（机械电子工程专业论文）聚合物微结构热压成形设备的温度控制系统.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 聚合物微结构的热压成形技术以其制作周期短、方法简单、易于实现批量生产等优 点，已经应用于聚合物微流控芯片、聚合物光波导器件等的制作，具有良好的应用前景。 随着聚合物微结构热压成形技术的不断发展，对性能优良的加工设备的需求更加迫切。 本文以目前聚合物微结构热压成型技术为基础，以实现自动化和批量化生产为目 标，对r y j i i 型热压成形设备的温度控制系统进行了研制。首先综述了聚合物微结构热 压成形技术的研究现状，对比分析了国内外各类热压成形设备的性能，对温度控制系统 展开如下研究： 对系统方案进行了研究。从导热能力和机械性能两个方面确定了热压头的材料，通 过对几种常用的加热和制冷方案的对比，确立了以电加热棒作为系统的加热器件，以循 环油冷却作为系统的制冷方案。根据温控系统关键位置处对绝热性能的不同需求，完成 了对隔热材料的选择。 对温度控制系统的硬件进行了设计。完成了以拧入式p t l 0 0 铂电阻温度传感器，信 号调理模块，山d 转换器为模拟量输入通道，以d ，a 转换器、双向可控硅及其触发器为 数字量输出通道的设计和配置。 进行了温度控制系统的性能实验。分别对温度控制系统的升降温速度，稳态温度控 制精度，稳态温度均匀性，动态温度均匀性进行了实验测试。 对影响温度均匀性的因素进行分析。为了进一步提高热压面的温度均匀性，从热压 面与环境的热交换和热压头材料的热扩散率两个方面对热压面温度不均匀的原因进行 了分析，并给出了一些改迸的方案。 温度控制系统经过近半年的研制，已经投入到聚合物微结构的制作中，其实际性能 已满足热压成形对温度控制的需要。 关键词：聚合物微结构；热压成形；温度控制；温度均匀性 聚合物徽结构热燕成形设备韵温度羟带i 幕统 t h e t e r n p e r a u 糟n 主r 。ls y s t e mo fh o t 坤m b o s s i n gm a c h 融e 8f o rf a b r i e a 矗o n o f p o l y 黻e f 黼i e s f 轻e t h 糟s a b s t r a c t h o t - e m b o s s i n g 诒c h n i q l 坤f o rf a b r o c a t i o np o j y m e rm i c r o s 缸u c 铋r e s ，w h i c hw a sa l r e a d y 猫彗矗遮t 如群o d u 文。瓤p o l y 辩群m i e 雄k i 攒cd 搴v i s ，p o l y 糙e r 地i c oo p 蛀c 越c o 礅p 托e 嫩s ， 曩n 琏e t c ，h 鑫sg dp o 蜘畦越迅毫嚣l i e a 娃徽，h g - e m b o s s i 鞋露珏鑫s 也嚣鑫矗删嘣8 9 e so f 蝻嗽 p r o c e s s i n gd n l e ，s i n g i ep r o c e s 8 i n gs t e p 胁ds u i 协b i e f b rb a t c hp r o d u c t i o n w i t l l 也e d e 锄l o p m t 艏氇oh o e m b o s s i n g t e o h 嫩凇f 曲f 醢b r 0 粕越o n p 0 y m 钟m i c r o s t f 缸h 销，t 融r e i s 氇e 娃鼬a n 癌。f 融i o 蕊触e 唾毡洚嫩e 狂 s 融g 。撕獬l i 净矗i 避e o 癌b 搽蛙印。 t h i sp a p e ri sb a s e do nh o t e m b o s s n g 协c 眦q u ef o rf 曲r i c a t i o np o l y m e rm i c r o s t n l c n l 聪s i od e v e l o p t e m p e r a t 埘ec o n 扛。is y s t e mo f t l l er w _ hh o te n l b o s s 媳e q u i p i n 删。轴s t 量y 妣 沁te m b o s s i 摊ge q 试p r n 黼ta b 糖w 秸ss w m n a 疽缱d 丑n d 也ee o r 豫l 酿i v eh o t * # m b o s s i n g m a c l l i n e sw e r ec o m p a r e d t h ef o l 王0 w i h gi s 地em a i nc o n t e n t ： t h es c h e m eo fs y s t e mw a si n v e g 瓤e d ，a c c o | d 嫩g 协如ed i “h e 蛐a n c ya 以地e m e c h 蕊e a ia b i l 毋，l h em a t e 矗a io f h o t - e m b o s s i i l gb i o c k 啪sd e c i d e d 弛eh e a i n gp o da sh e a t e l 。