CN107366027B - 矽衍生化合物喷丝头的制备方法及喷丝头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种矽衍生化合物喷丝头的制备方法及喷丝头，根据预设图形，以矽材料制作喷丝头本体，喷丝头本体具有至少一个喷丝孔；在喷丝头本体整体或局部结构上从外到内衍生出矽的衍生化合物，衍生化合物用于在喷丝头本体整体或局部结构上衍生形成陶瓷、氧化矽功能层；对包括衍生化合物的的喷丝头本体进行宝石或金刚石层修饰，在喷丝头本体表面形成宝石层。本发明采用的以矽材料为整体基础原胚，制备矽衍生化合物喷丝头和宝石喷丝头，其完美整合了氧化矽、陶瓷、宝石表面修饰工艺，解决了现有喷丝头制造工艺中修饰层和基底层热失配现象，以及多层制造时的分层现象；并且使制备的喷丝头具有耐酸、耐碱、耐磨、耐高温特性，易于批量生产。

Description

矽衍生化合物喷丝头的制备方法及喷丝头

技术领域

本发明涉及微机电系统(Micro electro mechanical Systems，MEMS)加工技术领域，具体地，涉及矽衍生化合物喷丝头的制备方法及喷丝头。

背景技术

喷丝头是纺织机械和3D打印中非常关键的部件，其性能将直接影响到打印和纺织出来的产品的质量。传统的喷丝头的喷嘴结构主要借助于精密机械钻孔得到，其制造的喷嘴结构单一，尺寸精度低下。

目前，为了提高加工精度和效率，提出了采用UV-LIGA(紫外光刻、电镀和压膜)技术，从而实现喷丝孔的成批制造。但是，采用UV-LIGA技术的微电铸的金属材料主要是金、银、铜、镍。其中，唯有镍的强度还能勉强满足喷丝头高温高压的要求，但是，镍无法承受酸碱的长时间的侵蚀。若采用陶瓷进行表面修饰，又会因为应力面过大，使得喷丝头表面发生严重龟裂。此外，采用UV-LIGA技术制作时喷丝孔的喷嘴和导孔要分两次加工，由于需要分两次加工，使得层与层之间的结合力不佳，从而导致喷嘴和导孔分层的现象出现。UV-LIGA技术采用电镀、溅射等方法形成的表面保护膜，由于是多次加工形成且不是同一材质，因此，在纺丝加热过程中，热失陪严重，会致使喷丝头无法正常使用。

进一步地，中国科学院矽酸盐研究所，尝试制备玻璃喷丝头，但由于加工手段限制，喷丝头只能加工常规的圆形孔，且加工的玻璃厚度有限，无法承受高压。其次，由于配套的帽体是金属制造的，热失陪会经常使氧化矽开裂。上海钟表厂也尝试过用红宝石镶嵌的方法制作喷丝头，但也是由于镶嵌的喷丝头和金属基底的结合率不佳，导致喷丝孔脱落，喷丝头失效。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种矽衍生化合物喷丝头的制备方法及喷丝头。

