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大連交通大學(xué)2017屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）實(shí)習(xí)（調(diào)研）報(bào)告
材料加工技術(shù)學(xué)報(bào)
用于控制表面形貌的潤(rùn)濕性的微加工
Takashi Matsumura a，F(xiàn)umio Iida a，Takuya Hirose a，Masahiko Yoshino b
a東京電機(jī)大學(xué)機(jī)械工程系，日本東京市立町區(qū)森旭朝日町，日本，120-8551，日本
b東京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與控制工程系，日本東京都目黒山山2-12-1日本152-8552
例子
文章歷史：
收到2011年10月23日
2012年4月17日修訂
接受2012年5月25日
可在線2012年6月23日
關(guān)鍵詞：微加工，F(xiàn)IB，沖壓，塑料成型，功能表面，疏水性，接觸角
摘要：提出微制造以制造具有微尺度結(jié)構(gòu)的疏水性表面。疏水性通過(guò)結(jié)構(gòu)中微柱的形狀和排列來(lái)控制。該結(jié)構(gòu)在大面積上以高生產(chǎn)率在以下工藝中制造：（1）通過(guò)聚焦離子束濺射在工具上制造結(jié)構(gòu);（2）通過(guò)使用結(jié)構(gòu)化工具的增量沖壓在金屬板上形成相反的結(jié)構(gòu);（3）通過(guò)模塑將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到塑料板上。還提出了連續(xù)的沖壓，用結(jié)構(gòu)??化工具在表面上精確地制造幾個(gè)結(jié)構(gòu)，其中結(jié)構(gòu)化工具的移動(dòng)間距被數(shù)字控制。通過(guò)在水滴測(cè)試中測(cè)量結(jié)構(gòu)化表面上的接觸角來(lái)討論表面形貌對(duì)疏水性的影響?；贑assie-Baxter模型，塑料板上的疏水性與結(jié)構(gòu)化表面上的固體部分相關(guān)。對(duì)于表面的較小的固體部分觀察到較大的接觸角。
一.引言
功能性表面不斷增加，對(duì)于不僅工業(yè)而且生物醫(yī)學(xué)用途的復(fù)雜裝置的需求。 Bruzzone等人討論了表面的功能特性，并回顧了功能表面的許多應(yīng)用（Bruzzone et al。2008）。表面功能也不僅受到材料性能的控制，而且也受到表面形貌的控制。當(dāng)通過(guò)數(shù)字控制的微加工在表面上制造微尺度結(jié)構(gòu)時(shí)，制造諸如功能梯度表面和功能集成表面的可控功能表面（Yoshino等人，2006）。
潤(rùn)濕性是表面上控制流體流動(dòng)和附著力的重要功能之一。疏水性和親水性表面與表面材料和表面結(jié)構(gòu)控制的表面能相關(guān)。自從表面活性劑研究領(lǐng)域拉普拉斯和楊的開(kāi)創(chuàng)性作品以來(lái)，許多研究已經(jīng)討論了液滴接觸角的潤(rùn)濕性（Hartland，2004）。作為用表面形貌控制潤(rùn)濕性的嘗試，Wenzel與表面粗糙度相關(guān)聯(lián)的潤(rùn)濕性，并提出了固體表面的潤(rùn)濕行為模型（Wenzel，1936）。 Cassie和Baxter還將疏水性與受控表面形貌聯(lián)系起來(lái)，并提出了結(jié)構(gòu)化表面的另一種模型（Cassieand Baxter，1944）。Patankar回顧了這些模型，并從能源角度進(jìn)行了很好的討論（Patanker，2003）。Onda等在分形表面上顯示疏水性（Onda等，1996）。 Bico等人基于早期的工作設(shè)計(jì)了具有微尺度結(jié)構(gòu)的疏水表面，并驗(yàn)證了其在水滴測(cè)試中的設(shè)計(jì)（Bico等，1999）。Bizi-Bandoki等人用飛秒激光治療來(lái)控制表面的潤(rùn)濕性（Bizi-Bandoki等，2011）。張等人改善了微測(cè)試裝置的表面性能（Zhang et al。2009）。
