CN107399713B - 基于功能材料微纳三维复杂结构的原位反应直写制造方法 - Google Patents

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Abstract

基于功能材料微纳三维复杂结构的原位反应直写制造方法，先使用电脑建模软件绘制微纳尺度的三维结构或零件实体模型，设计结构化模板与基板之间的移动路径、速度，并编写控制移动的数控代码；然后在接受平台中注入母液，创造液态的制造环境，母液将参与后续的原位反应以实现原位直写制造；再通过3d制造出微纳尺度的三维结构或零件实体；将微纳尺度的三维结构或零件实体从母液构成的环境中取出，得到具有复杂微纳三维结构或零件实体；或将母液固化，使得微纳尺度的三维结构或零件实体内嵌在固化后的材料中，形成具有一定内部结构的功能材料；本发明极大提高三维微纳制造的精度和分辨率，加快制造的效率，具有工艺简单、成本低、制造周期短等优点。

Description

基于功能材料微纳三维复杂结构的原位反应直写制造方法
技术领域
本发明属于微纳制造技术领域，具体涉及一种基于功能材料微纳三维复杂结构的原位反应直写制造方法。
背景技术
功能材料应用日趋广泛，相对于传统的结构材料，其具有包括光、电功能，磁功能，分离功能，形状记忆功能等，其功能的可设计性赋予了这类材料无限的可能和广阔的应用前景。在微纳机电系统、生物医疗、组织工程、新材料、新能源、微流控器件、微纳光学器件等领域有着巨大应用前景的微纳三维复杂结构与功能材料相结合，在提升各自原有应用领域中的表现之外，更涵盖和扩展出了超材料、曲面上智能蒙皮、轻质微桁架等应用领域，应用前景十分广阔。但现在的各种微纳制造技术无论从技术层面还是在生产率、成本、材料等方面还难以满足高效、低成本、批量化制造三维微纳复杂结构的工业级应用的需求。高效、低成本、批量化制造三维微纳复杂结构(尤其是大面积三维微纳复杂结构)一直被认为是一项国际化难题，也是当前国际上和产业界的研究热点，以及亟待突破的瓶颈问题。
目前常规的微纳结构制造工艺，如，光学光刻、电子束光刻、干涉光刻、激光微细加工、软光、纳米压印光刻等微纳制造技术，在结构复杂度上，主要实现2维或者2.5维微纳结构(简单几何图形)制造，难以实现真三维复杂微纳结构的制造；在待加工材料的范围上，主要适应于聚合物类或金属类的单一材料，难以实现适应多种功能材料的一体化成型。另外，现有的这些微纳制造方法还面临设备和掩模(或者模具)昂贵、制造成本高、周期长、加工效率低等问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种基于功能材料微纳三维复杂结构的原位反应直写制造方法，不仅可以极大提高三维微纳制造的精度和分辨率，而且可以很容易地制造出传统制造和加工工艺无法实现的微纳三维复杂结构，大大加快了制造的效率，具有制造工艺简单、成本低、制造周期短、可行性高、诱导模板可多次利用等优点。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于功能材料微纳三维复杂结构的原位反应直写制造方法，包括以下步骤：
1)使用电脑建模软件绘制微纳尺度的三维结构或零件实体模型，再通过软件或人工的方式，根据所需制造的微纳尺度的三维结构或零件实体，设计结构化模板与基板之间的移动路径、速度和顺序，并编写控制结构化模板或基板平台移动的数控代码；
2)在接受平台中注入母液，创造液态的制造环境，同时母液也将直接参与后续步骤中的原位反应与微纳尺度的复杂三维结构或零件实体的制造；
3)将功能材料溶液装入精密数控挤出装置内，调整功能材料溶液的挤出速度，然后将结构化模板与精密数控挤出装置连接，并调整接受平台的位置和结构化模板的高度，使结构化模板在接收平台的坐标系中具有固定可知的位置；
4)通过数控X、Y、Z轴精密移动平台控制结构化模板或接收平台按照步骤1)中设计好的移动路径、速度和顺序进行立体空间移动，当功能材料溶液通过结构化模板挤出而形成微纳尺寸的液态线条时，通过控制功能材料溶液与母液进行原位反应条件的方式来调控微纳功能材料丝的固化程度，使微纳功能材料丝具有所需的固定形态与强度，并且使微纳功能材料丝与相邻微纳功能材料丝之间牢固融合并形成稳定可靠的结构；通过不断调控结构化模板的立体空间运动和数控挤出装置的挤出速率，即在接受平台上通过原位反应直写的方式制造出所设计的微纳尺度的三维结构或零件实体；
