金属纤维增强聚合物基体复合材料及其制备方法技术

一种微机电系统技术领域的用于微结构器件的金属纤维增强聚合物基体复合材料及其制备方法，其组分及体积百分比含量为：金属相２０％－４５％以及５５％－８０％聚合物相，金属相和聚合物相依次交错排列。本发明专利技术采用微加工方法实现微米级别有序金属纤维增强聚合物基体复合材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种微机电系统
的材料及其制备方法，具体是一种用于 微结构器件的。
技术介绍
微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystems，简称 MEMS)的传统材料是硅 材料，硅材料有优良的物理化学性能，但是因为硅的脆性大，限制了它作为结构材料在微机 电系统(MEMS)中的应用，特别是对那些综合力学性能要求高的微结构器件，以硅材料制得 的微结构器件的力学性能远远不能满足要求；另一方面，镍、铜等金属和SU-8胶、聚酰亚胺 等聚合物材料虽然能够作为微机电系统(MEMS)结构材料，但是单一的纯金属材料和纯聚 合物材料由于各自力学性能存在固有的不足，它们也还是不能够满足微机电系统(MEMS) 领域对其结构材料高强韧的特殊要求。为此，有必要设计和开发新型的具有高强韧性能、可 用于微机电系统(MEMS)应用领域中微结构器件的结构材料。复合材料具有可设计性、兼有 各组分材料优势的特点，使得复合材料作为微机电系统(MEMS)的结构材料成为可能。传统加工方法制得的复合材料，包括金属基复合材料(Metal-Matrix Composite, 简称MMC)、聚合物基复合材料(Polymer-Matrix Composite，简称PMC)和陶瓷基复合材 料(Ceramic-Matrix Composite,CMC)进行了大量的研究，而纤维增强基体的复合材料具有 优良的力学性能更是受到研究人员的广泛关注，也取得了很大的进展。但是，对于微机电系 统(MEMS)应用领域中高强韧微结构复合材料的研究国内外尚未见报道，本设计首次提出 设计金属纤维增强聚合物基体的高强韧微结构复合材料。经过对现有技术的检索发现，早在上个世纪七十年代后，研究人员就对大尺寸的 金属纤维增强聚合物基体复合材料进行了大量的研究，结果表明该类复合材料的力学性能 不同于它的组分材料，有良好的综合力学性能，在一定程度上能够作为工程结构材料。近些 年来，人们还在继续这方面的研究，大尺寸的金属纤维增强聚合物基体复合材料的理论和 实验都相对完善了，应用也在扩展中。在《Influence of fillers on the low amplitude oscillating wear behaviour Of polyamide 11》一文中，作者已经做了相似的实验，基体材料是聚酰胺，基体材料中掺有 不同种类的参杂物，试样尺寸属于大尺寸。试样的不同组分 试样的性能 但是该现有技术都是对大尺寸的金属纤维增强聚合物基体复合材料，这种大尺寸 的材料在微机电系统(MEMS)是无法应用的，参杂物也是玻璃纤维和不能有序分布的金属 粉末，不能体现金属纤维增强和有序增强的优点。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提供一种金属纤维增强聚合物基体复合 材料及其制备方法，可作为微机电系统(MEMS)应用领域的结构材料，扩大了微机电系统 (MEMS)应用领域中结构材料的种类。本专利技术是通过以下技术方案实现的本专利技术涉及一种金属纤维增强聚合物基体复合材料，其组分及体积百分比含量 为金属相20% -45%以及55% -80%聚合物相，其中金属相和聚合物相依次交错排列。所述的交错排列为上下层状交错堆叠、树枝状斜向交错排列或阵列交错排列。所述的金属相是指金属铜纤维或金属镍纤维；所述的聚合物相是指SU_8、环氧聚酯或聚酰亚胺；所述的复合材料中的金属相和聚合物相都保持各自原有的结构。