王鑫， 龔峰， 張志輝， 楊高*

（1.深圳大學(xué) 機電與控制工程學(xué)院 深圳市高性能特種制造重點實驗室，廣東 深圳 518060；2.香港理工大學(xué) 工業(yè)及系統(tǒng)工程系 超精密加工技術(shù)國家重點實驗室， 中國香港 999077）

1 引 言

熱壓印技術(shù)可實現(xiàn)高精度微結(jié)構(gòu)的低成本復(fù)制，被應(yīng)用于微透鏡陣列、衍射光學(xué)元件和菲涅爾透鏡等微光學(xué)元件的生產(chǎn)中，以滿足光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、激光輻射及光纖通信等領(lǐng)域的應(yīng)用需求［1-3］。熱壓印成形過程是將坯料放入高精度的模具中，經(jīng)過加熱、保溫、退火、冷卻等步驟，將模具的結(jié)構(gòu)特征復(fù)制到坯料上［4］。在熱壓印過程中，加熱模塊的加熱速率和表面溫度分布直接影響熱壓印的效率和制品的成型精度［5］。因此，高溫快速均勻加熱模塊的開發(fā)是微納熱壓印技術(shù)的一個研究重點。

加熱模塊的加熱速率和溫度均勻性與勻熱塊的材料、結(jié)構(gòu)、發(fā)熱元件的布局、加熱方式等多種因素有關(guān)［6-8］。近年來，研究人員一方面嘗試了多種加熱方法來提高熱壓印效率，如石墨烯-聚合物復(fù)合氣體輔助加熱、感應(yīng)加熱、激光輻照加熱、紅外加熱等［9］；另一方面，通過優(yōu)化不同位置加熱元件的熱流密度來提高表面溫度分布的均勻性。Chen等［10］利用石墨烯優(yōu)異的電熱特性設(shè)計了一種石墨烯-聚合物復(fù)合加熱器進(jìn)行熱壓印，提高了加熱效率，但這種石墨烯涂層技術(shù)中涂層的低強度和不均勻性會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定和溫度分布的不均勻。Nian等［11］提出了一種感應(yīng)式熱壓裝置，使用感應(yīng)加熱線圈快速加熱平板模具的表面，而不是整個平板模具，提高了加熱效率。此外，在感應(yīng)線圈的中心放置鐵氧體材料來解決由鄰近效應(yīng)引起的表面溫度不均勻的問題，并提高了表面溫度。Kurita等［12］提出將電阻加熱方式改為激光加熱來提高加熱速率，即將玻璃放置在模具上，激光穿過玻璃基板照射到模具上，通過熱輻射進(jìn)行加熱。王小權(quán)［13］在模壓機加熱系統(tǒng)的設(shè)計中選用短波紅外加熱管，并對加熱管進(jìn)行半鍍金處理來提高加熱效率。陳沖［14］設(shè)計了一種復(fù)合加熱系統(tǒng)，使用電磁感應(yīng)加熱模具表面，硅鉬棒電阻加熱模具內(nèi)部，實現(xiàn)對模具整體的快速加熱。Chen等［15］利用感應(yīng)加熱線圈從內(nèi)向外加熱模具，并利用紅外加熱管加熱模具外表面，兩種加熱方式共同實現(xiàn)對模具的快速協(xié)同加熱，并改善其表面溫度分布的均勻性。史春彥等［16］設(shè)計了一種具有夾層結(jié)構(gòu)的加熱模塊，通過增加面導(dǎo)熱率高的夾層材料來加快熱量的傳導(dǎo)速率，使加熱模塊表面溫度更均勻。Li等［17］把模具的加熱系統(tǒng)簡化為單個加熱單元進(jìn)行熱響應(yīng)分析，以電加熱元件規(guī)格和位置為優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，所需加熱時間和模具表面溫差為熱響應(yīng)指標(biāo)，建立加熱單元多目標(biāo)優(yōu)化模型，得到了加熱單元的優(yōu)化設(shè)計參數(shù)組合。劉鋒等［18］在確定加熱管道布局的情況下，研究不同熱流密度對模具型腔表面溫升速率和溫度均勻性的影響，發(fā)現(xiàn)型腔表面溫度和溫度分布均勻性是一種競爭關(guān)系。本研究團隊［19］開發(fā)了基于氮化硅陶瓷加熱片的快速加熱模塊，其結(jié)構(gòu)簡單，且最高溫度可達(dá)800 ℃，加熱速率為300 ℃/min。

