聚合物类固态微热压印过程中的本构关系的研究

1、第一章 绪论1.1 课题研究背景和研究意义1.1.1 课题研究背景当今社会，国家经济快速进展，科技力量越来越强大，而制造业正是实体经济的命脉，直接决定国家实力的强弱。步入新时代，“中国制造”正大跨步迈向“中国制造”，传统装备技术面临新的思考，马上开启新的征程。其中，微纳制造技术作为新时代制造业进展的重要组成部分，自从20世纪80年代末纳米技术的提出1和微纳制造技术的研发应用，象征着人类可以通过微纳米的视角来重新定义世界，在国家中长期科学和技术进展规划纲要中也重点强调了其地位：基于微纳尺度的以高精度、高效率为特点的微纳制造技术，作为新时代的高科技极端制造技术，是指引国家科技进步，经济文化进展的2

2、2项前沿技术之一，聚合物微纳制造方法应运而生，并被认为是最具产业化和开发价值的一大类微纳系统方法，包括：激光束、离子束、超声波和快速成型。快速成型方法主要是根据不同聚合物材料自身的性能，在其表面构创立不同特征尺寸和形状的微结构，给材料增加不同的功能特点，得到微纳光学器件、微纳流体器件、微反应器、微散热器等功能器件，以及仿荷叶表面结构的超疏水材料、仿蛾眼结构的抗光反射材料、漫反射材料等功能材料。目前，能够实现微米尺度以下的加工成型方法有：微注塑成型法、注射压缩成型法、挤出压印法、热压印法、紫外压印法等。在上述各种微纳米成型方法中，微注塑和热压是目前使用的主流方法，但热压印方法一直受到更多的关注，

3、原因是该方法设备和工艺过程简洁，生产规模大，成本更低，加工精度和效率更高，因此热压印技术将会有非常辽阔的应用前景。上个世纪70年代，位于princeton的美国rca公司把使用全息照相技术（激光用于照相，保留拍摄物全部光信息）拍摄的照片压制到pvc绝缘带上2，是微尺度热压印技术的第一次使用，并取得较好成果。之后，urich等人3使用类似的方式，在pmma基底中添加玻纤，实现了微热压技术首次微米尺度模具（宽7m，深3.5m）的成功制作。后来，在1995年，chou s y, krauss p r等人4在非常薄的聚合物片材上制备了纳米尺度的凹槽，最小可以压印至25nm，是微尺度热压印技术能够飞速进

4、展的一次重要转折点。自此，微纳米热压印方法发明20多年以来，吸引了众多的学者对相关机理和技术装备进行了系统研究，可以压印出很多种微纳米图案，德国、日本、美国的一些企业已有商业化的微纳米热压印设备出售，除用做试验装备外，已在微流控芯片、微光学器件等微纳制件的生产中得到应用5,6。1.1.2 课题研究意义18-19世纪蒸汽机的发明是工业革命的开端，是人类在毫米尺度认识世界的时代；20世纪mems技术的飞速进展把科学研究领进微米时代；如今，21世纪纳米技术已不再是纸上谈兵，在微米尺度和纳米尺度技术共同进步的新时代，聚合物材料与金属和无机材料相比，具有更加优异的微纳米尺度的理化性能和加工性能，聚合物微

5、纳制造技术从今天起将开始新的启程，在新的未来，聚合物微纳制造技术不断突破传统制造业的瓶颈，将具有划时代的战略意义。在聚合物微纳制造技术的大环境下，聚合物微热压印方法凭借在模具简洁，成本低，可控性好，及其成型产品的质量、面积、精度、厚度等方面的高标准优势，逐渐彰显其在微纳制造产业中的突出地位。并且已有大量的微热压印产品，在光学、生物学、医药学、微电子系统（mems）、材料化工等领域中发挥着不可替代的作用。然而，迄今为止，这种简洁易行的加工技术还并没有完全实现产业化，其主要原因是该方法因模具需要周期性地加热和冷却，由于金属压印模具的热容量非常大，使得其升温柔降温都非常慢，所以压印周期长达10-15