盡管施加表面結(jié)構(gòu)以改變潤(rùn)濕性，但是其大部分是通過(guò)蝕刻來(lái)加工的。然而，在蝕刻中，待加工的材料受到物理和化學(xué)性質(zhì)的限制。此外，工業(yè)裝置需要靈活的潤(rùn)濕性可控性。然后，蝕刻過(guò)程在設(shè)計(jì)時(shí)具有控制表面結(jié)構(gòu)的潤(rùn)濕性變化的一些困難。需要更靈活的工藝來(lái)制造用于控制潤(rùn)濕性的表面結(jié)構(gòu)。
機(jī)械加工是數(shù)值控制表面結(jié)構(gòu)的有效過(guò)程。機(jī)械加工中的微型化使用使微型工具和高精度運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)顯著發(fā)展。然后，微型切割，成型和注射成型最近已被應(yīng)用于微型零件的制造（Vollertsen等人，2004; Qin，2006）。討論了微形成的尺寸效應(yīng)，研究了FE模擬中的材料行為（Chen和Tsai，2006）。因?yàn)椴牧系木Я３叽缦鄬?duì)于加工尺寸較大，所以微觀形成已經(jīng)在材料科學(xué)方面進(jìn)行了討論（Yeh et al。2008）。提出了晶粒和晶界上的一些模型來(lái)模擬FEM中的材料行為（Ku和Kang，2003）。Wang等模擬了微觀形貌中的晶體可塑性（Wang et al。2009）。由于材料變形在微細(xì)成形過(guò)程中是關(guān)鍵的，因此已經(jīng)嘗試加熱輔助以改善變形過(guò)程中的流動(dòng)應(yīng)力。Peng et al分析了微型沖壓激光加熱（Peng et al。2004a，b，2007）。
微型注塑也是微型制造中的相關(guān)工藝。Sha et al討論了加工參數(shù)和幾何因子對(duì)三種不同聚合物材料微觀特征表面質(zhì)量的影響（Sha et al.2007）。宋等對(duì)超薄壁塑料件的成型進(jìn)行了參數(shù)研究（Song et al。2007）。 Grif fi ths 等將工具表面粗糙度與熔體流動(dòng)長(zhǎng)度和零件質(zhì)量相關(guān)聯(lián)（Grif fi ths et al。2007）。Larsson提出了3D聚合物特征的微型化，具有用于MEMS應(yīng)用的任意配置（Larsson，2006）。 一些納米壓印技術(shù)也已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)，最近隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用也越來(lái)越多。 Schift等人開(kāi)發(fā)了壓印光刻技術(shù)的多功能快速?zèng)_壓工藝（Schift et al。2005）。
本文介紹了功能表面的微觀制造，以控制表面形貌的潤(rùn)濕性。微尺度結(jié)構(gòu)以大的生產(chǎn)速率在微加工過(guò)程的序列中在表面上大面積地制造。這些過(guò)程控制結(jié)構(gòu)元件在設(shè)計(jì)時(shí)的形狀和對(duì)齊。根據(jù)Cassie的模型（Cassie和Baxter，1944），疏水表面上接觸角的變化與固體分?jǐn)?shù)相關(guān)，固體分?jǐn)?shù)是結(jié)構(gòu)元素上的液固接觸面積與表面總面積之比。然后，通過(guò)制造結(jié)構(gòu)化表面來(lái)討論表面形貌對(duì)疏水性的影響。
二. 結(jié)構(gòu)化表面的制造
1. 制造過(guò)程
具有表面形貌的功能表面的制造需要考慮生產(chǎn)效率以及結(jié)構(gòu)質(zhì)量。過(guò)程的功能要求是：
(1) 結(jié)構(gòu)要素應(yīng)為微尺度控制功能。
(2) 該結(jié)構(gòu)應(yīng)在足夠大的范圍內(nèi)加工控制表面功能的實(shí)際應(yīng)用。