為了在保持高加熱速率的同時，進(jìn)一步提高加熱模塊的表面溫度分布均勻性，本文設(shè)計制造高溫快速均勻加熱模塊，并搭建加熱測試平臺。然后，比較相同工藝條件下的有限元仿真結(jié)果和實驗結(jié)果來驗證仿真模型的準(zhǔn)確度。在此基礎(chǔ)上，利用正交試驗法進(jìn)行多因子多水平分析，實現(xiàn)快速加熱模塊的整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以提升其加熱性能。

2 實 驗

2.1 氮化硅陶瓷加熱片加熱性能測試

本文開發(fā)加熱模塊的發(fā)熱元件為氮化硅陶瓷加熱片。氮化硅陶瓷加熱片是以氮化硅陶瓷為基體，鎢絲為發(fā)熱源，將鎢絲埋在氮化硅基體中通過熱壓燒結(jié)工藝形成一體，再經(jīng)過磨削加工，焊接導(dǎo)線制成。為方便后續(xù)對加熱模塊的設(shè)計制造及優(yōu)化，需對發(fā)熱元件本身的加熱性能進(jìn)行測試。由圖1（a）可知，陶瓷加熱片通電加熱時，中間區(qū)域呈亮白色，溫度較高，故在對應(yīng)位置均布6個測溫點D1～D6。利用圖1（b）所示的實驗裝置對陶瓷加熱片的表面溫度進(jìn)行測量，即熱電偶從底部穿過云母片并固定于陶瓷加熱片下表面。這種測量裝置可以減少周圍環(huán)境的干擾，從而獲得更準(zhǔn)確的溫度測量結(jié)果。

圖1 陶瓷加熱片表面溫度測量裝置Fig.1 Measurement setup for surface temperature of ceramic heater

實驗過程中，對陶瓷加熱片施加額定220 V的直流電來測試其最大加熱速率和能達(dá)到的最高溫度。圖2為施加220 V電壓時陶瓷加熱片上各點溫度隨時間的變化曲線。中心點D2在150 s左右溫度能達(dá)到1 000 ℃，加熱速率極快，滿足高溫?zé)釅河〉目焖偌訜嵝枨?。但是，陶瓷加熱片表面的溫差較大，中間點D2，D3，D4的加熱速率較快，邊緣點D1，D5，D6的加熱速率較慢，即加熱區(qū)域主要集中在中間區(qū)域。在熱壓印時，不均勻的溫度分布會使成型元件產(chǎn)生殘余應(yīng)力。因此，需要在陶瓷加熱片表面包覆高導(dǎo)熱材料，如純銅，使傳熱更均勻。如圖3所示，本文將純銅覆蓋在陶瓷加熱片中間的主要加熱區(qū)域，從而在不明顯降低加熱效率的條件下顯著提高表面溫度的均勻性。

圖2 陶瓷加熱片上各點溫度隨時間的變化曲線Fig.2 Temperature histories of various points on surface of ceramic heater

圖3 加熱模塊的幾何模型Fig.3 Geometric model of heating module

2.2 實驗裝置

如圖4所示，實驗裝置主要由加熱模塊和溫度測量模塊組成。加熱模塊使用尺寸為60 mm×60 mm×10 mm的純銅勻熱塊。勻熱塊中間開設(shè)有對稱的2個方形槽，用來放置氮化硅陶瓷加熱片（見圖5（a））。勻熱塊下面的隔熱塊材料為云母。溫度測量模塊利用一臺HIOKI LR8450數(shù)據(jù)采集儀和多根K型熱電偶來記錄加熱過程中的溫度信號。