本专利技术涉及上述金属纤维增强聚合物基体复合材料的制备方法，其步骤包括第一步、在基底上旋涂光刻胶作为牺牲层，然后在牺牲层上溅射Cu/Cr层作为种 子层，再在种子层上旋涂光刻胶作为光刻层；所述的基底为洁净光滑的玻璃片；用纳米&0)3粉末擦拭直径为3英寸的玻璃片， 直到玻璃片从水中拿出时在玻璃表面不会有明显的水迹存在。所述的牺牲层的厚度为1-10微米；所述的种子层的厚度为10-100纳米；所述的光刻层的厚度为10-100微米；第二步、对光刻层依次进行光刻显影处理并电镀金属结构；所述的光刻显影处理是指先用UV-LIGA技术对光刻层进行图形化后，再把光刻 层浸没在显影液中进行显影；所述的电镀是指在酸性的金属硫酸盐溶液中采用电化学电镀方法电镀金属结 构；第三步、去除光刻层后将聚合物填充到金属结构中，并固化聚合物，最后依次去除 牺牲层和种子层中Cr元素，制成金属纤维增强聚合物基体复合材料；所述的去除光刻层是指采用pH = 12的碱性溶液浸泡时间30min ；所述将聚合物填充到金属结构中的具体操作步骤为把已经沉积有金属纤维的试 样放在电泳液中进行电泳镀或是采用微加工的旋涂工艺把聚合物旋涂填充到金属纤维空 隙中。所述的依次去除牺牲层和种子层中Cr元素是指先选用pH在12-13之间的碱性 溶液浸泡时间12h去除牺牲层；再在pH = 13的K3溶液中去除种子层中的Cr元ο与现有技术相比，制备得到的复合材料的综合力学性能，尤其是强度和韧性有了 不同程度的提高，扩展了微机电系统(MEMS)中结构材料的种类。附图说明图1为实施例1结构示意图。图2为实施例2结构示意图。图3为实施例3结构示意图。具体实施例方式下面对本专利技术的实施例作详细说明，本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施 例。实施例1如图1所示，本实施例包括图中显示了 一种层状金属纤维增强聚合物复合材料。图中五个相同的部分上下层 状地叠加在一起，是多层复合的一种，聚合物基体只是部分地包裹了金属纤维。图中每一单 体部分的尺寸40μπιΧ10μπιΧ3μπι，其中标有1的部分是聚合物基体层，标有2的部分是 金属层，金属和聚合物基体上下层状地堆叠在一起。它是一个简单的多层层状复合材料，层 间界面结合把聚合物基体和金属纤维结合在一起，所以金属和聚合物要有很好的相容性。 在每一层上都没有再进行第二次的复合。制备步骤第一步、在基底上旋涂1 μ m厚的光刻胶作为牺牲层，然后在牺牲层上旋涂3 μ m厚 的聚合物作为第一聚合物层，再在第一聚合物层上溅射3μπι厚的金属层作为第一金属层；第二步、重复第一步的过程得到第二、第三聚合物层和金属层后，在第三层金属层 上在旋涂一层3 μ m厚的聚合物；第三步、固化聚合物，把含有试样的玻璃片放入pH在12-13之间的碱性溶液中浸泡12h去除牺牲层，使试样能够从玻璃片上得以释放。实施例2如图2所示，本实施例包括图中显示了一种复杂但有序的金属纤维增强聚合物复合材料。图中样品是一个单 层的复合材料，尺寸30μπιΧ15μπιΧ10μπι。图中标有2和3的部分是金属纤维，二者可 以是同种金属纤维，也可以是不同种金属纤维，它们有序均勻的分布，金属纤维的整体构型 是有序枝状的。在复合材料样品的受力方向上标有2的部分是主金属纤维，它贯穿于整个 复合材料样品，其尺寸30μπιΧ3μπιΧ10μπι。在主金属纤维的两侧分别阵列排布着标有3 的枝状金属纤维。侧枝金属纤维可以是对阵或是不对称的有序枝状，枝状金属纤维与主金 属纤维的夹角是任意选择的，所有金属纤维尺寸是可以变化的，图中侧枝金属纤维是对称 的，这些枝状的金属纤维与标有2的主金属纤维之间的夹角为60°，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属纤维增强聚合物基体复合材料，其组分及体积百分比含量为：金属相２０％－４５％以及５５％－８０％聚合物相，其特征在于：金属相和聚合物相依次交错排列。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：汪红，张振杰，丁桂甫，杨卓青，苏永其，赵小林，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]