CN104369254A - 一种制备三维陶瓷微器件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种制备三维陶瓷微器件的方法。本发明通过制备聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性模以代替传统的硬质模；制备高固相含量、低粘度的陶瓷浆料；将高固相含量陶瓷浆料加入PDMS弹性模中，采用离心辅助微模塑的方法进行注模；采用塑料薄膜代替传统的陶瓷基片作为基底进行干燥；最后经过脱模与烧结完成。本发明结合软刻蚀技术与粉末冶金技术的优点，首次采用塑料薄膜代替传统的陶瓷基片作为基底进行干燥和提出离心辅助的注模方法，具有生产成本低、实验操作简单快捷和可靠性高的优点，可用于三维陶瓷微器件的制备。

Description

一种制备三维陶瓷微器件的方法

技术领域

本发明涉及三维微纳器件技术领域，是三维陶瓷微器件的制备方法，特别涉及一种离心辅助微模塑制备陶瓷微器件的方法。

背景技术

陶瓷微器件因具有高硬度、耐高温、耐腐蚀和良好的生物兼容性等优异性能，具有极为广阔的应用前景。但是，陶瓷材料因其本身的高硬度和高脆性，很难进行高精度的机械加工。而现有的陶瓷微制备技术，如微立体光刻技术，选择性激光烧结，气溶胶喷墨打印，陶瓷粉末微注射成形等，具有需要复杂设备、加工速率低和生产成本高昂等缺点。软刻蚀技术是20世纪90年代G. M. Whitesides课题组基于传统光刻蚀技术提出的一系列技术，其共同特点是利用弹性模作为微结构转移元件，复制原始模板的微结构，再用此弹性模作为母模进行微结构的成形。软刻蚀技术为陶瓷微器件的制备提供了一种成本低廉、操作方法简单的净成形加工技术。

目前，软刻蚀技术制备陶瓷微器件的研究还处于起步阶段，已报道的方法主要基于将分散性良好的陶瓷浆料注入弹性模中，经干燥脱模后烧结得到成品。但这些方法中使用的陶瓷浆料固相含量较低，干燥时间长达2～5天，烧结收缩率大，不利于烧结。如在文献“Versatile crack-free ceramic micropatterns made by a modified molding technique”J. Am. Ceram. Soc. 2010;93:2574–8中，采用微模塑的方法，将固相含量为20 vol.%的陶瓷浆料注入聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性模中，在室温中干燥5天后脱模烧结制得微结构完整的陶瓷微流道和微阵列。此外，干燥是湿法成形陶瓷微器件最关键的工艺步骤之一。目前用软刻蚀技术制备陶瓷微器件，普遍使用陶瓷基片作为基底进行干燥，在干燥过程中，很容易在微器件表面形成裂纹。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备三维陶瓷微器件的方法，结合软刻蚀技术和粉末冶金技术，利用离心辅助微模塑方法制备三维陶瓷微器件。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

本发明通过制备聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性模以代替传统的硬质模；制备高固相含量、低粘度的陶瓷浆料；将高固相含量陶瓷浆料加入PDMS弹性模中，采用离心辅助微模塑的方法进行注模；采用塑料薄膜代替传统的陶瓷基片作为基底进行干燥；最后经过脱模与烧结完成。

一种制备三维陶瓷微器件的方法，其特征在于该方法依次步骤为：

聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性模的制备：

用刻蚀的具有微结构的硅片作为模板，用PDMS复制硅模板的微结构，作为母模；

制备高固相含量、低粘度的陶瓷浆料：

采用球磨工艺制备固相含量＞50 vol.%，粘度＜1 Pa·s的陶瓷浆料；

离心辅助微模塑，步骤包括：

将所制PDMS弹性模装入聚乙烯离心管中；

将所制的陶瓷浆料滴加在PDMS弹性模的微结构上；

进行离心辅助注模，待充形完全后，将PDMS弹性模取出；

干燥，步骤包括：

除去PDMS弹性模外多余的浆料；

在PDMS弹性模上覆盖一层塑料薄膜作为基底；

在PDMS弹性模上覆盖一层聚乙烯薄膜作为基底，向聚乙烯薄膜施加1 N的作用力直至浆料干燥完全；

脱模与烧结，步骤包括：

弯曲PDMS弹性模，取出制得的陶瓷微器件生坯；

对生坯进行烧结得成品。

所述的制备三维陶瓷微器件的方法，制备的高固相含量、低粘度的陶瓷浆料，采用粒径为1 nm～10 μm的陶瓷粉末作为原料，制备的浆料固相含量＞50 vol.%，粘度＜1 Pa·s。