圖4 氮化硅陶瓷加熱實驗裝置Fig.4 Experimental devices of Si3N4 ceramic heater

圖5 均熱塊結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of even-heat block

將K型熱電偶插入勻熱塊側(cè)邊深孔進(jìn)行溫度測量，熱電偶與勻熱塊上表面的距離為1.5 mm。熱電偶的具體安裝位置如圖5所示，可測量P1至P12點的溫度。將勻熱塊作為一個“溫度傳感器”，能夠?qū)崟r反映勻熱塊表面溫度的均勻性。

2.3 加熱階段傳熱過程分析

當(dāng)給陶瓷加熱片通電時，電流通過陶瓷加熱片中的鎢絲產(chǎn)生熱量Q，熱量沿徑向從陶瓷加熱片向周圍傳遞。由于陶瓷加熱片只有少部分直接與勻熱塊內(nèi)表面接觸，且存在著空氣層，陶瓷加熱片產(chǎn)生的熱量一部分通過固體熱傳導(dǎo)的形式傳遞給勻熱塊，一部分通過空氣傳遞給勻熱塊，另一部分通過熱輻射傳遞給勻熱塊，還有一部分由空氣層沿軸向的對流所損耗［20］。并且，加熱模塊還以熱對流與熱輻射的方式與周圍環(huán)境進(jìn)行熱交換，具體傳熱過程如圖6所示。

圖6 加熱階段傳熱過程分析Fig.6 Analysis of heat transfer in heating stage

根據(jù)熱傳遞過程的能量守恒定律，加熱過程中的熱傳遞可表示為［20］：

式中：Qh為陶瓷加熱片輸出的熱量；Qm為勻熱塊吸收的熱量；Qi，Qr分別為勻熱塊表面和周圍環(huán)境通過熱對流和熱輻射交換的熱量；Qc為勻熱塊向云母傳遞的熱量；Qf是儲存在加熱元件內(nèi)部的熱量。

為研究熱傳導(dǎo)過程各因素對加熱速率的影響，取Δt來分析。假設(shè)勻熱塊的初始溫度為平均溫度為加熱Δt后，勻熱塊的平均溫度為

式中：Pi是陶瓷加熱片在不同時刻輸出的功率；Δt是陶瓷加熱片從室溫加熱到指定溫度的時間；cm，ρm，Vm分別為勻熱塊的比熱容、密度和體積；hm，Am分別為勻熱塊外表面與空氣的熱對流系數(shù)和接觸面積分別為加熱結(jié)束時勻熱塊外表面溫度和周圍環(huán)境溫度；εm，σ分別為勻熱塊的發(fā)射率和斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)。

根據(jù)上述分析，聯(lián)合式（2）～式（5）得：

由式（6）可知，為提高快速加熱模塊的加熱速率，可通過增大P，或減小cm，ρm，Vm，Qi，Qr，Qc，Qf來實現(xiàn)。功率P由發(fā)熱元件本身的規(guī)格決定。cm，ρm是勻熱塊的物性參數(shù)，Vm代表勻熱塊的體積。因此，在相同的輸出熱量Qh下，選擇低比熱容的純銅勻熱塊，并減小勻熱塊體積，溫度能更高。加熱實驗在手套箱內(nèi)進(jìn)行，以減少Q(mào)i，Qr的影響；利用低熱導(dǎo)云母片對勻熱塊進(jìn)行隔熱處理，可以減小Qc；Qf反映的是陶瓷加熱片本身儲存的熱量，減少Q(mào)f實際上就是實現(xiàn)陶瓷加熱片與勻熱塊之間熱量的迅速轉(zhuǎn)移，即減小勻熱塊與陶瓷加熱片之間的安裝間隙并改善表面的接觸狀態(tài)。其中Qi，Qr，Qc，Qf相對于Qh和Qm較?。?0］，在加熱期間對模具溫度變化的影響比較小。在均熱塊材料、加熱元件功率及加熱環(huán)境一定的情況下為常量，從式（6）可知在相同加熱時間內(nèi)，調(diào)控均熱塊體積Vm能顯著影響加熱模塊的加熱效率。

