硅模具的高温模压成型装置

1.本发明属于精密模压成型技术领域，涉及一种制备硅模具的装置，特别是涉及一种在高温环境下制备用于光学器件生产的硅模具的装置。


背景技术：

2.近年来，各类微结构阵列光学玻璃元件在消费电子、医疗设施、军用武器等领域应用广泛。精密模压成型技术以其高精度、高效率和低成本等优势一直是光学元件批量制造的主要方式。然而，微结构阵列的模具制备难一直制约着精密模压成型技术在微结构阵列光学元件领域制备的广泛应用。传统的硅模具制备常采用机械去除方法，如微磨、微铣、精密车削对其进行特征加工，在加工单一形貌的工件时，一般通过优化工艺参数，如减小切削深度和提升磨削的线速度等，能获得较高形貌精度和表面质量。
3.然而，在硅模具上加工微结构阵列特征时，上述去除材料的方法存在以下技术问题：(1)加工大面积微结构阵列时，刀具的轻微磨损将会严重影响整体阵列的形貌精度及其一致性，还会对加工表面质量产生不利影响；(2)工具结构尺寸微型化有限(如单点金刚石刀具鼻尖半径最小约为5μm)，将限制能加工的微结构尺寸，且微型化工具的耐用性和可靠性有待提高；(3)单个结构机械去除的方式加工效率极低，模具生产成本高，难以满足工业界对模具生产效率和成本的需求。
4.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。
5.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。
6.然而现有技术中这些方法采用的设备均不涉及制备单晶硅材料模具的设备，也无法实现硅模具批量生产的高温模压成型，对硅模具制备效率，降低生产成本的需求非常显著。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种制备硅模具的装置，特别是涉及一种在高温环境下制备用于光学器件生产的硅模具的装置。
8.本发明提供一种制备硅模具的装置，包括：模压成型炉；上加热组件、下加热组件；压力加载机构；力传感器和真空系统，其中，所述模型成型炉具有温度控制器和功率加热控制器，其中所述温度控制器通过红外温度测量仪分别感知放置在所述上加热组件下方的母模具和放置在所述下加热组件上方的硅模具的温度，进而感知模压成型炉内部的温度变化；在温度维持在室温和低于1300摄氏度左右之间时通过功率加热控制器对所述上加热组件和下加热组件进行加热；并在温度超过1300摄氏度左右以后，停止加热；所述母模具和所述硅模具保持温度一致，通过母模具在所述硅模具表面形成满足工艺需要的图案；
9.所述上加热组件和所述下加热组件分别由电阻丝和陶瓷板构成，所述电阻丝和所述陶瓷板采用交叉排布的方式；
10.所述压力加载机构通过力传感器控制所述上加热组件和所述下加热组件上下移动，当压力未达到500n时，压力加载机构增加压力，所述上加热组件向下移动，当压力达到500n左右时，压力加载机构减小压力，带动所述上加热组件向上移动；
11.所述真空系统包括真空表，真空泵，通过所述真空泵对所述模具成型炉抽真空，所述真空表测量所述模具成型炉内的真空程度，并在所述模具成型炉内形成低真空状态时进行模压。
12.本发明提供的另一个方面的装置，还包括：循环水冷装置，所述循环水冷装置位于所述模压成型炉外侧，并与所述模压成型炉相连通，用于降低所述模压成型炉外侧的温度。
13.本发明提供的再一个方面的装置，还包括：控制系统，其中所述红外温度测量仪在线测量模具和基体的温度，并实时反馈给控制系统，控制系统采用比例-积分-微分控制(proportional-integral-derivative control,pid控制)策略，实现对温度的精密控制。
14.本发明提供的再一个方面的装置，其中所述电阻丝为铁铬铝合金；所述陶瓷板为超高温陶瓷板；所述电阻丝和所述陶瓷板的交叉排布为蛇形交叉排布，使加热路径布满所述上加热组件和所述下加热组件的整个加热区域。
15.本发明提供的再一个方面的装置，其中所述温度控制器为ej1型的温控器，并且所述力传感器为swo-2k型号传感器。
16.本发明提供的再一个方面的装置，其中所述真空系统还包括氮气输入装置，用于在硅模具成型后的冷却阶段，向所述模型成型炉内通入氮气。
17.本发明旨在提供一种硅模具批量生产的高温模压成型装置。该装置可将硅基体快速升温至1300℃，再利用压力加载机构将sic母模具上的形貌结构一次性转移到硅基体上，实现硅材料模具的高效高质量生产。一次性净面型成型工艺在硅材料领域的应用极大提高了硅模具制备效率，降低了生产成本。
附图说明
18.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。
19.图1为本发明的制备硅模具的装置的结构图。
20.图2为本发明的制备硅模具的装置中上下加热组件截面图。
具体实施方式