根据本发明提供的一种矽衍生化合物喷丝头的制备方法，包括：

根据预设的图形，以矽材料制作喷丝头本体，所述喷丝头本体具有至少一个喷丝孔；

在所述喷丝头本体的整体或者局部结构上从外到内衍生出矽的衍生化合物，所述衍生化合物用于在所述喷丝头本体的整体或者局部结构上衍生形成陶瓷、氧化矽功能层；

对包括衍生化合物的喷丝头本体进行宝石或金刚石层修饰，在所述喷丝头本体的表面形成宝石层。

可选地，所述根据预设的图形，以矽材料制作喷丝头本体，包括：

采用集成电路芯片制造工艺制作喷丝头本体；具体的：

根据预设图形制作掩膜板，所述掩膜板的镂空区域对应所述喷丝头本体的形状和/或喷丝孔的形状；

将掩膜板先后覆盖在矽材料基底的正反两面上，并对准正反面的图形，先后在矽材料基底的正反两面形成均匀的光刻胶层；

对矽材料基底的正面和/或背面进行紫外曝光，并显影出预设的图形；

采用物理和/或化学刻蚀方式，根据所述预设的图形在矽材料基底的正面和/或背面上刻蚀出喷丝头本体的三维结构。

可选地，所述根据预设的图形，以矽材料制作喷丝头本体，包括：

采用激光烧蚀工艺制作喷丝头本体；具体的：

根据所述喷丝头本体的预设图形的加工深度和宽度，调整激光的束斑、激光光强度；

通过激光烧蚀出喷丝头本体的三维结构。

可选地，所述根据预设的图形，以矽材料制作喷丝头本体，包括：

采用模具浇注工艺制作喷丝头本体；具体的：

利用导电材料制作喷丝头本体的模具；

在所述模具中对应喷丝孔电极的位置开设电极孔；

将预设形状的电极插入所述电极孔中；

在所述模具内注入矽的微晶粉末，盖上设有电极固定孔和高温绝缘垫片的模具上盖板；

对模具进行加温处理，以使矽的微晶粉末熔融为一体；

冷却固化后取出喷丝头本体，在所述喷丝头本体中通入氧气来烧蚀电极或者通过大电流烧蚀电极，得到预设形状的喷丝孔。

可选地，所述采用物理和/或化学刻蚀方式，包括：采用等离子、反应离子、氢氧化钠、四氟化碳、三氟化氮、六氟乙烷、全氟丙烷、三氟甲烷中的任一种在矽材料基底上进行刻蚀；

所述光刻胶层是以光为催化、固化剂对光刻胶进行图形化，所述光刻胶包括：正胶、负胶。

可选地，还包括：

在喷丝头本体上得到喷丝孔后，去除光刻胶层。

可选地，所述在所述喷丝头本体的整体或者局部结构上从外到内衍生出矽的衍生化合物，包括：

对喷丝头本体的整体或者局部结构进行氧化、碳化处理，生成氧化矽功能层和碳化矽功能层。

可选地，所述对包括衍生化合物的喷丝头本体进行宝石或金刚石层修饰，包括：采用等离子喷涂等工艺对喷丝头表面进行修饰。

可选地，所述喷丝孔的形状包括：任意形状。

根据本发明听得一种喷丝头，采用上述任一项所述的矽衍生化合物喷丝头的制备方法制作。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的矽衍生化合物喷丝头的制备方法，采用的以矽材料为整体基础原胚，制备矽衍生化合物喷丝头和宝石喷丝头，其完美整合了氧化矽、陶瓷、宝石的物理特质，使其成为整体同体同根同源熔融结构，解决了现有喷丝头制造工艺中，修饰层和基底层热失配的现象，以及多层制造的时的分层现象，而且能形成具有各类特质的矽衍生物功能层。并且使得制备的喷丝头具有耐酸、耐碱、耐磨、耐高温的特性，易于批量生产。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的矽衍生化合物喷丝头的制备方法的流程示意图；

图2为本发明实施例一提供的喷丝头的透视结构示意图；

图3为本发明实施例一提供的喷丝头的俯视结构示意图；

图4为本发明实施例一提供的喷丝头的功能结构层示意图；

图5为本发明实施例二提供的喷丝孔的形状示意图；

图中：

1-出丝孔；

2-第一层功能结构孔；

3-第二层功能结构孔；

4-矽基底；

5-宝石层；

6-耐高温陶瓷层；

7-氧化矽层；

8-矽衬底层。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。图1为本发明提供的矽衍生化合物喷丝头的制备方法的流程示意图，如图1所示，本发明中的方法可以包括：

S101、根据预设的图形，以矽材料制作喷丝头本体，所述喷丝头本体具有至少一个喷丝孔。

本发明可以采用集成电路芯片制造工艺、激光烧蚀工艺、模具浇注工艺制作喷丝头本体。具体的：以采用集成电路芯片制造工艺为例，包括如下步骤：

A1：根据应用需求绘制掩膜图形，然后根据平面图制作掩膜板。

A2：在矽基底两面均形成均匀的光刻胶层。

A3：在紫外曝光机上对基底正面进行紫外曝光。

A4：用显影液显影出所需图形，保护住不需要加工的部分。

A5：采用物理、化学或物理化学刻蚀，如:等离子、反应离子、氢氧化钠、四氟化碳等加工方法和加工材料，在基底上加工(刻蚀)出所需要的各种三维结构。

A6：将步骤A5中刻蚀完成后的三维结构，通过多晶衍生化技术，如：离子注入、扩散等工艺使已成型刻蚀完成后的三维结构，形成能耐矽刻蚀方法的氧化矽、陶瓷、陶瓷氧化矽等类型的共晶功能层，对已形成三维结构进行保护。