(3) 結(jié)構(gòu)化表面應(yīng)以高生產(chǎn)率和低成本制造。
聚焦離子束濺射通常在微/納米級(jí)加工中有效。然而，在大面積上加工結(jié)構(gòu)需要很長(zhǎng)時(shí)間。然后，生產(chǎn)成本隨著生產(chǎn)時(shí)間的增加而增加。在本研究中，制造順序如圖1所示。1提出了提高生產(chǎn)率。微尺度結(jié)構(gòu)在以下過(guò)程中加工：
(1) 通過(guò)聚焦離子束濺射在工具上制造微尺度結(jié)構(gòu)。
(2) 然后，反向結(jié)構(gòu)通過(guò)增量沖壓形成金屬板。
(3) 最后，通過(guò)塑料成型將板上的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到聚合物上。
雖然在第一個(gè)過(guò)程中，該結(jié)構(gòu)在小于0.1平方的小面積內(nèi)加工，但第二個(gè)過(guò)程在短時(shí)間內(nèi)擴(kuò)展了結(jié)構(gòu)化區(qū)域。第三種方法與第一種方法相同的表面結(jié)構(gòu)以高生產(chǎn)率轉(zhuǎn)移到塑料板上。
2. 結(jié)構(gòu)化制造
微型結(jié)構(gòu)在由碳化鎢制成的工具上加工，其通常用于車削刀具中。加工區(qū)域是通過(guò)磨削刀具來(lái)指定的，如圖所示。2（a）。通過(guò)聚焦離子束濺射對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值控制。圖2（b）示出了結(jié)構(gòu)化工具的示例，其中在140m平方的面積中以60m的間距加工9個(gè)圓柱形微柱。直徑18米，高18米。加工結(jié)構(gòu)化工具可減少粗加工和精加工過(guò)程中的制造時(shí)間。使用濃度為2.0×10^ 14離子/平方厘米的離子。濺射在14 nA的探針電流下進(jìn)行8小時(shí)粗加工，然后在5.2 nA的探針電流下完成8.5小時(shí)的濺射。圖2（c）示出了用激光共聚焦顯微鏡測(cè)量的結(jié)構(gòu)化工具的橫截面中的剖面圖。由于深度比要測(cè)量的最大深度深，所以不能在柱體周圍獲得特征信號(hào)。
3. 結(jié)構(gòu)板制造
在金屬板上沖壓工具上的結(jié)構(gòu)以形成相反的結(jié)構(gòu)。 圖1所示的機(jī)器。 3（a）是為增量沖壓開(kāi)發(fā)的。機(jī)器用步進(jìn)電機(jī)控制三軸。X軸和Y軸以25nm的分辨率進(jìn)行控制。Z軸的分辨率為2.5 nm。結(jié)構(gòu)化工具安裝在上橫梁上。該結(jié)構(gòu)在Z軸上重復(fù)機(jī)臺(tái)的垂直運(yùn)動(dòng)，如圖所示。3（b）。兩個(gè)壓電測(cè)力計(jì)安裝在工作臺(tái)下，以檢測(cè)結(jié)構(gòu)化工具與工件的接觸，并控制沖壓負(fù)荷。結(jié)構(gòu)區(qū)域由X軸和Y軸的運(yùn)動(dòng)控制。
圖4（a）示出了通過(guò)圖1所示的結(jié)構(gòu)化工具以1.5mm正方形加工的鋁板上的結(jié)構(gòu)。2.在結(jié)構(gòu)化板的沖壓中，煤油用于減少工具與工件之間的摩擦。在12.5N的載荷下重復(fù)沖壓操作，其被確定為在與結(jié)構(gòu)工具上的柱高度相同的深度上形成凹坑。雖然開(kāi)發(fā)機(jī)器的加工時(shí)間不超過(guò)45分鐘，但是在較高性能的機(jī)器上沖壓速率將會(huì)提高。圖4（b）將板上形成的凹坑與結(jié)構(gòu)化工具上的柱的情況進(jìn)行比較，其中結(jié)構(gòu)化工具的圖案被倒置顯示。結(jié)構(gòu)化工具和板的平面是比較的參考。由于彈性恢復(fù)，凹坑深度的成形誤差或多或少為1 m，盡管材料行為應(yīng)以數(shù)值方式進(jìn)行分析，以獲得更精確的沖壓。盡管公差取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范，但是如下所述，誤差小到可以忽略在液滴測(cè)試中的潤(rùn)濕性。
