阅读说明：本技术 一种利用钽镀层进行微纳结构表面快速加热压印的方法 (Method for carrying out rapid heating and imprinting on surface of micro-nano structure by using tantalum coating ) 是由 周天丰 王子凡 朱展辰 王罡 阮本帅 刘朋 刘志兵 梁志强 王西彬 于 2020-04-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种利用钽镀层进行微纳结构表面快速加热压印的方法,涉及微纳阵列光学元器件技术领域,首先在模具表面添加一层石墨烯,再增镀一层金属钽,石墨烯与钽在高温下结合生成碳化钽膜,然后对碳化钽膜通电,实现在玻璃模压过程中超精密辅助加热镀层的制作与使用。本发明可以实现高精度微纳阵列光学结构的加工,加工效率高,制造成本低,模具寿命长,具有极高的应用价值。(The invention discloses a method for carrying out rapid heating and imprinting on a micro-nano structure surface by utilizing a tantalum coating, and relates to the technical field of micro-nano array optical components. The invention can realize the processing of the high-precision micro-nano array optical structure, has high processing efficiency, low manufacturing cost and long service life of the die and has extremely high application value.)

一种利用钽镀层进行微纳结构表面快速加热压印的方法

技术领域

本发明涉及微纳阵列光学元器件技术领域，特别是涉及一种利用钽镀层进行微纳结构表面快速加热压印的方法。

背景技术

微纳阵列是指具有规则阵列分布的微观几何拓扑形状及特定功能的一类微纳结构表面。不同材料，单元形态和周期尺寸的微纳结构具有各种不同的光学特性，既可利用其成像特性，又可利用其衍射特性，实现增透、偏振分光、光波导耦合、合束变换和光束整形等功能，因此微纳光学元件在光学成像显示、通信互联、位置检测与精密制造装备等诸多领域体现出重要作用和广泛应用。

近年来，随着微机电系统在航空航天、信息通信、生物医疗、自动控制、消费电子以及兵器等领域的广泛应用，如何加工各种复杂形状的高精度微纳阵列光学结构，用以提高其自身的制作精度在微机电系统领域备受关注。玻璃材料具有高折射率、高抗变形性、低膨胀、高成像质量等特性，是加工微纳阵列光学元器件的理想材料。

为了满足微纳光学元件的应用需求，开发出了各种各样的微纳阵列加工技术。基于能量辅助加工的聚焦离子束加工和激光加工可直接在光学元件加工出表面微纳阵列，但是这两种方法工艺过程复杂，成本较高，加工出的微纳阵列均一性差。通过光刻技术也可加工玻璃微纳阵列，然而微纳阵列的形状受到限制。采用单点金刚石超精密切削加工或数控研磨抛光，可以制造复杂微纳阵列，形状精度高，但是存在成本高、不能大批量生产等问题，不能满足市场的需求。

其他诸如微磨削、微切削，或囿于砂轮磨损、或囿于刀具崩刃，所加工微纳阵列光学结构的形位精度及表面质量往往无法达到超精密加工的精度要求，另一方面，针对玻璃等硬脆性材料，材料去除后的表面远未达到光学应用的需求，自然无法胜任愈加精密的光学系统。而诸如注塑等加工技术需要将被加工件加热到极高的温度液化材料，会大幅度破坏材料内部结构，改变材料的光学特性，无法应用于机电系统的光学系统中。

目前，常见的微纳阵列光学元器件是采用超精密模压成形技术，通过对易切削材料进行超精密加工得到具有纳米级表面质量的模具，再对模具表面增镀一层薄膜用以保护模具、延长寿命，模具镀层材料包括但不限于铼铱镀层、金刚石DLC镀层、石墨镀层。

其中铼铱镀层是一种稀有金属镀层与模具基材有良好的亲和性，可以有效地隔绝模具与玻璃高温下的化学反应，但由于技术原因镀层的厚度持高不下，厚度达到数十微米，导致模具表面微结构形状精度降低，对于一些纳米尺度的微结构，镀层甚至会直接将其覆盖；而金刚石DLC镀层目前有较为成熟的应用，主要应用于硬质合金模具镀层上，能够有效地保护模具且允许二次修模，但金刚石晶体内部不存在可以自由移动的电子或是离子，因此镀层本身不导电无法通电进行辅助加热；石墨镀层是一种新型镀层，镀层厚度为百纳米级，有效地保留了模具表面的微纳结构，同时可以通电进行局部快速辅助加热，但石墨镀层表面粗糙，所加工模具的表面光洁度较差。

而在传统的微纳结构阵列模压成形过程中，加热方式主要为红外灯辐射或热电阻加热，被加工工件整体被加热至极高温度，降温冷却后整个微纳结构阵列镜片内部会产生较大的残余应力，改变材料的光学特性，限制了其光学特性的应用。由于将被加工工件整体加热至模压温度，所需加热时间较长，延长了加工周期，加工效率需要进一步提高以满足市场需求。

