翻译光学眼镜精密模塑的微成型性能Word格式文档下载.docx

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2003年由Elsevier 

B.V出版

关键词：

玻璃;

牛顿粘性流动;

纳米成型;

微机电系统

引言

玻璃精密模具广泛应用于光学、化学-卡尔和其他装置。

近年来，微/纳米成型已被要求制作的微型和纳米机器及微机电系统，如各种光学设备、微量化学反应器或分析仪表。

光刻、化学或离子蚀刻工艺已普遍应用微细加工。

然而，微成形尚未被应用，这是因为材料的工作温度一般都十分高。

精密成型新光学眼镜K-PSK100和K- 

PG375具有低玻璃化转变温度（Tg）和熔融温度（Tm）的特点。

这些特征为选择模具材料和模具制造方法提供一个很广的空间。

玻璃化温度Tg 

P-SK100为663 

K，K-PG375为616 

K。

在本论文中，我们研究在压缩载荷下的宏观和微观变形行为，并通过适合于材料的V形槽冲模的几何转变能力来评估微成形性。

V形槽的宽度为0.1-1mm。

本论文将论证玻璃的微成型性和纳米成型性。

2.宏观变形行为

2.1超塑性成型设备

下面用宏观的圆柱形试样研究形变。

经过机加工,使标本的直径为2毫米,高约4毫米。

图1所示的是一种特别成熟的微成型装置,如模锻法和挤出法的原理图。

标本在一个由PID控制器的小电炉加热到不同的温度，气温由一个RP热电偶测量并反馈到控制器，同时通过A/D转换器记录在电脑。

标本受到一个电磁线性驱动器的压缩负荷。

一个两倍负载的执行器通过杠杆机制应用，如图1所示。

图1微成形装置示意图

用小压式传感器测量载荷，用线性位移传感器（LDVT）测量样品的压缩位移，负荷、应力和温度通过A/D转换器都被记录在电脑。

这些部件组成一个微型工厂，由于它很小，因此可以握在手里或安装在一个小的真空室，从而达到消除夹杂在模具角落里的空气使标本氧化的目的。

2.2Tg以上的牛顿黏滞流动

压缩载荷由计算机控制,并将其施加于圆柱形样品上。

在不同应力下标本应变行为的测量结果如图2所示；

图2.K-PG375玻璃在应力作用下的应变行为

在不同温度下，外加应力σ和应变速率ε的关系如图3所示。

超塑性材料和在过冷液体中的金属玻璃也有类似的现象,这种关系通常可用如下方程表示：

σ=Kεm。

图3.在玻璃化转变温度Tg以上的不同温度光学玻璃（K-PG375）的特征流动曲线

在图3中，每条直线的斜率给出了应变率敏感性指数m=1。

这表明:

这种变形在每个固定温度下是一个完全牛顿型粘性流动,因为外加应力σ和应变速率ε的关系可以通过常用的黏性系数λ的简单方程表示：

σ=λε。

通过图3和图4可以发现：

当变形温度增加时，应变速率也增加。

这就表明常态的黏性系数随温度的增加而呈指数下降λ,如图5所示。

图 

5.光学眼镜K-PG375和K-PSK100的标准粘度。

对于粘性流体，这种关系可通过著名安德雷德方程表达：

λ=AεB/T。

图6阐明了在每个过冷液态温度范围内，La[2]、钯[3]、锆[4]和铂金属眼镜[5]与温度的关系，以及眼镜K-PG375和K─PSK100对温度的依赖关系。

图6.光学玻璃和各种金属眼镜在过冷液态温度范围内的标准粘度。

这些实验结果显示，光学眼镜往往比金属玻璃表现出更强的温度依赖性。

3.微成型和纳米成型

3.1微成形性评价体系

在低应力下，材料在宏观尺度上呈现为一种牛顿粘性流。

为评估几何可转移性，保持凹模材料的一致性是非常重要的，特别是模具凹面转角的附近。

Backofen[6]测定了一个V型槽模具的几何可转移性。

模具口模宽度为从0.1至10mm之间。

在本研究中，我们用（100）硅制成的微型纳米V型槽模具开发了一个评估系统。

模具V型槽口模的宽度为0.1-2.0微米，并有一个基本角度70.6度。

这些模具是由电子束光刻和各向异性刻蚀加工。

评价系统如图7所示：

图7.微/纳米成型的评估系统

样品被加热到玻璃化温度Tg以上的不同温度并受到压缩载荷。

变形后，我们用扫描电子显微镜（SEM）观察变形的样品并用原子力显微镜（AFM）测量其形状，结果如图8所示。

我们通过形状测量的图像处理测量了流动区域面积Af、V型槽区面积Av、以及曲率半径r。

通过这些变形样品的几何分析（如图9所示），我们计算并得到流动区域面积的百分比Rf=Af/Av，曲率ρ=1/r，并以它们作为评价指标。

图8.（100）硅V型槽模具的扫描电镜微照片（a）Wd=0.2微米，（Wd）Wd=0.5

微米及模锻样品的AFM图像（c）Wd=0.2微米，（d）Wd=0.5微米（Wd：

V型槽模的口模宽度）。

在平均应力=10MPa，温度Tw=630K，工作时间=200秒下K-PG375玻璃的模锻

3.2微成型和纳米成型性

图8（a）和（b）所示的是宽度为0.2和0.5微米的微V型槽模具扫描电镜显微照片。

我们利用这些模具进行超塑性微纳米锻造。

图8（e）和（f）是在原子力显微镜下变形样品的几何测量结果一个俯视图（三维视图）。

在每一个变形样品中我们观测到一个非常光滑平整的表面和一个圆头凸表面。

经修整和砂纸打磨抛光，精制样本表面。

在变形样品观测一个非常光滑的表面（粗糙度Ra低于5nm）（图8（c）-（f）），这个表面可通过（100）Si制成的微型模具的表面粗糙度几何转让获得.这个表面粗糙度也和变形前试样表面粗糙度有关。