4.塑膠成型
該結(jié)構(gòu)在塑料模塑中轉(zhuǎn)移到聚乙烯板上。圖1所示的成型機(jī)。這里通常使用SEM觀察樣品5（a）。塑料成型在180℃，180kPa的壓力下進(jìn)行40分鐘。應(yīng)該控制脫模中的運(yùn)動(dòng)，以防止結(jié)構(gòu)件的形狀變差。圖1所示的裝置。圖5（b）被開(kāi)發(fā)成以直線運(yùn)動(dòng)從模具中釋放塑料板。在由支撐裝置夾緊的金屬板上模制塑料材料。然后，在釋放裝置上用螺絲運(yùn)動(dòng)將塑料板從金屬板上釋放出來(lái)。釋放裝置的內(nèi)側(cè)作為運(yùn)動(dòng)指導(dǎo)。在操作中，成型時(shí)間受到成型機(jī)規(guī)格限制。傳統(tǒng)的注塑機(jī)可以顯著提高生產(chǎn)率。
圖6（a）示出了由圖1所示的結(jié)構(gòu)化金屬板模制的聚乙烯板上的結(jié)構(gòu)化表面。圖6（b）將塑料板上的支柱與金屬板上的凹坑的形狀進(jìn)行比較。雖然應(yīng)該對(duì)微尺度結(jié)構(gòu)中的塑性流動(dòng)進(jìn)行進(jìn)一步的討論，但是柱的結(jié)構(gòu)與凹坑的相似。與圖中的誤差相比較。如圖4（b）所示，塑料成型中的誤差小于成形誤差。增量沖壓成形誤差是制造順序中的主要因素。
5.連續(xù)控制微尺度結(jié)構(gòu)
作為該過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)改變結(jié)構(gòu)化工具的移動(dòng)間距來(lái)控制微尺度結(jié)構(gòu)。圖7示出了具有運(yùn)動(dòng)控制的增量沖壓過(guò)程的示例。使用結(jié)構(gòu)化工具在金屬板上加工不同的結(jié)構(gòu)。然后將這些結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到塑料板上。圖8（a）顯示了由8平方米的柱子組成的結(jié)構(gòu)化工具的例子。如圖所示，微凹坑在金屬上加工，改變間距。圖8（b）。最后，圖中所示的微柱。圖8（c）轉(zhuǎn)移到塑料板上。
雖然已經(jīng)將諸如化學(xué)蝕刻的其它方法應(yīng)用于表面結(jié)構(gòu)的加工，但是通過(guò)覆蓋在非加工區(qū)域上的掩模來(lái)唯一地確定結(jié)構(gòu)。同時(shí)，本文提出的過(guò)程，通過(guò)逐步運(yùn)動(dòng)的數(shù)字運(yùn)算來(lái)控制結(jié)構(gòu)，只使用增量沖壓中的一個(gè)結(jié)構(gòu)化工具。根據(jù)階段的分辨率，在指定的位置準(zhǔn)確地形成凹坑。如果為所有結(jié)構(gòu)制造結(jié)構(gòu)化工具，制造時(shí)間將需要更多的工具成本。由于刀具更換時(shí)的夾緊誤差，結(jié)構(gòu)的位置和方向的精度將會(huì)降低。具有圖1所示工具的工藝。7對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精確沖壓和靈活性是有效的。
三. 潤(rùn)濕性評(píng)估
1. 疏水表面與表面形貌
圖9（a）示出了聚乙烯板的平坦表面上的水滴。潤(rùn)濕性與液滴的接觸角，蒸汽-液體和液-固邊界之間的角度有關(guān)。疏水表面的接觸角大于90°，疏水性增加。眾所周知，接觸角取決于表面粗糙度。粗糙表面的接觸角大于疏水材料的平坦表面的接觸角。溫澤爾和卡西（Wenzel）和卡西（Cassie）提出了模型的表面結(jié)構(gòu)（Wenzel，1936; Cassie和Baxter，1944）。根據(jù)Cassie的模型，液相由結(jié)構(gòu)元素支撐，氣相滲透在液體彎液面之下，如圖1所示。9（b）。因此，結(jié)構(gòu)化表面上的接觸角增加。在Cassie模型中，表觀接觸角由下式給出：
cosθrc=?scosθe+?s-1 (1)
