本發(fā)明屬于表面圖形化領(lǐng)域，特別涉及一種制備圖形化的柔性或剛性襯底的方法。

背景技術(shù)：

各類襯底在材料、電子、環(huán)境、建筑等工程應(yīng)用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。襯底作為加工的初始材料，之后附加的功能材料黏附其上進(jìn)行后續(xù)加工，因此襯底起到支撐的機(jī)械作用。根據(jù)加工產(chǎn)品不同，選擇合適的物理、化學(xué)性質(zhì)的襯底，比如，在ic產(chǎn)業(yè)中，廣泛選用半導(dǎo)體硅進(jìn)行電子器件的生產(chǎn)。

按照襯底的機(jī)械特性，可以分為柔性及剛性襯底。柔性襯底包括各類聚合物襯底，比如pet、pen、pc、pvc、pi、金屬等，剛性襯底包括硅、石英、sic、gaas等。柔性襯底由于其可重復(fù)彎折的特性，在一些新興領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。柔性聚合物襯底由于在高溫下發(fā)生軟化變形，因而限制了其進(jìn)一部應(yīng)用；而柔性金屬襯底由于金屬材料的導(dǎo)電性，應(yīng)用也被限制在某些簡單領(lǐng)域。

功能陶瓷材料則通常具有高熔點(diǎn)、高硬度、低電導(dǎo)、高彈性模量、化學(xué)穩(wěn)定以及低延展性等特點(diǎn)，部分材料具有壓電、超導(dǎo)等特性。由于可選基礎(chǔ)元素廣，工業(yè)上和實(shí)驗(yàn)室都合成了各式各樣的具有不同特性的功能陶瓷材料。這些材料可以很方便的分為結(jié)構(gòu)陶瓷、耐火陶瓷、器具、技術(shù)陶瓷。

根據(jù)材料種類的不同，傳統(tǒng)的剛性陶瓷襯底的制備方法包括熔融、升華、切割、拋光等工藝，流程復(fù)雜。而且按照傳統(tǒng)方法制備的襯底材料種類有限，根據(jù)不同材料要選擇不同的工藝、設(shè)備，因而成本較高。柔性陶瓷襯底繼承了陶瓷材料本身的特定，因而在工程技術(shù)領(lǐng)域存在潛在廣闊的應(yīng)用前景。

陶瓷薄膜在工程技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，比如在固態(tài)燃料電池中作為滲透膜，以及在污水處理、食品工程領(lǐng)域作為過濾膜。作為獨(dú)立的薄膜，陶瓷材料可以用在mems器件以及傳感器等領(lǐng)域，作為敏感元件。

傳統(tǒng)技術(shù)方法獲得的襯底表面都是平整的，如果要對(duì)襯底圖形化，需要進(jìn)一步復(fù)雜的工藝。由于陶瓷材料本身的化學(xué)惰性，傳統(tǒng)加工方法中涉及化學(xué)方法進(jìn)行的加工工藝通常難以進(jìn)行。

現(xiàn)有技術(shù)無法獲得的同時(shí)具有圖形化表面且具有柔性特征的陶瓷襯底，襯底材料種類有限，根據(jù)不同材料，需要換用一整套技術(shù)方案，因而工藝復(fù)雜、成本高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種將陶瓷納米壓印膠(陶瓷前驅(qū)體)通過合適的納米壓印策略，制備圖形化或表面前驅(qū)體，將該前驅(qū)體燒結(jié)，獲得柔性或者剛性的陶瓷襯底。

為達(dá)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種制備圖形化的柔性或剛性襯底的方法，包括如下步驟：

(1)將納米壓印膠涂布到襯底上；

(2)使用柔性或者剛性模板利用納米壓印技術(shù)對(duì)納米壓印膠進(jìn)行圖形化，然后冷卻脫模，并將壓印后的納米壓印膠與襯底分離；

(3)將圖形化后的納米壓印膠溶劑揮發(fā)后燒結(jié)。

利用納米壓印技術(shù)，以不同的策略，對(duì)陶瓷納米壓印膠進(jìn)行圖形化。利用熱塑納米壓印技術(shù)，在高溫下，聚合物發(fā)生軟化，具有流動(dòng)性，因此在模板壓力條件下，壓印膠能夠反向復(fù)制模板的圖形。熱塑納米壓印技術(shù)示意圖見圖1。