图9.在不同条件下变形样品头部结构放大图（a）AFM；

（b）Wd=2.0m；

（c）Wd=0.5m；

（d）Wd=0.1m。

图10.AFM下观测的变形样品头部结构放大图。

Wd=0.5m；

tw：

工作时间；

Rf：

流动区域面积的百分比；

ρ：

曲率。

图11.AFM（Wd=0.1m）下观测的变形样品头部结构放大图。

图10和11所示的是变形样品头部结构放大图。

通过原子力显微镜图像处理三维几何数据获得的结构如图8（e）和（f）所示。

在图所示。

如图10和11，尖端半径随工作时间和曲率ρ的增加而减小，如图12所示。

随Wd的减少，系数Rf也减小，如图13所示。

图12.以变形样品头部的曲率r作为作为微成形性评价指标，工作时间Wd的影响。

在平均应力为10MPa、温度Tw=630K条件下的模具锻造。

图13.以流动区域面积的百分比Rf作为作为微成形性评价指标时，工作时间Wd的影响。

如果样品被载入tw=200秒、Tw=630K，在冷却至低于Tg，然后卸载，该指数变为Rf=74％（表示为曲线并标记于图中），Wd=100nm。

图13证明了指数Rf随Wd减少而减少。

而从图9和12可以看到曲率ρ随Wd的减少而增加。

这意味着模具锻造样品头部变得跟激烈。

例如，如果Wd=100纳米，曲率ρ约为2.4×

107的M-1（ρ=1/r，r=41nm）。

这表明了该材料由于其各向同性和纳米尺度的同质性，具有纳米成型性，并且可通过一个纳米尺寸的模具而进行纳米成形。

3.3接触角θc对成形性能的影响

我们对模具接触点附近的变形样品进行了进一步的几何分析。

材料和（111）硅模具表面之间的接触角的测量结果如图14和15所示。

图14.K-PG375玻璃和（111）硅模具表面之间的接触角的测量结果

图15.K-PG375玻璃和（111）硅模具表面之间的平均接触角

平均角度为13.5◦，与模具的宽度的关系如图16所示。

图16.微成型过程中K-PG375玻璃和（111）硅模具表面之间的接触角

在变形标本的尖端，材料与模具表面不接触，所以这是一个自由表面。

自由表面的半径r确定为V型槽壁接触点的切线之间有共同特征的圆的半径。

半径可由模壁接触点的位置和接触角进行几何计算。

Rfth理论值由WD计算，ρth（=1/r），θ1和θc（=0或13.5◦）（图17和18）。

图17.V型槽面积Ag中理论流动面积Afth的计算值。

qc：

接触角;

q1：

V型槽基本角度的半角;

r：

曲率半径。

图18.Rf和ρ之间的实际和理论关系

Rfth和之间的这种关系各种Wd如图18所示，在c=0度为折线及在ç

=13.5度为实线所示。

在图中，RF与的实际关系也可由一条线表示和标记。

WD=0.1米时的Rf与的实际关系几乎和=0度和13.5度是的理论关系和一样，因为我们已经确定了接触角对微、纳米成形性的影响。

然而，对Wd=0.5、1和2米，实验关系却并不符合理论关系。

在相同的RF条件下，实验值比理论值大。

这意味着，该标本样品的半径小，在尖端部分形状尖锐。

试样的顶端是一个自由表面，这是因为半径由内部压力和表面张力共同决定。

尖端详细的几何结构如图19所示，其中样品在Wd=对0.1和0.5米的模具中变形。

变形试样头部的几何结构表明了由于材料和模具表面的摩擦而产生的表面张力的作用，如图19所示。

图19.材料与模具的表面之间摩擦对微成形性能指标的Rf和ρ的影响。

在变形过程中，接触行为影响了微/纳米加工性能，因此，除考虑工作条件材如料特性（粘度和自由表面的表面张力）、模具的几何形状和表面粗糙度外，还应考虑接触角和材料和模具表面之间的摩擦的影响。

4.结论

我们研究了K-PG375和K-PSK100眼镜的宏观和微观变形特征。

这些材料在低应力条件下表现出牛顿粘性流动，在微米和纳米尺度下具有优越成形性能，将对微型纳米装备制造微纳米部件起重大作用。

此外，我们观测到材料与模具的接触行为对其纳米成形特征有影响。

参考文献

[1]A.Inoue,BulkAmorphousAlloys,TransTechPubl.,Ltd.,1998.

[2]Y.Saotome,etal.,Superplasticmicro/nano-formabilityofLa60Al20Ni10Co5Cu5amorphousalloyinsupercooledliquidstate,J.Mater.Sci.Eng.A304–306（2001）716.

[3]Y.Saotome,etal.,SuperplasticnanoformingofPd-basedamorphousalloy,ScriptaMater.44（8–9）（2001）1541.

[4]Y.Saotome,etal.,ThemicroformabilityofZr-basedamorphousal-

loysinthesupercooledliquidstateandtheirapplicationtomicro-dies,

J.Mater.Process.Technol.113（1–3）（2001）64.

[5]Y.Saotome,Themicro-nanoformingofPt-basedmetallicglassand

thenanoformingofthree-dimensionalstructures,Intermetallics10

（11–12）（2002）.