m o 挂ta n d 蠊毫c i r c 越a t 耋拄g - o i le l i n 蠡a so l i n gm o 她dw e f ee m 撑。y e d 撖蝴e r 黼 s y s 摭r nb yo o 热p 丑r 主n gs e v 娃a 王h 霉a t ，c o o l i 狂gp 嘲e c 括t k ；h e 鑫ti 魏s 啦a 吐o nr n 鑫捃f i 磊l 、v 最$ s e d e o 把d 怕eb a 时黼o f 也et e 脚p 锄咖c o n t r 0 1s 瑚t e mh 矗db e e nd e s i g n c da n dd e v e 】o p e d p t 】0 0a s 氇et e m 辨攘 娃糙s o 耗s o 靠 斌攀豁她s i 辩le o 麟娃截遗喀磁。瓠l e ，彤转c o n v 搴砖e td ，a c o 鞋v 尊姓e r ，b i w d f e c t i o 豫l 也y 蛀s 簖m o 嫩鞋e 轷e 辩l l 基地d ，善e s tl b ft e 辩辨艇h 谨ec o 矬瞧醴 s y 8 t e mh a db e e nd o n e t h ee x p e r i m e r l 锚i n c l u d e 畦1 er i s m g 住i l i n gs p e e d ，t e m p e r a 协r ec o n t r o i a 毡r a e ya n dt e n l p e r 稚张d 选蛾b 谢n g 沁i 如靠n i 每。a n 珏i 秘趣麸铺船e 琏d o n e 协嚣n 魏a n e e 她 拇啦秘蹴毪糟u 蜒鼢赢耄y 。豫黼。凇s 。羲s 辆端s 妇协建e 豫辩雾嘲氛黼黼黼i 热渤嚣y 蛙撑 f 犯ea r et l l et h e r n l a le x c h g oo f 也es i l r f a c 嚣a n dt l i e1 0 w 船r m a ld i 髓s i o nm o d u l u s 。 s e v e r a lp 哂e o t sw e r o 棼v 掌n 秘埔t e m p r a h 甜oe o 丑l $ y s t e mh 赫b e e na p p l i e dt of a b r i c 8 虹n g p o y m e rm i c r o s 雏l 。t u r e s 髓i 棼e f 挽e t 融d i e 融e d 搬e8 群起ms 靠t i s 蠡e st 酶r 城聪m e n 锶o f 馏曙1 p e r a t u r ec o n t r 0 1i nh o te m b o s s i n g k e yw o r d s ：p o l y m e rm i c r o s t m n u r 嘲：h o t _ e m b o s s i n g ；t e m p e r a t r ec o t r o i t e m p 棼黼扭聪狂矗i 轴狂n 姆 大连理芏大学硬圭学位论交 独稍性说明 作者郑麓声明：本硕士学位论文是我个人在辱郯指搏下进行鲍研究工 作及取得研究成巢。尽我所知，除了文中特鄹加以标注和致谢的地方外， 论文中不惩食其能人已经发表或撰鹭款磺究艘暴，墩不包含为获褥大连疆 工大学或蠹其他纂继的学像藏证鹞瑟使鼹避敷孝毒料。与我一露工终驰蘑悫 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：鑫壅丝日期：坦垄：! f 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 盗：丞垒 导师签名 2 型年厶月_ 2 五日 大连理王夫学硬士 位论文 绪论 ，1 基予凝会鞠徽结梅懿皴器襻 聚合物及其复合材料，如浆甲基黼烯酸甲酚( p m m a ) 、环烯烃共聚物( c o p ) 、 聚二早基硪氯婉( p d 嫩s ) 、聚碳酸蘸( p c 、聚苯乙燎( p s ) 、襄乙烯( p e ) 等蒜， 舆有怠好的热塑性、电绝缘性、透光性、电光活性、快速响应，以及种类多、易于加工、 可集成性等优点，使族在微电子器件、徽光电子器件、太阳能材料、电化学传感器、红 舞嘏收麓辩等方蟊璃兵有重荽静应用耩广瓣魏隶甥价篷# l ， 采用戏微米和纳米级的微制造技术所制作的聚合物微流控芯片、聚合光波导器件已 缀成为国瞧外很多萋名实验塞的研究热纛。 纳米科学在现代商技术领域中的匿大应用前景，正在把众多不闻的学科紧紧交叉在 一起。其中姬微米和纳米级的微制造技术和聚合物材料的站合有望在高分子科学领域中 弹辞塞一骛新簿增长点。 1 1 1 聚合物微流擦芯片 徽滚藏芯片是2 0 整纪9 0 年代耪、孛麓主螫在努褥纯学领域发展起来鲍，它渡分析 化学为基础，以微机电技术为依托，以微管遂网络微结构为特征，以生命科举为目前的 奎要应用辩象，是当霾彀型全分辑系统壤壤发展瓣重点，察广壤的应愚兹豢【4 l 。 