納米注塑成型被用作金屬和塑膠有力結(jié)合的技術(shù)，應用越來越廣泛，美域同潤在精密模具、精密注塑成型、納米精密注塑成型等技術(shù)上，始終走在行業(yè)前列。盡管微型零件和特征是常規(guī)的成型，但當零件壁厚小于1毫米時，聚合物熔體的性能還沒有被很好地理解。在這項研究中，確定了通過注射成型復制納米級特征的成型條件和材料特性的影響。納米級特征是納入模具的薄嵌件的一部分。

聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）被使用兩級實驗設(shè)計來研究熔體溫度、模具溫度、注射速度和包裝壓力對深度比和表面質(zhì)量的影響。原子力顯微鏡（AFM）被用來測量成型的部件。聚丙烯在較寬的工藝窗口下提供了最好的復制，而聚碳酸酯在較窄的工藝窗口下是無定形材料的最佳復制。正如預期的那樣，復制與材料有關(guān)，并且在較高的熔體溫度和模具溫度下實現(xiàn)得更好。

1 引言 

由于基礎(chǔ)設(shè)施投資、制造成本和環(huán)境影響的大幅降低，納米尺度的注射成型為集成電路和微納米電子機械系統(tǒng)（MEMS和NEMS）的高速、大批量制造提供了可能[1]。與目前用于生物MEMS的硅基系統(tǒng)相比，聚合物具有更強的生物相容性[2]，并且可以被定制為具有所需的特性，包括耐化學性和蛋白質(zhì)吸附特性。模塑也將與生物醫(yī)學產(chǎn)品非常廣泛的產(chǎn)品范圍和相對較短的壽命相匹配。這樣的制造方法將極大地提高檢測水平，促進組織工程的應用[3]。

微米級零件的成型表明，與傳統(tǒng)的注射成型相比，熱傳導，特別是模具溫度，在模具填充中起著更重要的作用[4,5]，因此需要接近等溫的模具填充[6,7]。表面粗糙度也影響著零件的質(zhì)量和微觀粒子的噴射。

表面粗糙度也會影響零件的質(zhì)量和微成型零件的彈出[8]。試圖用硅片而不是金屬工具進行模塑的嘗試表明，硅片是可行的工具，但比金屬更脆弱[9,10]。最后，界面效應，如表面張力，在納米尺度上變得更加重要。雖然大的納米級特征已經(jīng)被塑造成數(shù)字多功能磁盤（DVD），但成型系統(tǒng)是為光學級聚碳酸酯和鎳工具定制的。因此，用幾種材料和一系列加工條件對通過注射復制納米級特征進行了研究，以確定熱傳導是否是影響納米級成型的唯一因素（就像微成型那樣），或者界面效應是否影響了成型件的質(zhì)量。

2 實驗性 

本研究選擇的高流動性材料包括光學級聚碳酸酯（PC），這是DVD的標準材料，聚苯乙烯（PS），聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），和聚丙烯（PP）。材料特性列于表1。熔體粘度是用最高熔體溫度和10,000 s-1的剪切率下的粘度K、冪律指數(shù)n和在10,000 s-1的剪切率下計算的活化能Ea來表征的。熱性能被濃縮為熱擴散率，D。

表1：材料特性

DVD沖壓件被切割成9 x 4 mm2的碎片，在超聲機中清洗，并插入一個注塑模具，然后安裝在一臺3噸兩級微型注塑機（Nissei，型號AU3E）中。如表2所示，進行了四因素兩級實驗設(shè)計（DOE），以研究熔體溫度Tm、模具溫度Tw、注射速度vinj和包裝壓力Ppack對特征復制的影響。零件用PSIA公司（型號為高精度XE-100）的AFM儀器和0.5Hz的非接觸方法進行了特征分析。

3 結(jié)果

 圖1展示了來自原子力顯微鏡的典型地形圖。對于每張圖像，分析三次掃描以產(chǎn)生圖中所示的 "表面粗糙度 "痕跡。

1. 在這幅圖像中，模具的投影在成型的零件上產(chǎn)生了凹陷或特征。這些痕跡給出了成型件的深度與掃描距離的關(guān)系。特征尺寸是根據(jù)這些痕跡測量的。類似的AFM圖像顯示，DVD模具上的凸起深度為140納米。使用深度比和特征定義對模具特征的復制進行了量化。深度比，DR，被定義為：

d

DR (1)

dt

其中dp是成型件中的凹陷深度，dt是模具中的凸起深度（即140毫米）。

圖1：一個成型部件的地形圖。以及來自AFM的典型表面粗糙度。放大率為 8,000 X

表3：特征復制的尺度

 Chinnawat Srirojpinyo ^*, Sung-hwan Yoon^* , Jun Lee^**, Changmo Sung^**, Joey L. Mead^* , and Carol M. F. Barry^*

*Department of Plastics Engineering, University of Massachusetts Lowell, Carol_Barry@uml.edu

**Center for Advanced Materials, University of Massachusetts Lowell 1 University Ave., Lowell, MA, 01854

REFERENCES

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[2]   Lai, S.; Lee, J. L.; Yu, L.; Koelling, K. W and Madou, and M. J., Materials Research Society Symposium Proceedings, 729, 17-27, 2002.

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[11] Wimberger, R. F., SPE Technical Papers, 57, 476-480, 1999.

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