丁 濤，楊冬嬌，劉介珍，翁 燦

(中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

1 引 言

微納結(jié)構(gòu)功能表面是指微納單或多尺度特征通過不同尺寸和分布形成規(guī)則紋理、周期性排列并呈現(xiàn)出不同功能特性的表面[1]，具有優(yōu)異的光學(xué)、電化學(xué)、生物學(xué)等特性。目前，廣泛使用的結(jié)構(gòu)功能表面有超疏水表面、微流控芯片、光轉(zhuǎn)換表面、仿生表面等[2-5]。表面微結(jié)構(gòu)零件由于其微結(jié)構(gòu)尺寸和高精度的要求給加工與制造帶來巨大的挑戰(zhàn)。微注射成型是制造各種形狀和尺寸微結(jié)構(gòu)零件的理想方法之一[6]，研究表明，微注射成型帶來的一些結(jié)構(gòu)缺陷不僅僅產(chǎn)生在充填階段，而且會(huì)由于脫模階段的溫度變化、受力不均及材料性能等因素而產(chǎn)生。因此，在微注射過程中微結(jié)構(gòu)的完整充填和無損脫模成為微注射成型領(lǐng)域的研究重點(diǎn)與熱點(diǎn)之一。

關(guān)于微結(jié)構(gòu)脫模的受力組成，浙江大學(xué)郭育華[7]認(rèn)為摩擦力和黏附力共同生成表面力，麻省理工學(xué)院的Dirckx等[8]則強(qiáng)調(diào)單個(gè)作用力對(duì)脫模時(shí)微結(jié)構(gòu)作用的不同影響。微注射成型脫模時(shí)微結(jié)構(gòu)的受力形式和作用位置與納米壓印相似，所以納米壓印的相關(guān)研究可為該研究提供參考。Yang等[9]采用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了不同模具與基底材料的組合，如硅/鎳、鎳/硅、石英/鎳等對(duì)熱壓印過程微結(jié)構(gòu)形貌復(fù)制質(zhì)量的影響，結(jié)果表明硅模具鎳模芯的組合最成功，鎳作為基底材料最容易脫模且不易損壞。Su[10]與羅怡[11]分別研究了微脊陣列微注射成型與熱壓印過程的脫模力，均指出模具溫度對(duì)脫模力的影響最為顯著。Correia[12]研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)拿撃囟仁潜ＷC結(jié)構(gòu)質(zhì)量非常重要的前提。

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于注射成型表面微結(jié)構(gòu)零件的脫模行為做了大量有價(jià)值的工作，但在脫模成型質(zhì)量影響因素方面仍缺乏系統(tǒng)的研究，且需要從微觀上分析注射成型脫模過程微結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和變形行為。本文從微注射成型實(shí)驗(yàn)出發(fā)，考慮了微結(jié)構(gòu)模芯的制備方法與制造可行性，然后分別研究了聚合物材料、微結(jié)構(gòu)深寬比和工藝參數(shù)對(duì)脫模成型質(zhì)量的影響，并結(jié)合聚合物自身材料屬性與微結(jié)構(gòu)受力分析解釋了脫模過程中的微結(jié)構(gòu)變形機(jī)制。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 模芯制備

以超疏水功能為目的，用于注射成型模芯的設(shè)計(jì)思路參照本課題組已有成果[5，13]。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)3種不同深寬比(1∶1，2∶1和3∶1)的微四棱柱陣列結(jié)構(gòu)，微四棱柱的設(shè)計(jì)截面尺寸為30 μm×30 μm，柱間距為60 μm，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸和理論計(jì)算接觸角如表1所示。

表1 超疏水表面微四棱柱的尺寸設(shè)計(jì)

模芯制備基本流程如圖1所示。采用中科院光電所研發(fā)的紫外光刻機(jī)URE-2000135進(jìn)行微結(jié)構(gòu)硅母版的加工，采用課題組自主研發(fā)的V-30L雙陰極豎直旋轉(zhuǎn)微電鑄裝置[14]實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的金屬化轉(zhuǎn)移。采用LEICA EM SCD 500型高真空鍍?yōu)R射膜儀對(duì)硅母模進(jìn)行導(dǎo)電處理，金層厚度為15～20 nm，不影響表面微結(jié)構(gòu)的形貌尺寸。電鑄初期采用較小電流為0.08 A，電鑄時(shí)間為30 min；中期電流設(shè)置為0.15 A，電鑄時(shí)間為720 min；后期加大電流至0.25 A，電鑄時(shí)間為180 min。將電鑄后的制件打磨平整并根據(jù)模具型腔大小(25 mm×25 mm)進(jìn)行裁剪，按照頂桿位置在模芯相應(yīng)位置打孔，并使用無水乙醇和蒸餾水超聲清洗模芯，充分干燥后及獲得表面含有微棱柱孔結(jié)構(gòu)的鎳模芯。

