基于掩膜刻蚀的微小结构阵列加工方法分析

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1、万方数据大连理工大学硕士学位论文1绪论研究表明，微小结构阵列除了具有优越的减摩减阻性能外，在反应堆、冷却器等热交换器件及生物医学等领域都具有良好的应用前景。本章将介绍微小结构阵列的应用背景，加工原理、研究现状及特点，并将在现有研究基础之上提出本文的研究思路。1．1选题背景近年来，微纳米尺度的表面织构在摩擦减阻方面的应用得到广泛研究。传统观念认为，摩擦表面的光滑度是制约其耐磨性能提高的关键所在。然而仿生学研究表明，动植物(如鲨鱼、蜣螂、荷叶等)体表经亿万年自然进化所形成的非光滑表面具有良好的减摩减阻性能【l弓J，如鲨鱼皮表面的微小盾鳞结构(见图1．1)、蜣螂

2、头部的微小凹坑结构(见图1．2)均大大降低了相关生物在自然界中的活动阻力i4曲J。图1．1鲨鱼皮表面的微小盾鳞结构¨1Fig．1．1Micro-scalesonsharkskinsurface图1．2蜣螂头部的微小凹坑结构‘2】Fig．1．2Micro．dimplesondungbeetleheadl2J微小结构阵列是指在工件表面加工的具有一定尺寸且排列整齐的凹坑、沟槽或凸起等微结构，在减摩减阻、润滑、光学及信息存储等方面具有优越性能17，81。微沟槽结构作为其中的一种，被广泛应用于反应堆、冷却器等热交换器件及生物医学等领域。汤勇一J利用微细切削方法在微型

3、喷雾器的内管表面加工出微沟槽结构，并研究了沟槽方向对微型喷雾器性能的影响，结果表明轴向的微沟槽结构能显著提高微型喷雾器的热交换性能。EricA．Silkllol通过对比不同表面织构(立方体形、金字塔形及直沟槽形，如图1．3所示)对喷雾冷却中热传递性能的影响，得出微沟槽结构相比于其它两种结构热通量提升最为显著。TatsuyaSugiharalllJ研究发现刀具表面的微纳米尺度沟槽结构能显著缓解刀具切削过程的切屑粘附并提高刀具的润滑性能。Suk．WonLee[12j将微沟槽结构的应用扩万方数据基于掩膜刻蚀的微小结构阵列加工方法研究展到生物医学领域，通过研究得出

4、具有微沟槽结构的钛基体能促进牙龈成纤维细胞的增殖并改善其组织相容性。(a)立方体形(b)金字塔形(c)直沟槽形图1．3不同表面微结构‘101F嘻1．3Differentsurfacemicro．structures⋯1．2微小结构阵列加工方法研究现状随着对微小结构阵列的研究日益深入，与其相关的加工技术不断得到扩展。目前，微小结构阵列的加工方法主要有微细激光加工技术、微细切削加工技术、微细超声加工技术、微细电火花加工技术、微细化学加工技术及微细电化学加工技术等。1．2．1微细激光加工激光加工是指借助光热效应使工件表面发生高温熔化及冲击波去除的综合物理过程。具

5、体来讲，是指通过高能量密度的激光束照射待加工表面，利用高温使其熔化、气化，并爆炸性喷射去除的过程【l引。德国的S．Schreck【14】利用微细激光加工技术在100Cr6及舢203工件表面加工出直沟槽、圆凹坑及交叉沟槽等微结构阵列，如图1．4所示。摩擦磨损试验表明，利用激光结构化处理的表面相较于光滑表面，摩擦系数可减少30％。图1．4微细激光加工技术加工的阵列114lFig．1．4Micro．arraysdevelopedbylasermicro．machining【14万方数据大连理工大学硕士学位论文除直接利用微细激光加工技术完成微细结构的力nI夕l-，

6、激光刻蚀还可作为辅助手段，与电化学刻蚀技术结合进行微细结构的加工。韩国首尔大学的HongShikShinll51利用激光束在304不锈钢表面刻蚀出厚度为500nm的氧化再铸层，氧化再铸层在电解加工过程中充当保护膜，工件未氧化部分溶解从而获得所需微结构图案，如图1．5所示。图I．5利用激光辅助刻蚀技术加工的微细结构(I)1151Fig．1．5Micro．structuresmachinedbylaser．assistedetching(I)‘151激光辅助刻蚀的另一应用如下，瑞士联邦理工学院的P．-F．Chauvyll61借助钛的阳极氧化反应在其表面加工出厚

7、度为100nlTl～250nm的氧化层；然后利用激光刻蚀去除部分氧化保护层，获得微小图案；最后，借助电化学加工技术刻蚀未保护区域以加工微小结构。利用上述方法在圆柱外表面加工的微细结构如图1．6所示。图I．6利用激光辅助刻蚀技术加工的微细结构(II)1161Fig．1．6Micro．structuresmachinedbylaser．assistedetching(II)【16l激光聚焦后获得的高密度能量，配合高速移动，提高了加工效率。此外，微细激光加工技术还有如下优点：加工自由度高，可加工材料广泛：非接触式加工，可避免微细工件由于受力而产生变形。但由于激光

8、加工借助工件熔融的热效应来去除多余材料，不可避免地会在工件表面遗留