其中是平面上的接觸角;是結(jié)構(gòu)化表面的固體部分。聚乙烯板的接觸角為96°，如圖1所示。9（a）。固體分?jǐn)?shù)是支柱上的液固接觸面積與總面積的比率。對(duì)于較大間距對(duì)齊的較小的支柱，估計(jì)較小的固體分?jǐn)?shù)
2. 結(jié)構(gòu)化表面上的疏水性
通過(guò)改變表面結(jié)構(gòu)測(cè)量接觸角，并與Cassie模型進(jìn)行比較。在這里8米長(zhǎng)的立柱與改變柱子之間的距離是一致的。柱的高度被設(shè)計(jì)為10m，使得氣相存在于不接觸結(jié)構(gòu)底部的液體彎月面之下。結(jié)構(gòu)中方柱的固體分?jǐn)?shù)為：
?s=(ad)2 (2)
其中a是方柱的一側(cè)的長(zhǎng)度，d是柱的間距。
圖10示出了表面結(jié)構(gòu)的實(shí)例，其中柱的間距為15μm和30μm，固體分?jǐn)?shù)分別為0.28和0.07。圖11（a）示出了表觀接觸角與固體分?jǐn)?shù)的變化，其中角度的方差小于平均值的5％。實(shí)線顯示了卡西的模型。（1），平面上的接觸角為96°。結(jié)構(gòu)化表面上的表觀接觸角隨著固體分?jǐn)?shù)的降低而增加。測(cè)量的接觸角的變化幾乎與Cassie的模型一致。然而，在高固體分?jǐn)?shù)下觀察到來(lái)自Cassie模型的測(cè)量的接觸角的差異。Cassie的模型討論了各向同性固體接觸的接觸角的變化，這不取決于柱的形狀和對(duì)準(zhǔn)。同時(shí)，測(cè)試結(jié)構(gòu)由矩形柱組成。因此，支柱的側(cè)面和對(duì)角線長(zhǎng)度不同。然后，支柱之間的柱與對(duì)角方向之間的距離在支柱的正交陣列中也不同。該誤差由形狀的各向異性和柱的對(duì)準(zhǔn)引起。當(dāng)固體接觸隨著固體部分增加時(shí)，各向異性對(duì)潤(rùn)濕性的影響增加。圖11（b）將水滴放在表面上的結(jié)構(gòu)化和平坦區(qū)域上。接觸角在結(jié)構(gòu)化表面上的固體分?jǐn)?shù)為0.07的大于150°，其中柱以30m的間距排列。圖11（b）證明了在本文所述工藝中加工的微尺度結(jié)構(gòu)的表面上不同的潤(rùn)濕性功能共存。
四. 結(jié)論
本文以高生產(chǎn)率提出了具有微尺度結(jié)構(gòu)的功能表面的制造順序。微型結(jié)構(gòu)在三個(gè)過(guò)程中制造。首先，通過(guò)FIB濺射在工具上制造微尺度結(jié)構(gòu)。然后，通過(guò)增量沖壓在金屬板上形成相反的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過(guò)模制最終轉(zhuǎn)移到塑料板上。第一個(gè)過(guò)程定義了微觀結(jié)構(gòu)元素的形狀和對(duì)齊。第二個(gè)過(guò)程擴(kuò)展了結(jié)構(gòu)化區(qū)域。最后一個(gè)過(guò)程會(huì)影響生產(chǎn)率。因此，表面結(jié)構(gòu)以大的生產(chǎn)率大面積地加工。作為該過(guò)程的主要優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)改變結(jié)構(gòu)化工具的移動(dòng)間距來(lái)控制表面結(jié)構(gòu)中柱之間的距離。在可控性方面，該方法在功能表面的制造精度和靈活性方面是有效的。
微觀結(jié)構(gòu)控制表面的潤(rùn)濕性。疏水性通常與固體成分相關(guān)，液-固界面面積與總面積的比值。由于制造過(guò)程以數(shù)字方式控制柱的形狀和對(duì)準(zhǔn)，所以通過(guò)改變結(jié)構(gòu)中柱的間距來(lái)測(cè)量接觸角。將接觸角的變化與Cassie的模型進(jìn)行了比較。 柱子的較大間距促進(jìn)了較高的疏水性，如Cassie的模型。最后，在一個(gè)特定的區(qū)域中加工了超疏水表面。由于在不改變材料的情況下進(jìn)行處理，表面結(jié)構(gòu)容易控制表面功能。
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