[发明专利]微弹簧的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于化学化工、功能材料、微米和纳米加工技术领域，特别涉及以断裂控制法进行制备微弹簧的方法。

背景技术

随着技术的发展，器件的微型化是实现其多功能和集成化的重要途径，尤其是近年来微流控技术的发展，小尺寸的微机电系统(MEMS)在耗能少、响应时间短、精确度高、响应速度快等方面显示出优异的性能，从而在精密仪器、生物医疗和国防科技等领域具有广阔的应用前景。随着微器件需求量的日益增长，目前急切需要成熟的加工技术能够低成本大批量地制备微器件。

作为微器件中的最重要部分驱动装置之一，微弹簧的加工技术备受关注。目前，国内外传统的微弹簧制作主要是基于MEMS技术-微机械电子系统，包括化学腐蚀法、光刻电铸或塑铸法、掩膜电沉积法。前两种方法只能得到二位尺度的平面弹簧，无法满足加工材料多样性要求，而且存在加工工艺复杂，周期长，设备投资大等方面的不足，而掩模电沉积方法，虽然可以得到三维尺度的弹簧，但是需要预先制作掩模板，所得弹簧的质量严重依赖于掩模板的制作工艺，而且其制备过程存在加工工艺复杂，周期长，设备投资大，制备材料单一等问题。如何寻求一种操作简单、成本低廉的制备微弹簧的方法，成为人们关注的焦点问题之一。

CN101025211A和CN101130196中公开了微弹簧的激光或激光辅助加工制备方法。虽然这两方法摆脱了对加工材料的限制，可以制备不同材料的三维弹簧，但是其制作过程需要制作配套的模具、精确的数控定位装置以及昂贵的激光光源，依然存在加工工艺复杂，周期长，设备投资大等问题，从而不利于大批量制备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低、速度快、简单便捷的以断裂控制法进行制备微弹簧的方法。

本发明的微弹簧的制备方法包括以下步骤(制备过程可参见图2)：

(1)将清洗干净的硬质纤维材料用密封胶固定在U型支架上；

(2)将聚合物溶于有机溶剂中，搅拌，使聚合物完全溶解，得到聚合物溶液，再用酸溶液调节所得聚合物溶液呈酸性，优选聚合物溶液的pH值为2.6；然后再加入氧化物溶胶的前躯体，搅拌，使之形成均匀稳定的氧化物溶胶；

(3)将步骤(1)固定有硬质纤维材料的U型支架浸渍到步骤(2)得到的氧化物溶胶中，采用提拉法，将固定有硬质纤维材料的U型支架从氧化物溶胶中提拉出来，干燥(一般干燥的时间为12～24小时)，在硬质纤维材料上制备出具有核壳结构的氧化物凝胶纺锤节；其中壳是由氧化物溶胶干燥后形成的氧化物凝胶；其中壳是由氧化物溶胶干燥后形成的氧化物凝胶，核是硬质纤维材料；然后进行煅烧，使具有核壳结构的氧化物凝胶纺锤节中的壳层有机物(氧化物凝胶中含有有机物)被氧化除去，形成无机氧化物壳层，在形成无机氧化物壳层的同时，壳层开裂得到无机氧化物微弹簧。

本发明可进一步将壳层开裂得到的无机氧化物微弹簧中的硬质纤维核材料除去，所述的除去方法可将带有硬质纤维核材料的壳层开裂得到的无机氧化物微弹簧在SuSS MP5分析探针台(Karl Suss公司)中，通过微操作臂除去(如图1所示)。

所述的用密封胶固定在U型支架上，是将硬质纤维材料固定在U型支架的开口一端。

所述的密封胶优选使用双组份硅橡胶，其固化温度为常温，固化时间为0.5～2小时，该种密封胶可以在温度为-200～800℃的环境中使用。

所述的清洗可依次用纯净水、丙酮、乙醇进行清洗，然后用惰性气体(如氮气)吹干。

所述的硬质纤维材料的直径为5～80微米；硬质纤维材料选自碳纤维、玻璃纤维、不锈钢丝、镍合金丝、凯夫拉纤维等中的一种。

所述的形成均匀稳定的氧化物溶胶中的聚合物与氧化物溶胶的前驱体的摩尔比值为1∶18～1∶234000。

所述的聚合物溶液的质量浓度优选为3～16％。

所述的聚合物选自聚醚(P123、F68和F127)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的一种。

所述的有机溶剂选自乙醇、异丙醇、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、四氢呋喃(THF)中的一种。

所述的酸溶液的浓度优选为1M；选自盐酸、硫酸、硝酸、醋酸中的一种。

所述的氧化物溶胶的前躯体选自异丙醇钛、正硅酸四乙酯、钛酸四丁酯、锆酸四丁酯、异丙醇铝、硝酸铋和硝酸铁所组成的组中的一种。

所述的氧化物溶胶选自二氧化钛溶胶、二氧化硅溶胶、二氧化锆溶胶、氧化铝溶胶、氧化铁溶胶和铋酸铁溶胶所组成的组中的一种。