面向纳米压印模板的块体金属玻璃直接成型技术的研究

摘要

纳米压印技术作为一种将压模上的特征图形转移到热塑性材料上的工艺，提供了一种加工微纳级器件方法。对于纳米压印而言，制备具有良好的耐磨损性、优良的几何精度以及较长使用寿命的压模至关重要，这就需要制作压模的材料拥有高强度、高热导率、低膨胀率、好的抗粘性。长久以来SiO2被认为是制作压模的优质材料，但是由于断裂强度等原因，该材料的压印时容易磨损，导致使用寿命的降低。随着热压印技术及相关领域的发展，越来越多的材料被用来制作压模，例如金属。尽管金属有着优良的力学性能，但存在压印图尺寸难以小于晶粒尺寸的问题，至今仍没有广泛应用在微纳米级的压模中。块体金属玻璃是由熔化的合金通过快速冷却的方法制成的，与传统金属相比，它有着许多不寻常的性能。块体金属玻璃没有微晶、晶界以及晶体结构本质上摆脱了对晶粒对压模尺寸的限制，块体金属玻璃在过冷液体区间会呈现粘流态，强度较低、易于成型，宏观上表现出高强度、高硬度和极强的抗腐蚀能力，成为制作压模的优良材料。
　　本文的研究内容包括以下几个方面：
　　（1）利用真空电弧炉反复熔化金属原材料混合物，通过铜模吸铸法制备出长约50mm、宽为40mm、厚度2mm的La62Al14Cu12Ni12BMG与Ce69Al10Cu20Co1 BMG的板材。分别通过差示扫描热量分析法（DSC）和X射线衍射分析法（XRD）验证了成型的合金的试样为非晶态。
　　（2）通过选择不同的压印参数，利用扫描电子显微镜（SEM）观察不同压印参数下的填充效果，同时结合DSC和XRD对成型的试样进行热分析与组织分析。最后实验表明： La62Al14Cu12Ni12 BMG最佳的压印参数为：压力400N、压印温度155℃、压印时间5min、脱模温度100℃，这时试样基本保持在非晶态；当其他参数不变，压印时间增加到20分钟时，试样已经基本转变成为晶态。
　　（3）将利用传统的工艺成型的非晶态的La62Al14Cu12Ni12BMG作为压模，压印Ce69Al10Cu20Co1BMG通过SEM观察压印效果，同时利用晶化的La62Al14Cu12Ni12BMG作为压模成型PMMA和非晶态的La62Al14Cu12Ni12BMG都得到良好的压印效果。实验表明：La62Al14Cu12Ni12BMG作为压模有强度大、导热快、韧性好和膨胀系数低的优点，成为一种新型的优良的压模材料。

目录

面向纳米压印模板的块体金属玻璃直接成型技术的研究

RESEARCH ON SUPERPLASTIC FORMING OF BULK METALLIC GLASSES AS NANOIMPRINT-MOULD

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 块体金属玻璃材料的研究现状

1.3 纳米压印技术及其应用现状

1.4 传统压模的加工方法

1.5 本文的主要研究内容

第2章 块体金属玻璃表征方法

2.1 引言

2.2 热分析

2.3 X射线衍射分析

3.3晶化相体积分数DSC法测量的基本原理

2.4 本章小结

第3章 块体金属玻璃的制备

3.1 引言

3.2块体金属玻璃样品的制备

3.3块体金属玻璃样品的结果分析

3.4 本章小结

第4章 面向纳米压印模板的块体金属玻璃成型优化

4.1 引言

4.2 压印时间和压印温度对晶化程度及填充效果的影响

4.3 非真空下压印对填充结果的影响

4.4 非真空下压印对填充结果的影响

4.5 本章小结

第5章 块体金属玻璃模板的性能及复制实验

5.1 引言

5.2 压印中对压模的要求

5.3 块体金属玻璃压印实验设计以及压模的性能

5.4 以块体金属玻璃为压模的复制的实验

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