A7：采用精准双面对准技术对基底背面进行定位与紫外曝光。

A8：用显影液显影出所需图形，保护住不需要刻蚀的部分。

A9：再次采用物理、化学或物理化学刻蚀，如:等离子、反应离子体、氢氧化钠、四氟化碳，三氟化氮，六氟乙烷，全氟丙烷，三氟甲烷等刻蚀，在基体背面上刻蚀出所需要的各种三维结构。

A10：除胶，释放出喷丝孔结构，然后对整体或局部结构进行衍生化技术处理，如：氧化、碳化等处理，使喷丝口演变成耐磨、耐高温的材质。

A11：对喷丝头进行宝石层修饰，采用等离子喷涂等工艺对喷丝头表面进行修饰，使喷丝头生成宝石层，最终使喷丝头具备更优越的耐酸、耐碱、耐磨、耐高温的特性。

具体的：以采用激光烧蚀工艺为例，包括如下步骤：

B1：设计好喷丝头喷丝孔的形状和排布。

B2：将相关的数据输入全自动机械加工中心。

B3：根据喷丝头所需的加工的深宽比，调整激光的束斑、光强功率等参数。

B4：对矽材料加工成所需要的喷丝头和喷丝孔形状.

B5：对喷丝头整体或局部结构进行衍生化技术处理，如：氧化、碳化等处理，使喷丝口演变成耐酸、耐碱、耐磨、耐高温的材质。

B6：对喷丝头进行宝石层修饰，采用等离子喷涂等工艺对喷丝头表面进行修饰，使喷丝头生成宝石层，最终使喷丝头具备更优越的耐酸、耐碱、耐磨、耐高温的特性。

具体的：以采用模具浇注工艺为例，包括如下步骤：

C1：用导电材料(石墨烯、金属材料等)在机械加工中心加工一个类似像香炉一样的模具，在需要插放喷丝孔电极的地方，加工出放置电极的孔。

C2：将加工好的所需图形的电极(如：三叶形、卍字形等)，插入电极孔，然后在模具里倒入矽的微晶粉末，盖上带上电极固定孔和有高温绝缘垫片的模具上盖板，使电极精确定位，使模具上盖板与模具绝缘。

C3：将磨具整体放入高温炉里加温至矽的微晶粉末熔融为一体(上述两种制造方法，矽可为单晶和多晶，但浇注法，矽为多晶体)，如果电极是碳材料加热时高温炉里需加惰性气体加以保护，等喷丝头完全冷却固化后，再通入氧气将碳电极烧蚀掉，如果是金属电极则采用在电极上加大电流脱模的方法取出埋在矽里的电极，形成通孔。

C4：对喷丝板头整体或局部结构进行衍生化技术处理，如：氧化、碳化等处理，使喷丝口演变成耐酸、耐碱、耐磨、耐高温的材质。

C5：对喷丝头进行宝石层修饰，采用等离子喷涂等工艺对喷丝头表面进行修饰，使喷丝头生成宝石层，最终使喷丝头具备更优越的耐酸、耐碱、耐磨、耐高温的特性。

S102、在所述喷丝头本体的整体或者局部结构上从外到内衍生出矽的衍生化合物，所述衍生化合物用于在所述喷丝头本体的整体或者局部结构上衍生形成陶瓷、氧化矽功能层。

需要说明的是，矽是一种晶体，自然界多以多晶矽形式存在，而用以集成电路制造的是单晶结构存在的Si。单晶矽氧化后会形成二氧化矽，二氧化矽和碳高温反应后就能生成耐高温陶瓷-碳化矽。这些都是矽的化合衍生物；且为一体化同根同源同体。

衍生化技术是将单晶材料或化合物，采用化学和物理的方法，通过化学变换把化合物转化成类似化学结构的物质，即演变成另一种化合物的技术。

S103、对包括衍生化合物的的喷丝头本体进行宝石或金刚石层修饰，在所述喷丝头本体的表面形成宝石层。

进一步地，喷丝板和喷丝头在传统的工艺中是两类，但随着加工尺度的减小，它们已渐渐融为一体，本发明实施例中用微納加工工艺制造的微型喷丝板就是喷丝头。因此，本发明中的方法同样可以应用在喷丝板的制备，其所有制备的过程和工艺类似，此处不再赘述。