圖1 表面微四棱柱陣列結(jié)構(gòu)零件鎳模芯成型工藝流程

采用日本基恩士公司的VHX-5000型超景深顯微鏡測(cè)量電鑄鎳模芯微米孔的尺寸，如圖2所示。在制造中存在誤差且在測(cè)量過程中顯微鏡光源會(huì)在微結(jié)構(gòu)棱柱孔側(cè)壁處產(chǎn)生反射與折射現(xiàn)象，如圖3所示，導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)截面形狀在轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生底部不平整現(xiàn)象，因此微米孔的實(shí)際深寬比分別約為1.0，1.7和2.6(表2)。

圖2 表面含微孔陣列結(jié)構(gòu)模芯

2.2 注射成型實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為北歐化工PPHD120MO、日本寶里COC5013L-10和鎮(zhèn)江奇美PMMACM205，材料的基本屬性如表3所示。

表2 電鑄鎳模芯的表面微米孔尺寸

表3 注射成型三種聚合物材料的基本屬性

(a)深寬比為1∶1

(b)深寬比為2∶1

(c)深寬比為3∶1

實(shí)驗(yàn)采用信易公司生產(chǎn)的SCD-20u/30H干燥機(jī)對(duì)材料進(jìn)行干燥處理，采用日本Sodick LD05EH2注射成型機(jī)進(jìn)行微結(jié)構(gòu)表面的注射成型實(shí)驗(yàn)，采用晏邦YBM-1IH型油式模溫機(jī)和油冷卻的方式進(jìn)行模具的快速升降溫，采用信易公司SIC-3A型冷水機(jī)進(jìn)行微注射成型設(shè)備的冷卻處理，具體裝置如圖4所示。采用超景深顯微鏡與MIRA3 LMU型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FSEM)檢測(cè)脫模后制件表面微結(jié)構(gòu)的三維形貌。

圖4 注射成型機(jī)與模具

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定3種材料的基準(zhǔn)工藝參數(shù)，如表4所示。當(dāng)進(jìn)行不同深寬比結(jié)構(gòu)的微注射成型實(shí)驗(yàn)時(shí)，在基準(zhǔn)工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

表4 3種聚合物材料的基準(zhǔn)工藝參數(shù)

2.3 脫模力檢測(cè)與模芯表面抗黏處理

目前，注射成型過程微結(jié)構(gòu)的受力情況只能通過仿真等手段獲得。為了能夠定量分析微結(jié)構(gòu)脫模過程中的受力變化，同時(shí)結(jié)合微結(jié)構(gòu)變形分析成型影響因素，本實(shí)驗(yàn)以頂桿的頂出力作為脫模時(shí)制件表面微結(jié)構(gòu)的受力，將高精度紐扣式微型壓力傳感器安裝在推板上并對(duì)準(zhǔn)一根頂桿。使用SBT970型圖顯示推拉力計(jì)實(shí)時(shí)記錄脫模過程中該頂桿的受力值，如圖5所示。

圖5 脫模力檢測(cè)原理

研究表明，采用硅烷化學(xué)處理方法可以提高鎳模芯表面的抗黏特性[15-16]，從而減小微注射成型脫模過程聚合物與金屬模芯的黏附力。因此，采用南京辰工有限公司生產(chǎn)的十七氟癸基三乙氧基硅(CG-F1731)對(duì)鎳模芯進(jìn)行表面抗黏處理。

實(shí)驗(yàn)前首先清洗并烘干鎳模芯，使界面保持無油無污以及足夠干燥的狀態(tài)。然后將0.7 mL的氟硅烷與50 mL的蒸餾水一起稀釋成異丙醇溶液，并在30 ℃水浴加熱和磁力攪拌的作用下處理3 h，使它們混合均勻后制備出用于表面抗黏處理的氟硅烷溶液。最后，將清洗干燥后的鎳模芯放入稀釋后的氟硅烷溶液中，靜置12 h使其發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)產(chǎn)生抗黏膜，之后取出鎳模芯清洗干燥后方可使用。