5)将步骤4)制造好的微纳尺度的三维结构或零件实体从母液构成的环境中取出，得到具有复杂微纳三维结构或零件实体；或将母液固化，使得微纳尺度的三维结构或零件实体内嵌在固化后的材料中，形成具有一定内部结构的功能材料。
所述的步骤1)中的三维结构或零件模型的每一个实际结构的尺寸或分辨率均为100nm-500um。
所述的步骤2)中的母液为能够通过原位化学反应固化的功能材料溶液，包括但不限于聚二甲基硅氧烷(PDMS)主体剂、成分为丙烯酸改性环氧胶或环氧胶的两液混合硬化胶的本胶、光敏树脂。
所述的步骤3)中的结构化模板的有效幅面均为20-50mm，结构化模板的单个微孔的直径为100nm-50um，结构化模板的微孔之间的间距为1-50um。
所述的步骤3)中的结构化模板的微孔阵列分布和微孔的长度均根据所使用的功能材料的性能和所需制造微纳尺度三维结构或零件实体的形状的实际要求而进行设计，均匀分布或按照一定的规律分布；同一结构化模板上的微孔具有统一长度，或按照实际需求选择不同的长度。
所述的步骤3)中的结构化模板的微孔包括但不仅限于阵列化微毛细管、微锥形孔以及微喷头。
所述的步骤3)中的功能材料溶液的挤出速度为0.05～10ml/h。
所述的步骤3)中的功能材料溶液为液态功能材料或功能材料微纳颗粒与液态粘结剂的混合溶液，功能材料溶液包括但不仅限于聚合物溶液、含有金属或金属氧化物离子的溶液，包括PDMS(聚二甲基硅氧烷)、紫外光固化胶(NOA81、卡夫特)、氯化铜溶液，或将上述材料作为功能材料溶液的溶剂，在其中添加碳纳米管、纳米石墨烯、纳米陶瓷颗粒或铁磁性材料(纳米钴粉)。
所述的步骤3)中的精密数控挤出装置为精密注射泵或精密气动泵。
所述的步骤4)中的X、Y、Z轴精密移动平台为手动精密三维坐标移动台或数控电动精密三维坐标移动台。
本发明具有以下有益效果：
由于本发明采用了微纳尺度的原位反应、高精度结构化模板直写与3d制造相结合的制造方法，所以具有可以降低功能材料复杂结构的制造成本和制造难度的优点，具有工艺简单、成本低、制造周期短、可行性高、可选材料范围广等。根据种类繁多的功能材料的成分和比例不同，可以实现多种材料的混合制造、嵌入式制造、超材料制造和梯度功能材料的制造，可应用于微机电系统、生物医疗、组织工程、微纳光学器件、曲面上智能蒙皮、轻质微桁架等领域。通过微纳尺度的结构化模板的复杂阵列，可以极大提高加工效率，实现大范围、跨尺度的复杂微纳结构功能材料的制造，大幅提高了微纳三维成型技术的成型精度，极大扩充微纳三维成型制造技术的材料选择范围和应用领域。
附图说明
图1为本发明建模、制造路径规划和模板诱导制造的流程示意图。
图2为本发明制造功能材料微纳三维复杂结构试验台的示意图。
图3为结构化模板的示意图，其中图(a)为阵列的结构化模板示意图，图(b)为单个喷孔单元的结构化模板示意图。
图4为结构化模板立体直写制造功能材料微纳三维复杂结构的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
一种基于功能材料微纳三维复杂结构的原位反应直写制造方法，包括以下步骤：
1)参照图1，使用电脑建模软件绘制微纳尺度的三维结构或零件实体模型，再通过软件或人工的方式，根据所需制造的微纳尺度的三维结构或零件实体，设计结构化模板与接受平台基板之间的移动路径、速度和顺序，并编写控制结构化模板或接受基板平台移动的数控代码；
2)参照图2，在接受平台中注入母液，创造液态的制造环境，同时母液也将直接参与后续步骤中的原位反应与微纳尺度的复杂三维结构或零件实体的制造；
3)参照图2、图3、图4，将功能材料微纳颗粒与液态粘结剂的混合溶液或液态功能材料装入精密数控挤出装置1内，调整液态功能材料的挤出速度，并选择微纳尺度的结构化模板3，结构化模板3分为复杂阵列挤出的结构化模板和单个挤出的结构化模板，结构化模板3与精密数控挤出装置1的连通管道2的末端连接，并固定在X、Y、Z轴精密移动三维平台上，将结构化模板3的端部与接受平台的容器槽4的底部基板进行对准操作，建立确定的相对位置关系或计算机控制程序可用的空间坐标系，所述精密数控挤出装置1为精密注射泵或精密气动泵；