由于陶瓷納米壓印膠的特殊性，對(duì)該膠圖形化可以有更多的異于傳統(tǒng)的策略。首先，由于該壓印膠有少量溶劑，使其在常溫甚至更低的溫度便具有流動(dòng)性，因此壓印可以在更低的溫度進(jìn)行，而不是傳統(tǒng)的要高于聚合物的玻璃轉(zhuǎn)化溫度。其次，可以使用聚合物柔性模板對(duì)該壓印膠進(jìn)行圖形化，而異于傳統(tǒng)壓印使用的柔性鎳或者pdms模板。襯底可以選擇柔性的或者剛性的，柔性襯底在壓印完成后易于與壓印膠進(jìn)行分離。

納米壓印是一種眾所周知的技術(shù)。我們通過改變襯底的機(jī)械性能(使用柔性或者剛性的襯底)和壓印模板的機(jī)械性能(使用柔性或者剛性的模板)，來得到理想的結(jié)果。此步驟為標(biāo)準(zhǔn)熱塑納米壓印步驟。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解步驟中重要參數(shù)并對(duì)工藝進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。兩個(gè)重要的參數(shù)是壓印時(shí)溫度和對(duì)模板施加的壓強(qiáng)。更高的溫度、更高的壓強(qiáng)在壓印之后將獲得更薄的壓印膠，技術(shù)人與可以根據(jù)需求選取合適的參數(shù)。

本發(fā)明中使用的納米壓印膠為申請?zhí)枮?01610685050.7的發(fā)明“一種功能陶瓷材料表面圖形化的方法”中制得的納米壓印膠，或者與之類似的納米壓印膠。

作為優(yōu)選，步驟(1)中所述涂布通過旋涂、噴涂或者刮涂進(jìn)行。

襯底可以選擇剛性的或柔性的襯底，所述襯底為si、玻璃、石英、pet、pmma或pc。優(yōu)選地，選擇柔性的襯底。為便于后面步驟中壓印膠與襯底分離更容易，優(yōu)選可以對(duì)襯底進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的防粘處理，如旋涂特氟龍涂層等，或者可以選用超薄柔性襯底，利用其柔性使壓印膠和柔性襯底更容易分離。

步驟(2)壓印步驟應(yīng)選擇合適的溫度。作為優(yōu)選，在步驟(1)中的襯底和步驟(2)中的模板均為剛性時(shí)，圖形化時(shí)的溫度可以高于納米壓印膠玻璃轉(zhuǎn)化溫度；在步驟(1)中的襯底為柔性和步驟(2)中的模板為剛性時(shí)，溫度不宜高于襯底的玻璃轉(zhuǎn)化溫度；在步驟(1)中的襯底為柔性和步驟(2)中的模板為柔性時(shí)，溫度應(yīng)顯著低于模板的玻璃轉(zhuǎn)化溫度；

根據(jù)不同壓印膠的黏度特征，選擇合適的圖形化的壓力，一般在1～50mpa。

作為優(yōu)選，步驟(3)中溶劑揮發(fā)的溫度為室溫，使得溶劑較慢揮發(fā)，保持圖形化的壓印膠的完整性。

溶劑揮發(fā)之后可將壓印膠從襯底上揭下，或者將其留于襯底之上進(jìn)行下一步的燒結(jié)。

根據(jù)熱學(xué)分析結(jié)果，針對(duì)不同的納米壓印膠，將圖形化后的納米壓印膠薄膜在高溫下進(jìn)行燒結(jié)。陶瓷燒結(jié)領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)熱分析結(jié)果，如tga/dsc，將可以判斷合適的燒結(jié)步驟，并可對(duì)其中參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。典型的參數(shù)包括燒結(jié)氣氛、低溫升溫速率、高溫?zé)Y(jié)溫度等。

作為優(yōu)選，本發(fā)明的方法包括如下步驟：

1)使用旋涂、噴涂、或者刮涂等技術(shù)手段將納米壓印膠涂布到襯底上，襯底可以選擇剛性的，如si、玻璃、石英等，也可以選擇柔性襯底，如pet、pmma、pc等；

(2)使用剛性模板如硅模板對(duì)壓印膠進(jìn)行圖形化。此步驟為標(biāo)準(zhǔn)熱塑納米壓印步驟。

(3)壓印完成后，待壓印膠中溶劑揮發(fā)，壓印膠將可以與襯底自然分離，可利用壓印膠與襯底不同的力學(xué)特性，將壓印膠薄膜從襯底上分離下來。

(4)根據(jù)熱學(xué)分析結(jié)果，針對(duì)不同的納米壓印膠，將圖形化后的納米壓印膠薄膜在高溫下進(jìn)行燒結(jié)。

本發(fā)明利用納米壓印對(duì)前驅(qū)體成功進(jìn)行了圖形化，燒結(jié)之后得到圖形化的、結(jié)構(gòu)完整的柔性陶瓷薄膜。本發(fā)明制備的柔性或者剛性陶瓷薄膜具有平坦的或者圖形化的表面。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的熱塑納米壓印技術(shù)示意圖；

