問題?，F(xiàn)有的微模具加工方法均存在一定局限性。尋找一種成本低的加工方法制作出強(qiáng)度高、精度高的微模具具有十分重要的工程意義。金屬玻璃，不僅具有優(yōu)異的強(qiáng)度、硬度、耐磨損等力學(xué)性能，當(dāng)溫度升高至其過冷液相區(qū)時，又可以像高分子材料一樣成型各種復(fù)雜的圖形。由于缺少了傳統(tǒng)晶態(tài)金屬內(nèi)部晶界結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的限制，對金屬玻璃進(jìn)行微熱壓印成型實(shí)驗(yàn)，可

2、以在原子級別上精確復(fù)制模具上的結(jié)構(gòu)化圖案。降低溫度，金屬玻璃既可以保持這些被復(fù)制上的圖案，又可以恢復(fù)原有優(yōu)異的力學(xué)、物理以及化學(xué)性能。大部分金屬玻璃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度都高于常用工程高分子材料的熔融溫度，這使得金屬玻璃可以作為模具應(yīng)用于微成形領(lǐng)域。本文主要針對微米級金屬玻璃模具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞性能，開展以下幾方面研究：
　?。?）對 Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5（Vitreloy1，簡稱 Vit-1）大塊金屬

3、玻璃進(jìn)行切割，制備出不同尺寸的塊狀金屬玻璃樣品。利用自行設(shè)計的拋光裝置拋光圓片狀樣品。通過原子力顯微鏡對拋光后的樣品表面進(jìn)行粗糙度測定。X射線衍射驗(yàn)證切割拋光后的金屬玻璃樣品仍然處于非晶狀態(tài)。利用DSC測定出該金屬玻璃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度及過冷液相區(qū)，為后續(xù)熱壓實(shí)驗(yàn)溫度的設(shè)定提供參考。利用 ICP體硅加工工藝，獲得表面具有特定微結(jié)構(gòu)的硅模具。對圓片狀金屬玻璃樣品進(jìn)行微熱壓印成型實(shí)驗(yàn)，獲得單軸靜態(tài)壓縮和壓-壓疲勞實(shí)驗(yàn)所需微圓柱樣品，通過掃描電

4、子顯微鏡和激光共聚焦顯微鏡對微圓柱形貌進(jìn)行表征。
　?。?）取一部分微圓柱樣品進(jìn)行退火處理。利用X射線衍射對退火前后的樣品進(jìn)行表征，并進(jìn)行單軸靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，比較微圓柱樣品退火前后的力學(xué)性能。利用掃描電子顯微鏡對靜態(tài)壓縮失效的樣品進(jìn)行形貌表征并分析其靜態(tài)壓縮斷裂失效機(jī)理。
　?。?）利用疲勞試驗(yàn)機(jī)分別對退火前后的微圓柱樣品進(jìn)行單軸壓-壓疲勞實(shí)驗(yàn)。取107次循環(huán)壽命為無限壽命。將實(shí)驗(yàn)獲得的應(yīng)力-壽命數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合得到S-N曲線，比較

5、退火前后樣品的壓-壓疲勞性能。通過掃描電子顯微鏡對失效樣品的整體及斷裂表面形貌進(jìn)行觀測，并分析樣品在循環(huán)載荷作用下失效的機(jī)理。
　?。?）利用拋光機(jī)對不同尺寸的大塊金屬玻璃板材進(jìn)行金相拋光，通過微熱壓印成型實(shí)驗(yàn)復(fù)制硅模具上不同形狀的微流控芯片圖形。在得到的金屬玻璃微模具上利用熱壓成型工藝加工PMMA微流控芯片成品。再利用有限元模擬軟件COMSOL，以實(shí)驗(yàn)獲得的疲勞壽命 S-N曲線作為失效判據(jù)，預(yù)測微模具結(jié)晶前后在高分子材料熱壓成型