类固态聚合物等温微纳热压印成型机理的研究

Hot embossing technology was firstly proposed by Chou S Y, Krauss P R of Princeton University in 1995 and was successfully used in fabricating nano structures. In spite of simpleness and high replication, this method needs very long cycle time up to 15 min because the needs of periodically heatiing and colling the molds. In order to shorten the cycle time, a new fast hot embossing method of micro/nano esothermal hot embossing in solid-like state was proposed. As a break through of fill molds at high temperature and demold at low temperature, the esothermal hot embossing was carried out in about 20 seconds for amorphous polymer near Tg and crystalline polymer far lower than Tm. The investigetion on the response mechanism of stress and strain, mold filling rullers at micro and nano scale, stress relazation behaviors and evolution of aggregation structures are going to be carried out in this project. Based on the progress in understanding of fabrication mechanism, a testing platform of the esothermal hot embossing will be set-up, on which the esothermal hot embossing technology will be systematically studied for typical amorphous and crystalline polymers to verify fabrication theory and improve the fabrication method. This fast fabrication hot embossing method has its competitiveness in micro/nano trans-scale hot embossing and the study of this project will be benifitial to lay a solid foundation for the development of new method of polymer micro/nano esothermal hot embossing in solid-like state.

热压印方法最早由美国普林斯顿大学的Chou S Y, Krauss P R于1995年提出并成功地制备出纳米结构，具有方法简单、复制精度高的优点。但由于要采用周期性地改变模具温度的工艺，使得成型周期长达15分钟。为缩短热压印周期，本项目提出了一种新的快速热压印方法：类固态聚合物等温微纳热压印方法。该方法突破高温压印、低温脱模的理念，采用恒温模具对接近玻璃化转变温度的无定型聚合物和远低于结晶熔点的结晶型聚合物进行等温热压印，成型周期降到20秒左右。本项目拟对类固态聚合物在等温热压印过程的应力应变响应机理、微纳尺度充模规律、应力松弛规律、聚集态结构演变规律等进行深入研究。以机理研究为先导，建立类固态等温热压印实验平台，突破关键实验技术，对典型的无定型和结晶型聚合物，开展等温热压印工艺研究，以验证机理，完善方法。该方法是具有竞争力的跨微纳尺度的成型方法，本项目的研究将为该技术的发展奠定科学基础。

热压印方法最早由美国普林斯顿大学的Chou S Y, Krauss P R于1995年提出并成功地制备出纳米结构，具有方法简单、复制精度高的优点。然而，模具周期性升温降温带来的超长压印周期（10-15分钟）限制了该方法的推广应用。本项目突破了模具要变温的传统思维，提出了类固态等温微纳热压印方法，通过采用恒温模具替代变温模具，使热压印周期缩短97%以上。本项目的主要研究内容包括：①类固态结晶型和无定型聚合物的应力应变响应机制及其本构关系；②类固态等温微纳热压印过程聚合物聚集态结构的演变规律及其对复制率的影响规律；③类固态等温微纳热压印过程材料的应力松弛规律及其对微纳压印结构几何稳定性的影响；④材料残余应力导致的材料蠕变及其对制件微纳结构几何稳定性的影响；⑤典型微纳制件的等温热压印工艺研究。在加工方法创新的同时，本项目系统研究了类固态条件下不同聚合物材料的应力应变响应机制、分子链构象和分子空间堆砌形式的变化、应力松弛特点等基础科学问题。通过本项目的研究工作，申请人及团队揭示了聚合物快速、小形变条件下的应力应变响应机制，应力松弛特性；建立了类固态等温热压印条件下材料应力应变的唯象学本构模型；建成了等温热压印实验平台，实现了包括聚合物微针、微结构导光板、聚合物超疏水制品、微结构导电/导热复合材料制品等多种典型微纳结构阵列制件的高效制备，为类固态等温微纳热压印方法的应用奠定了坚实的科学基础。