3 結(jié)果與分析

3.1 聚合物材料影響

采用微米孔深寬比約為1.7的電鑄鎳模芯進(jìn)行3種聚合物材料的注射成型實(shí)驗(yàn)。

3.1.1 PP材料

在基準(zhǔn)工藝參數(shù)下，得到的PP表面微結(jié)構(gòu)如圖6所示，其微結(jié)構(gòu)平均高度只有26.0 μm左右，并沒有實(shí)現(xiàn)完全填充。因此調(diào)整保壓壓力、保壓時(shí)間、背壓壓力分別為150 MPa，8 s，8 MPa，將脫模溫度控制在85 ℃左右，得到的零件表面微結(jié)構(gòu)如圖7所示。對(duì)比圖6和圖7可知，調(diào)整工藝參數(shù)后，PP微結(jié)構(gòu)形貌得到明顯改善，測(cè)得微結(jié)構(gòu)的平均寬度與高度分別約為32.0 μm和52.0 μm。與鎳模芯微孔尺寸相比，調(diào)整工藝參數(shù)能獲得較完整的PP微棱柱。

圖6 基準(zhǔn)工藝參數(shù)下PP微結(jié)構(gòu)的形貌及尺寸

圖7 調(diào)整工藝參數(shù)后PP微結(jié)構(gòu)的形貌及尺寸

圖8為頂出速度分別為3，5，7 mm/s時(shí)得到的PP表面微結(jié)構(gòu)的3種不同變形。從圖8中可見，圖8(a)中微結(jié)構(gòu)斷裂拉長(zhǎng)變形明顯，大多數(shù)微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移；圖8(b)中微結(jié)構(gòu)變形程度明顯改善，其中一部分微結(jié)構(gòu)成型良好，另一部分則出現(xiàn)了彎曲變形；圖8(c)中幾乎所有微結(jié)構(gòu)均完整脫模。對(duì)應(yīng)的受力曲線如圖8(d)所示，脫模時(shí)微結(jié)構(gòu)零件在0.05～0.1 s時(shí)受力快速增大并達(dá)到峰值，后迅速降低，在0.15 s后趨于平穩(wěn)，且受力峰值分別為68，66和56 N。由此可知，在保證微結(jié)構(gòu)順利脫模的情況下，微結(jié)構(gòu)脫模時(shí)受力峰值越小其成型質(zhì)量越好。

3.1.2 COC材料

在基準(zhǔn)工藝參數(shù)下進(jìn)行COC材料微注射成型實(shí)驗(yàn)，得到如圖9所示的表面微結(jié)構(gòu)。微結(jié)構(gòu)長(zhǎng)短不一且頂端凹凸不平，脫模后的微結(jié)構(gòu)平均高度只有17.0 μm左右，與模芯的實(shí)際高度差距較大。

(a)變形嚴(yán)重(a)Severe deformation

(b)變形改善(b)Ameliorative deformation

(c)變形良好(c)Well deformation

(d)PP微結(jié)構(gòu)受力曲線(d)Stress curves of PP microstructure

圖9 基準(zhǔn)工藝參數(shù)下COC微結(jié)構(gòu)的形貌及尺寸

調(diào)整保壓壓力、保壓時(shí)間、背壓壓力、脫模溫度分別為150 MPa，10 s，10 MPa與100 ℃，得到COC的微結(jié)構(gòu)如圖10(a)所示。脫模質(zhì)量并沒有得到明顯改善，微結(jié)構(gòu)頂端和側(cè)壁可見類似撕裂的斷面，且并不是由于充填不完整所導(dǎo)致的前端球弧狀微結(jié)構(gòu)(圖10(b))。這說明微結(jié)構(gòu)的缺陷可能是在脫模過程中產(chǎn)生的，由于COC材料的斷裂伸長(zhǎng)率為1.7%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于PP材料的9%，使得COC材料具有較大的脆性，因此在脫模時(shí)零件極易斷裂。

(a)調(diào)整工藝參數(shù)后COC微結(jié)構(gòu)形貌

(b)填充不完整時(shí)微結(jié)構(gòu)SEM圖

3.1.3 PMMA材料

在PMMA微注射成型實(shí)驗(yàn)中遇到與COC微注射成型類似的情況，調(diào)整保壓壓力、保壓時(shí)間、背壓壓力、脫模溫度分別150 MPa，10 s，10 MPa與95 ℃，得到如圖11所示的微結(jié)構(gòu)形貌與尺寸?？梢姶蟛糠治⒔Y(jié)構(gòu)仍然發(fā)生折斷，甚至有些斷裂的部分殘留在表面，同時(shí)測(cè)得PMMA微結(jié)構(gòu)的平均高度約為27.0 μm。

