卷對(duì)卷紫外光固化壓印成型工藝建模及實(shí)驗(yàn)研究

卷對(duì)卷紫外固化壓印成工藝建模及驗(yàn)研究具有表面微納米結(jié)構(gòu)的聚合物薄膜產(chǎn)品在諸如光學(xué)顯示生物醫(yī)學(xué)微機(jī)電系統(tǒng)以及太陽(yáng)能等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用對(duì)卷Roll-to-roll,R2R)紫外光(UltraViolet,UV)固化壓印工藝是這類表面微細(xì)結(jié)構(gòu)快速加工的有效方法,它具有成型效率高、可控性強(qiáng)等特點(diǎn)。隨著這類光學(xué)薄膜應(yīng)用的迅速拓展復(fù)雜形貌、高深寬比的表面微細(xì)結(jié)構(gòu)的需求越來(lái)越多,對(duì)卷對(duì)卷紫外光固化壓印工藝質(zhì)量要求也不斷提高。由于微結(jié)構(gòu)尺寸細(xì)小,成型速度快,材料充型時(shí)間較短,容易存在材料充型不飽滿,造成氣泡缺陷等結(jié)構(gòu)缺陷。此外,在固化過(guò)程中,材料與模具之間易發(fā)生粘接現(xiàn)象,與固化收縮應(yīng)力以及脫模的機(jī)械應(yīng)力共同作用,導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)發(fā)生破損斷裂現(xiàn)象前對(duì)于微細(xì)型腔中材料流動(dòng)充型以及脫模過(guò)程中材料的應(yīng)力分布及其對(duì)加工質(zhì)量的影響規(guī)律尚不明確。因此亟待開展卷對(duì)卷紫外光固化成型工藝建模及工藝規(guī)律研究揭示材料充型流動(dòng)、固化脫模中的材料流動(dòng)和變形機(jī)理為解決氣泡缺陷以及結(jié)構(gòu)斷裂等問(wèn)題提供理論基礎(chǔ)。本文以圍繞卷對(duì)卷紫外光固化壓印成型工藝過(guò)程開展了充型過(guò)程和固化脫模過(guò)程數(shù)值仿真建模以及實(shí)驗(yàn)研究。首先建立微細(xì)通道中紫外光固化膠材料流動(dòng)充型模型分析材料流動(dòng)及其充型規(guī)律;其次,針對(duì)紫外光照固化后的紫外光固化膠材料建立考慮模具和材料間粘接行為的脫模過(guò)程分析模型;針對(duì)成型過(guò)程中出現(xiàn)的氣泡缺陷,以金字塔結(jié)構(gòu)為案例,揭示金字塔結(jié)構(gòu)中材料流動(dòng)規(guī)律與氣泡形成機(jī)理最后,開展金字塔結(jié)構(gòu)成型工藝研究,研究紫外光固化壓印成型的工藝窗口。本文的研究主要包括以下

幾個(gè)方面:1)基于兩相流的紫外光固化膠充型過(guò)程仿真模型根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的紫外光固化膠的流動(dòng)力學(xué)性能參數(shù),考慮溫度對(duì)光固化膠粘度和流動(dòng)行為的影響,利用牛頓流體N-S方程描述光固化膠的流體力學(xué)行為。考慮不同接觸界面的接觸行為結(jié)合微細(xì)通道結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立基于兩相流的紫外光固化工藝光固化膠流動(dòng)充型過(guò)程仿真模型用該模型分析研究了光固化膠粘度同界面接觸屬性以及光固化膠充型速度對(duì)微結(jié)構(gòu)中光固化膠充型狀況的影響,為三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成型質(zhì)量預(yù)測(cè)和控制提供了基礎(chǔ)。2)卷對(duì)卷紫外光固化-脫模過(guò)程的建模與分析采用Ogden模型描述材料固化后紫外光固化膠的非線性應(yīng)力應(yīng)變力學(xué)特性?；诠夤袒z固化收縮的特點(diǎn)并且考慮光固化膠材料與模具之間的粘附,利用粘接單元模擬界面之間的粘接粘附現(xiàn)象,建立卷對(duì)卷紫外光固化脫模過(guò)程的分析模型?；谟邢拊Ｐ头治隽溯亯核俣葰堄鄬雍穸任⒔Y(jié)構(gòu)深寬比微結(jié)構(gòu)間距等參數(shù)對(duì)脫模過(guò)程中材料內(nèi)部應(yīng)力分布的影響規(guī)律揭示了紫外光固化膠固化脫模中缺陷的產(chǎn)生機(jī)制,為微細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)依據(jù)。復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)卷對(duì)卷紫外光固化成型中氣泡缺陷的產(chǎn)生機(jī)理針對(duì)廣泛應(yīng)用的微金字塔反光膜結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的氣泡缺陷,建立了考慮空氣與光固化膠流體的金字塔結(jié)構(gòu)卷對(duì)卷充型的兩相流三維數(shù)值仿真模型,分析了型腔中氣液兩相材料在型腔中的流動(dòng)特點(diǎn)與交互作用規(guī)律。結(jié)合成型實(shí)驗(yàn)結(jié)果,研究了光固化膠流入速度,粘度和壓力等工藝參數(shù)對(duì)微金字塔結(jié)構(gòu)中光固化材料充模及空氣排出的規(guī)律揭示了氣泡缺陷的生成機(jī)理,確定了氣泡缺陷的形成條件,對(duì)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)實(shí)際加工中的氣泡缺陷抑制具有指導(dǎo)意義金字塔結(jié)構(gòu)的反光膜成型實(shí)驗(yàn)及工藝窗口開發(fā)了一套較完備的卷對(duì)卷

紫外光固化成型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。針對(duì)大面積微細(xì)金字塔陣列結(jié)構(gòu)反光膜的成型中的氣泡缺陷提出了量化評(píng)價(jià)指標(biāo);并基于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法(DOE),開展了反光膜成型工藝的實(shí)驗(yàn)研究。利用響應(yīng)面法對(duì)氣泡缺陷比例與氣泡直徑進(jìn)行了分析獲得了光固化膠流入速度,粘度和壓力等參數(shù)對(duì)微金字塔結(jié)構(gòu)中氣泡形成規(guī)律并確定了無(wú)缺陷金字塔結(jié)構(gòu)的成型工藝窗口,為大面積反光膜制造提供了技術(shù)支持。本文開展了成型過(guò)程中材料的流動(dòng)過(guò)程建模對(duì)卷紫外光固化脫模過(guò)程應(yīng)力分析建模研究,揭示了微金字塔結(jié)構(gòu)中氣