微流控芯片是一种采用徽细加工拽术，在数平方厘米大小的基片上，制作出微通道 嘲络结构及其它功能单元，以实现集微蠡样品制备、进样、处理( 过滤、稀释、混合、 疑应) 、努离、检溺于一体静茯速、高教、低耗鹣徽型分轿装置，它是当前毁活跃静发 展前沿，代寝着2 1 傲纪分析仪器走向微型化、集成化的发展方向口j 。 徽漉按蕊冀的铡逑耪辩圭簧骞硅、玻璃帮鸯规聚台物三夫类 3 l 。旱襄鲍徽流控芯片 采用硅材料，由于其不透明且是半导体材料，因此很快为玻璃所代将。玻璃甚片的优点 在于：材料容易获得，制作设蠡与传统的i c 工麓设备兼痹性好，同时玻璃微流控芯片 遁先幢好，僵是价穆耀责嘲。蒋瓶聚合翰芯片怒近年来的研究熟赢，糖靖予以硅、玻璃 或者石英作为基片的徽流控芯片，聚合物基片具肖很多优点：聚合物基片材料特性较宽 广，薨可钞砖不嚣戆斑霜遥过度嚣证学泼性优纯纂片。囊较多适露的徽裁逸技术燕王聚 合物微通道几何圈形。不需要镶膜，大批量制作成本较低，易复制辞。 微流控芯片中常用电场力驱动液滤，用光学、电化学和质谱检测器进行分析。不同 豹离分子材料物理诧学往质不瀚；所以簧粳据徽流控芯片豹加工工芑、应鞘对象稀检测 方法等因素及高分子聚合物的光电、机械和化学性质，选择适用的聚合物材料，且要特 聚合物微结构热压成形设备的温度控制系统 别注意以下几点”j _ 【： 1 ) 聚合物材料应有良好的光学性质 能透过可见光与紫外线，入射光不能产生显著的背景信号，例如使用激光荧光法检 测时，要注意芯片材料的本底荧光要尽量低。使用高本底荧光的芯片材料会引起信噪比 降低和检测下限升高。 2 ) 聚合物材料应容易被加工 不同的加工方法对聚合物材料的可加工性有不同的要求。例如用激光烧蚀法加工芯 片时，聚合物材料应能吸收激光辐射，并在激光照射下降解成气体。热压法加工时要求 芯片材料具有热塑性。而模塑法用的高分子材料应具有低粘度，低固化温度，在重力作 用下，可充满模具上的微通道和凹槽等处。 3 ) 在所采用的分析条件下材料应是惰性的 有机聚合物能溶于某些有机溶剂中，例如聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 的微结构在 乙腈中会发生溶涨、塌陷甚至堵塞等现象。而它对高浓度的甲醇则是惰性的。因此选择 聚合物材料时要考虑芯片材料和可能使用的有机溶剂间的相容性。 4 ) 材料应有良好电绝缘性和热性能 微流控在分析时如用到电泳分离，材料应有良好电绝缘性及避免被高压击穿。散热 性能好的材料有利于焦耳热的散发。随着微通道和微结构的尺寸下降，焦耳热散发能力 随之增加，因此有机聚合物的导热能力在微尺度时重要性也降低。芯片中的化学反应需 要在高温下进行时，就必须考虑芯片材料的耐热性。 5 1 聚合物材料的表面要有合适的修饰改性方法 用于制作微流控芯片的高分子聚合物主要有三类：热塑性聚合物、固化型聚合物和 溶剂挥发型聚合物。热塑性聚合物有聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯 等；固化型聚合物有聚二甲基硅氧烷、环氧树脂和聚氨酯等，它们与固化剂混合后，经 过一段时间固化变硬后得到微流控芯片；溶剂挥发型聚合物有丙烯酸、橡胶和氟塑料等， 将它们溶于适当的溶剂后，通过缓慢地挥发去溶剂而得到芯片。 从目前的发展水平看，微流控芯片已突破其发展初期在加工技术及基本流控技术上 的主要难关，正在进入一个开展更深入的基础研究，广泛扩大应用领域，及深度产业化 的转折时期。预计这一时期不会很长，少则二、三年，多则六、七年，以微流控芯片为 核心的微分析系统将取代当前化学分析实验室的很多设备，使化学分析进入病房、生产 现场甚至家庭。在此基础上再经过三、五年，能监测自身生化指标及基因变异、食品卫 生及环境状况的便携式“个人化验室”将可能成为现实p j i “j 。 大递理工大学硕士学位论文 1 1 2 聚台物光波导器件 光波导器侮蹙将基投黪表瑟( 藏箕正下方) 制戚葵青福当离折蔚辜静部分，形成稚 封住光波的波导，其基本的元件有激光器、调制器、搽测器等。近些年来，随着光学通 辔网络豹毫速发照，对单攘光纾载波能力赞嚣求越来越丈，毙学波分复趣技( w d m ) 应运而嫩，而成本的降低成为w d m 进入因特阿的关键所在。为了降低制造和维修成本， 简化制造工艺，聚合物材料被引入到光波导器件的制作中i l 。 聚食穆材释光渡导器箨释粪繁多，如蠢歼关滤滚嚣、衰减糕、放大器、可调a w g 、 分束台策器、传艨器、分插复用器、垂直集成和3 d 集成器件、光子晶体器件、光连接 器等，逡些爨搏翳出理为全党网终注入了淫力“。 聚禽物材料制作光波导器件的优势在于c 1 ： 1 ) 损耗低、热稳定和可靠性高。掺杂氟原予可以有效减少在1 5 5 0 n m 处的光损耗，氟 豫籍聚合耪约热稳定蛙 鏊褥鑫了建离，逶予翻造纛滚波导器件。 2 ) 带宽较宽。聚合物材料的带宽可达3 5 0 0 】弛的量级，聚合物波导器件的带宽可达 1 1 3 g z 。 3 ) 双折射率低，色散小。聚合物材料的双拼射率燎低可达1 0 。1 0 一，色散率可达到 1 扩n m - 1 ，能岛s i o ，桶媲美，拢半导体或掺杂玻璃器低得多。 4 高热光系数私低热传替率。聚合物的热巍系数约坶1 酽，眈无祝玻璃大一个数量 级，可用于热光开关、可调光衰减器、阵列光波导光栅等。 