圖11 調(diào)整工藝參數(shù)后PMMA微結(jié)構(gòu)的形貌及尺寸

在經(jīng)過20次注射成型實(shí)驗(yàn)后PMMA微結(jié)構(gòu)形貌如圖12所示，最終成型出的零件表面幾乎沒有微結(jié)構(gòu)，微結(jié)構(gòu)的凸起似被擰斷。一般來說，材料的表面能越大，表面黏附性越強(qiáng)[15]，而PMMA材料的表面能高于PP材料，這也是PMMA在脫模時(shí)產(chǎn)生折斷并黏附的原因。其次，冷卻溫度過高、冷卻時(shí)間過短，導(dǎo)致聚合物未完全固化從而強(qiáng)度達(dá)不到脫模要求也會(huì)導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)完全斷裂。隨著注射成型次數(shù)的增加，PMMA不斷黏附在模芯中，最終造成模芯的堵塞，如圖13所示，使成型出的微結(jié)構(gòu)不完整。

3.2 深寬比影響

采用2.2節(jié)中電鑄成型的3種深度(23.0，52.0，82.0 μm)的微孔結(jié)構(gòu)陣列鎳模芯進(jìn)行PP材料的注射成型實(shí)驗(yàn)。

圖12 注射成型實(shí)驗(yàn)20次后PMMA微結(jié)構(gòu)形貌

圖13 模芯被堵塞嚴(yán)重

當(dāng)深寬比約為1∶1時(shí)，在微四棱柱的四周邊角出現(xiàn)輕微“翹邊”，棱柱側(cè)壁不平整，頂部出現(xiàn)翹曲等現(xiàn)象，如圖14所示。當(dāng)深寬比約為2∶1時(shí)，微結(jié)構(gòu)的頂部出現(xiàn)“凹陷”和邊角“卷曲”，四棱柱出現(xiàn)彎曲，頂部的翹曲加重，如圖15所示。當(dāng)深寬比增加到3∶1時(shí)，部分微結(jié)構(gòu)直接出現(xiàn)斷裂，同時(shí)微結(jié)構(gòu)的傾斜變形明顯，頂部翹曲增大，有些頂部結(jié)構(gòu)撕裂變形，如圖16所示?？梢娂词乖诔尚洼^好的情況下，脫模時(shí)微結(jié)構(gòu)仍會(huì)由于黏附和受力不均等導(dǎo)致各種微小缺陷，并且隨著深寬比的增加這種微小變形可能擴(kuò)大，且微棱柱出現(xiàn)彎曲傾斜的可能性增加。

圖14 深寬比約為1∶1的PP微結(jié)構(gòu)SEM圖

圖15 深寬比約為2∶1的PP微結(jié)構(gòu)SEM圖

圖16 深寬比約為3∶1的PP微結(jié)構(gòu)SEM圖

對(duì)比3種深寬比PP微結(jié)構(gòu)脫模時(shí)的受力情況，如圖17所示，初始階段微結(jié)構(gòu)頂部開始脫模，此時(shí)受力值隨著時(shí)間而增加，微結(jié)構(gòu)所受黏附力也隨著深寬比的增加而增加，受力峰值的出現(xiàn)時(shí)間隨深寬比的增加而延后。隨后受力出現(xiàn)下降趨勢(shì)，此階段微結(jié)構(gòu)主要受摩擦力作用。隨著深寬比增加摩擦力隨之增加，且深寬比越大這種增加的程度越明顯。

圖17 三種深寬比PP微結(jié)構(gòu)脫模受力對(duì)比

3.3 脫模工藝參數(shù)影響

對(duì)深寬比約為3.0的PP微結(jié)構(gòu)零件進(jìn)行注射成型實(shí)驗(yàn)，研究主要脫模工藝參數(shù)對(duì)微結(jié)構(gòu)成型質(zhì)量的影響，參數(shù)設(shè)置如表5所示，其它工藝參數(shù)同基準(zhǔn)工藝參數(shù)。

表5 注射成型脫模階段工藝參數(shù)設(shè)置

3.3.1 保壓壓力

不同保壓壓力下PP微結(jié)構(gòu)的形貌及尺寸如圖18所示。當(dāng)保壓壓力為120 MPa時(shí)，微結(jié)構(gòu)未能進(jìn)行完整充填，且存在較多缺陷，平均高度只有25.0 μm左右。隨著保壓壓力增加到150 MPa時(shí)，微結(jié)構(gòu)成型完整，平均高度達(dá)到約87.0 μm，但是微結(jié)構(gòu)頂部發(fā)生凹陷，說明微結(jié)構(gòu)的側(cè)壁可能被拉長(zhǎng)。當(dāng)保壓壓力增加到180 MPa時(shí)，充填完整的微結(jié)構(gòu)平均高度達(dá)到約84.0 μm。

