【摘 要】
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随着科学技术的进步,微流控芯片的应用范围越来越广泛,对其主要制作材料聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane,简称PDMS）加工工艺的研究成为了热点。注塑法等传统方法受到模具的制约,工艺灵活性差,而激光切蚀法成本高、加工质量差。微磨料气射流加工是一种工艺灵活性强、加工效率高的微细加工技术,特别适合于加工硬脆材料,但是常温下的PDMS为高弹性材料,此时加工会发生严重的磨料嵌入现象,致
【基金项目】
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国家自然科学基金资助项目52075254； 南京航空航天大学研究生创新基地开放基金资助项目kfjj20190503；
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随着科学技术的进步,微流控芯片的应用范围越来越广泛,对其主要制作材料聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane,简称PDMS）加工工艺的研究成为了热点。注塑法等传统方法受到模具的制约,工艺灵活性差,而激光切蚀法成本高、加工质量差。微磨料气射流加工是一种工艺灵活性强、加工效率高的微细加工技术,特别适合于加工硬脆材料,但是常温下的PDMS为高弹性材料,此时加工会发生严重的磨料嵌入现象,致使加工效率极低。针对以上问题,本文基于PDMS的玻璃化转变特性,提出利用低温微磨料气射流加工PDMS。本文的主要研究内容如下。（1）低温微磨料气射流加工微通道专用装置的研制。首先对装置进行整体设计,并对空气压缩机、空气干燥机和喷砂机进行选型;其次对冷却器进行总体设计、传热计算和仿真分析,并设计了自动控温系统;接下来对射流喷嘴进行选型,并设计了四自由度加工平台和控制系统;最终搭建出专用装置并总结其主要性能参数。（2）低温微磨料气射流加工PDMS的传热仿真分析。通过分析得到射流喷嘴移动到任意位置时其正下方在PDMS中深度方向上的冷却速率是冲蚀加工速率的7.3倍,这表明低温微磨料气射流能够先将PDMS冷却至玻璃态然后再对其进行加工。（3）低温微磨料气射流加工PDMS性能研究。通过开展单因素实验来探究进给速度、加工距离、冲蚀角度和加工压力等四个工艺参数对加工性能的影响规律,可以发现:当进给速度为0.25mm/s和0.5mm/s时,加工性能较好;随着加工距离的增加,加工性能会呈现先增加后降低的趋势;随着冲蚀角度的增加,加工性能同样会呈现先增加后降低的趋势;随着加工压力的增加,加工性能会呈现持续增加的趋势。（4）低温微磨料气射流加工PDMS的工艺优化研究。通过开展正交试验探究了加工距离、冲蚀角度、加工压力和加工次数等四个工艺参数对所加工微通道的深宽比以及侧壁与水平面夹角的影响趋势,同时还获得了当它们达到最大值时的优化工艺参数组合。通过验证试验发现,微通道的深宽比和侧壁与水平面夹角的最大值分别为2.65和84.81°。本文的研究工作为在PDMS上更加灵活高效地加工微通道提供了一种新方法,具有重要的理论意义和工程实用价值。
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