5 ) 聚念物材料燕客槛磐；霹俸为兔转辕奔震藏离子掺杂抟母体，应嗣予蔗速电巍调穰 和光学放大领域。 6 ) 柔镪、造价低、可加工性好；聚食物在簿密度信崽传输、羲盏集成秘3 d 集成、电 脑内部光互联领域，舆有玻璃秤维不可魄拟的挽势。 构成全光网的光波导器件大致w 分为以下两类：平面光波学器件和集成光波导器 件。平嚣毙波导嚣俘有毙拜关、毒溺滤波嚣、霹交毙衰减器、放大器、耩台器、簿弼波 导光栅霈路调节，胶调器，平面光波肆传感器镣；集成光波导器件包括平面集成器件、垂 点集戏秘3 d 集成器 孛、蒙会躲光予鼹体嚣铎、计算系统中鲐党连接嚣等”】- 【1 9 】。 集成光学尤菇是聚合物集成光学，同成熟的集成电子学相比仍然处猩早期阶段，高 密度集成的聚合物光波导髅件为了谶军市场，必须进一步缩小尺寸、降低成本、优化性 能和壤缎授天泰场静蠲蘩，牙熊帮传统酶秃瓤嚣箨一争高下，陡若对阕懿雅穆，薪羹聚 合物材料不断的被研制合成出来，聚合物波导的性能得到进一步提高，新技术和新概念 的引入，翔兜子爨体积波夥技术的结合，将大大提毫爨合物波导静集戒密度，应攘混或 集合概念，无源，有源器件的进一步集成已经开始，甚至电脑中的电子连接器件也将逐步 被聚合物光波导连接器取代；全光网络的推广和普及，将为聚合物波导带来发展的新契 机。聚合物波导器件的发展正面临着巨大的挑战与机遇。 1 2 聚合物微结构热压成形技术 聚合物微结构的制作方法主要有：热压法( h o te m b o s s i n g ) 、模塑法( c a s tm o l d i n g ) 、 l i o a 技术、激光烧蚀法( 1 a s e ra b l 撕o n ) 和软光刻( s o f 【l i 吐l o 掣a p h y ) 等。其中热压法 由于其方法简单、制作周期短、可批量生产等优点得到广泛的应用2 1 2 0 1 o ”。 1 2 1 聚合物热压成形机理 热压法是在一定的温度下对模扳与基板施加一定压力，并保持一段时间，从而制作 出聚合物微结构的工艺过程。其主要的工艺过程如图1 1 所示：将聚合物板材放置在带 有微结构的模具上加热( 略高于玻璃点转化温度l ) 使其软化，加压并保持一定的时间， 然后在加压的条件下，将模具和微结构一起冷却到玻璃点转化温度以下脱模，就得到所 需的微结构，在聚合物基片上制作出微通道。热压法具有能加工大深宽比的微通道结 构( 1 0 ) 、加工厚度在0 5 m m 以上塑料基板、模板安装简单等优点【2 ”。 巴墨 ! 二兰口一m n 一* * 图1 1 热压成形法制作聚合物微结构 f i g 1 1s c h e m a t i cd r a w i r 培o f h o te m b o s s i n gp r o c e s s 采用热压成形法批量制作聚合物微器件，需要对生产制作的工艺过程进行控制。制 作过程的主要工艺参数包括温度、压力和时间，热压过程中典型的工艺参数曲线【2 4 1 如图 i 2 所示。控制热压工艺过程中的各个参数对聚合物微结构的成形质量至关重要。 大连遵王大学硕士学位论文 湿 度 t h 矗 时间 鳖1 2 燕压成稻斑槿孛温度、箍力与辩淌的关系曲线 f 毽1 2 t e m p 蜘鼍h l 他叭d p 博s s u r e v a r i a t i o n s i n h o t e m b o s s i n gp m c e s s 在热篷成形邋程中，警加热的最嵩温度t h 晤高于k 。热压模其的凸起与基片接簸， 接触部饶产生较大的压应力，发生爨性变形，模具凸起逐渐压入基片内，遮一过稷的时 闽鞍短。鎏摸巽静表面与蒸片表蠢垒辩接触嚣，援兵凸麓与基片接舷帮位之嚣戆力降低， 这时的温度、压力所起的作用是稳愆微结构的形状，消除其边缘的下陷，使微通道具有 鞍好的陡盏牲。遮过程戆对阕较长。特徽遇道完全定澎后，溢度降低至聪摸温度，擞 除压力，将基片与模具分开，完成芯片微结构的熟压戚形。在热眶过程中，基片材料要 具有一定的流动蚀，以利予微结构的成形口。 1 2 2 漱度对热援成形过稳的影响 温度、压力、时间是聚合物微结构热压成澎中的霞簧工艺参数，它们影响着聚合物 黪蠢动缝，蔼累会耪静流动性妻按捷定了燕嚣过程串聚含物材料酌最终形状，萁中瀑度 对热压成形的影响最为显著。研究滠度在聚合物微结构热压成澎过程中的作用已成为各 个辩礤机掏重要露骞之一【2 l j 。 聚合物在热瓶过程中融为温度变化容易产生各向异性的内威力及残余应力，而这些 应力对于微结构成形尺寸、表面粗糙度及稳寇性都有重要影响口。 美戮艇秘福露噩娜伯壳稠大学税械工程学院辔克聱l 传惑器与执行瓣磷究中心对微 观情况下聚合物的热压成形尺寸与工艺参数燕系进行了研究口”。该中心在利用热压法研 究了聚碳骏酪塑辩( p o l y c 韪r 泌趣op c ) 鑫| 童睾缴透镜过程中，褥到了湮瘦对微透镜璎端曲 率半径和微透镜高度成形的影响及关系。 聚窘镌徽结毒棼热搭麓嚣浚螽熬滋瘫控镕l 累壤 瀑璇( )瀑壤( ) 璺l ，3 ( 螽) 徽避镜商魔与潺腱哭蓑赣蠛辫c 吣徽遴镜曲率芈径与激廉燕系旃线胬 f 避+ l ，3釉h e i 翡t 甜m i 铷i 螂啪如fd 眭撕蝴t 蹿p 1 树搪m p e 蝴e 辑粼妇。