2.4 加熱實驗設(shè)計

為了避免外界環(huán)境干擾，所有實驗均在手套箱內(nèi)進(jìn)行。本研究進(jìn)行恒電壓加熱實驗：以恒定220 V電壓對加熱模塊加熱，各點溫度由測溫儀記錄，采樣間隔為1 s，每組實驗重復(fù)3次，取其平均值作為最終結(jié)果。

2.5 實驗結(jié)果及分析

為驗證實驗的重復(fù)性，比較5次實驗中P5測溫點加熱300 s的溫升曲線，如圖7所示。5次實驗的溫升曲線基本一致，實驗具有很好的重復(fù)性。

圖7 測溫點重復(fù)性驗證Fig.7 Verification of repeatability of temperature measurement

由圖7可知，加熱前180 s溫升速率很快，故選取加熱180 s時勻熱塊的表面溫度進(jìn)行研究。圖8為恒電壓加熱180 s實驗中勻熱塊測溫點的溫度曲線。在恒定220 V電壓下，加熱180 s時勻熱塊的表面溫度可達(dá)840 ℃，但各點溫差為14.5 ℃，溫差較大，故需要對勻熱塊的表面溫度進(jìn)行優(yōu)化。

圖8 P1至P12測溫點恒電壓加熱180 s的溫升曲線Fig.8 Temperature histories of measurement points from P1 to P12 in 180-second constant voltage heating test

3 溫度場熱響應(yīng)分析

本文采用ANSYS Workbench軟件來模擬快速加熱模塊的瞬態(tài)傳熱過程。將有限元仿真得到的溫升曲線與實驗中相同位置的溫升曲線進(jìn)行對比，驗證仿真模型的準(zhǔn)確性。

3.1 有限元分析模型

圖3為快速加熱模塊瞬態(tài)熱分析的幾何模型。為了更好地分析加熱過程的溫度場，對模型進(jìn)行如下的簡化與假設(shè)：

（1）假定陶瓷加熱片釋放的熱量都被勻熱塊所接收，即不計熱損失；

（2）忽略勻熱塊與陶瓷加熱片之間的安裝間隙；

（3）假設(shè)加熱模塊中的材料為各向同性，且各材料的熱物性參數(shù)如表1所示；

表1 加熱模塊各材料的熱物性參數(shù)［22-23］Tab.1 Thermophysical parameters of each material of heating module

（4）考慮純銅勻熱塊的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容隨溫度不斷變化［21］（見圖9）。

圖9 銅的熱物性參數(shù)Fig.9 Thermophysical properties of copper

3.2 有限元網(wǎng)格劃分

在有限元分析中，劃分網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)和疏密程度直接影響到計算結(jié)果的精度，因此需要控制網(wǎng)格劃分的質(zhì)量。這里主要研究勻熱塊的表面溫度，故使用六面體網(wǎng)格，并將勻熱塊表面及陶瓷加熱片的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化（見圖10）。

圖10 加熱模塊的網(wǎng)格劃分Fig.10 Mesh of heating module

3.3 初始與邊界條件的確定

勻熱塊初始溫度和空氣溫度均等于實際環(huán)境溫度，為25 ℃。根據(jù)實驗測量的加熱功率數(shù)據(jù)，設(shè)置陶瓷加熱片的輸入功率為900 W。空氣與純銅勻熱塊的對流傳熱系數(shù)在2～25 W/（m2·℃）之間［24］，本仿真將對流傳熱系數(shù)設(shè)為15 W/（m2·℃）。在設(shè)置熱輻射參數(shù)時，考慮到銅在高溫下易氧化，取其發(fā)射率為0.8。

