微粉末注射成型氧化铝通道

微粉末注射成型氧化铝通道摘要微粉末注射成型氧化铝通道是由亚微米级的氧化铝粉末和特制的粘接剂开发制作而成。

在小规模的搅拌作用下，混合原料在四种不同的力的作用下建立一个合适的粉末载量。

所选的原料的热性能和流变性能必须经过检查以便用于建立大规模的搅拌、脱脂和微通道在不同温度下进行烧结。

结果表明，成型、脱脂和烧结通道具有良好的保形性。

微通道的部分尺寸可以通过不同的处理步骤来改变。

在1350℃以上高度致密的微通道可以通过烧结实现。

超过1350℃，随着温度的升高，晶粒显著增多，从而导致硬度降低。

引言粉末注射成型（PIM）是建立在大规模生产复杂金属和陶瓷零件的基础上的。

在几年前，有越来越多的微型元件从微型PIM中获得利益。

微型元件可分为三种：微细，微结构元件及微型精密部件。

微型零件一般被认为单一或分居在几毫米范围内的外部尺寸的组件，但是尺寸必须在亚毫米的范围内。

有几个毫米的外形尺寸微结构元件一般位于一个或者几个表面区域上。

金属、陶瓷微PIM部件和微结构元件在各个领域的运用都有很大的潜力和市场，比如说医疗技术、微系统技术、微流体、微传感器和微机械等。

微PIM四个主要步骤：混合，注射成型，脱脂和烧结。

在搅拌的过程中，首先是粘接剂和金属粉末或者是陶瓷粉末相混合形成注射成型的原料。

原料必须被制造成合适的大小以便注射成型。

在注射成型期间，通过控制温度以及压力来形成所需要的形状。

在固化之后打开模具并进行脱模处理，一个初步的微结构元件就会从模腔中脱离而出。

下一步就是脱脂处理。

通过脱脂之后，微结构单元就会得到所需要的属性。

由于微型PIM所需要的功能部分或者细节是微米级的，所以粘接剂、粉末和相关的加工过程必须必PIM更加严格。

为了获得成功的微型的PIM，一个重要的先决条件是粘接剂和粉末的量要合适。

粘接剂必须提供一个最低的粘度以便在注射过程中能够轻易的注射到型腔中去，同时必须保证脱模性能好、其次具有良好的保型性和在脱脂和烧结过程中较低的收缩性。

其中必须专门的制定微型PIM原料，以便全面的满足基于传统的粘结剂的原料全过程能力的需要，例如在注射微小结构时的成型限制问题和较大的高宽比以及微型尺寸容易被很小的力破坏的问题。

