CN117020596A - 一种蘑菇形阵列通孔模具的生产方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种避免堵塞、易清洗的一种蘑菇形阵列通孔模具的生产方法及应用，包括步骤：圆孔阵列模具加工、热压成型、导电化处理、末端绝缘化、电铸；该方法得到的蘑菇形阵列通孔模具在辊压制备蘑菇形仿生阵列中的应用；其制得的金属模具机械强度高、导热率高、耐久性好，将蘑菇形盲孔的加工问题转换为蘑菇形通孔，通过诱导金属离子在3D局限空间的非均匀沉积形成蘑菇形通孔，有效解除了常规电沉积工艺中镀层形貌完全决定于芯模形貌的限制，简化了电铸芯模几何结构，降低了电铸芯模制造难度，而且提高了镀层形貌的可调控性。

Description

一种蘑菇形阵列通孔模具的生产方法及应用

技术领域

本发明涉及模具制造领域，具体是涉及一种仿生结构的模具，特别是一种蘑菇形阵列通孔模具的生产方法及应用。

背景技术

人们受自然界中甲虫、壁虎、苍蝇等生物的卓越黏附能力的启发，而制备出具有末端膨大结构特征的仿生黏附阵列，因其高黏压比、无残留、黏脱可控等一系列优点，在生物医疗、柔性抓取、攀爬机器人和太空操作等诸多领域具有广阔前景，成为当今仿生学中最受欢迎的商业化话题之一。而众多末端膨大的仿生黏附阵列的制备技术中，模塑成型技术因可高效率、高精度实现聚合物表面微结构的复制，是目前制备技术中的主流方法。现有模具通常采用硅基光刻模板或者软模板。然而，这两类模具要么加工成本昂贵，易磨损、易碎裂，模具寿命差，导致模具必须频繁更换，存在仪器昂贵、工序复杂、加工成本高等问题；要么容易变形，导致复制精度差，严重降低了制品的黏附性能，并且不耐高温，限制了某些热固性高分子聚合物的使用。因此，面向仿生黏附阵列的金属模具的可控制造工艺仍然是一个重要的技术需求。

然而用于制造具有末端膨大结构特征的仿生阵列的模具型腔由于型腔形貌复杂，是入口细长，底部膨大的盲孔结构，传统的减材制造方法（机械加工、激光加工）很难直接在金属上加工实现。激光加工、阳极氧化等常用于制备金属模具的方法很难直接加工。由于阵列密度高，孔密度大于2万/㎝²，如此高密度的微孔阵列极易因加工应力导致严重形变，加工效率低。3D 打印增材制造理论上可以实现，然而其“台阶效应”会严重影响金属模具的精度和脱模性能。黏附材料的性能和末端膨大微结构的高度，末端直径、微结构密度等密切相关，即仿生阵列的局部几何尺寸能显著影响黏附性能。常规微细电铸作为一种金属增材工艺可以实现，但前提是需要制备出与之匹配的蘑菇形阵列芯模。电铸芯模作为电铸微结构的胚体，对沉积形貌和质量起着决定性的作用。尽管现有理论研究已针对仿生黏附阵列的形状和尺寸提出了优化模型，但这些模型大多通过数值模拟和仿真计算获得，优化后的形貌加工难度极大，忽略了制造约束是设计过程中必须考虑的重要因素。由于仿生黏附材料微结构“膨大末端”的存在，传统的微电铸方法很难实现“膨大末端”遮挡部位金属镀层的完全填充，因此即使通过优化工艺填充完全，也还是存在电铸芯模的制造难题。

与此同时，金属模具由于其具备的盲孔式蘑菇状微坑，在实际运用过程中脱模不易，导致“盲孔”堵塞。而由于蘑菇形仿生阵列所采用的高分子聚合物的材料特性，使得堵塞在金属模具“盲孔”中的高分子聚合物材料不易清洗，从而制得的成品报废率高。