6、分钟7，成型效率和成本很难让人接受，可以说，成型周期是该方法走出基础试验研究，迈向工业化生产的最主要瓶颈。为此，北京化工大学吴大鸣教授团队8-11经过大量的基础研究和试验探究，突破模具变温的传统思想，提出了聚合物“类固态等温微纳米热压印方法”，并通过试验证明白其可行性，大大提高成型周期。其中，类固态是指被压印聚合物处于玻璃化转变温度tg（无定形聚合物）周边或结晶熔点tm（结晶型聚合物）周边的玻璃态和高弹态过渡的非流动状态，等温是指充模，保压，脱模过程中模具不变温。虽然前期研究初步验证了类固态等温热压印方法的可行性，但该方法所涉及的许多基础科学问题还有待深入研究。由于类固态等温热压印是在远低于聚

7、合物熔点或黏流温度下进行成型，所以极易在制件中产生残余应力，发生蠕变，若不能使残余应力得到充分松弛，则会严峻影响所压印微结构的几何稳定性，同时其力学状态不在粘流区，所以相应的粘流和黏弹模型及理论也无法直接应用；因为类固态等温热压印是在tg周边的温度下实施的（无定型聚合物），在该玻璃化转变区域高分子材料的运动单元、运动能力有非常复杂的改变，存在部分链段凝聚等复杂的力学状态，目前现有对微热压印机理的研究并不能完全解释试验现象，格外是类固态热压温区的。所以，非常有必要建立本构关系模型来探究充模过程中的应力应变关系。综上，迫切需要弄清的基础科学问题包括：类固态聚合物热压充模过程中的应力应变响应机制及其

8、本构关系；聚合物材料残余应力导致的微纳结构的高温柔常温蠕变规律，及其与应力松弛规律的关系；类固态微纳热压印过程材料的应力松弛规律及其对微纳压印结构几何稳定性的影响。本课题正式基于对以上问题的研究，丰富和进展聚合物微纳米热压印理论及方法，通过理论方法指导，技术突破创新，以及微热压印产品的更新换代，为传统聚合物微纳热压印注入新的生机与活力。1.2 聚合物微热压印技术研究概况1.2.1 聚合物微热压印技术基本原理在聚合物热压印技术的诞生之城princeton，chou等人12-19先后发明白平板对平板13-15（plate-to-plate）、平板对滚（roll-to-plate）、滚对滚16-18

9、（roll-roll）三种热压成型方法及其设备机器，如图1-1所示，其中平板对滚又有（b），（c）两种模具分布不同的形式，分别是微结构模具为滚轮与微结构为平板。三种不同的热压方式在成型原理，压印步骤，压印工艺参数等各个方面都有相似之处，但也各有利弊，比如平板式压印压印设备简洁，压力装置设计与制造难度低，并且灵活性更高，而滚动式压印在连续性成型方面更具优势。对于本课题提出的聚合物类固态等温热压印方法，对三种热压成型模式都适用，但主要是针对平板式热压成型的，因此，在这里仅对平板对平板热压技术的基本原理做详细介绍。图1-1三种热压成型方法fig. 1-1 three methods of hot e

10、mbossing 如图1-2所示，平板对平板的热压成型原理示意图，主要分为四个步骤：首先，把聚合物片材放置基底与微结构模具之间，给模具和基底均加热，使聚合物材料升温至压印所需温度（一般为tg以上）。然后，在一定温度、压力、速度条件下开始压印，完全合模后保压保温一定的时间，处于高弹态状态下的聚合物材料不断将模腔填充，形成一定的结构。之后，使用水冷，空冷，气冷等方式对模具和聚合物材料整体降温冷却，为脱模做好准备。最终，将模具和聚合物分离，脱模结束，即完成了对具有格外性能的聚合物微结构制品的热压印。图1-2 平板对平板热压成型示意图fig. 1-2 schematic diagram of plat

11、e-to-plate hot embossing以上所述为宏观压印步骤，另外从微观分子运动的角度可以解释其原理。分子结构分子运动宏观材料性能，环环相扣。整个热压过程实际上就是分子键长键角，支链，链段等不断做热运动的结果。如图1-3非晶态聚合物热机械曲线图所示，给聚合物片材升温至tg以上后，由玻璃态逐渐转变为高弹态，原本凝聚的链段被解冻，能量增加，分子热运动能量能够克服内旋转的位垒，链段运动被激化，从一种构象过渡到另一种构象，部分链段开始滑移。在这个过程中，聚合物应力松弛、蠕变、应力应变，其存在的内在关系，以及对聚合物微热压印的影响，需要进一步深入探究和研究。图1-3 非晶态聚合物热机械曲线图f

