CN114905793A - 高温模压成型硅模具的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制备硅模具的方法，特别是涉及一种高温模压成型硅模具的方法。本发明的方法在成型阶段，驱动所述第一隔热板和第二隔热板的压型装置，使第一隔热板和第二隔热板之间的距离彼此接近，在所述预定的热压温度处，所述硅基体处于软化状态，随着所述碳化硅模具和硅基体距离的接近和逐渐接触，所述碳化硅模具作为母模具将其表面的形貌或微结构完整地转移到所述硅基体的表面，形成成型的硅模具。本发明将碳化硅母模具的面型结构向硅基体的表面成功转移，实现硅模具的高效率批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备硅模具的方法，特别是涉及一种高温模压成型硅模具的方法。
背景技术
精密模压成型是一种在高温下将模具表面形貌复制到光学材料基体上的精密制造技术，具有高精度、高效率、低成本等特点，能轻松应对复杂形貌的大面积光学元件制造。单晶硅材料，在高温下具有优异的力学性质和稳定的化学性质，成为了高温精密模压成型中模具材料的普遍选择。
然而，硅材料的硬度较高、易脆，属于难加工材料。在依靠机械去除的传统常规微细磨削切削加工中，单晶硅材料的极易出现崩边、裂缝等缺陷，且材料表面存在明显的亚表面损伤，表面质量难以满足精密模具的需求。虽然，通过采用合适的工艺参数，如降低磨切深度和提升磨切的线速度等，以及采用多物理场辅助磨削切削的方式，可以让该类硬脆难加工材料在塑性域内去除材料，实现低损伤材料去除。虽然这类方式在一定程度可以提升硅材料的加工质量，却带来了加工效率极低的问题。
CN113526961A公开了一种玻璃模造用碳化硅模具的制造方法及碳化硅模具，包括素胚成型步骤、模套素胚加工步骤、模仁素胚加工步骤、高温烧结步骤、模套精加工步骤、模仁半加工步骤、模仁镀层步骤、模仁精加工步骤、模仁镀膜步骤。采用这种方法在模套和模仁的素胚加工之后再进行高温烧结步骤，之后再进行精加工，降低加工难度；在与玻璃接触的非球面部分先化学气相沉积一层厚的碳化硅层，大幅降低非球面部分的颗粒度、气孔率，提高细腻度，模仁非球面部分的表面质量大幅提高，避免因碳化硅陶瓷的表面缺陷影响玻璃镜片的质量，提高了镜片的压制合格率；最后再镀一层利于玻璃脱模的镀层，解决碳化硅与玻璃之间浸润性好而导致脱模难的问题。
CN 110418704A公开了一种有机硅模具，其是用于将包含环氧树脂的固化性组合物成型的用途的模具，其中，该有机硅模具由有机硅树脂组合物的固化物形成，所述固化物在厚度1mm时于波长400nm的透光率为80％以上、断裂伸长率(基于JIS K 7161)为250％以下、线性热膨胀系数在20～40℃下为350ppm/℃以下。与以往的模具相比，采用这种方法制备的有机硅模具可将因反复使用而导致的成型精度的降低抑制于极低水平，如果使用本发明的有机硅模具，则能够由包含环氧树脂的固化性组合物稳定地制造高精度的光学元件。
然而现有技术中这些方法均不涉及成本合理的单晶硅材料模具，如何制备具有稳定性能的单晶硅材料模具从而显著降低光学器件的制备成本，如何解决通过硅材料模具实现高效高质量制备的难题成为显著需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种本发明涉及一种制备硅模具的方法，特别是涉及一种高温模压成型硅模具的方法。本发明将SiC母模具的面型结构向硅基体表面的成功转移，实现硅模具的高效率批量生产。
本发明提供一种制备硅模具的方法，包括:准备阶段，加热阶段，成型阶段和冷却阶段，其中在所述准备阶段，上下加热板分别放置于第一隔热板和第二隔热板表面，将碳化硅模具和硅基体放入加热炉，并分别放置于所述上下加热板表面，将加热炉抽成较高真空状态；在所述加热阶段，通过上下加热板分别对所述碳化硅模具和硅基体进行加热，直到所述上下加热板以及碳化硅模具和硅基体同时达到预定的热压温度；所述预定的热压温度一般在1200℃-1300℃范围；在所述成型阶段，驱动所述第一隔热板和第二隔热板的压型装置，使第一隔热板和第二隔热板之间的距离彼此接近，在所述预定的热压温度处，所述硅基体处于软化状态，随着所述碳化硅模具和硅基体距离的接近和逐渐接触，所述碳化硅模具作为母模具将其表面的形貌或微结构完整地转移到所述硅基体的表面，形成成型的硅模具；在所述冷却阶段，控制N2冷却气体的速率对成型后的所述硅模具进行冷却定型。