在微觀尺度上，銅勻熱塊與陶瓷加熱片的表面接觸僅發(fā)生在一些離散微凸體上。這種不完全界面接觸會導(dǎo)致熱流收縮，影響界面?zhèn)鳠?。界面接觸熱阻的數(shù)量級通常在1×10-4到1×10-3（m2·℃）/W［25-27］。本次實驗中勻熱塊與陶瓷加熱片之間無接觸壓力，并且還有一定的裝配誤差，所以界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)取較小值，為2 000 W/m2。加熱模塊各零件之間采用綁定接觸，傳熱方式為熱傳導(dǎo)。建立傳熱分析模型，設(shè)置總加熱時間為180 s，選擇固定增量模式，每一步的加熱時間為10 s。

3.4 仿真結(jié)果分析

圖11為勻熱塊在恒定220 V電壓下加熱180 s后的表面溫度分布，可以看出，勻熱塊中間位置的表面溫度高于邊緣位置的表面溫度。這是因為兩個氮化硅陶瓷加熱片同時向純銅勻熱塊傳遞熱量，故勻熱塊中間位置熱量更大，即溫度更高。另一方面，勻熱塊側(cè)面與空氣對流換熱，存在熱量損失，故邊緣位置的表面溫度較低。

圖11 恒電壓加熱180 s時勻熱塊上的表面溫度分布Fig.11 Temperature distribution on upper surface of even-heat block under constant-voltage heating for 180 s

3.5 模型驗證

圖12對比了勻熱塊在恒電壓加熱實驗與仿真中的溫升曲線，發(fā)現(xiàn)兩者基本吻合。但是，在初始加熱階段，仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)稍有偏差，有兩個原因：（1）勻熱塊迅速升溫，而熱電偶響應(yīng)速度有限，從而使溫度測量數(shù)值偏低；（2）陶瓷加熱片與勻熱塊界面存在間隙，影響陶瓷加熱片與勻熱塊之間的熱量傳遞，導(dǎo)致實驗數(shù)據(jù)小于仿真結(jié)果。隨著溫度的不斷升高，陶瓷加熱片的功率降低，勻熱塊升溫速率有所下降，則熱電偶的測量溫度準(zhǔn)確性提高。高溫下陶瓷加熱片和勻熱塊產(chǎn)生熱膨脹，減小界面間隙，所以中間段測量溫度略微大于仿真溫度。但是，隨著溫度的進(jìn)一步升高，從勻熱塊傳遞到隔熱板的熱量明顯增加，實驗測量溫度逐漸低于仿真值。

圖12 仿真與恒電壓加熱實驗結(jié)果對比Fig.12 Comparison of simulation and constant-voltage heating experimental results

將恒電壓加熱180 s后勻熱塊各測溫點的溫度數(shù)據(jù)和有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對比，如圖13所示，發(fā)現(xiàn)有限元模擬的最高溫度為853.88 ℃，最低溫度為837.95 ℃，平均溫度為847.84 ℃，而實驗最高溫度為847.2 ℃，最低溫度為832.7 ℃，平均溫度為840.78 ℃。對于相同測溫點，有限元仿真結(jié)果與實驗測量結(jié)果比較接近，相差僅為7.06 ℃，從而進(jìn)一步驗證了有限元仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖13 加熱180 s時仿真與實驗結(jié)果對比Fig.13 Comparison of simulation and experimental results when heating for 180 s

4 優(yōu)化設(shè)計

由上述實驗可知，勻熱塊表面的整體溫差在14.5 ℃，因此需要對勻熱塊的表面溫度分布進(jìn)行優(yōu)化。由式（6）及文獻(xiàn)調(diào)研［8］可知，可通過微調(diào)均熱塊的體積以及陶瓷加熱片的安裝位置這兩大主要因素來分析它們對勻熱塊加熱效果的具體影響。