12、ig.1-3 thermomechanical curve of amorphous polymer1.2.2 聚合物微热压印技术研究进展聚合物微热压技术进展至今，国外的美国路易斯安那州立大学20、加利福尼亚大学伯克利分校21，俄亥俄州立大学22，德国karlsruhe 研究中心23，jenoptik mikrotechnik公司24，瑞士paul scherrer研究中心25，以及国内的北京化工大学8-11，大连理工大学26，浙江大学27等，大量的机构单位及高校研究人员对此技术的持续探究和改进，在聚合物热压印的历史书卷上，不断增加新的篇章。为提高热压成型效率，kimerling28等改进热压

13、设备，提供一套快速升温柔降温的装置，可以缩短热压周期。美国俄亥俄州立大学的james lee等人29，采纳气相沉积法，在压印模具表面形成石墨烯镀层，对该石墨烯镀层施加一定的直流电压可以使压印模具表面在数秒内升温数十度，达到压印温度，而只要切断电源，模具表面可以在数秒内又降至模具本体的温度，采纳这种方法可以在20秒左右完成原本需要10-15分钟的热压印过程。但在技术上需要解决的问题是如何解决石墨烯镀层厚度的均匀性和镀层与过渡陶瓷层的结合强度问题。其中，镀层厚度的不均匀会导致加热温度的不均匀，直接影响热压印质量。基于石墨烯镀层的快速表面加热方法的主要难点在于石墨烯镀层的耐磨性以及与金属模具表面的结

14、合力30，在镀石墨烯之前，先要在模具表面镀上一层绝缘材料（如陶瓷材料），以保证石墨烯镀层通电时不短路，金属与陶瓷、陶瓷与石墨烯之间的结合力很难达到同种材料的结合力，任何一层脱落都会造成模具失效，同时因石墨烯镀层仅数十纳米，即使镀层不脱落也很简洁磨损失效。另外，林建宏等人31采纳新型的超声波加热，提高了加热效率。但是，以上种种方式和改进还都没有从根本上改善热压周期长的问题，如何彻底突破这一瓶颈仍在探究中。在优化聚合物微热压工艺方面，wan等人32在pmma为基材上压印微结构，并通过1-d，2-d，3-d afm图像观察微结构与模具尺寸形貌，重点分析不同温度、保压时间及压力对微结构成型的影响与造成

15、的缺陷，以及压印不同的微结构对复制率的影响规律。evert ebraert和markus wissmann等人33探究了基于三个微弹簧的自定心对中系统（scas）的热压印复制的快速成型过程，脱模过程的影响因素，如何完成光纤等组件的嵌入以及在能够实现高性能，牢固且易于使用的单模（smf）连接器组件中的应用。以下图1-4为镀银的pmma复制品扫描电子显微镜图。图1-4 镀银的pmma复制品扫描电子显微镜图fig. 1-4 sem picture of a silver plated pmma replicasean moore，juan gomez等人34通过热压印在聚合物基底上制造微透镜阵列，通

16、过taguchi方法分析所研究的工艺参数（包括温度，压印压力和保压时间）的影响，以确定具有不同高度和直径的微透镜阵列的有效加工条件。同时，提出了改善微米阵列结构表面缺陷的有效方法。另外，通过试验数据表明，保压时间这一参数对微透镜制品复制精度影响程度最大，其次是温度和压力。如下图1-5为所压制的微透镜阵列的立体图像。图1-5 所压制的微透镜阵列的立体图像fig. 1-5 a stereoscopic image of a fabricated microlens arrayyong he, jian-zhong fu等人35认为聚合物微热压印过程中大量的工艺参数及其耦合，是难以定量分析各参数的影

17、响。所以采纳有限元法（fem）来模拟热压印工艺的压印、冷却、脱模三个步骤，并分析工艺参数与产品压印质量之间的关系。并开发了一套使用气动脱模方式的热压印系统，不断对其工艺进行了优化，如图1-6所示。图1-6 试验室自主设计的热压印机fig. 1-6 hot embossing machine designed by their lab在美国georgia institute of technology的pratapkumar nagarajan等人36把软化的热塑性薄膜放在硬模表面和橡胶垫之间压印，利用橡胶垫这一中间工具，与硬模表面一致地变形，同意从硬表面转移特征并在聚合物膜上形成壳型结构。然后