因此，亟需提供一种新的利用钽镀层进行高精密辅助加热玻璃模压成形的方法，以解决现有技术中所存在的上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用钽镀层进行微纳结构表面快速加热压印的方法，以解决上述现有技术存在的问题，可以实现高精度微纳阵列光学结构的加工，加工效率高，制造成本低，模具寿命长，具有极高的应用价值。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种利用钽镀层进行微纳结构表面快速加热压印的方法，包括以下步骤：

步骤一、在模具表面加工出微纳光学结构；

步骤二、在模具表面增镀一层石墨烯；

步骤三、再增镀一层金属钽，石墨烯与钽在高温下结合生成碳化钽膜；

步骤四、对碳化钽膜通电，完成在玻璃模压过程中辅助加热镀层的制作与使用。

优选的，所述步骤一中微纳光学结构为半球形。

优选的，所述步骤四中通过改变通电的电流强度对模具进行辅助加热，进行高温成形。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明具有加工精度高，效率高、成品一致性好的特点，与其他加工方法相比，解决了模具表面微结构形状精度变差、不导电无法通电进行辅助加热、表面粗糙，所加工模具的表面光洁度较差等问题，更适合玻璃微纳阵列的加工，是一种高效低成本的加工方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中利用钽镀层进行微纳结构表面快速加热压印的方法的工艺流程图；

图2为本发明中加工微纳结构示意图；

图3为本发明中石墨烯中间层示意图；

图4为本发明中增镀钽金属膜示意图；

图5为本发明中通电辅助加热示意图；

图中，1为模具基底，2为磷化镍薄膜，3为石墨烯，4为碳化钽膜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种利用钽镀层进行微纳结构表面快速加热压印的方法，包括以下步骤：

步骤一、在模具表面加工出微纳光学结构；

具体地，模具放置在模具基底1上，模具基底1采用耐热不锈钢制成，价格低廉，物理性质满足基本的模压要求；先在模具表面镀磷化镍薄膜2加工表面结构，再增镀钽镀层等，磷化镍具有良好的切削性能，可被加工成多种复杂形貌；

步骤二、在模具表面增镀一层石墨烯3；

步骤三、再增镀一层金属钽，石墨烯与钽在高温下结合生成碳化钽膜4；碳化钽镀层具有抗热震性，化学性质极为稳定，可以对原有结构进行保护，防止模压时微结构与玻璃发生粘接等反应，很好的兼顾了模具表面质量与模具寿命的关系，加工效率高，制造成本低，模具寿命长，具有极高的应用价值；该碳化钽膜4是电的良导体，保证通电时电流只从碳化钽膜4上通过；

步骤四、对碳化钽膜4通电，完成在玻璃模压过程中超精密辅助加热镀层的制作与使用。

根据公式Q＝U2t/R，电压恒定时，碳化钽膜4在短时间即可产生大量热量，同时碳化钽膜4具有良好的导热性与散热性，切断电源后，镀层材料的热量可迅速释放至空气中，冷却被加工材料。通过碳化钽膜4在通电/断电条件下可快速生热/放热，完成与镀层表面接触的光学材料的软化与复制，与现有的模压成形技术加热整个被加工工件相比，只有与镀层表面接触的材料被加热，可从数量级上降低残余应力、改善光学性能、提升模压效率，实现光学微纳结构阵列的快速加热压印工艺。

在本实施例中，所述步骤一中微纳光学结构为半球形，但并不仅仅限制与半球形，亦可以选用其它满足工作需要的形状，如长方体形、锥形、弧形等。

在本实施例中，所述步骤四中通过改变通电的电流强度可以对模具进行辅助加热，进行高温模压成形。

本实施例采用百纳米级别的超薄镀层可以防止模具表面的微结构在镀膜时形状精度降低乃至消失，很好的兼顾了形变量与膜层厚度的关系，保证了玻璃微纳结构的加工精度。钽金属自身的电导率与石墨相近，因此可以进行电辅助加热，突破了传统加工的温度界限，加工的温度范围较以往更为宽泛。

本实施例采用的钽金属镀层技术成熟且与玻璃间化学性质偏惰性，因此模具表面可以长时间保持较高的光洁度，模具寿命大幅度延长。

综上所述，本发明利用钽镀层进行微纳结构表面快速加热压印的方法，具有加工精度高，效率高、成品一致性好的特点，与其他加工方法相比，解决了模具表面微结构形状精度变差、不导电无法通电进行辅助加热、表面粗糙，所加工模具的表面光洁度较差等问题，更适合玻璃微纳阵列的加工，是一种高效低成本的加工方法。

本发明可加工的玻璃材料范围更加广阔，能够加工原先无法加工的玻璃材料；加工材料不受限制，可以极大提高玻璃微纳结构的加工效率，降低制造成本。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。