为了能够得到结构微小、烧结密度高、表面光洁度好、性能优良的微型元件，良好的细粒度是首选条件。

金属粉末平均半径在1-5μm适合大多数情况，尽管良好的细密度来自于更好的表面光洁度。

在陶瓷粉末颗粒更容易获得的情况下，有必要制定开发从亚微米级到纳米级的原料以便全面开发微PIM的潜能。

因为表面积大和凝聚相关，所以必须处理细粒度特别是纳米级的。

通过使用更多更细的粘接剂涂在微粒的表面可以加快烧结后的收缩。

一份可用粉末报告表明，只有一部分的亚微米级的粉末被使用。

例如铁，钨，钴，氧化锆，氧化铝和碳化钨。

一般规则有就是说最低标准是能够10倍的粒子尺寸。

因此生产较小的结构，好的细粒度是必须的。

因为采用了较小的细粒度，所以脱脂必须认真对待。

这是因为粒子之间的空间非常小，较小的细粒度能促进快速脱脂过程中裂纹的形成。

通过烧结的作用粒子的大小减小了100倍。

例如一般PIM是20μm通过烧结增加100倍的压力之后变为200nm。

在致密化、烧结周期包含长时间持续在关键的致密温度，以适应诱导应力和压力的变化，必须提供充足的时间来避免扭曲微型元件。

微通道部件被使用在许多微型系统例如：微反应器、微传感器、微流体器件和微型光学系统。

本文所涉及制造氧化铝通道所使用的为170nm的亚微米级材料。

一种专门配制的粘接剂被使用以便适应高亚微米级的比表面积。

在研究中通过选择不同粉末载量来寻找合适的粉末载量。

注射、脱脂、烧结微通道的特性是可以控制的。

2 实验内容2.1 材料实验中使用的亚微米级的粉末是高纯度的氧化铝粉（TM达）是由日本泰美化工有限公司提供。

不规则形状粉末所示的显微照片（见图1），它是通过场发射扫描电子显微镜（JEOL获得，它的平均粒径为170纳米左右。

使用BET比表面积分析仪测得适用于表面分析的是4.4平方米/每克，粉末的密度测得为3.96克/每平方厘米。

一个多组分的粘合剂包括以下几种成分：低密度聚乙烯、乙烯、醋酸乙烯酯和硬脂酸。

在重量比上低密度聚乙烯：乙烯：醋酸乙烯酯：硬脂酸为35:30:25:10。

其中聚乙烯的成分最多。

粘接剂的热学特性必须得到良好的控制以便适合混合的条件。

表1展示了几种粘接剂组成部分的热学特性。

最高熔融温度是126℃，是粘接剂在Perkin-Elmer差示扫描量测组件（DSC）模型7下测得的。

在Perkin-Elmer热分析仪（TGA）模型7最低的开始降解温度为155◦C的水杨酸。

表12.2原料的制备小规模的粉末和粘合剂混合可以在哈克电阻90转矩流变仪里面进行。

从小规模的混合中我们可以建立适当的粉末载量。

我们研究了从50%体积到56%体积之间以2%体积增量的混合载量。

由此我们得到了从1.63mg/m2到1.28mg/m2硬脂酸的重量和表面积的比。

在粘接剂各成分的热学特性的基础上，混合时温度应该设为150℃，高于熔融温度126℃并低于最低的分解温度155℃。

这将有助于完全融化和防止分解。

搅拌速度设为50转。

在混合的时候，首先向里面加入的是粘接剂的成分，其次再向其中加入粉末，每一分钟向里面加入一勺的量的粉末。

通过加入不同量的粉末我们选择52%体积的粉末载量。

然后对所选用的原来进行热学特性以及流变特性进行测试。

通过Perkin-Elmer热分析仪（TGA）可以对从30◦C至600◦C热降解的原料进行了评估。

从30◦C至600◦C原料的融化和再结晶温度可以通过Perkin-Elmer差示扫描量热（DSC）进行了检查。

对于TGA和DSC测试，可以采用氮气为净化气体，加热速率为10℃/min。

可以通过毛细管流变仪来研究原料的流变特性。

测试流变特性时，可以需要使用一个长度为40mm，直径为1mm的模具。

可以选用130℃、140℃、150℃、160℃进行测试。

所使用的温度应该低于原料的分解温度。

2.3大规模混合通过哈克电阻90转矩流变仪可以进行小规模混合，并且可以得到合适的粉末载量以及流变特性（将在3.3节讨论）。

在此基础上，大型混合是在赫尔曼·林登Z型刀片搅拌机进行。

粉末和粘接剂是在130℃的情况下混合，混合速度为40转。

粘接剂成分按照聚乙烯、乙烯、醋酸乙烯酯和硬脂酸的顺序加入到搅拌机中。

接着在向里面加入2勺粉末每分钟。

最终粉末将被颗粒化以方便注塑成型。

