多层材料热压工艺探索

问题描述

电阻式应变传感器具有结构简单，成本低廉，易于安装与集成等优势，相关的产品在土木工程、航空航天以及微电子等领域具有广泛的应用。例如：针对飞机进行静力试验时，通过应变片采集结构的变形特征，对系统的安全性进行判断，为结构的优化设计提供参考依据，具体如下图所示；

另一方面，随着时间的发展，物联网的兴起给电阻应变片提供了更广阔的舞台，如可穿戴医疗电子设备、智能家居、智能交互机器人等。因此，本推文对应变片基材的加工工艺进行了简要的概述，具体如下所示：

01工艺探索

1、应变片基材的加工过程？

应变片的加工过程主要分为基材制备以及图案化（蚀刻）两部分；其中，基材加工过程主要是通过热压工艺，将聚酰亚胺（PI）和康铜箔通过环氧胶水粘接到一起，详细过程如下所述：

图a表述为聚酰亚胺（PI）薄膜，作为应变片的基底材料，具有较好的环境适应性；图b表述为康铜箔，作为应变片的敏感层；图c表述为实验中采用的热压设备，基于气压传动的方式，通过气缸给康铜箔提供0-5Mpa的正压力；图d表述为实验加工的样品，从图中可以看出，康铜箔表面出现致密的褶皱；图e为局部放大图，展示了褶皱与气泡两种缺陷模式；

附：本实验中采用热固性环氧胶，主要的优势有：1、粘接力强；2、化学稳定性高，耐腐蚀性强；3、具有较好的力学性能，主要体现在：高强度以及较好的延胜率；4、环境适应性强，工作温度范围为：-50-180℃，热膨胀系数与PI薄膜相差不大；

2、褶皱产生的机理分析？

本部分查阅相关的文献，对褶皱产生的原因进行具体分析，为后续改进热压工艺提供前期基础，具体如下所示：

图a表述为在PDMS基底上蒸镀金属薄膜的过程，试验结果呈现明显的褶皱现象，具体缘由为：将金属沉积在PDMS上表面时，由于PDMS和金属具有不同的热膨胀系数，当系统逐渐冷却至室温后，PDMS的收缩量大于金属膜的收缩量，在金属膜内产生压缩应力，使得金属膜发生屈曲产生褶皱（系统势能最小）；图b表述为基底材料以及薄膜材料具有不同参数时，呈现不同的褶皱形式；附：有效缓解褶皱问题的方式为：给金属薄膜施加初始的拉应变；

3、拟采用的解决方案？

对于市面上现有的压合设备（见附录1），存在体积过大、价格过高等弊端，不适合高校实验室购买，因此，近来从力学的角度出发，通过添加衬层的方式，有效地解决了褶皱问题，具体过程如下所示；

图a表述为多层材料热压过程的原理示意图：图b展示了不同材料的热膨胀系数，呈现为：橡胶>聚酰亚胺≈环氧胶水>铜≈康铜>水溶性胶带；图c展示了工艺优化后，制备的应变片基材实物图；

推论1、压合初始状态时，胶水处于液体状态，康铜箔和聚酰亚胺基底之间的作用力较小，即该时刻聚酰亚胺在温度载荷下的膨胀量只受基板影响，后续可以控制压力大小以及改变基板的材料控制聚酰亚胺的热变形量；

推论2、不采用衬层时，康铜的热膨胀量与基板相差不大；

推论3、水溶性胶带热膨胀系数极小，因此，热压工艺中采用水溶性胶带加强康铜膜刚度时，会恶化褶皱问题；

推论4、采用高热膨胀系数衬层材料时，衬层可以给康铜箔提供张力，缓解褶皱问题；

推论5、通过增加压力大小，可以增强基板对聚酰亚胺薄膜和康铜箔的作用，使其热胀冷缩量与基板变形量趋于一致，改善褶皱问题；该推论与实验结果相一致；

推论6、对于压机生产厂家来说，一般通过增加压力的大小，提高压合的质量；例如：设备一般采用液压传动的方式，载荷大小很容易达到吨的量级；

结论：实验中需要通过添加衬层的方式，控制康铜箔的变形量，进而解决了褶皱问题。衬层材料需要有较高的热膨胀系数，较高的弹性模量，与康铜箔之间具有较高的摩擦系数，综合考虑，拟采用橡胶材料；

附录：补充材料

附1、市面上现有的压合设备？

覆康铜膜压合的设备有两种：1、适合大批量生产的卷对卷压合；2、平板压合设备；知名的企业主要有：博可、北川、大田、活全、连结、威迪、恒达、上海联净、精科压合机等，具体如下所示：

图a表述为上海联净设计的压合方案，该方案采用卷对卷的加工工艺，大大提高了加工效率，相关成果应用于航天科技某研究所，整套设备主要由放卷、复合、收卷以及控制系统等部分组成，具体的报价为30万左右；图b表述为咸阳威迪机电科技有限公司设计的压合方案，采用片材与片材直接压合的方式，具体报价为50万左右，相关成果应用于中航电测；附：与厂家沟通交流过程中，了解到平板压机的主要结构有：压合上盖板、压合承载盘、托盘及加热盘保护板；防滑块、止滑块、弹簧夹、挡块；

附1、手机屏幕使用时间剧增，从去年的日均17分钟变成6个小时，尴尬~；

附2、参考文献：Cai S, Periodic patterns and energy states of buckled films on compliant substrates, Journal of the Mechanics & Physics of Solids.

附3：日本企业在应变片基材制备相关的技术方面走在世界前列，孵化出日本共和等知名企业；