扫描电子显微镜（SEM）是一种介于透射电子显微镜和光学显微镜之间的一种观察手段。其利用聚焦的很窄的高能电子束来扫描样品，通过光束与物质间的相互作用，来激发各种物理信息，对这些信息收集、放大、再成像以达到对物质微观形貌表征的目的。新式的扫描电子显微镜的分辨率可以达到1nm；放大倍数可以达到30万倍及以上连续可调；并且景深大，视野大，成像立体效果好。此外，扫描电子显微镜和其他分析仪器相结合，可以做到观察微观形貌的同时进行物质微区成分分析。扫描电子显微镜在岩土、石墨、陶瓷及纳米材料等的研究上有广泛应用。因此扫描电子显微镜在科学研究领域具有重大作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种避免堵塞、易清洗的一种蘑菇形阵列通孔模具的生产方法及应用。

本发明是采用如下技术方案实现其发明目的的，一种蘑菇形阵列通孔模具的生产方法，其包括以下步骤：

⑴圆孔阵列模具加工：采用光刻方法或/和深硅刻蚀方法在光刻胶或硅晶圆表面加工出圆孔阵列，圆柱孔直径和孔密度均由掩膜图案决定，孔深则可通过光刻方法或/和深硅刻蚀工艺参数调控,得到圆孔阵列模具；

⑵热压成型：然后利用圆孔阵列模具对热熔性聚合物，如：PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯 ),PS(聚苯乙烯)，进行平面压印制备得到带球头的圆柱阵列；

⑶导电化处理：将预先制备好的带球头的圆柱阵列进行（表面）导电化处理，使带球头的圆柱阵列的所有表面形成电铸种子层；

⑷末端绝缘化：利用表面蘸取（绝缘涂层的）方法使导电化处理后的带球头的圆柱阵列的球状末端绝缘化，得到局部导电的3D限域电铸芯模；

⑸电铸：利用制备好的3D限域电铸芯模进行电铸，通过诱导（镀层金属的）金属离子在3D局域空间的非均匀沉积形成蘑菇形通孔；

电铸时应该根据形貌要求，严格控制好电铸时间，在镀层金属即将全部覆盖3D限域电铸芯模的球状绝缘末端时停止电铸；最后，移除3D限域电铸芯模便可得到蘑菇形阵列通孔模具。

本发明为了保证沉积形貌和质量，为获得所需曲率末端的微结构，实现芯模的微结构高度、直径大小、微结构密度以及末端形貌等参数的调控，所述的步骤⑵中所述的压印为温度110℃～120℃、压力500KPa～550KPa、保压时间15分钟～20分钟。

如上述蘑菇形阵列通孔模具在辊压制备蘑菇形仿生阵列中的应用，为使两端开口的通孔形成一端开口的冠状型腔，将蘑菇形阵列通孔（镍）模具裹在卷对卷纳米（辊压制备）压印装置的辊体圆柱面，利用周向预紧力使蘑菇形阵列通孔模具和衬底紧密贴合；对蘑菇形阵列通孔模具和衬底进行防粘处理，以确保蘑菇形末端顺利脱模；压印时，和聚合物预聚体均匀刮涂在PET薄膜上，根据聚合物种类设置固化问题，并通过辊体转速控制固化时间。

由于采用上述技术方案，本发明较好的实现了发明目的，其制得的金属模具机械强度高、导热率高、耐久性好，将蘑菇形盲孔的加工问题转换为蘑菇形通孔，通过诱导金属离子在3D局限空间的非均匀沉积形成蘑菇形通孔，有效解除了常规电沉积工艺中镀层形貌完全决定于芯模形貌的限制，简化了电铸芯模几何结构，降低了电铸芯模制造难度，而且提高了镀层形貌的可调控性。

附图说明

图1是本发明实施例1的步骤⑴中光刻方法和深硅刻蚀方法得到圆孔阵列模具的原理结构示意图；

图2是本发明中步骤⑵的原理结构示意图；

图3是本发明中步骤⑶、步骤⑷的原理结构示意图；

图4是本发明中步骤⑸的原理结构示意图；

图5是现有技术中电铸构筑盲孔A与本发明步骤⑸中电铸构筑通孔B的单个形貌结构对比示意图；

图6是本发明中3D局域诱导电沉积制备冠状微孔金属模具过程中单个微孔形貌演变机制仿真模拟；

图7是本发明中通孔镍模具辊压制备蘑菇形仿生阵列结构的原理图；

图8是采用蘑菇形阵列通孔模具压印聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)时不同压印参数下获得的微结构形貌指数；

