中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心知识库

软刻蚀技术结合陶瓷的湿法成型为陶瓷微型零件的制备提供了一系列低成本、简单的(近)净成形技术，其制备过程主要包括弹性聚合物(通常用聚二甲基硅氧烷(PDMS))模具的复制、高分散陶瓷浆料的制备、浆料在PDMS模具中的填充、生坯的干燥、脱模和烧结等步骤。其中，注模过程中，陶瓷浆料在PDMS模具微结构中由于表面张力和粘阻力的作用使得注模困难，容易导致生坯微结构的不完整；干燥过程中，毛细管力的作用容易导致在生坯中产生微裂纹等缺陷；脱模过程中，生坯与PDMS模具模壁的界面粘着容易导致生坯微结构的断裂。本论文以软刻蚀成形的关键过程与缺陷控制为研究对象，得到的主要结论如下：

1. 制备了不同固相含量(70、75和80 wt.%)、不含粘结剂的高分散Al₂O₃水基浆料。通过加入NH₄-PAA作为分散剂以提高浆料的分散性，NH₄-PAA在水基陶瓷浆料中起电空间稳定机制。确定了制备高分散Al₂O₃水基浆料的最佳参数和分散工艺：分散剂NH₄-PAA的含量为粉末质量的18 mg/g(1.8 wt.%)；pH=11；球磨时间为20 h，其中球料比为 3:1。

2. 用以上所制的不同Al₂O₃浆料制备了不同横向特征尺寸(60~120 μm)的微流道，发现浆料的固相含量决定了浆料的注模能力、成形过程中的尺寸收缩和生坯的烧结特性。三种浆料都不能制得横向特征尺寸为100 μm的微流道；固相含量≤70 wt.%的浆料可以制得横向特征尺寸为100 μm的微流道；固相含量>75 wt.%的浆料可以制得横向特征尺寸为120 μm的微流道。固相含量越高，浆料的粘度越大，注模能力越差，导致制得的生坯微结构不完整，但制得的微流道生坯密度高，尺寸收缩小，且在较低的温度下即可烧结致密。

3. 发展了一种新的软刻蚀成形方法—离心辅助微模塑法，在注模过程中借助离心力的作用以提高浆料的注模能力，并用高固相含量(80 wt.%)的Al₂O₃水基浆料制备了微结构完整的微流道和较大面积(3 cm×2 cm)的微混合器。与微浇注法相比，离心辅助微模塑法可以改善生坯中颗粒的堆积，制得的生坯密度高、强度大，在较低的温度下就可烧结致密。在1600 ℃烧结1 h后，得到的Al₂O₃微混合器致密度为98.7%，Vickers硬度为20.9 GPa，抗弯强度为328.2 MPa，与块体Al₂O₃的性能相当。离心辅助微模塑法用固相含量80 wt.%的Al₂O₃水基浆料可制得横向特征尺寸≥60 μm、深宽比≤2的微结构。

4. 发现PDMS模具表面的润湿性对陶瓷微型零件的软刻蚀成形起决定作用：在注模过程中，PDMS模具表面的润湿性影响陶瓷浆料的流动注模能力；在脱模过程中PDMS模具与微型零件生坯的界面粘着决定了脱模质量，而界面粘着也与PDMS模具的表面润湿性密切相关。未经处理的PDMS模具表面呈疏水性，我们用plasma技术对PDMS模具进行表面改性，使得注模时的PDMS模具呈亲水性以提高浆料的流动充模能力；plasma处理过的PDMS模具表面存在疏水性自恢复现象，使得脱模时的PDMS模具表面呈疏水性以提高生坯的脱模质量。用固相含量75 wt.%的Al₂O₃水基浆料成功制备了横向特征尺寸为60 μm的微流道和较大面积(3 cm×2 cm)的微混合器，微结构完整无缺陷。

5. 与陶瓷薄膜的干燥类似，干燥过程中因为水分的蒸发导致在生坯中产生毛细力，毛细力对生坯施加压力，而通常情况下生坯粘附在基底表面，基底对生坯的表面约束导致在生坯中产生横向的张力，容易导致生坯中产生微裂纹。我们用多种表面润湿性不同的材料作为基底制备Al₂O₃微流道生坯，发现在硬质基底上干燥的生坯中可能会有微裂纹的产生，而在柔软的疏水性的聚合物薄膜基底上干燥的生坯微结构完整，没有微裂纹的产生，主要是因为疏水性的柔软的聚合物基底消除了基底对生坯的约束作用。