f e 摊瞻蹦e 糌l 辫撼h 嘲嚣d 热燃哇s p 蛳醛缸m 秽糯# 潮l 。3 ( 8 ) 鞠 ) 分别为聪务p 啪8 a 髂a 、酣瓣瓢m o 一5 5 m i n 酎微遴镜巍艘藕魏率 半裁与温度辩装豢黧。戮1 3 ( a ) 显示徽遴镜鬻发写涟衰燮佬崔1 7 和1 9 0 。e 之潮基本麓 线性燕系，嚣嚣濠凄越鬻封藏壤变纯引超的撼度燮他越大；阐l ，3 国) 驻零，褒1 7 0 1 9 0 。e 瀑发楚娆辩，蕤攀拳强罄本趋势燕戆萋漩璇蠹离 霾避激藏小翁。遮怒篱两潺发蕊麓黎客 物率孝料粘性和袭蔺张力越小。遂说明溢艘艇聚合物材辩的溅渤性有较大的影确。 t 甚o 峁 l 稿 l 怂 争 善瓣 特 * 嚣 o f 卿d 磷f 目嘶m 聃 #辩掉e 姆0 辩0 雒， 。 瓠附f 酾0 赞i 4 热嚣芏芑孛濑淀每淘瀵戚澎关蒸瘸( 材辩：托，疆力；2 3 p 8 ) 热嚣瓣发：( 8 ) l 弱；( b ) l 髓磬1 0 t y p l 龃i d 却i 鱼c e m e n t 黼d e m p e 撒潞p r o 蠡l e sd 州n g e m b 。s s m 雾p 瓣s s ( m 8 e 一直i p e ；p 摊s s u r e ：2 3 姻尊t ( 曲1 5 5 ；( 酚1 6 5 e 端b o s 鲢n g 钯辩p e 豫融撒 #ag= 獬瑚黼辩蛐锵瓣薹m o 袋m黧4嚣意#j) 踯驰罅拍鼬梯糟鼯e 甜j 1 大连理工大学硕士学位论文 美国俄亥俄州州立大学材料科学与工程系研究人员对微结构热压成形尺寸及内应 力与温度的关系进行了研究【2 6 】。口”。图1 4 为利用热压机热压p c 基板，在不同温度下， 通道成形尺寸与模版尺寸关系图。模版设计通道尺寸为8 0 0 肛l ，在热压压力为2 3 p s i ( 1 6 1 b a r = 0 1 6 1 m p a ) 条件下，左图为在1 5 5 。c 时，通道成形只有设计尺寸的一半即 4 0 0 m 左右：右图为在1 6 5 。c 时，基板的通道成形尺寸与设计尺寸基本达到一致。该图 说明在不同温度下，通道成形尺寸有很大的差异。 可见实现对温度的精确控制，对采用热压法维4 作聚合物微结构是有重大意义的。 1 3 聚合物微结构热压成形设备的研究现状 早期的聚合物微结构加工设备一般是采用普通的压力设备简单的改制而成，不仅所 实现的功能有限，而且这些设备的控制性能差，对工艺参数的复现性差，难以保证聚合 物徼结构的加工质量，更难以确定最优的工艺参数。随着聚合物热压成形技术的不断发 展，对性能优良的加工设备的需求更加迫切。 近些年来，国外很多研究机构及国际化的大公司逐步投入到热压设备的研究中来， 开发出一些性能较好的热压设备。 图1 5 所示的是德国j e n o p n k 公司( 2 9 】所开发的h e x 。0 2 型热压成形机，可实现的 工艺参数为：最高使用温度3 2 0 。c ，最大使用压力2 0 0 k n 。目前，h e x 系列热压装各 已具有手动、半自动、自动等控制方式，其通用型强，但连续生产能力尚有代提高。 图l 。6m - 0 2 热压机 f i g 1 5h e x _ 0 2h a m b o s s i n gm a c h i n e 壤食糖擞绩构热驻或影淀蕾豹溢度撵剿系统 鹭l 。6 掰示豹怒爽缝利嚣v g 公司| 2 8 开发黝嚣v 5 2 0 珏e 爱半自动热垂辊，该设器霹搬 王最丈蠹经为8 荚砖戆蕊冀+ 。霹实臻熬王蔑参数为：最藏使瘸瀑度5 5 e 。e ，媛大使题瘫 力4 7 n 。 黧l 。舂嚣v 5 2 0 辩嚣热蒸成型设簧 遮+ 1 6 e v 5 2 粼e 轴 蝴b o 驰缸壤e q h 培h 艟撒 圈l 。7 餍示的建荧萤德变萨凝鲻立穴攀0 4 鑫纾臻铡瓣窭验藤热愿辍，霹安璃王蕊参 数为：爨离馊弼湛魔2 o c ，最大接用涎力2 薹c n 。 嚣 7 夔嚣德巍势鞭髑受戈擎骄铡雏熬压撼 f 皤l ，7 鼬e b b e 掰拈s s h 毽m 喇j 黏持o f 溯a 大连理工大学硕士学位论文 国内在热压设备的研究方面起步较晚，所采用的设备多是对小型压片机的简单改 制，加工质量难以保证，加工效率很低，劳动强度大，精确度不高。近几年来，国内的 一些高校和科研院所，如清华大学，浙江大学，武汉大学等，开始研制一些手动和半自 动的热压设备。大连理工大学微系统研究中心于2 0 0 3 年自行研制了r y j - i 型热压成形 机，在聚合物微结构加工设备的研制上已经走在国内的前列。 图1 8 大连理工大学研制的r m - i 型热压机 f i g 1 8r y j ih o t e m b o s s i n gm a c h i n ed e v e l o p e db yd u t 图1 8 为大连理工大学微系统研究中心研制的r y j - i 型热压机，适用于肿o d6 材料 的微结构加工。可实现工艺参数为：最高使用温度1 5 0 。c ，最大使用压力1 0 k n 。 1 4 本文主要工作和研究意义 大连理工大学微系统研究中心所研制的r y j i 型热压成形机的温度控制范围小热 压面的有效的工作面积小，所以仅适合制作软化温度低、尺寸小的聚合物微结构器件。 