图9是采用蘑菇形阵列通孔模具进行电化学沉积仿真模拟获得的微结构的镀层形貌照片；

图10是采用蘑菇形阵列通孔模具进行电化学沉积仿真模拟的微结构形貌指数；

图11是黏附结构制备及性能测试中蘑菇形仿生阵列的黏附结构的尖端扩展微观结构的照片和SEM图像；

图12是不同预压力下制备的蘑菇形仿生阵列结构的黏附性能的测试结果；

图13是0.02MPa预压力下不同脱附速度的黏附性能测试结果；

图14是不同压力下胶黏剂的黏附强度的测试结果；

图中：1.掩模板、2.光刻胶、3.硅晶圆、4.（深硅刻蚀）圆柱孔、5.圆孔阵列模具、6.热熔性聚合物、7.平面压印的钢性衬底、8.热压成型的球头、9.带球头的圆柱阵列、10.电铸种子层、11.绝缘涂层、12.3D限域电铸芯模、13.镀层金属、14.蘑菇形阵列通孔模具；

15.（辊压制备）辊体、16.辊压衬垫、17.蘑菇形仿生阵列、18.辊压加热模块、19.聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜、20.（辊压制备）支撑辊、21.聚合物顶聚体。

实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例

由图1至图6可知，一种蘑菇形阵列通孔模具的生产方法，其包括以下步骤：

⑴圆孔阵列模具加工：采用光刻方法或/和深硅刻蚀方法在光刻胶或硅晶圆表面加工出圆孔阵列，圆柱孔直径和孔密度均由掩膜图案决定，孔深则可通过光刻方法或/和深硅刻蚀工艺参数调控,得到圆孔阵列模具（本实施例采用了光刻方法和深硅刻蚀方法）；

⑵热压成型：然后利用圆孔阵列模具对热熔性聚合物进行平面压印制备得到带球头的圆柱阵列（本实施例所述的热熔性聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯）；

⑶导电化处理：将预先制备好的带球头的圆柱阵列进行表面导电化处理，使带球头的圆柱阵列的所有表面形成电铸种子层；

⑷末端绝缘化：利用表面蘸取方法使导电化处理后的带球头的圆柱阵列的球状末端绝缘化，得到局部导电的3D限域电铸芯模；

⑸电铸：利用制备好的3D限域电铸芯模进行电铸，通过诱导金属离子在局域空间的非均匀沉积形成蘑菇形通孔；

在镀层金属即将全部覆盖3D限域电铸芯模的球状绝缘末端时停止电铸；最后，移除3D限域电铸芯模便可得到蘑菇形阵列通孔模具。

本发明为了保证沉积形貌和质量，为获得所需曲率末端的微结构，实现芯模的微结构高度、直径大小、微结构密度以及末端形貌等参数的调控，所述的步骤⑵中所述的压印为温度110℃～120℃、压力500KPa～550KPa、保压时间15分钟～20分钟（本实施例所述的压印为温度110℃、压力500KPa、保压时间15分钟）。

由图7可知，如上述蘑菇形阵列通孔模具在辊压制备蘑菇形仿生阵列中的应用，为使两端开口的通孔形成一端开口的冠状型腔，将蘑菇形阵列通孔模具裹在（辊压制备）装置的辊体的圆柱面，利用周向预紧力使蘑菇形阵列通孔模具和衬底紧密贴合；对蘑菇形阵列通孔模具和衬底进行防粘处理，以确保蘑菇形末端顺利脱模；压印时，和聚合物预聚体均匀刮涂在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜上，根据聚合物种类设置固化问题，并通过辊体转速控制固化时间。

实施例

本实施例步骤⑴中采用的光刻方法；步骤⑵中所述的热熔性聚合物为聚苯乙烯(PS)。

本实施例所述的压印为温度115℃、压力520KPa、保压时间20分钟。

余同实施例1。

实施例

本实施例步骤⑴中采用的深硅刻蚀方法；步骤⑵中所述的热熔性聚合物为聚苯乙烯(PS)。

本实施例所述的压印为温度115℃、压力520KPa、保压时间20分钟。

余同实施例1。

实施例

本实施例步骤⑴中采用的深硅刻蚀方法；步骤⑵中所述的热熔性聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。