21.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。
22.图1为本发明的制备硅模具的装置的结构图。本发明的制备硅模具的装置包括模压成型炉110(加热炉)；上下加热组件102、105；压力加载机构107；力传感器108；真空系统；所述真空系统包括真空表109，真空泵112和氮气输入装置114；和循环水冷装置101。其中，母模具103放置于上加热组件102的下方，并能跟随上加热组件102的上下移动而移动。待加工的硅模具104一般由单晶硅制备，放置在下加热组件105的上表面，在一般的实施方式制备过程中保持不动。在母模具103随着上加热组件102逐渐下降的过程中，与下加热组件105上方的硅模具104相接触，并在硅模具104表面形成满足工艺需要的图案。
23.模压成型炉110具有温度控制器113，和功率加热控制器106，其中所述温度控制器装置113可采用ej1型的温控器，通过红外温度测量仪111分别感知母模具103和硅模具104的温度，所述温度控制器装置113能够用于感知模压成型炉110内部的温度变化，并在温度未达到一定高度的时候(例如：26～1300摄氏度的范围)，通过功率加热控制器106对所述上下加热组件102和105进行加热；并在温度达到一定高度的时候，(例如:1300摄氏度左右)，控制所述功率加热控制器106，使之停止对所述上下加热组件102和105的加热；由于通过统一的功率加热控制器106对所述上加热组件102和所述下加热组件105进行加热，母模具103和所述硅模具104一般情况下温度保持一致；在模压开始前，通过真空泵112控制向所述模压成型炉110内，抽出炉内的空气；通过真空表109测量所述模具成型炉110内的真空程度，一般炉内真空度需达到低真空状态(《0.1pa)；以便提高硅模具104的微结构填充率，以及防止炉内零件发生高温氧化。硅模具成型后，即在冷却阶段时，需要通过氮气输入装置114向炉内通入氮气；对炉内的硅模具实施对流冷却，冷却速度由氮气的流量决定，这里氮气的充入流量一般选用5l/min，此时的硅模具冷却速度可达5℃/s。
24.本发明所述的上加热组件102通过力传感器108，由压力加载机构107控制其上下移动。在压力未达到500n时，压力加载机构107增加压力，上加热组件102向下移动；当压力达到500n左右，表示模压完成，压力加载机构107减小压力，带动上加热组件102向上移动。所述模压成型炉110与循环水冷装置101连通，通过冷却水降低所述模压成型炉110内的温度，从而较易取出所述硅模具104的成品。
25.本发明的制备硅模具的装置中采用陶瓷材料制备所述上加热组件102和所述下加热组件106；所述母模具103一般通过碳化硅材料制备，材质比所述硅模具104略硬；所述功率加热控制器106采用用可控硅式的控制器，加热温度范围为26-1500摄氏度。本发明中的力传感器108可采用swo-2k型号的传感器。所述硅模具104为单晶硅。成品的精度为亚微米级。
26.本发明制备硅模具的装置采用双红外测温仪在线测量模具和基体的温度，并实时
反馈给控制系统，控制系统采用比例-积分-微分控制(proportional-integral-derivative control,pid控制)策略，实现对温度的精密控制。维持所述模压成型炉中的低真空有利于保护硅模具和被制备的光学器件，低真空代表炉内氧含量少，从而高温下零件不易被氧化；如果在正常空气下，氧含量高，材料在高温下很容易氧化。所述真空泵112对所述模压成型炉110抽真空，炉内真空度低于0.1pa，能有效防止内部的高温氧化。循环水冷装置用于降低高温成型装置外侧温度，将温度保持在30℃以内，从而有效保证设备及操作人员的安全。
27.图2为本发明的制备硅模具的装置中上下加热组件截面图。在所述上下加热组件102和105中，电阻丝201和陶瓷板202采用交叉排布的方式，在一个实施方式中，采用蛇形交叉排布；所述电阻丝201可采用铁铬铝合金，所述陶瓷板为超高温陶瓷板，采用铁铬铝合金和超高温陶瓷板交叉排布的优点在于能够使加热均匀；在使用一根加热管的情况下，蛇形交叉排布的方式能够使加热路径布满整个加热区域，加热板温度场更加均匀；通过了有限元分析得出的采用蛇形布置的方式具有更均匀加热板温度场的结论，温度场梯度在5℃以下；传统的加热板一般采用直管平行排列，这类加热板温度场的均匀性不高，温度梯度达10-20℃；此外，相对于传统金属加热板，超高温陶瓷板能耐1500℃高温，这是实现硅模具模压成型的关键元件。
28.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。
29.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。