所述的制备三维陶瓷微器件的方法，浆料原料，可以是所有粒径为1 nm～10 μm的陶瓷粉末，或他们的混合物。

所述的制备三维微器件的方法，陶瓷微器件的形成需要综合考虑的多个参数为：制备PDMS弹性模时的固化温度与固化时间，浆料的固相含量和粘度，离心过程中各工艺参数，干燥的参数，烧结的升温速率、烧结温度和烧结时间。通过严格控制各步骤中的工艺参数，可制得微结构完整，微结构尺寸复制精确的陶瓷微器件。

本发明对比已有技术具有以下优点：

1.    使用弹性模代替传统的硬质模；

2.    使用塑料薄膜代替传统的陶瓷基片作为基底；

3.    在浆料的充形过程中，采用离心辅助注模的方法进行注模。

本发明对比已有技术具有以下显著优点：

1.    干燥后陶瓷微器件生坯表面无裂缝，微结构尺寸复制精确，可靠性高；

2.    微结构表面平整；

3.    生坯更加致密，易于烧结；

4.    生产成本低廉、操作简单、生产周期短，具有大批量生产的潜力。

附图说明

图1—图3均为本发明实施例的示意图，其中：

图1为采用的硅模板。

图2为制备的PDMS弹性模。

图3为烧结后Al₂O₃微流道。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

本发明的基本思想是结合软刻蚀技术与粉末冶金技术，利用离心辅助微模塑方法实现陶瓷微器件的制备。

实施例1

以Al₂O₃微流道的制备为例。

（1）      PDMS弹性模的制备：

采用深反应离子刻蚀的具有微流道结构的硅片作为模板，其中微流道的尺寸为长4 mm×宽160 μm×高135 μm（如图1）。采用美国道康宁公司Sylgard 184聚二甲基硅氧烷（PDMS）复制硅模板的微流道结构作为母模，其中Sylgard 184预聚体与固化剂的体积比为10:1，固化温度为90 ℃，固化时间为2 h，PDMS弹性模的厚度控制在3 mm。制备的PDMS弹性模如图2。

（2）制备高固相含量、低粘度的Al₂O₃水基浆料：

采用平均粒径为0.15 μm的Al₂O₃粉末作为原料，加入聚丙烯酸铵（NH₄-PAA）作为分散剂，通过球磨20 h后制得分散性良好，固相含量高达50.2 vol.%的Al₂O₃水基浆料，其粘度为0.65 Pa·s。

（3）离心辅助微模塑：

将PDMS弹性模装入自制的聚乙烯离心管中，再将Al₂O₃水基浆料加入PDMS弹性模的微结构中，在离心加速度为1562 G的离心场中离心20 min。

（4）干燥：

除去PDMS弹性模外多余的浆料，在PDMS弹性模上覆盖一层聚乙烯薄膜作为基底，向聚乙烯薄膜施加1 N的作用力直至浆料干燥完全。

（5）脱模与烧结：

轻轻弯曲PDMS模将Al₂O₃微流道生坯剥离下来。烧结分为两个阶段：首先采用1 ℃/min的升温速率缓慢加热到650 ℃以热解掉生坯中的NH₄-PAA；第二个阶段采用5 ℃/min的升温速率快速加热到1550 ℃烧结1 h后自然冷却至室温，便可制得微结构完整，较为致密的Al₂O₃微流道（如图3）。

Claims (4)

1.一种制备三维陶瓷微器件的方法，其特征在于该方法依次步骤为：

聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性模的制备：

用刻蚀的具有微结构的硅片作为模板，用PDMS复制硅模板的微结构，作为母模；

制备高固相含量、低粘度的陶瓷浆料：

采用球磨工艺制备固相含量＞50 vol.%，粘度＜1 Pa·s的陶瓷浆料；

离心辅助微模塑，步骤包括：

将所制PDMS弹性模装入聚乙烯离心管中；

将所制的陶瓷浆料滴加在PDMS弹性模的微结构上；

进行离心辅助注模，待充形完全后，将PDMS弹性模取出；

干燥，步骤包括：

除去PDMS弹性模外多余的浆料；

在PDMS弹性模上覆盖一层塑料薄膜作为基底；

在PDMS弹性模上覆盖一层聚乙烯薄膜作为基底，向聚乙烯薄膜施加1 N的作用力直至浆料干燥完全；

脱模与烧结，步骤包括：

弯曲PDMS弹性模，取出制得的陶瓷微器件生坯；

对生坯进行烧结得成品。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，制备的高固相含量、低粘度的陶瓷浆料，采用粒径为1 nm～10 μm的陶瓷粉末作为原料，制备的浆料固相含量＞50 vol.%，粘度＜1 Pa·s。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，浆料原料，可以是所有粒径为1 nm～10 μm的陶瓷粉末，或他们的混合物。

4.如权利要求1所述的制备技术，其特征在于，在步骤A中， Cr₂O₃粉末为机械破碎粉末，其粒径为20~80μm。