4)参照图4，通过数控X、Y、Z轴精密移动三维平台控制结构化模板3或接受平台的容器槽4按照设计好的移动路径、速度和顺序进行移动，当功能材料溶液通过结构化模板3挤出形成微纳尺寸的液态线条时，通过控制功能材料与母液进行原位反应条件的方式来调控微纳功能材料丝的固化程度，使微纳功能材料丝具有所需的固定形态与强度，并且使微纳功能材料丝与相邻微纳功能材料丝之间牢固融合并形成稳定可靠的结构；通过不断调控结构化模板的立体空间运动轨迹和精密数控挤出装置1的挤出速率，即在接受平台的容器槽4内通过原位反应直写的方式制造出所设计的微纳尺度的三维结构或零件实体5；其中液体功能材料从结构化模板中的挤出速度为0.05～10ml/h，结构化模板或接受平台运动过程中，结构化模板与接受平台之间移动的相对速度为10～600um/s；
5)将制造好的微纳尺度的三维结构或零件实体5从母液构成的环境中取出，得到具有复杂微纳三维结构或零件实体；或将母液固化，使得微纳尺度的三维结构或零件实体5内嵌在固化后的材料中，形成具有一定内部结构的功能材料。
所述的母液为可通过原位化学反应固化的功能材料溶液，包括但不限于PDMS主体剂、两液混合硬化胶的本胶(主要成分为丙烯酸改性环氧胶或环氧胶)或光敏树脂。
所述的功能材料溶液为液态功能材料或功能材料微纳颗粒与液态粘结剂的混合溶液，其中功能材料溶液包括但不仅限于聚合物溶液、含有金属或金属氧化物离子的溶液，如PDMS(聚二甲基硅氧烷)、紫外光固化胶(如NOA81、卡夫特等)、氯化铜溶液等，或将上述材料作为功能材料溶液的溶剂，在其中添加碳纳米管、纳米石墨烯、纳米陶瓷颗粒或铁磁性材料如纳米钴粉等；
其中，X轴与Y轴组成的平面与水平面平行，且X轴与Y轴相互垂直，Z轴与水平面垂直。
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述。
实施例：一种基于功能材料微纳三维复杂结构的原位反应直写制造方法，包括以下步骤：
1)参照图1，使用电脑建模软件绘制微纳尺度的三维结构或零件实体模型，然后通过软件或人工的方式，根据所需制造的微纳尺度的三维结构或零件实体，设计结构化模板与接受平台基板之间的移动路径、速度和顺序，并编写控制结构化模板或接受平台基板移动的数控代码；
2)参照图2，在接受平台的容器槽4中加入已经进行15min抽真空处理的PDMS主体剂作为母液，创造液态的制造环境，同时母液也将直接参与后续步骤中的原位反应；其高度应大于三维结构的总体高度，并对该接受平台的容器槽4中的母液(即PDMS主体剂)均匀加热，加热温度在70℃～100℃之间；
3)参照图2，将均匀混合了纳米钴粉颗粒的PDMS固化剂的溶液装入精密数控挤出装置1内，控制功能材料溶液的挤出速度为0.4ml/h，将微纳尺度的结构化模板3与精密数控挤出装置1的连通管道2的末端连接，控制微纳尺度的结构化模板3与接受平台的容器槽4的底面恰接触；
4)参照图2、图4，通过数控X、Y、Z轴精密移动三维平台控制微纳尺度的结构化模板3或接受平台的容器槽4按照设计好的立体空间轨迹进行移动，保持微纳尺度的结构化模板3与接受平台的容器槽4的相对运动速度为2mm/s，微喷孔挤出的均匀混合了直径为50nm的钴粉的PDMS固化剂溶液与加热至80-100℃的PDMS主体剂接触后，会使液态的PDMS主体剂发生固化，且仅在PDMS固化剂存在的空间范围内发生固化，从而与相邻的平台基底或相邻的微纳细丝间形成牢固融合并形成稳定可靠的结构，从而在接受平台的容器槽4中通过原位反应直写的方式制造出所设计的微纳尺度的三维结构或零件实体5；
5)将具有微纳尺度的三维结构或零件实体5从PDMS主体剂溶液中取出，并使用丙酮溶液在室温下进行浸泡、冲洗，洗去其上附着的未固化的PDMS主体剂；随后，在70℃条件下对得到的功能材料微纳三维复杂结构进行烘干，即可获得所设计的具有微纳结构的功能材料三维复杂结构实体。
配置功能材料溶液时，按照PDMS的固化剂和纳米钴粉的质量比为1:1的比例在PDMS的固化剂中混入直径为50nm的纳米钴粉，并搅拌均匀，此时母液为PDMS的主体剂。需要注意的是，PDMS的主体剂和固化剂分开配置，不进行混合。

Claims (13)

1.一种基于功能材料微纳三维复杂结构的原位反应直写制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)使用电脑建模软件绘制微纳尺度的复杂三维结构或零件实体模型，再通过软件或人工的方式，根据所需制造的微纳尺度的复杂三维结构或零件实体，设计结构化模板与接受平台之间的移动路径、速度和顺序，并编写控制结构化模板或接受平台移动的数控代码；
