英文翻译-材料加工技术学报

1 材料加工技术学报 用于控制表面形貌的润湿性的微加工 a， a， a， b a 东京电机大学机械工程系，日本东京市立町区森旭朝日町，日本， 120本 本东京都目黒山山 252子 文章历史： 收到 2011年 10 月 23日 2012年 4月 17 日修订 接受 2012年 5 月 25日 可在线 2012年 6月 23日 关键词： 微加工， 压，塑料成型，功能表面，疏水性，接触角 摘要： 提出微制造以制造具有微尺度结构的疏水性表面。疏水性通过结构中微柱的形状和排列来控制。该结构在大面积上以高生产率在以下工艺中制造：（ 1）通过聚焦离子束溅射在工具上制造结构 ;（ 2）通过使用结构化工具的增量冲压在金属板上形成相反的结构 ;（ 3）通过模塑将结构转移到塑料板上。还提出了连续的冲压，用结构 化工具在表面上精确地制造 几个结构，其中结构化工具的移动间距被数字控制。通过在水滴测试中测量结构化表面上的接触角来讨论表面形貌对疏水性的影响。基于 料板上的疏水性与结构化表面上的固体部分相关。对于表面的较小的固体部分观察到较大的接触角。 一 功能性表面不断增加，对于不仅工业而且生物医学用途的复杂装置的需求。 回顾了功能表面的许多应用（ et 2008）。表面功能也不仅受到材料性能的控制，而且也受到表面形貌的控制。当通过数字控制的微 加工在表面上制造微尺度结构时，制造诸如功能梯度表面和功能集成表面的可控功能表面（ 人， 2006）。 2 润湿性是表面上控制流体流动和附着力的重要功能之一。疏水性和亲水性表面与表面材料和表面结构控制的表面能相关。自从表面活性剂研究领域拉普拉斯和杨的开创性作品以来，许多研究已经讨论了液滴接触角的润湿性（ 004）。作为用表面形貌控制润湿性的尝试， 提出了固体表面的润湿行为模型（ 1936）。 表面形貌联系起来，并提出了结构化表面的另一种模型（ 1944）。 从能源角度进行了很好的讨论（ 2003）。 ， 1996）。 人基于早期的工作设计了具有微尺度结构的疏水表面，并验证了其在水滴测试中的设计（ ， 1999）。 人用飞秒激光治疗来控制表面的润湿性（ ， 2011）。张等人改善了微测试装置的表面性能（ et 2009）。 尽管施加表面结构以改变润湿性，但是其大部分是通过蚀刻来加工的。然而，在蚀刻中，待加工的材料受到物理和化学性质的限制。此外，工业装置需要灵活的润湿性可控性。然后，蚀刻过程在设计时具有控制表面结构的润湿性变化的一些困难。需要更灵活的工艺来制造用于控制润湿性的表面结构。 机械加工是数值控制表面结构的有效过程。机械加工中的微型化使用使微型工具和高精度运动控制技术显著发展。然后，微型切割，成型和注射成型最近已被应用于微型零件的制造（ 人， 2004; 2006）。讨论 了微形成的尺寸效应，研究了 拟中的材料行为（ 2006）。因为材料的晶粒尺寸相对于加工尺寸较大，所以微观形成已经在材料科学方面进行了讨论（ et 2008）。提出了晶粒和晶界上的一些模型来模拟 2003）。 模拟了微观形貌中的晶体可塑性（ et 009）。由于材料变形在微细成形过程中是关键的，因此已经尝试加热辅助以改善变形过程中的流动应力。 et et 004a， b， 2007）。 微型注塑也是微型制造中的相关工艺。 et et 宋等对超薄壁塑料件的成型进行了参数研究（ et 2007）。 fi 将工具表面粗糙度与熔体流动长度和零件质量相关联（ fi et 2007）。出了 3D 聚合物特征的微型化，具有用于 用的任意配置（ 2006）。 一些纳米压印技术也已经开发出来，最近随 着 用也越来越多。 et 2005）。 本文介绍了功能表面的微观制造，以控制表面形貌的润湿性。微尺度结构以大的生产速率在微加工过程的序列中在表面上大面积地制造。这些过程控制结构元件在设计时的形状和对齐。根据 模型（ 1944），疏水表面上接触角的变化与固体分数相关，固体分数是结构元素上的液固接触面积与表面总面积之比。然后，通过制造结构化表面来讨论表面形貌对疏水性的影 3 响。 二 . 结构化表面的制造 1. 制造过程 具有表面形貌的功能表面的制造需要考虑生产效率以及结构质量。过程的功能要求是： (1) 结构要素应为微尺度控制功能。 (2) 该结构应在足够大的范围内加工控制表面功能的实际应用。 (3) 结构化表面应以高生产率和低成本制造。 聚焦离子束溅射通常在微 /纳米级加工中有效。然而，在大面积上加工结构需要很长时间。然后，生产成本随着生产时间的增加而增加。在本研究中，制造顺序如图 1 所示。 1 提出了提高生产率。微尺度结构在以下过程中加工： (1) 通过聚焦离子束溅射在工具上制造微尺度结构。 (2) 然后，反向结构通过增量冲压形成金属板。 (3) 最后，通过塑料成型将板上的结构转移到聚合物上。 虽然在第一个过程中，该结构在小于 方的小面积内加工，但第二个过程在短时间内扩展了结构化区域。第三种方法与第一种方法相同的表面结构以 高 4 生产率转移到塑料板上。 2. 结构化制造 微型结构在由碳化钨制成的工具上加工，其通常用于车削刀具中。加工区域是通过磨削刀具来指定的，如图所示。 2（ a）。通过聚焦离子束溅射对结构进行数值控制。图 2（ b）示出了结构化工具的示例，其中在 1400个圆柱形微柱。直径 18米，高 18米。加工结构化工具可减少粗加工和精加工过程中的制造时间。使用浓度为 10 14离子 /平方厘米的离子。溅射在 14 探针电流下进行 8 小时粗加工，然后在 5.2 探针电流下完成 时的溅射。图 2（ c）示出了用激光共聚焦显微镜测量的结构化 工具的横截面中的剖面图。由于深度比要测量的最大深度深，所以不能在柱体周围获得特征信号。 3. 结构板制造 在金属板上冲压工具上的结构以形成相反的结构。 图 1所示的机器。 3（ a）是为增量冲压开发的。机器用步进电机控制三轴。 X 轴和 Y 轴以 25分辨率进行控制。 Z 轴的分辨率为 2.5 构化工具安装在上横梁上。该结构在 图所示。 3（ b）。两个压电测力计安装在工作台下，以检测结构化工具与工件的接触，并控制冲压负荷。结构区域由 轴的运动控制。 5 图 4（ a）示出了通过图 1 所 方形加工的铝板上的结构。 油用于减少工具与工件之间的摩擦。载荷下重复冲压操作，其被确定为在与结构工具上的柱高度相同的深度上形成凹坑。虽然开发机器的加工时间不超过 45 分钟，但是在较高性能的机器上冲压速率将会提高。图 4（ b）将板上形成的凹坑与结构化工具上的柱的情况进行比较，其中结构化工具的图案被倒置显示。结构化工具和板的平面是比较的参考。由于弹性恢复，凹坑深度的成形误差或多或少为 1 m，尽管材料行为应以数值方式进行分析，以获得更精确的冲压。尽管公 差取决于结构设计的规范，但是如下所述，误差小到可以忽略在液滴测试中的润湿性。 该结构在塑料模塑中转移到聚乙烯板上。图 1 所示的成型机。这里通常使用 （ a）。塑料成型在180， 180钟。应该控制脱模中的运动，以防止结构件的形状变差。图 1所示的装置。图 5（ b）被开发成以直线运动从模具中释放塑料板。在由支撑装置夹紧的金属板上模制 6 塑料材料。然后，在释放装置上用螺丝运动将塑料板从金属板上释放出来。释放装置的内侧作为运动指导。在操作中，成型时间受到成型机规格限制。传统 的注塑机可以显着提高生产率。 图 6（ a）示出了由图 1 所示的结构化金属板模制的聚乙烯板上的结构化表面。图 6（ b）将塑料板上的支柱与金属板上的凹坑的形状进行比较。虽然应该对微尺度结构中的塑性流动进行进一步的讨论，但是柱的结构与凹坑的相似。与图中的误差相比较。如图 4（ b）所示，塑料成型中的误差小于成形误差。增量冲压成形误差是制造顺序中的主要因素。 5. 连续控制微尺度结构 作为该过程的优点，通过改变结构化工具的移动间距来控制微尺度结构。图 7示出了具有运动控制的增量冲压过程的示例。使用结构化工具在金属板上加工不同的结构。然后将这些结构转移到塑料板上。图 8（ a）显示了由 8平方米的柱子组成的结构化工具的例子。如图所示，微凹坑在金属上加工，改变间距。图 8（ b）。最后，图中所示的微柱。图 8（ c）转移到塑料板上。 虽然已经将诸如化学蚀刻的其它方法应用于表面结构的加工，但是通过覆盖在非加工区域上的掩模来唯一地确定结构。同时，本文提出的过程，通过逐步运 7 动的数字运算来控制结构，只使用增量冲压中的一个结构化工具。根据阶段的分辨率，在指定的位置准确地形成凹坑。如果为所有结构制造结构化工具，制造时间将需要更多的工具成本。由于刀具更换时的夹紧误差，结构的位置和方向的精度将会降低。