4.1 試驗因素與優(yōu)化目標(biāo)

圖14為加熱元件位置示意圖。將勻熱塊寬度W、兩陶瓷加熱片間距X、勻熱塊厚度D、加熱片與勻熱塊上表面距離H作為正交試驗的水平因素。每個因素考慮5個水平值，利用L25（56）正交表設(shè)計正交試驗（見表2）。

表2 因素水平表Tab.2 Factors and their levels（mm）

圖14 因素的幾何含義Fig.14 Geometric meaning of factors

此加熱模塊主要面向微納熱壓印應(yīng)用，以加熱速率和勻熱塊表面溫度的均勻性為優(yōu)化目標(biāo)。為保證熱壓印的成形效率和產(chǎn)品質(zhì)量，加熱速率越快越好，溫度分布越均勻越好。采用瞬態(tài)傳熱分析，模擬恒電壓加熱180 s后勻熱塊的表面溫度，計算其加熱速率，并利用表面的最高溫度與最低溫度之差來描述溫度均勻性。試驗結(jié)果如表3所示。

表3 正交試驗結(jié)果Tab.3 Orthogonal test results

4.2 正交試驗結(jié)果分析

利用極差分析法［28］對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，計算出各因素的均值和極差（見表4），以此判斷各因素的主次關(guān)系和最優(yōu)組合。

表4 試驗結(jié)果分析Tab.4 Analysis of results

4.3 加熱速率的影響因素分析

在恒定的加熱時間內(nèi)，勻熱塊表面所達(dá)到的平均溫度可以反映其加熱速率。由表3可知，勻熱塊表面平均溫度最高的是1號試驗的因素組合：W1X1D1H1，即勻熱塊寬50 mm、陶瓷加熱片間距22 mm、均熱塊厚度10 mm、陶瓷加熱片與勻熱塊上表面的距離為5 mm。施加恒定220 V電壓加熱180 s后，勻熱塊表面溫度可以達(dá)到944.39 ℃，加熱速率達(dá)306 ℃/min。

圖15表明，兩陶瓷加熱片間距X、加熱片與勻熱塊上表面距離H對加熱速率基本沒有影響。但是，增加勻熱塊寬度W和厚度D會顯著降低加熱速率。這是由于勻熱塊體積增大，在相同的輸入功率下單位體積得到的熱量減少；而且勻熱塊對流面和輻射面的增大導(dǎo)致熱量損失增加。因此，加熱速率隨著勻熱塊寬度W和厚度D的增大而變小。

圖15 各因素對加熱速率的影響Fig.15 Influence of various factors on heating rate

通過表4中的極差R可知，影響加熱速率因素的主次關(guān)系為勻熱塊寬度W、厚度D、兩陶瓷加熱片間距X、加熱片與勻熱塊上表面距離H。而且，勻熱塊平均溫度最高的最優(yōu)組合是W1X3D1H3，即取W=50 mm，X=26 mm，D=10 mm，H=7 mm。

4.4 溫度均勻性的影響因素分析

勻熱塊表面溫度均勻性最好的是5號試驗的因素組合：W1X5D5H5，即勻熱塊寬50 mm、陶瓷加熱片間距30 mm、均熱塊厚12 mm、陶瓷加熱片與勻熱塊上表面的距離為9 mm。圖16表明，勻熱塊寬度W減小，兩陶瓷加熱片間距X增加，或均熱塊厚度和加熱片與勻熱塊上表面距離H取中間值，可提高勻熱塊表面溫度的均勻性。

圖16 各因素對溫度均勻性的影響Fig.16 Influence of various factors on temperature uniformity

由表4可知，影響溫度均勻性主要因素的主次關(guān)系為勻熱塊寬度W、兩陶瓷加熱片間距X、均熱塊厚度D、加熱片與勻熱塊上表面距離H。勻熱塊表面溫度均勻性的最優(yōu)組合是W1X5D4H4，即取W=50 mm、X=30 mm、D=11.5 mm、H=8 mm。上述所有試驗的加熱速率足夠快，滿足玻璃快速熱壓印的要求，因此均熱塊優(yōu)化結(jié)構(gòu)取溫度均勻性最好的參數(shù)組合。