2)在接受平台中注入母液，创造液态的制造环境，同时母液也将直接参与后续步骤中的原位反应与微纳尺度的复杂三维结构或零件实体的制造；
3)将功能材料溶液装入精密数控挤出装置内，调整功能材料溶液的挤出速度，然后将结构化模板与精密数控挤出装置连接，并调整接受平台的位置和结构化模板的高度，使结构化模板在接受平台的坐标系中具有固定可知的位置；
4)通过数控X、Y、Z轴精密移动平台控制结构化模板或接受平台按照步骤1)中设计好的移动路径、速度和顺序进行立体空间移动，当功能材料溶液通过结构化模板挤出而形成微纳尺寸的液态线条时，通过控制功能材料溶液与母液进行原位反应条件的方式来调控微纳功能材料丝的固化程度，使微纳功能材料丝具有所需的固定形态与强度，并且使微纳功能材料丝与相邻微纳功能材料丝之间牢固融合并形成稳定可靠的结构；通过不断调控结构化模板的立体空间运动和数控挤出装置的挤出速率，即在接受平台上通过原位反应直写的方式制造出所设计的微纳尺度的复杂三维结构或零件实体；
5)将步骤4)制造好的微纳尺度的复杂三维结构或零件实体从母液构成的环境中取出，得到具有微纳尺度的复杂三维结构或零件实体；或将母液固化，使得微纳尺度的复杂三维结构或零件实体内嵌在固化后的材料中，形成具有一定内部结构的功能材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于功能材料微纳三维复杂结构的原位反应直写制造方法，其特征在于：所述的步骤1)中微纳尺度的复杂三维结构或零件模型的每一个实际结构的尺寸或分辨率均为100nm-500um。
3.根据权利要求1所述的一种基于功能材料微纳三维复杂结构的原位反应直写制造方法，其特征在于：所述的步骤2)中的母液为能够通过原位化学反应固化的功能材料溶液。
4.根据权利要求3所述的一种基于功能材料微纳三维复杂结构的原位反应直写制造方法，其特征在于：所述的能够通过原位化学反应固化的功能材料溶液是聚二甲基硅氧烷(PDMS)主体剂、成分为丙烯酸改性环氧胶或环氧胶的两液混合硬化胶的本胶、光敏树脂。
5.根据权利要求1所述的一种基于功能材料微纳三维复杂结构的原位反应直写制造方法，其特征在于：所述的步骤3)中的结构化模板的有效幅面均为20-50mm，结构化模板的单个微孔的直径为100nm-50um，结构化模板的微孔之间的间距为1-50um。
6.根据权利要求5所述的一种基于功能材料微纳三维复杂结构的原位反应直写制造方法，其特征在于：所述的步骤3)中的结构化模板的微孔阵列分布和微孔的长度均根据所使用的功能材料的性能和所需制造微纳尺度的复杂三维结构或零件实体的形状的实际要求而进行设计，均匀分布或按照一定的规律分布；同一结构化模板上的微孔具有统一长度，或按照实际需求选择不同的长度。
7.根据权利要求5所述的一种基于功能材料微纳三维复杂结构的原位反应直写制造方法，其特征在于：所述的步骤3)中的结构化模板的微孔为阵列化微毛细管、微锥形孔或微喷头。
8.根据权利要求1所述的一种基于功能材料微纳三维复杂结构的原位反应直写制造方法，其特征在于：所述的步骤3)中的功能材料溶液的挤出速度为0.05～10ml/h。
9.根据权利要求1所述的一种基于功能材料微纳三维复杂结构的原位反应直写制造方法，其特征在于：所述的步骤3)中功能材料溶液为聚合物溶液、含有金属或金属氧化物离子的溶液，或将聚合物溶液作为功能材料溶液的溶剂，在其中添加碳纳米管、纳米石墨烯、纳米陶瓷颗粒或铁磁性材料。
10.根据权利要求9所述的一种基于功能材料微纳三维复杂结构的原位反应直写制造方法，其特征在于：所述的聚合物溶液为PDMS或紫外光固化胶。
11.根据权利要求9所述的一种基于功能材料微纳三维复杂结构的原位反应直写制造方法，其特征在于：所述的含有金属或金属氧化物离子的溶液为氯化铜溶液。
12.根据权利要求1所述的一种基于功能材料微纳三维复杂结构的原位反应直写制造方法，其特征在于：所述的步骤3)中的精密数控挤出装置为精密注射泵或精密气动泵。
13.根据权利要求1所述的一种基于功能材料微纳三维复杂结构的原位反应直写制造方法，其特征在于：所述的步骤4)中的X、Y、Z轴精密移动平台为手动精密三维坐标移动台或数控电动精密三维坐标移动台。
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