外文翻译

在聚丙烯上通过短脉冲激光结构模具的复制

模具快速制造超疏水性表面

作者J. Bekesi · J.J.J. Kaakkunen · W. Michaeli · F. Klaiber ·

M. Schoengart · J. Ihlemann · P. Simon

收稿日期：2010年4月12日/接受日期：2010年4月16日/网上发布时间：2010年5月7日 ©德国施普林格出版社2010

摘要

一种通过并行激光加工，随后通过注射成型产生复制品来加快超疏水表面结构的快速生成的方法被发表出来。在一个激光能量分布为25×25的点阵施加自制熔融二氧化硅类衍射光学元件（DOE），对此光学元件施加短脉冲紫外激光脉冲，用作金属模具表面烧蚀透射掩模。在随后的工艺步骤中，由变温注射成型制造处理后的特征复制品，从而大量生产塑料部件表面形状，所得形貌便于制造组件的超防水行为。

1引言

微米和纳米结构的表面产生了各种新的功能，包括超防水行为，一定的摩擦性能，场的扩增能力等。众多新兴应用都有很大的潜力，这些应用产生对持续快速增长，简单，灵活，经济的制造技术的需求。激光烧蚀是在种类繁多的材料上制造微米或更小的表面结构非常适合的方法。特别的是，在微米级或更小的高导热性的材料上生成特征尺寸可能需要使用特殊的激光系统，在这种情况下，施加皮秒级或更短的脉冲持续时间的短激光脉冲是必要的，因为施加短波辐射确保了进一步提高空间分辨率。

从可达的最大处理速度来看，相比于点顺序方式，并行处理技术具有明显的优势。这代表在大多数工业应用中的一个关键问题。焦点扫描提供了以极大的灵活性创建任意结构的能力，但只有有限的处理速度，尤其是对于周期性结构的产生。干涉技术或掩膜投影技术利用适量脉冲可以显著加速周期性结构的产生，同时创造了大量的新功能。然而，为了获得能轻易超过被烧蚀过材料的损伤阈值的能量密度，非常高的脉冲能量或总透射

率非常高的光学装置的是必需的。提高激光系统的能量通常是非常昂贵的，一个更有利的方式是减小所述光束传递系统的损耗。在这点上，所施加光学元件的透射效率就变得非常重要，因为撞击掩模高度反射性部分的光子不能用于烧蚀过程，所以振幅掩模通常具有相对低的传输效率。因此衍射相位掩模通常用于有效的掩模照明，其不影响振幅，但影响光的相位。在传输中的当前元素的相移功能由光程长度的横向变化实施，例如材料的几何厚度变化。这些元素常用于可见光和红外光谱范围内。施加激光脉冲，在短波范围内需要应用在紫外线中具有高传输性的掩模材料（例如熔融二氧化硅，氟化钙，氟化镁）。这种光学元件的快速，廉价，且灵活的制造也可以通过施加常规激光的加工方法来实现。然而，此种材料特别低的紫外线吸收率，使通过激光烧蚀的掩模制造相当复杂。这些困难可以通过对基于熔融二氧化硅基板的硅的低氧化物层（SiOx）施加紫外激光形成背面特征的制造方法来克服，并随后将其氧化，从而产生紫外线优级的表面起伏元件。所施加的低氧化物层具有高的紫外线吸收率，使消融过程容易。基板和层之间精确清晰的接口允许消融技术精确的深度控制，以及完美的光学表面质量。背面消融确保去除完整的SiOx层，而不会损坏高度透明的二氧化硅基板，创建具有完美的光学质量流畅的消融功能。此外因为烧蚀特征的高度可通过该层的厚度定义，所以必要生成非常有效的相位元素方式的深度控制非常准确。

在本文中，我们提出了一种用紫外短脉冲激光烧蚀以生成样品表面上聚焦斑点的二维阵列的光学装置。该光学装置是以一个自制纯相位衍射光学元件（DOE）为根据的。该元件为在熔融二氧化硅上，经193nm波长照射下的硅低氧化物层的纳秒背侧消融生成的。所设计的2级DOE在光学装置的傅立叶平面中产生25×25点，成像到样品表面，这一设计使金属模具纹理化。它们可以通过注射成型复制，用各种各样的塑料原料生成特征纹理的互补结构。所使用的材料，所应用的纹理和复制品的适当组合，允许生成超疏水表面特性。各种类型的聚丙烯材料已经被成功地研究，并制成了超疏水表面。

2 掩模制作

一个迭代傅立叶变换算法（IFTA）被用于设计相位掩模，这是一个在光轴上以一个25×25点阵形式产生期望的没有任何偏移量的强度分布的2级相位元件。虽然在该设计中，从1阶模式的分离0阶是不可能的，由于其较高效率它仍然有利于某些特定的应用程序。因为点对称的结构（如一个N×N点阵）的第一阶光束可以重叠，相比离轴设计有效地增加一倍效率。另外，在本例中，第0阶光束被聚焦在该元件的傅立叶平面，并与中心点一致（如果施加奇数个点）。该掩模被设计成由367×367个像素，具有27微米的像素大小，得到大约10mm×10mm的全孔径。对于DOE的加工，我们使用了商业化准分子激光器提供纳秒紫外激光，脉冲出波长为193nm的光。为了产生所需的相位，像素通过成像在石英背面上的正方形孔烧蚀SiOx层。随后在退火过程中SiOx层转化成二氧化硅，掩模在大气环境下加热8小时以上高达1000℃。在此过程中所述的SiOx层得到和分散二氧化硅相同的透明度，确保了掩模的高传输性。为了检查DOE的性能，我们使用波长在248nm的飞秒紫外线脉冲，也为了稍后孔矩阵的生成。一个荧光体板被放置在傅立叶平面且通过产生的点阵照明，以观察所生成的强度分布。这个图形被成像到CCD照相机，用光束分析软件记录。这个图像展示于图1A。图1B是中间线（含0阶光束）强度分布的垂直截面，展示了均匀性和掩模的第0级抑制。第0级抑制对我们的应用来说是令人满意的; 峰值与第0级的重叠比平均峰高度高50％左右，测量DOE的效率约为61％，与72％的理论计算值基本一致。用于比较，相似振幅掩模将有11％的最大透射。