(b)150 MPa

(c)180 MPa

隨著保壓壓力的增加，最終PP微結(jié)構(gòu)的成型質(zhì)量有所提高，這表明保壓壓力對(duì)微結(jié)構(gòu)成型質(zhì)量起著重要作用。但是過高的保壓壓力會(huì)導(dǎo)致型腔壓力過大，致使脫模過程困難，且此時(shí)聚合物熔體的體積比容減小，密度增大，造成冷卻脫模時(shí)內(nèi)應(yīng)力釋放從而使微結(jié)構(gòu)發(fā)生翹曲變形，如圖19所示。

圖19 保壓壓力為180 MPa時(shí)PP微結(jié)構(gòu)的SEM圖

3.3.2 脫模溫度

對(duì)不同脫模溫度的注射成型PP制件，截取含有20個(gè)微棱柱結(jié)構(gòu)的區(qū)域，如圖20所示。脫模溫度為80，90，100和110 ℃時(shí)，保留完整的微棱柱比值分別為55%，60%，30%，10%。隨著脫模溫度的升高，斷裂的微結(jié)構(gòu)數(shù)量增加，這可能是因?yàn)楫?dāng)脫模溫度較高時(shí)，聚合物表面溫度也較高，導(dǎo)致脫模時(shí)它與金屬模芯間的結(jié)合力作用更強(qiáng)，出現(xiàn)撕裂和毛刺等缺陷，微結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重。

(a)80 ℃

(b)90 ℃

(c)100 ℃

(d)110 ℃

3.4 模芯表面抗黏處理

在前述3.2節(jié)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)深寬比約為3的微結(jié)構(gòu)表面缺陷嚴(yán)重，因此對(duì)其金屬鎳模芯的表面進(jìn)行抗黏處理。

采用相同工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到如圖21所示的PP表面微結(jié)構(gòu)。與模芯表面未經(jīng)過抗黏處理的成型微結(jié)構(gòu)相比，圖中微結(jié)構(gòu)不僅能夠完整脫模，沒有發(fā)生折斷現(xiàn)象，而且棱角分明，四棱柱成型完整，微結(jié)構(gòu)的平均高度與平均寬度分別約為82.0 μm和31.0 μm，與鎳模芯尺寸相差較小。

圖21 模芯表面抗黏處理后PP微結(jié)構(gòu)的形貌及尺寸

此時(shí)測(cè)量頂桿的受力曲線，如圖22所示，其初始值僅為9 N，峰值達(dá)到48 N，最終穩(wěn)定值為11 N。可見模芯經(jīng)過表面抗黏處理后，脫模時(shí)微結(jié)構(gòu)零件受力值整體小于未經(jīng)過處理的脫模受力值，其中受力峰值與最終穩(wěn)定值的降低表明黏附力和摩擦力均有大幅度減小。

圖22 模芯經(jīng)過表面抗黏處理前后脫模受力曲線

4 結(jié) 論

本文在考慮微結(jié)構(gòu)模芯制造可行性的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)研究了成型條件對(duì)表面微結(jié)構(gòu)的脫模變形影響規(guī)律，探索了微結(jié)構(gòu)受力與變形的關(guān)系，并解釋了微結(jié)構(gòu)脫模過程中的變形機(jī)制。注射成型實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PP聚合物能夠順利獲得接近目標(biāo)深寬比的微結(jié)構(gòu)，而COC與PMMA則因?yàn)椴牧系拇嘈耘c黏附性發(fā)生不同程度的斷裂；脫模成型后發(fā)現(xiàn)，微結(jié)構(gòu)變形隨著深寬比的增加而增加，主要集中在頂部的彎曲與凹陷，微結(jié)構(gòu)也易發(fā)生傾斜；適當(dāng)增加保壓壓力與減小脫模溫度均能有效提高微結(jié)構(gòu)成型質(zhì)量，但過高的保壓壓力會(huì)造成微結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力增加，導(dǎo)致脫模困難；鎳模芯經(jīng)過表面抗黏處理后進(jìn)行注射成型實(shí)驗(yàn)，能夠顯著減小脫模時(shí)微結(jié)構(gòu)所受的摩擦力與黏附力，改善微結(jié)構(gòu)成型的微小缺陷。