具有图 1所示工具的工艺。 7 对于结构设计的精确冲压和灵活性是有效的。 三 . 润湿性评估 图 9（ a）示出了聚乙烯板的平坦表面上的水滴。润湿性与液滴的接触角，蒸汽 固边界之间的角度有关。疏水表面的接触角大于 90，疏水性增加。众所周知，接触角取决于表面粗糙度。粗糙表面的接触角大于疏水材料的平坦表面的 接触角。温泽尔和卡西（ 卡西（ 出了模型的表面结构（ 936; 1944）。根据 模型，液相由结构元素支撑，气相渗透在液体弯液面之下，如图 1 所示。 9（ b）。因此，结构化表面上的接触角增加。在 型中，表观接触角由下式给出： =+ (1) 其中是平面上的接触角 ;是结构化表面的固体部分。聚乙烯板的接触角为96，如图 1所示。 9（ a）。固体分数是支柱上的液固接触面积与 总面积的比率。对于较大间距对齐的较小的支柱，估计较小的固体分数 2. 结构化表面上的疏水性 通过改变表面结构测量接触角，并与 型进行比较。在这里 8 米长的立柱与改变柱子之间的距离是一致的。柱的高度被设计为 10m，使得气相存在于不接触结构底部的液体弯月面之下。结构中方柱的固体分数为： 8 = ()2 (2) 其中 a 是方柱的一侧的长度， d 是柱的间距。 图 10 示出了表面结构的实例，其中柱的间距为 15 m 和 30 m，固体分数分别为 11（ a）示出了表观接触角与固体分数的变化，其中角度的方差小于平均值的 5。实线显示了卡西的模型。（ 1），平面上的接触角为 96。结构化表面上的表观接触角随着固体分数的降低而增加。测量的接触角的变化几乎与 模型一致。然而，在高固体分数下观察到来自 型的测量的接触角的差异。 模型讨论了各向同性固体接触的接触角的变化，这不取决于柱的形状和对准 。同时，测试结构由矩形柱组成。因此，支柱的侧面和对角线长度不同。然后，支柱之间的柱与对角方向之间的距离在支柱的正交阵列中也不同。该误差由形状的各向异性和柱的对准引起。当固体接触随着固体部分增加时，各向异性对润湿性的影响增加。图11（ b）将水滴放在表面上的结构化和平坦区域上。接触角在结构化表面上的固体分数为 50，其中柱以 30m 的间距排列。图 11（ b）证明了在本文所述工艺中加工的微尺度结构的表面上不同的润湿性功能共存。 四 . 结论 本文以高生产率提出了具有微尺度结构的功能表面的制造顺序。微型结 构在三个过程中制造。首先，通过 后，通过增量冲压在金属板上形成相反的结构。该结构通过模制最终转移到塑料板上。第一个过程定义了微观结构元素的形状和对齐。第二个过程扩展了结构化区域。最后一个过程会影响生产率。因此，表面结构以大的生产率大面积地加工。作为该过程的主要优点，通过改变结构化工具的移动间距来控制表面结构中柱之间的距离。在可控性方面，该方法在功能表面的制造精度和灵活性方面是有效的。 微观结构控制表面的润湿性。疏水性通常与固体成分相关，液 于制造 过程以数字方式控制柱的形状和对准，所以通过改变结构中柱的间距来测量接触角。将接触角的变化与 模型进行了比较。 柱子的较大间距促进了较高的疏水性，如 模型。最后，在一个特定的区域中加工了超疏水表面。由于在不改变材料的情况下进行处理，表面结构容易控制表面功能。 9 参考文献 J., C., D., 1999. 7 (2), 220226. P., S., S., B., E., 2011. of of by 57, 52135218. 2008. in 7, 750769. S., 1944. of 40, 546551. 2006. A of in 77, 146149. 2007. of in 89, 418427. S., 2004. 2003. FE an 40, 6569. 2006. D i 3, 12571260. T., S., N., K., 1996. 2, 21252127. 2003. On of on 9, 12491253. X., R., Y., X., 2004a. FE of 45, 256263. X., Y., R., 2004b. of 50, 8491. X., Y., R., 2007. A to of 9, 379391. Y., 2006. 77, 818. H., S., J., F., W., K., 200