18、通过一系列试验重点探究了此橡胶辅助热压方式的不同成型条件（温度、压力、保压时间）及材料选择（不同硬度），对图案厚度均匀性和高度复制精度影响的基本机制，图1-7为在不同保压时间条件下压印的abs薄膜。同时利用聚合物薄膜和橡胶工具的机械和流变行为解释了不同试验中薄膜厚度均匀性的差异。基于试验结果，提出了在通过橡胶辅助压印技术压印均匀微结构的时候，如何进行工艺选择的一套方法。图1-7 不同保压时间压印的abs薄膜：（a）5秒和（b）40秒fig.1-7 abs film embossed with different holding time：(a)5s and (b) 40 s台湾长庚大学的shi

19、h jung liu等人37所在课题组主要研究利用超声加热，非晶和半结晶塑料板材制品的复制能力改变，以及各种超声振动参数对复制结构轮廓的影响，确定了所有这些参数对压印制件质量的相对重要性，得出了在超声波振动下，基材不同深度处的温度分布。试验结果表明，基于超声波振动加热的热压印，在更短的周期时间以及提高的产品质量方面有着显着的优势，可以作为一种在聚合物基材上压制精确结构的有效方法。图1-8 不同超声波振动时间条件下压印的pmma板fig.1-8 the ultrasonic vibration embossed pmma plates subjected to different vibrati

20、on times另外，seung hun oh等人38制备了相比于原始硅模具，侧壁粗糙度更低、成本更低，而且更耐用的热压镍模具，并由此得到了光学传播损耗极低的光波导器件。jin hwa ryu等人39提出了一种简洁且经济高效的，使用一套模具和基底及两个热压工序的方法，来制造精度更高的双层聚合物光波导的新方法。natta wiriyakun等人40提出了一种两次连续的步进式热压印新技术，在pmma基材上压制出了微结构通道，用于制备电泳芯片，并分析了这个过程中，各个工艺参数对微结构成型尺寸的影响。1.3 聚合物微热压印机理研究概况1.3.1聚合物微热压印机理研究进展在上一小节中介绍了聚合物微热压印

21、技术基本原理，包括热压印的基本步骤，以及分子运动角度分析聚合物在不同温度下的几种不同状态下的转变，从玻璃态到高弹态到粘流态，整个过程中聚合物体现出来的黏弹特性是研究聚合物在模具型腔中完成填充的基础，所以，对聚合物微热压印机理的研究对成型制品的质量具有重要意义。众多研究人员也做出了格外多的探究和分析。juang等人41-43通过在接近和远高于它们的玻璃化转变温度的温度下测量聚碳酸酯（pc），聚甲基丙烯酸甲酯（pmma）和聚乙烯醇缩丁醛（pvb）的流动性质，动态剪切粘度和瞬态拉伸粘度等，建立本构模型，新的黏弹模型，分析对制品压印复制精度的影响。并通过试验和有限元模拟方法探究不同温度、压力等工艺条件

22、，以及等温与非等温的不同模式，对制品填充流动形态的影响。图1-9 在不同压印条件下的pc制品（a）等温压印（b）非等温压印fig.1-9 pc parts at different embossing condition under (a) isothermal, (b) non-isothermal embossinglan等人44基于一系列近玻璃化转变温度周边的关于聚碳酸酯pc的应力松弛试验，建立其广义maxwell数值模型，然后在abaqus软件中建立仿真模型，模拟一定温度条件下微热压印过程的压印步骤，通过计算空腔填充率来分析保压时间，温度和压力对其影响。另外，通过对比模拟结果和试验数据

23、，进一步证明白模型和参数的可行性。其中，在150时应力松弛试验模拟结果对比如图1-10所示。图1-10在150时应力松弛试验数据和模拟结果比较fig.1-10 comparison of stress relaxation between experiment data and simulation results at 150shan等人45基于纳米压痕试验，着重介绍当工艺温度低于其玻璃化转变温度（tg）时，微压印中的聚合物的变形和恢复。在该研究中，使用pmma（聚甲基丙烯酸甲酯）作为基材，试验温度范围为25至tg。据发觉，在低于tg-55的温度下，加工后发生显着的恢复，仍可以形成具有足够大