本实施例所述的压印为温度120℃、压力500KPa、保压时间15分钟。

余同实施例1。

实施例

本实施例所述的压印为温度120℃、压力550KPa、保压时间20分钟。

余同实施例1。

试验例：

1.压印调控电铸芯模微结构

对使用2D拓扑结构模具制造3D聚合物芯模进行了充分预研：使用平面热压装置、蘑菇形阵列通孔模具压印PMMA，通过调整不同的压印参数获得了不同曲率末端的微结构。

末端曲率情况如表1：

表1：压印参数对末端曲率的影响

样品	温度	压力	保压时间	末端曲率
					a	110℃	500KPa	15分钟	0.36
b	115℃	520KPa	20分钟	0.27
					c	120℃	500KPa	15分钟	0.14
d	120℃	550KPa	20分钟	0.10

如图8所示，样品a的末端曲率对应的压印参数为温度110℃、压力500KPa、保压时间15分钟；当压力和保压时间保持不变，压印温度升高到120℃时，获得的末端曲率如图的样品c；当压印参数调整为温度115℃、压力520KPa、保压时间20分钟，获得的末端曲率如图的样品b；当压印参数调整为温度120℃、压力550KPa、保压时间20分钟，获得的末端曲率如图的样品c。

蘑菇形阵列通孔模具压印PMMA的预实验充分证明了通过调整压印温度、时间和压力等参数可以调控电铸芯模微结构高度、球形末端曲率等；通过对热压过程中聚合物在微孔型腔中的流变及界面力学行为的深度分析，进一步阐明微结构形貌演化机制，优化工艺参数，提高形貌调控精度。

2.电化学沉积工艺研究

电铸配方和工艺规范分别如表2:

表2

采用上述配方工艺制备了不同几何形貌的蘑菇形阵列通孔模具，并对其电沉积过程中电场、电化学反应、物质传递、传热等多场耦合仿真，阐明了镀层形貌(如图9、图10所示)的演变机制。

3.黏附结构制备及性能测试

采用辊对辊压印工艺（辊压制备），利用镍金属的蘑菇形阵列通孔模具成功制备了蘑菇形仿生阵列的黏附结构，并对其黏附性能进行了表征。

如图11所示，黏附材料宏观有效面积为3cm×3cm，微黏附结构高度约100μm，杆部直径约50μm，膨大末端直径为55-80μm（取决于预压力大小），相邻微结构中心间距约130μm。

如图12至图14所示的黏附性能测试结果表明，蘑菇形状末端的几何形貌对黏附性能有很大影响。微结构金属模具的聚合物一体化成型，从微腔充型到固化脱模等所有工艺环节奠定了坚实的理论、技术和应用基础。

Claims (3)

1.一种蘑菇形阵列通孔模具的生产方法，其特征在于包括以下步骤：

⑴圆孔阵列模具加工：采用光刻方法或/和深硅刻蚀方法在光刻胶或硅晶圆表面加工出圆孔阵列,得到圆孔阵列模具；

⑵热压成型：然后利用圆孔阵列模具对热熔性聚合物进行平面压印制备得到带球头的圆柱阵列；

⑶导电化处理：将预先制备好的带球头的圆柱阵列进行导电化处理，使带球头的圆柱阵列的所有表面形成电铸种子层；

⑷末端绝缘化：利用表面蘸取方法使导电化处理后的带球头的圆柱阵列的球状末端绝缘化，得到局部导电的3D限域电铸芯模；

⑸电铸：利用制备好的3D限域电铸芯模进行电铸，通过诱导金属离子在局域空间的非均匀沉积形成蘑菇形通孔；

在镀层金属即将全部覆盖3D限域电铸芯模的球状绝缘末端时停止电铸；最后，移除3D限域电铸芯模便可得到蘑菇形阵列通孔模具。

2.根据权利要求1所述的一种蘑菇形阵列通孔模具的生产方法，其特征在于所述的步骤⑵中所述的压印为温度110℃～120℃、压力500KPa～550KPa、保压时间15分钟～20分钟。

3.一种如权利要求1或2所述的蘑菇形阵列通孔模具在辊压制备蘑菇形仿生阵列中的应用。