4.5 實驗驗證

圖17（a）為有限元模擬仿真結(jié)合正交試驗進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計得到的勻熱塊結(jié)構(gòu)。各測溫點位置如圖17（b）所示。對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的勻熱塊進(jìn)行恒電壓加熱測試，P1至P12測溫點的溫度曲線如圖18所示。由圖可知，在恒定220 V電壓下，將勻熱塊從25 ℃加熱到600 ℃需95 s左右，中低溫段升溫速率可達(dá)363 ℃/min；從600 ℃加熱到850 ℃需85 s左右，高溫段的升溫速率為176 ℃/min；在斷電情況下，加熱模塊從850 ℃冷卻到500 ℃僅需190 s左右，具有較快的冷卻速率。

圖17 均熱塊優(yōu)化結(jié)構(gòu)Fig.17 Optimized structure of even-heat block

在相同的實驗條件下，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的勻熱塊恒電壓加熱180 s，比較其表面各測溫點溫度（見圖19）。實驗結(jié)果表明：優(yōu)化后的勻熱塊各測溫點的平均溫度為844.45 ℃，最高溫度為850.5 ℃，最低溫度為839.8 ℃，溫差為10.7 ℃。優(yōu)化后的勻熱塊溫差由14.5 ℃降低至10.7 ℃，表現(xiàn)出更好的表面溫度均勻性，從而驗證了有限元仿真結(jié)合正交試驗進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的合理性。

圖19 優(yōu)化前后溫度均勻性對比Fig.19 Comparison of temperature uniformity before and after optimization

5 快速加熱模塊的熱壓印應(yīng)用

5.1 溫度的精準(zhǔn)控制

在熱壓印過程中，溫度準(zhǔn)確性對保證玻璃元件的形狀精度極其重要。因此，需要對加熱模塊的溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制。溫控系統(tǒng)采用智能PID控制，通過驅(qū)動溫控儀中固態(tài)繼電器的通斷，控制可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，調(diào)整發(fā)熱元件的輸入功率，從而實現(xiàn)溫度控制。

使用具有高精度自整定功能的宇電AI-526P型智能溫控儀，將均熱塊中心點P5作為控溫點，以最大速率加熱到700 ℃，然后恒溫一段時間。利用上位機軟件導(dǎo)出P5點的溫度歷史數(shù)據(jù)，同時利用測溫儀記錄其余各點的溫度歷史數(shù)據(jù)。

圖20為控溫加熱實驗中各測溫點的溫度曲線。由圖可知，實驗溫度曲線與設(shè)定溫度曲線基本一致，且溫度波動在0.3 ℃以內(nèi)。對恒溫階段的實驗溫度曲線進(jìn)行局部放大（見圖20（b）），發(fā)現(xiàn)勻熱塊溫差在7 ℃以內(nèi)。特別地，用于熱壓印的20 mm×30 mm中心區(qū)域的溫差在2 ℃左右。

圖20 控溫加熱700 ℃Fig.20 Heating to 700 ℃ under control

控溫加熱實驗結(jié)果表明：加熱模塊的實測溫度與溫控系統(tǒng)的設(shè)定溫度基本一致，溫控精度能滿足低熔點玻璃［29］（轉(zhuǎn)化點小于600 ℃）和部分高熔點玻璃的成形需求。此外，在保證控溫精度的同時，加熱速率快且表面溫度分布均勻性好，能很好地滿足玻璃快速熱壓印的成形需求。