24、加载应力的永久性结构，但对于tg-20及以上的温度，在1mm厚的pmma基底上形成永久腔，虽然没有明显的恢复，也没有聚合物流动，但压印结构不完整，所以在较低的温度下成型微结构是首选工艺。为了优化工艺参数，一定综合考虑微结构的复制精度和压印基材的整体平坦度。图1-11 在25°c和85°c下，pmma基材上的加载-保压-卸载与压痕深度对比图fig.1-11 loading-hold-unloading versus indent depth on pmma substrates at 25°c and 85°cliu等人46通过大量同步和异步试验，以及在s

25、lm（立体光学显微镜）系统记录pmma在热压印过程中的变形行为发觉在加热和加压过程中会在微通道的边缘产生燕尾状缺陷，据此提出一个本构模型来评估热压印过程中聚合物的变形行为，并进行了有限元模拟分析，如图1-12所示。并通过模拟分析得出燕尾缺陷的原因即应力集中、塑性变形，也影响了材料充模。因此，通过对高分子材料的实际变形行为的探究，对提高复制精度有重要意义。图1-12 固体聚合物变形的有限元分析结果（a）在加热和加压后固体聚合物的变形情况（b）在脱模前聚合物的变形情况fig.1-12 the fea results of solid polymer deformation(a) the defor

26、mation of solid polymer at the end of the heating and applying pressure step (b) the deformation at the end of remaining temperature and pressure steprowland等人47通过原子力显微镜（afm）和扫描电子显微镜（sem）观察在不同压印工艺条件下，聚合物在填充微槽过程中形变情况，分析不同温度、压力、聚合物粘度、不同材料厚度、不同尺寸的模具型腔结构对型腔内聚合物形状、高度和压印面积的影响，以及粘性流动、剪切变稀和局部应力如何决定形变过程中的表面张

27、力效应。对聚合物填充效果的测量，聚合物有效粘度的计算，更好地了解不同聚合物的聚合物流动特性，薄膜厚度和腔体宽度，都非常有助于工艺的设计以及聚合物mems系统的制造。图1-13 (a)主腔内聚合物的变形过程(b)afm对于100m宽腔内聚合物进行覆盖尺寸测量的维度描述fig.1-13 (a) drawing of polymer deformation within master cavity(b) afm line scan of polymer replicated 100 m wide cavity with overlaid description of measured dimensi

28、onschang等人48则是通过纳米压痕试验研究了pc聚合物薄膜的纳米压痕特性。包括：不同的施加载荷、保压时间以及加载速率条件下聚碳酸酯pc材料的有效弹性模量和硬度值。并基于这项研究，获得了以下结轮：增加载荷会降低pc的有效弹性模量和硬度。在最大载荷下增加保压时间也降低了pc的有效弹性模量和硬度。提高加载速率会增大pc聚合物的有效弹性模量和硬度。图1-14 载荷为100,200,300和400n，加载速率为150n/s，保压时间为10s时纳米压痕示意图fig.1-14 the topographies of the nanoindentation for the loads of 100, 2

29、00, 300 and 400n with a 150n/s loading rate and a 10-s hold periodh.takagi等人49针对环烯烃聚合物（cop），选取广义maxwell模型作为基础理论模型，然后测试其在不同温度下的周期拉伸-压缩变形的储能模量，并由此计算wlf方程参数因子，完成理论模型的搭建。另外，通过在相同压力，温度，不同保压时间下对cop的热压印试验来分析微结构复制精度与保压时间的关系，下图为不同保压时间下的制品成型结构的sem图像。然后进行有限元模拟分析，将模拟结果中的聚合物变形与试验中的聚合物变形进行比较，验证了所开发的模拟工具和所建立的材料模型对

30、于热压印过程的分析是非常有价值的。图1-15 压印压力为1.25mpa，保持时间分别为10s（a），30s（b），60s（c）和120s（d）时的cop扫描电子显微镜图像fig.1-15 sem images of imprinted cop surface. imprint pressure was 1.25mpa and its holding time was 10s(a), 30s(b), 60s(c), and120s(d),respectively1.3.2聚合物类固态等温微热压印方法原理分析在“类固态等温微纳热压印方法”，isothermal hot embossing in s