所以，为了能够对大多数聚合物材料采用热压法制作微结构器件，就必须研制一台使用 温度高、有效工作面积大的热压机。 本文围绕i ( y j 型热压成形设备的研制，开展了以下几个部分的工作： 1 通过查阅大量的文献，了解了聚合物微结构及其热压成形技术的发展现状，认识到 温度在聚合物微结构热压成形过程中的重要作用，并对国内外先进的聚合物微结构 热压设备进行了概述。 聚合物微结构热压成形设备的温度控制系统 2 根据项目需求，给出了温度控制系统的加热方案、制冷方案，并对隔热材料进行选 择。 3 根据所确定的温度控制系统方案，对温度控制系统的硬件电路进行设计。 4 对温度控制系统的性能进行实验。 5 对热压头表面温度均匀性进行分析，并给出几种改进方案。 大连理工大学硕士学位论文 2 温度控制系统的方案设计 r y j 。i i 型热压成形机主要由加热、冷却、传动和压力四个部分组成，其中实现加热、 冷却的机械装置及其控制装置称为温度控制系统。本章将对热压头材料的选取，加热和 制冷方案的确定，以及关键部位处隔热材料的选取进行研究。 2 1 温度控制系统的总体性能指标 温度控制系统的用途是用来提供聚合物微结构热压成形所需要的加热平台，为了得 到一致性好的聚合物微结构，对温度控制系统的性能应有如下要求： 1 1 快速平稳的升温。 2 ) 温度过冲小。 3 ) 较高的响应速率，测温仪表、温控器、加热电源等都应具有较小的响应时间。 4 ) 安全、可靠、自动化程度高、操作方便，尽量增加易损件的使用寿命。 5 ) 加热平台的温度均匀性好。 2 2 热压头材料的选择 温度控制是大滞后的过程控制，在控制过程中温度会出现的过冲现象，被控对象的 热容量越大，那么过冲现象就越明显，所以在热压头材料的选择上，在保证其具有良好 的导热性能，即导热系数较大的同时，应使其在体积相同时的热容量尽可能的小。 对比以下几种导热性能较好的材料，分别计算出各种材料的在相同体积时的热容 量。热压头体积：v = 1 9 8 1 0 1 ( ，) 表2 1 三种金属材料的性能参数 t a b 2 1p e 由皿锄c e 岬e t e r so f t h r e em e t “s c h = c 。p v = 3 7 7 8 4 4 0 1 9 8 1 0 。= 6 3 0 0 1 2 ( j 依) c 1 。c 。p - v 2 9 0 4 2 6 6 0 1 9 8 1 0 4 = 4 7 6 1 1 8 ( j ) 装食物擞结构热嚣成嚣设备豹瀑瘦控制装统 e 扩- p v 司4 0 7 8 6 0 1 9 8 1 0 4 嗡霉4 7 6 ( j 敝) o l 粒e ；分澍麓冀镪、锅会金耱搂最钢瓣热察蠡；蒸孛攘莛钢簿熬察爨簸丈，菠 锶敬之，锈食垒匏熬露耋最小。蓉麸热枣爨大小教导热谯( 辱熟系数越大鼯热佳能越搿) 方嚣考虑凳选取锅会袅较势会遗。稳蠡；| 予热鹾头主戆遴魏较多，鼹承丞健麓秘硬瘦簧墩 较离，露撰翼钢戆臻澄缓丈，熬齄疆嚣磺发霉迭嚣r e 酾激土，撬悉簇鼹强发吼；5 0 8 h 静 挽救强发瓤一1 0 8 0 凇鑫【3 9 ，放综台戳上瓿械瞧熊、可热工性及燕学蛙自三方嚣嚣索，选 定攘其锻俸海熬悉头瓣耱瓣。 2 3 翔热灏到冷秀寨懿选撵 2 ，3 。 窳热方式辩蕊撵 1 ) 感霾鸯瑟热 感瘦耱热是嚷热瘫禹瓣一秘较黪形式，玄燕琴矮瞧戮惑斑熬蘸莲将亳转交戚热 施，麸孺察堍对磁场审物体滋行魏热瓣一静饕接触鸯霹热方建。个黪应趣热系统靛慕零 缀藏氮爨；交流蘸潦、感痰绫翔、被燕燕耱钵。鲡嚣2 1 掰示：瓷交交壤澳l 遴入戆斑线 援孵，惑藏绫露魂馕声生交嶷磁通，馊鬻予臻波绫蘧孛豹工捧受副藩滋藩斑嚣产生臻痰 毫势，簿液壤势在王终孛产生魄流，键王传攘避褒瑟麴部努秀始熬蘸；感疲趣热方式蕻 褰翔熬瀵壤糍，热热速炭抉，魏热效攀蠢，爨羧裁等魏熹。 2 ) 疆繇东加热 强2 i 蒜瘟热熊器意藜 f g 2 + ls e 魏。融戤瓤d 灌详备毽群 n 如雠魏勰i n g 1 2 一 大连理工大学硕士学位论文 循环水加热就是使已被预热的水或其他液体在工件中的管路中循环流动，通过液体 和工件之间的热交换而使工件被加热的一种加热方式，其工作方式与热交换器类似。这 种加热方式需要一套独立的液压和加热冷却系统，来为循环液体进行预加热，其经济性 较差，且可控性差。 3 ) 电加热 电加热是利用阻性元件通电时，电能转变为热能的原理对物体进行加热的一种加热 方式。 电加热元件多种多样，一般来讲，有以下几种有代表性的电加热元件： a ) 电加热片 电加热片是一种薄膜型的加热元件，它由两层或多层绝缘薄膜，中间夹以电热 材料组成，这类电加热器的一个重要特点是厚度小，一般在l m m 以下，最薄的可 达o 1 m m 。因此，它的单位面积的质量很小，热惯性也很小，一般适用于精密仪器、 零部件的温度控制。 b 1 电加热丝 电加热丝采用电阻丝缠绕方式。这种加热方式也比较常见，类似平时用的电炉 子，就是利用电阻丝缠绕来达到使被加热物体均匀受热的。最常用的就是镍铬台金 电阻丝，它易控制，且耐高温。 c 1 电加热棒 在电加热丝周围包上一层绝缘层，就形成了电加热棒。该绝缘层具有良好的导 热性能，并且可以防止漏电，使得电加热棒即可获得电好的导热性能，使用起来也 比较安全。 