圖2為本發(fā)明的技術(shù)方案的流程示意圖；

圖3為示例1的壓印膠的熱分析結(jié)果；

圖4為示例1的燒結(jié)溫度-時(shí)間關(guān)系；

圖5為示例1的陶瓷薄膜的表面圖形；

圖6為示例1的可彎折的圖形化陶瓷薄膜；

圖7為示例2的燒結(jié)溫度-時(shí)間關(guān)系；

圖8為示例2的陶瓷薄膜的表面圖形；

圖9為一個(gè)實(shí)例的復(fù)制策略；

圖10為對(duì)金屬的壓印、只能用堅(jiān)硬壓印模板進(jìn)行壓印的曲面的壓印。

具體實(shí)施方式

為便于理解本發(fā)明，本發(fā)明列舉實(shí)施例如下。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明了，所述實(shí)施例僅僅用于幫助理解本發(fā)明，不應(yīng)視為對(duì)本發(fā)明的具體限制。

本發(fā)明的方法的流程示意圖見圖2。

示例1//標(biāo)準(zhǔn)

1.此示例使用zro2陶瓷納米壓印膠，其中成分重量比為，zro2:pmma:peg:gptms分散劑＝5:1:0.3:0.2。

2.選取3cm*3cm的柔性pet薄膜作為襯底，量取0.9ml的納米壓印膠，將壓印模板與壓印膠接觸。本實(shí)例中利用了兩種不同圖形特征的模板進(jìn)行了實(shí)施。

3.在75℃下，對(duì)襯底和壓印模板進(jìn)行加壓至50kg。冷卻后脫模。

4.在室溫下，待圖形化后的壓印膠中溶劑揮發(fā)，可將壓印膠薄膜與襯底分離。通過厚度測試，燒結(jié)前薄膜厚度為50μm。

5.根據(jù)tga/dsc分析結(jié)果(見圖3)，按照圖4的升溫步驟對(duì)壓印膠薄膜進(jìn)行燒結(jié)。

燒結(jié)后，薄膜厚度減少到35μm,說明在燒結(jié)過程中薄膜發(fā)生了30％的體積收縮，薄膜具有完整的復(fù)制了模板的圖形特征(見圖5)，且具有可彎折的柔性特征(見圖6)。

示例2//工藝改變：燒結(jié)時(shí)間加長

按照示例一的實(shí)施步驟，但是對(duì)于壓印后壓印膠燒結(jié)工藝按如下圖7中的步驟進(jìn)行。由于燒結(jié)時(shí)間加長，晶體生長，陶瓷變得更加致密，見圖8。

示例3//應(yīng)用一：壓印模板

本發(fā)明提供了一種圖形復(fù)制策略。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)方法不能低成本獲得高精度圖形的缺點(diǎn)，根據(jù)實(shí)例1的結(jié)果以及相關(guān)原理，本發(fā)明策略可以將圖形制作到剛性的塊材上，一個(gè)實(shí)例的復(fù)制策略見圖9，原理上，我們甚至可以通過采用曲面的壓印模板將圖形復(fù)制到曲面上。按照示例1提供的方法，圖形復(fù)制成功之后可以進(jìn)行燒結(jié)等工藝，進(jìn)而，圖形復(fù)制到了平面或者曲面的陶瓷上。一個(gè)顯而易見的應(yīng)用是將圖形化后的陶瓷作為壓印模板。陶瓷壓印模板具有硬度高，耐化學(xué)腐蝕的特征，可以進(jìn)一步應(yīng)用在一些特殊領(lǐng)域中去，例如對(duì)金屬的壓印、只能用堅(jiān)硬壓印模板進(jìn)行壓印的曲面的壓印，可參見圖10。

申請人聲明，本發(fā)明通過上述實(shí)施例來說明本發(fā)明的詳細(xì)工藝設(shè)備和工藝流程，但本發(fā)明并不局限于上述詳細(xì)工藝設(shè)備和工藝流程，即不意味著本發(fā)明必須依賴上述詳細(xì)工藝設(shè)備和工藝流程才能實(shí)施。所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明了，對(duì)本發(fā)明的任何改進(jìn)，對(duì)本發(fā)明產(chǎn)品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍和公開范圍之內(nèi)。