31、olid-like state（简称ihess方法）过程中，塑料基片可以经过预热，也可以不经预热直接放入压印模具，所以基片温度在整个压印周期并非恒定，但由于塑料基片很薄，将其放入模具后数秒之内即可达到与模具相同的温度。所以，模具等温为缩短压印周期提供了很大的空间，而类固态是材料热压印力学状态和工艺窗口的定位。传统微纳热压印和固态等温微纳热压印的热-力历程对比见图1-16。图1-16（a）传统微纳热压印与（b）类固态等温微纳热压印的热力历程fig.1-16 (a) thermal-force history of traditional micro-nano hot embossing and

32、(b) isothermal micro-nano hot embossing in solid-like state对ihess微压印机理进行初步的研究，重点研究了涉及该方法是否可行的两个关键问题：首先是无定型和结晶型聚合物的压印温度窗口的选择依据，其次是是类固态下聚合物流动和形变的特征。由图1-16（b）可以看出，ihess过程的压印周期20秒左右即可完成，而传统微纳热压印需要900秒左右，ihess的热压印周期仅为传统热压印的2.2%。在微热压印过程中，ihess方法的模具温度始终保持恒定，而传统热压印方法的模具温度周期性地大幅度改变。模具由变温改为恒温，就为大幅度缩短成型周期制造了十分

33、有利的条件。等温热压印中聚合物基片的温度在一个成型周期中还是在改变的，但无论基片的预热温度高低，其压印结束时的温度只能与压印模具温度相同。ihess方法，突破了高温压印-低温脱模这一模具要变温的理念，针对微小变形的特点，就选择在玻璃化转变区域周边进行压印（对无定型聚合物），这样就有可能兼顾微结构的充模和脱模，必要时可以设定基片的预热温度适当高于模具温度，这实际上就相当于在较高的温度下进行压印，在设定的恒温模具温度下脱模；对于结晶型聚合物，在玻璃化温度tg以上处于皮革态，结晶区的存在并不能限制无定型区的高弹形变，却可以阻止或延缓高弹形变的恢复，这就为等温压印提供了较宽的工艺窗口。虽然和传统热压印

34、一样，聚合物基片的温度在压印周期中都是改变的，但ihess过程聚合物基片的温度是在类固态很小的区间改变，而传统热压印是在粘流态到玻璃态间跨区改变，更重要的差别在于ihess过程的压印温度基本上就是其脱模温度。另一方面，等温模具不等于上下模具温度要相同，对于单面微纳结构制件，可以设定有结构一侧的模具温度高于另一侧模具，通过聚合物基片的热传导，可以对已压印的微纳结构进行降温，更有利于充模和脱模。如前所述，ihess微压印是在玻璃化转变温度tg周边，结晶熔点tm（或粘流温度tf）周边的非流动类固态下实施的，在tgtf范围内的无定型聚合物主要呈现高弹态，在tgtm范围内的结晶型聚合物的皮革态属于受限的

35、高弹态（结晶区对无定型区高弹形变在一定程度上的限制），支配两类聚合物材料的形变的主要不是粘性流动，而是高弹形变和塑形形变，是一种类似固态的状态。在类固态温度区段，聚合物在压印过程的力学响应主要为高弹应变，一定压印应力下的高弹应变可以给予塑料基片足够的充模能力，而压印微纳结构是否稳定则主要取决于压印过程聚合物内应力的松弛是否充分。根据聚合物在压印温度下的应力松弛特性，合理地确定保压时间和脱模冷却速度，就可以将压印制件的内应力降到较低水平，从而保证制件微纳结构的几何稳定性。综上，选择合适的温度窗口，对类固态状态下的聚合物还需深入探究其压印过程中的机理问题，包括应力应变关系，应力松弛和蠕变现象，及其

36、对成型微结构的复制率与几何稳定性的影响，才能进一步优化类固态等温微热压印的工艺。1.3.3聚合物类固态等温微热压印方法应用领域目前，聚合物类固态等温热压印技术在众多领域中已有广泛的应用，比如，应用于包装、防雨防雾、自结材料的微纳荷叶仿生超疏水材料，通过此方法制备的疏水材料接触角大于150°，如图1-17（a），并且具有很好的疏奶效果，如图1-17（b）；应用于led灯具的微结构高效光扩散材料，雾度达到90以上且透光率提高25，明显提高扩散均匀度和用灯舒适度，如图1-17（c）；以及提高光效，彻底消除炫光的微结构高效漫反射材料，反射率可达96，漫反射率可达98，如图1-17（d）；应用

