本文關(guān)鍵詞：微米級(jí)金屬玻璃模具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞性能　出處：《鄭州大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

  更多相關(guān)文章： 金屬玻璃 微模具 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 疲勞性能 有限元模擬

【摘要】：近些年來,微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域得到了快速發(fā)展,在對(duì)結(jié)構(gòu)件精度提出更高要求的基礎(chǔ)上,精密微模具的加工成為了關(guān)鍵的問題。現(xiàn)有的微模具加工方法均存在一定局限性。尋找一種成本低的加工方法制作出強(qiáng)度高、精度高的微模具具有十分重要的工程意義。金屬玻璃,不僅具有優(yōu)異的強(qiáng)度、硬度、耐磨損等力學(xué)性能,當(dāng)溫度升高至其過冷液相區(qū)時(shí),又可以像高分子材料一樣成型各種復(fù)雜的圖形。由于缺少了傳統(tǒng)晶態(tài)金屬內(nèi)部晶界結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的限制,對(duì)金屬玻璃進(jìn)行微熱壓印成型實(shí)驗(yàn),可以在原子級(jí)別上精確復(fù)制模具上的結(jié)構(gòu)化圖案。降低溫度,金屬玻璃既可以保持這些被復(fù)制上的圖案,又可以恢復(fù)原有優(yōu)異的力學(xué)、物理以及化學(xué)性能。大部分金屬玻璃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度都高于常用工程高分子材料的熔融溫度,這使得金屬玻璃可以作為模具應(yīng)用于微成形領(lǐng)域。本文主要針對(duì)微米級(jí)金屬玻璃模具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞性能,開展以下幾方面研究:(1)對(duì)Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5(Vitreloy1,簡(jiǎn)稱Vit-1)大塊金屬玻璃進(jìn)行切割,制備出不同尺寸的塊狀金屬玻璃樣品。利用自行設(shè)計(jì)的拋光裝置拋光圓片狀樣品。通過原子力顯微鏡對(duì)拋光后的樣品表面進(jìn)行粗糙度測(cè)定。X射線衍射驗(yàn)證切割拋光后的金屬玻璃樣品仍然處于非晶狀態(tài)。利用DSC測(cè)定出該金屬玻璃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度及過冷液相區(qū),為后續(xù)熱壓實(shí)驗(yàn)溫度的設(shè)定提供參考。利用ICP體硅加工工藝,獲得表面具有特定微結(jié)構(gòu)的硅模具。對(duì)圓片狀金屬玻璃樣品進(jìn)行微熱壓印成型實(shí)驗(yàn),獲得單軸靜態(tài)壓縮和壓-壓疲勞實(shí)驗(yàn)所需微圓柱樣品,通過掃描電子顯微鏡和激光共聚焦顯微鏡對(duì)微圓柱形貌進(jìn)行表征。(2)取一部分微圓柱樣品進(jìn)行退火處理。利用X射線衍射對(duì)退火前后的樣品進(jìn)行表征,并進(jìn)行單軸靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn),比較微圓柱樣品退火前后的力學(xué)性能。利用掃描電子顯微鏡對(duì)靜態(tài)壓縮失效的樣品進(jìn)行形貌表征并分析其靜態(tài)壓縮斷裂失效機(jī)理。(3)利用疲勞試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)退火前后的微圓柱樣品進(jìn)行單軸壓-壓疲勞實(shí)驗(yàn)。取107次循環(huán)壽命為無限壽命。將實(shí)驗(yàn)獲得的應(yīng)力-壽命數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合得到S-N曲線,比較退火前后樣品的壓-壓疲勞性能。通過掃描電子顯微鏡對(duì)失效樣品的整體及斷裂表面形貌進(jìn)行觀測(cè),并分析樣品在循環(huán)載荷作用下失效的機(jī)理。(4)利用拋光機(jī)對(duì)不同尺寸的大塊金屬玻璃板材進(jìn)行金相拋光,通過微熱壓印成型實(shí)驗(yàn)復(fù)制硅模具上不同形狀的微流控芯片圖形。在得到的金屬玻璃微模具上利用熱壓成型工藝加工PMMA微流控芯片成品。再利用有限元模擬軟件COMSOL,以實(shí)驗(yàn)獲得的疲勞壽命S-N曲線作為失效判據(jù),預(yù)測(cè)微模具結(jié)晶前后在高分子材料熱壓成型過程中的使用壽命。并對(duì)金屬玻璃微模具在金屬板材冷壓過程中的應(yīng)用進(jìn)行展望,預(yù)測(cè)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞壽命。
[Abstract]:In recent years, the field of MEMS / MEMS) has been developed rapidly, on the basis of higher requirements for the accuracy of structural parts. The machining of precision micromold has become a key problem. The existing micromold processing methods have some limitations. To find a low-cost processing method to make high strength. Metal glass not only has excellent mechanical properties, such as strength, hardness, wear resistance and so on, when the temperature rises to its supercooled liquid region. Because of the lack of traditional crystalline metal internal grain boundary structure characteristics, metal glass microthermal imprinting molding experiment was carried out. At the atomic level, the structural patterns on the mould can be accurately copied. By lowering the temperature, the metallic glass can not only keep the duplicated patterns, but also restore the original excellent mechanics. Physical and chemical properties. The glass transition temperature of most metallic glasses is higher than the melting temperature of common engineering polymer materials. This makes metal glass can be used in the field of microforming. This paper mainly focuses on the structural strength and fatigue properties of micrometer metal glass dies. The following studies were carried out on Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5(Vitreloy1. Vit-1) large pieces of metallic glass are cut. Bulk metallic glass samples of different sizes were prepared. The wafer samples were polished with a self-designed polishing device. The surface roughness of polished samples was determined by atomic force microscope. X-ray diffraction was used to verify the cutting. The glass transition temperature and supercooled liquid region of the metallic glass were determined by DSC. By using the ICP bulk silicon processing technology, the silicon mold with specific microstructures on the surface was obtained. The microthermal imprinting experiments were carried out on the wafer metal glass samples. The microcylindrical samples for uniaxial static compression and compression compression fatigue tests were obtained. Scanning electron microscope (SEM) and laser confocal microscope (LSCM) were used to characterize the microcylinder shape. Some of the microcylindrical samples were annealed. X-ray diffraction was used to characterize the samples before and after annealing. The uniaxial static compression experiment was carried out. The mechanical properties of microcylindrical samples before and after annealing were compared. The morphology of static compression failure samples was characterized by scanning electron microscope (SEM) and the failure mechanism of static compression fracture was analyzed. The fatigue tests of microcylinder samples before and after annealing were carried out by using a fatigue tester. The life of 107 cycles was taken as infinite life. The S-N curve was obtained by fitting the stress-life data points obtained from the experiment. . The compressive and compressive fatigue properties of the samples before and after annealing were compared. The morphology of the failure samples and the fracture surface were observed by scanning electron microscope (SEM). The failure mechanism of the sample under cyclic loading is analyzed. (4) A polishing machine is used to finish the large metal glass plate with different sizes. The microfluidic chip graphics of different shapes on silicon die were reproduced by microthermal imprinting experiment. The finished products of PMMA microfluidic chip were processed by hot pressing process on the obtained metal glass micromold. Then the finite element model was used to process the finished product of PMMA microfluidic chip. Quasi software COMSOL. The fatigue life S-N curve obtained by experiment is used as the failure criterion. The service life of micromould in the process of hot pressing of polymer material was predicted before and after crystallization, and the application of metal glass micromould in cold pressing process of metal sheet was forecasted, and the structural strength and fatigue life were forecasted.
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TG139.8;TG76

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