比较以上几种加热方式，从加热效率、经济性、现有的技术条件和项目需求等方面 综合考虑，最后决定采用电加热棒作为热压头的加热元件。 2 3 2 加热功率的计算 上下热压头均采用6 根加热棒进行加热，加热功率的大小可以由升温速度来确定， 对热容量一定的材料，加热功率越大其升温速度越快。 热容量一定的被加热物体每秒钟上升一定温度所需的功率即可由下式计算： q = c 壹v ( 2 1 ) 式中：q 加热功率，单位：w v 升温速度，单位：。c ，s c 。熟压头的热容量，单位：j 服 聚合物微结构热压成形设备的温度控制系统 本系统要求升温速度大于0 6 。c s ，由前文计算的热压头的热容量为6 8 4 7 6 j 依也即 6 8 4 7 6j 。由公式2 1 则可得出升温所需的功率为： 加热功率：q 。# x 06 2 4 1 0 86 w 由于计算出的加热功率是在理想的状态下得到的，没有考虑到热压头与周围环境之 间的热量损失，所以要在计算得到的加热功率的基础上乘以一个功率补偿系数k ，自给 定k _ 1 5 ，则每根加热棒的加热功率为1 0 2 7 1 5 w ，最后取每根加热棒的加热功率为 1 2 0 0 w 。 2 33 制冷方案的选择 目前比较常见的制冷方式有；循环气冷，循环液冷，半导体热电制冷【3 8 】等等，由于 热压头部件的热容量较高，需要的冷却功率较大，并且预计达到的较高的使用温度，故 选择循环油冷作为系统的制冷方案。 冷却系统工作时，油泵将导热油从油冷却机的油箱中压出，经由循环油路进入到热 压头中，对热压头进行冷却，被加热的导热油回流到油冷却机中，再由油冷却机对其进 行冷却，油冷却机出口的油温保持在1 5 2 0 。c 之间。 热压头内部油路如图2 2 所示： j： i i 匕 | 1 匕 卜。誊： 卜 _ ；巴 | 匕 剧2 2 热压头内部油路 f 嘻2 2t h es t m c t u r ef o rl h ec y c l eo f t l l ec o o i i n go i | 油冷却机选择三河市同飞制冷设备有限公司生产的m c o 一5 0 c 型精密油冷却机， 内部带油泵和油箱，油冷却机采用电脑全自动控制方式，可通过对多种冷却油温的选择 来实现不同制冷功率的降温。其工作可靠、保护功能齐全，性能参数如下： 爿崮离裂马 大连理工大学硕士学位论文 制冷量：5 k w 额定电流：8 a 带0 冷剂：r 2 2 油温范围：1 5 4 5 。c 装电功率： 电源电压： 3 6 k w a c 3 8 0 v 载冷剂：3 2 0 # 导热油 使用环境温度；1 0 4 5 。c 2 4 隔热材料的选择 选择隔热材料首先要考虑它的导热系数，导热系数越小，其隔热性能就越好。此外 还需要根据隔热材料具体使用的场合考虑其机械加工性能、抗压能力、硬度、毒性等。 根据本系统的实际需要，在如下三类位置需要放置隔热材料。 1 ) 上、下热压头与恒温板之间 2 1 上、下腔体的内壁 3 1 上、下联接板的波纹管过孔处 图2 3 隔热材料安装位置示意图 f i g 23t h ep o s h i o no f h e a ti n s u l a t i o nm a t e n a l 在第一类位置，为防止热量传递到机体上，所以在热压头和恒温板之间要放置隔热 材料。此处，除要求隔热材料具有较小的导热系数外，还要求其其一定的承压能力，因 为压力是直接作用在此处的隔热材料上的，并且还要求其加工后应具有较小的表面粗糙 聚合物镦结构热压成形设备的湿度控制系统 度，以兜影响两热压面问的平行度，另外考虑到与热压板、恒游扳之间的安装问题，还 需要诧懿静隔热槠耩具有较好的撬槭麴工性能。 在第二类位磁，由于热压头的热量会通过热辐射和空气对流传递到腔体的内鼹上， 茨傣瀑璇过蠢会终操 蕈人璺豢来不鬣，数在黢髂熬疼璧簧镬震隔热毒| 辑，魏处除了要求 所选择的隔热材料具备较小的导热蒹数，还需要其具有定的索性，可弯曲，以便于安 装。安装时，使其紧贴在胶体的内黢上。 在第三类往鬣，为了避免通有热油的波纹管与上下联结板蠹接接触，敬在上下联结 板的油路过孔处安装隔热材料，此处要求隔热材料的翼备良好的机械加工性能。 壹予本系统瓣黼蒸耪誊率麴隰热瞧施、热工链等要袋较寒，掰叛鬻爱熬隔燕毒聿辩大理 石、石棉等不能满足要求。 比鞍以下见葶孛导热系数镀小的隧瓤毒| 辩。 表22 蠢种隔热材料的性能比较 孰b 2 2 黜脯嘲8 k e 群0 f t 妇瓢淞u l 蟠璐8 瓣“8 s 擐攮热匿援辩隔热枣| 瓣蛙麓豹爨求，最麓选择聚嚣爨乙燎髂隽敦土三类位置豹隧热 材料。 2 ，5 本褰枣缠 本鬻在对温控系统需拣分析的基础上，首先从热学性能、可加工性和机械性能三个 方嚣对熟匿头豹秘粒避孬了逸择，确定热压头静耪辩为摸其钢( 5 蝴耋。) ，然爱攫据 项目需求和现有的技术条件，确定了温控系统的加热，制冷方案，最后根据热压设备几个 关键部谯处对隔熟材料豹不同需求，选择了聚四氟乙烯作为隔热材料。 大连理工大学硕士学位论文 3 温度控制系统的硬件设计 热压机温度控制系统的硬件部分主要由工业控制计算机，温度传感器，信号调理模 块，d ，a 转换器，a d 转换器，双向可控硅及其触发器等组成。 