本发明提供的另一个方面的方法，其中所述较高真空状态为1-10Pa左右。
本发明提供的再一个方面的方法，其中所述预定的热压温度为1300℃，维持加热炉的炉门关闭并维持加热状态，直至所述加热炉内部达到温度均一的等温状态。
本发明提供的进一步一个方面的方法，其中所述母模具表面的形貌或微结构为微金字塔阵列结构、微透镜阵列结构或者微衍射阵列结构。
本发明提供的另一个方面的方法，其中所述控制N2冷却气体的速率为10L/min。
本发明提供的再一个方面的方法，其中所述碳化硅模具与所述成型的硅模具的形貌或微结构为一一对应。
本发明的方法打破了硅材料目前只能依赖材料去除方式加工的方法，既能保证硅模具的高质量制备，又可极大提高硅模具的制备效率以及批量生产的一致性。为高效高质量制备硅模具提供了一种可行的方案，为实现光学元件大批量、高精度、高效率生产创造了有利条件。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创新性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明制备硅模具的方法中准备阶段步骤示意图。
图2为本发明制备硅模具的方法中加热阶段步骤示意图。
图3为本发明制备硅模具的方法中成型阶段步骤示意图。
图4为本发明制备硅模具的方法中冷却阶段步骤示意图。
图5为本发明制备硅模具的方法一种实施方式的母模具形貌示例图。
图6为本发明的制备硅模具的方法制备的硅模具成品示例图。
具体实施方式
现结合相应的附图，对本发明的具体实施例进行描述。然而，本发明可以以多种不同的形式实施，而不应被解释为局限于此处展示的实施例。提供这些实施例只是为了本发明可以详尽和全面，从而可以将本发明的范围完全地描述给本领域的技术人员。附图中说明的实施例的详细描述中使用的措辞不应对本发明造成限制。
图1本发明制备硅模具的方法中准备阶段步骤示意图。上下加热板101分别放置于第一隔热板104和第二隔热板105表面，用于分别加热所述第一隔热板104和第二隔热板105上面的碳化硅模具103和硅基体102，所述硅基体为单晶硅。其中，碳化硅模具103和硅基体102位置可以互换。将碳化硅模具103和硅基体102放入加热炉，关闭炉门，启动真空装置，将加热炉抽成较高真空状态，一般为1-10Pa左右。
图2为本发明制备硅模具的方法中加热阶段步骤示意图。通过上下加热板101对碳化硅模具103和硅基体102进行加热，直到上下加热板101以及碳化硅模具103和硅基体102同时达到预定的热压温度，一般在1200℃-1300℃范围，在一个实施方式中，所述热压温度为1300℃，维持炉门关闭和加热状态，直至加热炉内部达到温度均一的等温状态。
图3为本发明制备硅模具的方法中成型阶段步骤示意图。利用驱动第一隔热板104和第二隔热板105的压型装置，使第一隔热板104和第二隔热板105之间的距离彼此接近，在预定的热压温度处，所述硅基体102处于软化状态，随着所述碳化硅模具103和硅基体102距离的接近和逐渐接触，母模具碳化硅模具103将其表面的形貌或微结构完整地转移到硅模具202的表面，在一个实施方式中，母模具碳化硅模具103的表面形貌或微结构为微金字塔阵列结构，所生成的硅基体102的结构为与之一一对应的微金字塔阵列结构，如图5所示，。