5.2 熱壓印裝置

將優(yōu)化設(shè)計與制造的快速加熱模塊安裝在圖21所示的熱壓印裝置中，可用于玻璃微納光學(xué)元件的高效制造。該裝置由精密加載模塊、快速加熱模塊和多軸運動平臺組成。其中，精密加載模塊實現(xiàn)壓印力的精確調(diào)整；加熱模塊實現(xiàn)快速均勻加熱；多軸運動平臺實現(xiàn)玻璃坯料的精確定位。在快速加熱模塊與多軸運動平臺間放置云母板，大幅度減少熱量向運動平臺傳遞，以保證設(shè)備正常運行。

圖21 熱壓印裝置Fig.21 Hot embossing machine

5.3 熱壓印結(jié)果

為防止零部件的高溫氧化，將熱壓印裝置放置在密封的手套箱內(nèi)，并提供氬氣氛圍。通過優(yōu)化熱壓印的工藝參數(shù)，將碳化硅模具表面的微結(jié)構(gòu)高效精確地復(fù)制到N-BK7玻璃表面。圖22（a）～22（c）比較了碳化硅微溝槽陣列模具和玻璃光柵元件的表面形貌。模具微溝槽的深度為4.745 μm±3.3 nm，玻璃表面微溝槽的高度為4.744 μm±1.3 nm，特征復(fù)制率達(dá)99.9%。圖22（d）～22（f）展示了碳化硅微孔陣列模具和玻璃微柱陣列的表面形貌。模具微孔的深度為4.686 μm±1.8 nm，玻璃表面微柱的高度為4.675 μm±9.1 nm，特征復(fù)制率達(dá)99.8%。

圖22 碳化硅和玻璃的微溝槽和微孔陣列表面形貌Fig.22 Surface topography of silicon carbide mold and glass microstructure arrays

6 結(jié) 論

本文設(shè)計制造了一種基于氮化硅陶瓷加熱片的加熱模塊，并搭建了加熱測試平臺。建立加熱模塊有限元模型，進(jìn)行實驗驗證后，利用正交試驗方法優(yōu)化加熱模塊中發(fā)熱元件的位置分布參數(shù)，如勻熱塊寬度、兩陶瓷加熱片間距、勻熱塊厚度、加熱片與勻熱塊上表面距離。開展恒電壓加熱實驗，利用嵌入勻熱塊表面的12根熱電偶實時監(jiān)測其表面溫度。在恒定220 V電壓下加熱180 s時，勻熱塊表面溫度可達(dá)840 ℃，溫差為14.5 ℃。將有限元仿真與實驗結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩者比較接近，從而驗證了有限元模型的準(zhǔn)確性。以勻熱塊尺寸和發(fā)熱元件位置分布為優(yōu)化變量，加熱模塊的加熱速率和表面溫度分布均勻性為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合有限元仿真和正交試驗方法，對加熱模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的勻熱塊進(jìn)行220 V恒電壓加熱測試。實驗表明，從25 ℃加熱到600 ℃需95 s左右，中低溫段升溫速率可達(dá)363 ℃/min；從600 ℃加熱到850 ℃需85 s左右，高溫段升溫速率為176 ℃/min。而且，加熱180 s時，優(yōu)化后的勻熱塊溫差由14.5 ℃降低至10.7 ℃，表現(xiàn)出更好的表面溫度均勻性，從而驗證了有限元仿真結(jié)合正交試驗進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的有效性。設(shè)計了精密溫控系統(tǒng)，控溫加熱700 ℃時，實測溫度與設(shè)定溫度基本一致，且溫度波動在0.3 ℃以內(nèi)。尤其，勻熱塊中心20 mm×30 mm區(qū)域溫差在2 ℃左右，能很好滿足玻璃熱壓印的成形需求。利用自主設(shè)計制造的快速加熱模塊和精密溫控系統(tǒng)搭建高溫?zé)釅河⊙b置，成功地在高軟化點玻璃（如N-BK7玻璃）表面成形出高質(zhì)量微光柵與微圓柱陣列，驗證了快速加熱模塊在玻璃微納結(jié)構(gòu)元件熱壓印成形的應(yīng)用。