图1,用CCD测量DOE在傅立叶平面中的产生的强度分布以及穿越中间线的强度分布

图2,生成孔矩阵的光学装置

3 金属模具的激光加工

在实验中，我们在机器钢模具上使用一个紫外线短脉冲激光系统以248纳米递送0.1ps的脉冲，光束的中间部分被以10×10毫米的光圈切割。在这个光圈的后面放置DOE在其傅立叶平面中产生的25×25点阵。由一个正（F= 1500毫米）和负（F =-250毫米）透镜组成的压缩系统被用来调整该系统的有效焦距。在实验中，我们打算钻大长宽比的通孔，因此需要一个无本底照明。为了进一步减少本底发散，我们在DOE的傅立叶平面使用一个孔矩阵光圈，只发送的主强度峰并且阻止它们之间的残余发散。此外，在傅立叶平面之前，施加一个物镜以保持摄像镜头的光束尺寸小，从而减少成像系统的像差。傅立叶平面通过由2个透镜组成的透镜系统成像到到样品表面 （图2）。通过改变傅立叶平面和目镜之间的距离，实现缩小系数变化的是可能的，我们可以用这个相当简单的方式来控制点阵的大小和周期。

对于钢模具消融所生成的图案（如图1），它被成像在样品表面上，缩小系数为75。模具样品材料是工具钢（1.2767）。照明区域的大小为320微米×320微米，得到特征尺寸为0.13微米到0.5微米的周期性。每个矩阵被频率为150hz，能量为0.7毫焦耳的脉冲照亮（刚刚在目镜前测量）。为了达到结构化表面面积足以用于进一步鉴定，将模具通过25×25点阵区域照射。所施加的转换率允许我们接下来将它们放置互相间距1-2微米的精度，完全满足我们的应用。这样的照明区如图3。光显微镜图像示出了一个钢模具的被照射区域的一部分，构造在水平和垂直方向

上间隙都为13微米的直径为5微米的孔。25×25孔基质上标有一个白框，表示在一个步骤中加工320×320平方微米的照明面积。这种钢模具可由聚丙烯注塑复制。

图3、照射了脉冲能量为0.7毫焦耳的激光脉冲的钢模具的光学显微镜图，在一个工艺步骤中的照明区域的尺寸为320×320平方微米，包含25×25的孔。结构的间隙为0.13微米，孔的直径为0.5微米。

图4、展示了在图3中用变温注塑成型制成的模具复制品的电子显微镜扫描图。间隙0.13微米，销钉底部直径0.5微米，材质：聚丙烯。（b）是（a）的特写图。

4通过注射成型复制

模具嵌入件被安装到一个特别为了用于微结构的塑料部件的复制而设计和建造的高精度注塑模具。使用液压KM CX160-1000注塑机。选取一个标准的聚丙烯材料（SABIC PP513），其通常用于生物医学和包装应

用。塑化温度为200℃，模具温度为30℃和最大夹持压力为700巴。它已经表明，在注射过程中升高模具的温度是必要的，以确保表面结构的在微米范围内的精确成型。感应模具加热系统，与传统的模具冷却结合使用以达到良好的限定及快速变化的温度廓线，变温过程控制的系统是由一个电感器加热单元和自动机组成。自动机自动把电感器放在微结构化型腔的前面，而模具处于打开状态。用基于测温仪的温度控制，由不受控制的高温腔壁的界定升温得以实现（测定至多60 K / S），且不破坏脆弱微型结构。之后模具被加热，电感器被移出，模具关闭并且注射过程开始。

图4为关于通过上述注射成型技术制成的聚丙烯的复制品（SABIC PP513）的电子扫描显像图。根据图3所展现出来的，施加的激光参数是相同的，图片4（a）表示所产生的周期性凹凸结构的概况。另外，原来的被照亮的区域是可见的。图象（b）示出了凸点的放大图，产生疏水效果。

图5、测量比较已复制的聚丙烯样品上的接触角，（a）无表面纹理，（b）有表面纹理。

5疏水

对复制的表面的疏水性进行了研究。结果表明：在聚丙烯上快速产生表面结构大大增加了疏水性的可能性。图5示出蒸馏水滴在（a）无纹理

上和（b）有纹理样品上。接触角度测量显示，自然中性表面具有大约90度的接触角，可以转化为具有大于160度的接触角的超疏水性表面。

致谢东芬兰大学对接触角测量的宝贵贡献。关于注塑实验作者要感谢德国科学基金会，集群在亚琛工业大学发达国家综合生产技术的的支持。这项工作也得到了芬兰国家技术创新局的部分支持。

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荷兰Elsevier出版商发表在2008阿姆斯特丹多材料微制造国际会议上。