图4为本发明制备硅模具的方法中冷却阶段步骤示意图。可通过控制N2冷却气体的速率，在一个实施方式中，所述速率为10L/min，对成型后的工件进行冷却。当成型后的结构完全冷却定型，将硅模具202移开，取出成型后的硅基体102(即硅模具202)，则成功制备了高精度形貌的硅模具202。该类具有形貌特征的硅基体102一般用于成型光学材料，即硅基体102则可以视为是硅模具202。通过上述步骤，可批量生产出一致性极高的具有相关形貌特征的硅模具，从而实现硅模具的高效高质批量生产。硅材料在常温下属于难加工材料，材料硬度高、材质易脆，在较大剪切力或挤压力作用下，材料易发生崩边、裂纹等现象。而在高温状态下(超过1200℃)，其材料的力学性能发生较大变化，特别是其强度和硬度显著降低，抵抗变形能力削弱，而此时耐高温性能更强的碳化硅母模具能轻易将微结构特征挤压复印至硅基体表面，硅基体表面则获得高精度的微结构特征。图6为本发明的制备硅模具的方法制备的硅模具示例图。
采用本发明的制备硅模具的方法将模具表面的形貌复制到光学基体上的高效精密生产方法，具有净成形、精度高、低成本以及对环境友好无污染等优点。采用本发明的方法打破了硅材料目前只能依赖材料去除方式加工的方法，既能保证硅模具的高质量制备，又可极大提高硅模具的制备效率以及批量生产的一致性。本发明为高效高质量制备硅模具提供了一种可行的方案，为实现光学元件大批量、高精度、高效率生产创造了有利条件，利于促进光学器件制备领域的快速发展。
本文中所称的“一个实施例”、“实施例”或者“一个或者多个实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或者特性包括在本发明的至少一个实施例中。此外，请注意，这里“在一个实施例中”的词语例子不一定全指同一个实施例。
以上所述仅用于说明本发明的技术方案，任何本领域普通技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围应视权利要求范围为准。本发明已结合例子在上面进行了阐述。然而，在本发明公开范围以内的上述实施例以外的其它实施例也同样可行。本发明的不同的特点和步骤可以以不同于所描述的其它方法进行组合。本发明的范围仅受限于所附的权利要求书。更一般地，本领域普通技术人员可以轻易地理解此处描述的所有的参数，尺寸，材料和配置是为示范目的而实际的参数，尺寸，材料和/或配置将取决于特定应用或本发明教导所用于的应用。
Claims (6)
1.一种制备硅模具的方法，包括:
准备阶段，加热阶段，成型阶段和冷却阶段，其中
在所述准备阶段，上下加热板分别放置于第一隔热板和第二隔热板表面，将碳化硅模具和硅基体放入加热炉，并分别放置于所述上下加热板表面，将加热炉抽成较高真空状态；
在所述加热阶段，通过上下加热板分别对所述碳化硅模具和硅基体进行加热，直到所述上下加热板以及碳化硅模具和硅基体同时达到预定的热压温度；所述预定的热压温度一般在1200℃-1300℃范围；
在所述成型阶段，驱动所述第一隔热板和第二隔热板的压型装置，使第一隔热板和第二隔热板之间的距离彼此接近，在所述预定的热压温度处，所述硅基体处于软化状态，随着所述碳化硅模具和硅基体距离的接近和逐渐接触，所述碳化硅模具作为母模具将其表面的形貌或微结构完整地转移到所述硅基体的表面，形成成型的硅模具；
在所述冷却阶段，控制N2冷却气体的速率对成型后的所述硅模具进行冷却定型。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述较高真空状态为1-10Pa左右。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述预定的热压温度为1300℃，维持加热炉的炉门关闭并维持加热状态，直至所述加热炉内部达到温度均一的等温状态。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述母模具表面的形貌或微结构为微金字塔阵列结构、微透镜阵列结构或者微衍射阵列结构。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述控制N2冷却气体的速率为10L/min。
6.如权利要求1-5所述的方法，其中所述碳化硅模具与所述成型的硅模具的形貌或微结构为一一对应。
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