进一步地，本发明采用矽材料制作喷丝头本体，采用集成电路芯片制作工艺对矽材料基底进行处理，例如光刻、溅射等。通过预设图形(如：喷丝口和图形支撑架结构及导孔等结构)，以光为催化、固化剂对光刻胶进行图形化，随后光刻胶通过曝光、显影等方法形成所需刻蚀图形窗口，光刻胶可以是正胶也可以是负胶。

具体的，采用套刻工艺，可以是同面对准套刻，也可以是正反双面对准套刻，刻蚀的方法可以是物理刻蚀、化学刻蚀和物理化学刻蚀，如：选择对矽或氧化矽有腐蚀能力的气体(一般含氯或氟)，通过物理方法产生等离子体，同时通过加载偏转线圈等物理场的方式，对没有被保护膜保护裸露在腐蚀气体中的材料表面，形成离子加速轰击，从而起到加速刻蚀的效果。

下面结合具体实施例对本发明中的技术方案做更加详细的说明。

图2为本发明实施例一提供的喷丝头的透视结构示意图，图3为本发明实施例一提供的喷丝头的俯视结构示意图。如图2、图3所示，通过多次刻蚀，可以形成多层功能结构层，通过这些孔道和喷丝头可以通过键和技术，将各类喷丝头的孔道，头尾相连串联到一起，串联个数可以按照要求层层叠加。

采用激光烧蚀工艺制作喷丝头本体时，不仅经济，而且高效。尤其在对损坏的喷丝头的修复上体现出特有的优势。具体的，先将已损坏的孔道用激光刻蚀掉，然后根据烧蚀掉的形状、尺寸，用激光切割一块与其深度、尺寸匹配的材料，然后用激光刻蚀出所需要的图形，将做好的的喷丝孔置于烧蚀的大孔中，然后在喷丝孔的四周填充上矽或矽的衍生物微晶粉末，随后用激光焊接将其融化，使修补上的喷孔和原先的喷丝板形成一体。激光烧蚀法不仅可以加工各类孔形，而且大的喷丝板的修复非常有益，再如某一个孔可以将相应的矽微晶粉末或者氧化矽微晶粉末填充进一损坏的孔道内，用激光熔焊方法将矽微晶粉末或者氧化矽等微晶粉末熔融后固化，使损坏的孔道停止工作。

采用模具浇注工艺制作喷丝头本体时，用导高纯度石墨在机械加工中心加工一个类似像香炉一样的模具，在需要插放喷丝孔电极的地方，加工出放置电极的孔。

将加工好的所需图形的高纯度石墨电极(如：三叶形、卍字形等)，插入电极孔，然后在模具里倒入矽的微晶粉末，盖上带上电极固定孔的模具上盖板，使电极精确定位；

将磨具整体放入高温炉里加温至矽的微晶粉末熔融为一体，加热时高温炉里通惰性气体加以保护，等喷丝头完全冷却固化后，再通入氧气将石墨烧(形成二氧化碳)蚀掉，此种方法简单易行，矽和高纯度石墨(碳)接触本身就能产生耐高温的陶瓷(矽的衍生物)。方法简单一步到位，使喷丝板演变成耐酸、耐碱、耐磨、耐高温的材质。

对喷丝头进行宝石或金刚石层修饰，采用等离子喷涂等工艺对喷丝头表面进行修饰，使喷丝头生成宝石层，最终使喷丝头具备更优越的耐酸、耐碱、耐磨、耐高温的特性，或晶种生长的方法等方法，在陶瓷表面生长纳米金刚石膜，使其成为超级组合匹配，最大限度的延长喷丝头的使用寿命。

本发明中可以根据需要进行多次多维有选择性的刻蚀，例如：以一块整体材料进行加工，喷丝头内部各类结构连接处连接部分均是完整材料的本体连接，图形结构交汇处仍是完整的一体。如图5所示，也可以同时加工各类图形，如：S形，米字形等功能形图案。刻蚀的深宽比完全可以根据图形尺寸和刻蚀时间控制；同时加工的喷丝孔的数量、深宽比、线宽均可有喷丝头的需要决定。

