光学精密工程 | 用于玻璃热压印的高温快速均匀加热模块

▍作者：杨高（深圳大学）

《光学精密工程》2023年第15期封面

▍导读

微透镜阵列、菲涅尔透镜、光栅、衍射光学元件等微光学元件具有微型化、集成化、高精度、高灵敏度、低能耗等优点，为先进光学系统设计带来了新的发展方向和机遇，因而在航空航天、国防安全、绿色能源、空间感测、激光辐射、光纤通信、生物医疗及消费电子等领域的需求量日益增大。

热压印技术是实现高性能玻璃微光学元件低成本绿色制造的有效途径。然而，由于加热冷却周期较长，温度均匀性不高，其制造效率和成型质量被限制。因此，深圳大学龚峰教授团队联合香港理工大学超精密加工技术国家重点实验室研发了一种基于氮化硅陶瓷加热片的高温快速均匀加热模块，并在《光学 精密工程》（EI、Scopus，中文核心期刊，《仪器仪表领域高质量科技期刊分级目录》和《光学和光学工程领域高质量科技期刊分级目录》“T1级”期刊）上发表了题为“用于玻璃热压印的高温快速均匀加热模块的制造及优化”的封面文章。

该模块最高温度可达1 000 ℃，加热速率为363 ℃/min，中心区域温差2℃。如图1所示，将此加热模块安装在热压印设备上，可以用于成型高质量玻璃微纳结构。

图1：搭载有高性能加热模块的热压印装备及成型的玻璃微结构阵列

▍高性能加热模块研制

由于加热冷却周期较长，温度均匀性不高，热压印制造效率和成型质量被限制。近年来，研究人员一方面尝试了多种加热方法来提高热压印效率，如石墨烯-聚合物复合气体辅助加热、感应加热、激光辐照加热、红外加热等；另一方面，通过优化不同位置加热元件的热流密度来提高表面温度分布的均匀性。然而，实现低能耗、高温和高效加热仍然是一个挑战。本研究团队研制了基于氮化硅陶瓷加热片的高温快速均匀加热模块，有望解决这一难题。

首先，基于氮化硅陶瓷加热片设计制造了图2(a)和2(b)所示的加热模块。然后，搭建加热测试平台，实现加热模块表面温度分布的实时监测；接着，开展恒电压加热重复性测试，如图2(c)所示，评估实验结果的可靠性。随后，建立和修正加热模块恒电压加热有限元仿真模型，并结合有限元仿真模型和正交试验法对加热模块结构进行优化，以提高加热速率和温度均匀性。图2(d)所示为恒定220 V电压下加热180 s时匀热块的表面温度分布云图。

图2：加热模块：（a）三维设计图，（b）实物图，（c）1000℃控温加热测试图，（d）恒电压加热180 s时匀热块上的表面温度分布

▍热压印测试

针对优化设计与制造的快速加热模块，开发了精密温控系统，控温加热700 ℃时，实测温度与设定温度基本一致，且温度波动在0.3℃以内。尤其，匀热块中心20 mm×30 mm区域温差在2 ℃左右，能很好满足玻璃热压印的成形需求。

将加热模块安装在图3所示的热压印装置中。该装置由精密加载模块、快速加热模块和多轴运动平台组成。其中，精密加载模块实现压印力的精确调整；加热模块实现快速均匀加热；多轴运动平台实现玻璃坯料的精确定位。在快速加热模块与多轴运动平台间放置云母板，大幅度减少热量向运动平台传递，以保证设备正常运行。

图3：热压印装置

为防止零部件的高温氧化，将热压印装置放置于密封的手套箱内，并提供氩气氛围。通过优化热压印工艺参数，将碳化硅模具表面的微结构高效精确地复制到N-BK7玻璃表面。图4(a)~4(c)比较了碳化硅微沟槽阵列模具和玻璃光栅元件的表面形貌。模具微沟槽的深度为4.745 μm±3.3 nm，玻璃表面微沟槽的高度为4.744 μm±1.3 nm，特征复制率达99.9 %。图4（d）~4（f）展示了碳化硅微孔阵列模具和玻璃微柱阵列的表面形貌。模具微孔的深度为4.686 μm±1.8 nm，玻璃表面微柱的高度为4.675 μm±9.1 nm，特征复制率达99.8 %。

图4：碳化硅和玻璃微沟槽和微孔阵列表面形貌

▍前景展望

本研究开发的高温快速均匀加热模块有效解决了玻璃热压印加热/冷却周期长且温度分布不均匀的问题，提高了制造效率和成型质量。因此，搭载有高性能加热模块的热压印设备可以实现大面积跨尺度复杂玻璃微纳结构的高效低成本制造，具有较高的产业化应用潜力。

▍论文信息

王鑫, 龚峰, 张志辉, 杨高. 用于玻璃热压印的高温快速均匀加热模块的制造及优化[J]. 光学 精密工程, 2023, 31(15): 2203. 

Xin WANG, Feng GONG, Chifai CHEUNG, Gao YANG. Fabrication and optimization of high-temperature uniform rapid heating module for glass hot embossing[J]. Optics and Precision Engineering, 2023, 31(15): 2203. DOI：10.37188/OPE.20233115.2203

https://ope.lightpublishing.cn/zh/article/doi/10.37188/OPE.20233115.2203/

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