37、于太阳能电池板、单反镜头、高清显示屏等光学器件的具备纳米蛾眼结构（有宽波段和大视角的减返特性）的抗反射材料，如图1-17（e）；应用于塑料导线，柔性传感器的空间限域强制组装制备的高性能聚合物基导电复合材料，如图1-17（f）；应用于散热件、导热散热一体化器件如cpu等的空间限域强制组装方法制备的高性能聚合物基导热复合材料，如图1-17（g）；应用于手机、pad显示模组，显示屏等的0.2mm超薄双面微结构手机导光板，如图1-17（h），突破了传统注塑成型方法制备导光板无法实现超薄、微结构尺寸复制率低、设备工艺复杂等一系列问题；应用于美容、医疗等的可自助治疗，安全无痛疗效高的新一代给药方式微针系统

38、，如图1-17（i）；应用于医学诊断、环境监测、航空航天等的多通道微流控芯片，如图1-17（j）；应用于空调等各类电器的微结构散热器，如图1-17（k），比表面积大，散热能力强。可以看出，聚合物类固态等温热压印技术制备的微结构产品在微电子制造、信息通讯、现代制药、新材料等各个领域都发挥着越来越重要的作用。图1-17 类固态等温微热压印方法所制备的典型制件fig.1-17 typical parts prepared by the method of isothermal micro-hot embossing in solid-like state 1.4 论文的主要研究内容上文对课题研究背景

39、，研究意义，聚合物热压印技术研究进展等做出简明的概述，对以往的研究人员在聚合物热压印工艺、机理等方面得出的一系列经验和结论进行了整理分析和借鉴引用。并且对聚合物类固态等温热压印方法原理工艺，应用领域，以及需要解决的基础科学问题，做出了详细的介绍说明。接下来将基于上文内容的分析，对本论文的主要研究内容总结如下：（1）通过经典球形纳米压痕理论与分析方法，以及压痕应力应变关系的测量计算来确立纳米压痕技术与聚合物类固态微热压印方法之间在微纳米尺度的内在关联，利用纳米压痕技术来测定微纳米尺度下，聚合物充模过程中的本构关系，完成pmma在不同温度条件下的一阶指数本构模型的建立。（2）基础本构模型建立对微热

40、压印工艺的改善具有重要意义，利用所得基础的应力应变关系，完成pmma在常用成型工艺模拟仿真软件deform中材料属性的定义与聚合物微热压印体系的建模。通过模拟不同工艺条件对制品成型质量的不同影响，说明白本构关系对具体微热压制备产品的指导作用。（3）聚合物蠕变现象是影响制品微结构复制精度与稳定性的重要因素，首先在类固态温度区进行pmma的单轴压缩蠕变试验，通过广义kelvin模型、标准线性体模型、有用模型拟合蠕变数据曲线，由拟合程度最高的有用模型建立蠕变本构模型，并求取蠕变应力指数与蠕变松弛时间。同时，在常温条件下进行微槽结构与微透镜结构的蠕变试验，探究其对制品成型后的微结构尺寸稳定性的影响。（

41、4）通过对蠕变的分析，与单轴压缩应力松弛试验，建立pmma在不同温度下的应力松弛有用模型。并由松弛模量与蠕变柔量的关系，选取保压时间区间段，进行不同保压时间的微结构热压试验，由蠕变与应力松弛的结合，探究静态力学松弛行为对保压时间选取，微热压印工艺改进的重要意义。（5）基于abaqus模拟仿真软件，利用应力松弛试验数据建立prony级数黏弹模型，完成材料的属性定义，建立纳米压痕球形压头有限元仿真模型，完成对纳米压痕试验的模拟，通过输出不同应变所对应的不同压力，验证了纳米压痕试验的可行性。参 考 文 献4chou, s.y, krauss, peter r, renstrom, preston j. imprint of sub25 nm vias and trenches in polymers j. applied physics letters, 1995, 67(21):3114-3116.5koc muammer, ozel tugrul.