具备陶瓷氧化矽属性的矽衍生物的生成可以通过将制备好的喷丝头置于高温炉里，通入氧气、氮气和置于焦油等方法，使其形成陶瓷、氧化矽或陶瓷氧化矽，具体可以根据使用需求选择不同的工艺组合，如先喷丝头整体放入高温炉里通氧，降温后再将出丝孔面放入焦油中，再次加温形成陶瓷氧化矽，其特质是以矽为本底基材，外延层可以根据需要形成不同特性的类陶瓷层，如碳化矽、氧化矽等，外延层是矽的各类衍生物，可以层层衍生，也可以实现同一层面，不同的部位的局部衍生，如喷丝头的顶部为疏水性材料，底部则可为亲水性材料。为进一步提高喷丝头的耐酸、耐碱、耐磨、耐高温的性能，本发明可以在矽的类陶瓷衍生物上，通过等离子体喷涂、晶种生长等方法，在喷丝头上修饰宝石层和金刚石层，使喷丝头性能更加优越。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种矽衍生化合物喷丝头的制备方法，其特征在于，包括：

根据预设的图形，以矽材料制作喷丝头本体，所述喷丝头本体具有至少一个喷丝孔；

在所述喷丝头本体的整体或者局部结构上从外到内衍生出矽的衍生化合物，所述衍生化合物用于在所述喷丝头本体的整体或者局部结构上衍生形成陶瓷、氧化矽功能层；

对包括衍生化合物的喷丝头本体进行宝石或金刚石层修饰，在所述喷丝头本体的表面形成宝石层；

其中：

所述根据预设的图形，以矽材料制作喷丝头本体，包括采用集成电路芯片制造工艺制作喷丝头本体或采用模具浇注工艺制作喷丝头本体；

-所述采用集成电路芯片制造工艺制作喷丝头本体，具体的：

根据预设图形制作掩膜板，所述掩膜板的镂空区域对应所述喷丝头本体的形状和/或喷丝孔的形状；

将掩膜板先后覆盖在矽材料基底的正反两面上，并对准正反面的图形，先后在矽材料基底的正反两面形成均匀的光刻胶层；

对矽材料基底的正面和/或背面进行紫外曝光，并显影出预设的图形；

采用物理和/或化学刻蚀方式，根据所述预设的图形在矽材料基底的正面和/或背面上刻蚀出喷丝头本体的三维结构；

-所述采用模具浇注工艺制作喷丝头本体，具体的：

利用导电材料制作喷丝头本体的模具；

在所述模具中对应喷丝孔电极的位置开设电极孔；

将预设形状的电极插入所述电极孔中；

在所述模具内注入矽的微晶粉末，盖上设有电极固定孔和高温绝缘垫片的模具上盖板；

对模具进行加温处理，以使矽的微晶粉末熔融为一体；

冷却固化后取出喷丝头本体，在所述喷丝头本体中通入氧气来烧蚀电极或者通过大电流烧蚀电极，得到预设形状的喷丝孔。

2.根据权利要求1所述的矽衍生化合物喷丝头的制备方法，其特征在于，所述采用集成电路芯片制造工艺制作喷丝头本体，其中所述采用物理和/或化学刻蚀方式，包括：采用等离子、反应离子、氢氧化钠、四氟化碳、三氟化氮、六氟乙烷、全氟丙烷、三氟甲烷中的任一种在矽材料基底上进行刻蚀。

3.根据权利要求1所述的矽衍生化合物喷丝头的制备方法，其特征在于，所述采用集成电路芯片制造工艺制作喷丝头本体，其中所述光刻胶层是以光为催化、固化剂对光刻胶进行图形化，所述光刻胶包括：正胶、负胶。

4.根据权利要求1所述的矽衍生化合物喷丝头的制备方法，其特征在于，所述采用集成电路芯片制造工艺制作喷丝头本体，还包括：

在喷丝头本体上得到喷丝孔后，去除光刻胶层。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的矽衍生化合物喷丝头的制备方法，其特征在于，所述在所述喷丝头本体的整体或者局部结构上从外到内衍生出矽的衍生化合物，包括：

对喷丝头本体的整体或者局部结构进行氧化、碳化处理，生成氧化矽功能层和碳化矽功能层。

6.根据权利要求1-4中任意一项所述的矽衍生化合物喷丝头的制备方法，其特征在于，所述对包括衍生化合物的喷丝头本体进行宝石或金刚石层修饰，包括：采用等离子喷涂工艺对喷丝头表面进行修饰。

7.根据权利要求1-4中任意一项所述的矽衍生化合物喷丝头的制备方法，其特征在于，所述喷丝孔的形状包括：任意形状。

8.一种喷丝头，其特征在于，采用权利要求1-7中任一项所述的矽衍生化合物喷丝头的制备方法制作。