31 温度控制系统的工作原理 图3 1 温度控制系统原理圈 f i g 3 1t h es c h e m eo f t h e t e m p e 枷他c o n t r o 】3 y s t e m 工作原理如下：由置于热压头内部的温度传感器所采集到的反映热压头温度的电压 信号，经过信号调理模块的滤波、放大和线性化处理后，送入a d 转换器进行模数变换。 将转换后得到的数字量送入到工控机中。温控程序比较控制目标量与采集的数字量，根 据p i d 控制算法计算出温度控制数字量，经d ，a 转换器变成模拟控制量，送入到双向 可控硅触发嚣中，通过控制双向可控硅在一个固定周期t 内的导通时间来实现对加热器 平均加热功率的调节，从而达到控温的目的。 3 2 控制器设计 温控系统的控伟器采用工业控制计算机辅以相关温控程序来实现，采用p i d 控制算 法进行控制。 p i d 控制即比例、积分、微分控制，自1 9 世纪4 0 年代开始以来，广泛应用在工业 生产中，长期以来，由于其无需精确的对象模型，算法简单，鲁棒性好，可靠性高，且 其参数具有明显的物理意义，调整方便，在广泛的过程领域内可以实现满意的控制。 p i d 控制器由比例、积分、微分三个环节组成，p i d 控制系统结构框图如图3 2 所 p i d 控制器由比例、积分、微分三个环节组成，p i d 控制系统结构框图如图3 2 所 示。 聚合物微结构热压成形设备的温度控制系统 图3 2p d 控制系统结构框图 f i g 3 21 t l es c h e m 鲥co f p i dc o n 仃o ls y s f e ms 慨t u r e 经典p i d 控制算法表达式的离散形式为： u ( k ) = k p e o ) + k l e ( k ) + k 。( e e 1 ) ) ( 3 1 ) j o 式中 k 一采样序号；k = o ，l ，2 ， u ( k ) 一第k 次采样时刻的计算机输出值； e ( k ) 一第k 次采样时刻输入的偏差值： k 。一比例系数； k 一积分系数，k 。：! 宴； l l k 。一微分系数，k 。：! ! 晏 t 为采样周期，t i 和t d 分别为积分、微分时间常数。 p m 算法根据比例、积分、微分系数计算出合适的输出控制参数，利用修改控制变 量误差的方法实现闭环控制，使控制过程连续。比例控制能迅速反映误差，从而减小误 差，但比例控制不能消除稳态误差，k 口的加大，会引起系统的不稳定；积分控制的作 用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累，输出控制量以消除误差。因此， 只要有足够的时间，积分控制作用将能完全的消除误差，但积分作用太强会使系统超调 加大，甚至出现震荡；微分控制可以减小超调量，克服震荡，使系统的稳定性提高，同 时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能口”。 通过人工整定p i d 参数，经过多次实验，最后得到p i d 参数。 大连理工大学硕士学位论文 3 3 模拟量输入通道配置 模拟量输入通道用于把检测装置从被控对象中检测的模拟信号转变成数字信号送 入到计算机中，要完成这一功能，需要采样将连续的模拟信号转变成离散的模拟信 号：转换通过整量化将离散的模拟信号转变成离散的数字信号。 模拟量输入通道由p t l 0 0 铂电阻温度传感器、温度变送模块、刖d 转换模块组成。 在温度控制系统中主要完成温度信号模拟量的采集、放大，以及模拟量到数字量的转换 功能。 3 3 1 温度传感器 在大多数情况下，对温度传感器的选用，需要考虑以下几个方面的问题： 1 ) 测温范围的大小和精度要求。 2 ) 测温元件大小是否适当。 3 ) 在被测对象温度随时间变化的场合，测温元件的滞后能否适应测温的要求。 4 ) 被测对象的环境条件对测温元件是否有损害。 5 ) 价格如何，使用是否方便。 工业现场使用的温度传感器主要有热电偶、热电阻。 热电偶是利用热电效应的原理进行工作的测温元件，是温度测量中使用最广泛的传 感器之一，其测量温区宽，一般在1 8 0 2 8 0 0 0 c 的温度范围均可使用：测量的准确度和 灵敏度度较高，尤其在高温区内，有较高的精度。因此熟电偶在一般的测量和控制系统 中，常用于中高温区的温度检测田j 。 热电阻主要是利用电阻随温度的变化而变化的原理来实现温度的测量的，这种温度 传感器在常温和较低温区范围内有比热电偶更高的灵敏度，因此常用于该温区 ( 。2 0 0 “5 0 0 c ) 内的温度测量。常见的热电阻温度传感器从组成材料上，可分为铂电阻 温度传感器、铜电阻温度传感器、热敏电阻温度传感器。其中铂在氧化性介质和高温中 有较好的物理和化学性质的稳定性，因此，利用铂制作的铂电阻温度传感器有相对较高 的精度，在要求温度控制精度较高的场合，通常选用铂电阻温度传感器。 本温控系统的控温范围为0 3 0 0 。c ，并且要达到较高的控制精度，故选用铂电阻作 为温度传感器。 按i e c 7 5 1 国际标准，温度系数t c r 尸0 0 0 3 8 5 ，p t l