图22.4注塑成型颗粒性的原料在带有往复螺旋杆的巴顿菲尔250 CDC卧式注塑机上注塑到氧化铝通道中去。

在这里将会使用一个双板边缘浇口模具。

一个插入了11根微通道的硅模具被使用。

合适的注射成型参数如表2所示。

表2面向硅片被用来制作规模的插入。

可以通过深反应粒子刻蚀技术来制造标准的8英寸微通道。

将刻蚀好的硅片切成尺寸为6mm×6mm的正方形。

其中每个正方形拥有11各微通道。

每个微通道有PLμ聚焦分析器来测量。

测量的尺寸为宽为200μm，深为135μm，长为4mm。

切成的正方形硅片即插入式硅模具，将其安装在一个可移动的半圆形模腔上。

如图2所示，在JSM-5600LV扫描电子显微镜（SEM）下观测到的在注塑机上的可移动模具的一半。

2.5脱脂和烧结微通道模压零件在95%的氩气和5%的氢气的混合气体的情况的林德伯格管炉中进行热脱脂。

好在空气中或者在氧气中进行通知下相比，氩气和氢气的混合气体能够保证较慢的粘接剂清除率。

这将有利于获得无缺陷、高强度的部件。

根据合适的脱脂资料所显示的时间、温度和升温速度来进行脱脂。

脱脂资料是在早期的316L不锈钢粉末的基础上获得的。

最高的脱脂温度可以设定在600℃以确保所有粘接剂成分被清除和处理。

进过脱脂之后，在进行无压烧结，无压烧结在高温CM箱式炉中进行五种不同温度的烧结。

它的升温速度为5℃/min直到烧结温度，并在烧结温度保持60分钟。

2.6阐述成型、脱脂、烧结微通道的尺寸可以通过一个PLμ的20×放大倍率的物镜焦距来探查。

通过测量微通道的不同的六个点来进行测量。

图3显示的是微通道的微结构部分，本次反应的只是一个平均值。

圆盘的直径也要被测量。

烧结微通道的密度通过阿基米德原理来确定。

成型和烧结的微通道可以通过JSM-5600LV扫描电子显微镜进行观察。

然后进行微通道进行切片处理，将切好的微通道安装在截面抛光的环氧树脂上。

抛光的横截面用于硬度的测量。

将300g的负载放置在微通道上然后在进行显微硬度测试。

热抛光截面的微通道可以在空气中低于各自的烧结温度下刻蚀将近15—30分钟，使用场发射扫描电子显微镜（低轨1550）对蚀刻截面进行观察。

图3a图3b3.结果与讨论3.1合适粉末载量的测定在哈克搅拌机汇中进行小批量混合时，稳定的转矩和混合时间可以获得均匀的粉末。

图4显示了不同粉末载量的转矩和混合时间。

在起初的10分钟里面，将粘接剂加入到搅拌机中去。

当粉末以较小的量加入到搅拌机中时，在10—20分钟之间扭矩显著增加。

经过搅拌约25分钟之后，扭矩达到一个稳定的状态，除了粉末载量为56%体积的。

对于粉末载量为56%体积的，其扭矩会随着时间增加而显著增加。

这表明粉末不能均匀的分布在粘接剂中。

这是因为粘接剂在混合时不能够完全的填充到颗粒之间的间隙中。

在粉末载量为54%体积时，扭矩会在混合90分钟之后又较小的增加。

对于粉末载量是52%体积的和50%体积的，转矩在混合中比较稳定。

然而较低的粉末载量会引起在注塑成型过程粉末粘接剂分离和烧结过程中收缩率较高。

因此选用粉末载量为52%体积的比粉末载量为50%体积的更加有利于注塑成型。

3.2热特性图5a显示了多成分的粘接剂的TGA曲线图和各组分的TGA曲线图。

从TGA图中可以看出从低密度聚乙烯、醋酸乙烯酯到硬脂酸逐渐降低。

然而乙烯的退化分为两个阶段因为在较高的温度下乙烯、乙炔聚合物断链以及侧链醋酸的断链。

同样通过多组分混合而成的粘接剂的TGA曲线也有两个退化步骤。

通过TGA曲线比较可以清晰的看出，醋酸乙烯酯和硬脂酸以及乙烯的第一退化阶段温度范围为（164℃—390℃），然而低密度聚乙烯的第一退化阶段温度范围为（425℃—520℃）。

超过520℃，粘接剂各种成分将会消失。

TGA曲线显示，多步骤的脱脂过程主要是为了逐步消除粘接剂四种成分。

很宽的脱脂温度有助于保留微观结构的完整性和阻止脱脂的负面效应的产生，例如气泡、裂纹和滑塌。

TGA曲线表明流变测试和注塑时的温度应该低于最低粘接剂成分的降解温度（即164℃），以便于预防粘接剂降解。

图5a图5b显示三个吸收峰值在56℃、70℃和119℃，三个放热峰值在50℃、57℃和100℃现在发现的主要原因为粘接剂的融化和再结晶作用。

在56℃高峰时，主要是因为醋酸乙烯酯和硬脂酸的融化。