摘要：【文章导读】微纳结构器件在光学工程，生物医学工程等领域发挥着重要的作用，精密成形（PGM，precision glass molding）技术是制造微纳结构玻璃器件的最有效的方法，这个技术是指在高温下施加一定的压力将模具表面的微结构/微透镜...
【文章导读】
微纳结构器件在光学工程，生物医学工程等领域发挥着重要的作用，精密成形（PGM，precision glass molding）技术是制造微纳结构玻璃器件的最有效的方法，这个技术是指在高温下施加一定的压力将模具表面的微结构/微透镜阵列与光滑曲面形状复制到受热软化的玻璃表面，经过退火冷却固化，在光学玻璃材料表面加工出对应的光学结构。这种方法可以实现复杂形状光学结构的制造，具有成形精度高，效率高，一致性以及加工成本低等特点，适合大批量的生产制造，是光学微纳阵列低成本批量制造的理想方法。今天给大家介绍一篇来自北京理工大学先进加工研究所的周天丰教授的工作，近期该课题组在期刊（International Journal of Extreme Manufacturing， IJEM）上发表《用于精密玻璃成形的微纳结构模具制造技术综述》，作者全面地总结了用于模具制造的模具材料的极端要求、非机械和机械法制造微纳米结构的技术原理、适应材料、技术特征及应用范围。此外，作者对镍化磷（Ni-P）微纳结构模具服役性能进行了进一步讨论。最后，作者对于未来微纳结构模具的特征及制造技术做了进一步的展望。
【研究背景】
由于在疏水性、减摩、光学反射和衍射等方面具有重要功能，微纳结构被广泛应用于光学成像和传感、生物医学等领域。常用的微纳阵列包括透镜阵列、柱状阵列、凹槽阵列和金字塔阵列，如图1所示。微纳结构玻璃器件具有小型化、集成化、轻量化等优势，被广泛用于微系统，这些微系统的规模缩小和性能提升很大程度上取决于微纳结构玻璃器件的质量，这需要克服制造具有极小尺寸和高质量特征的微纳结构的挑战。微纳结构玻璃器件的超精密制造技术具有广阔的应用前景和小规模、高质量的极端特点，已成为许多国家的发展战略方向。
图1 典型的微纳结构：（a） 微透镜阵列、（b） 沟槽、（c） 柱面镜阵列、（d） 金字塔阵列。
微纳结构是通过某些方法在表面上生成的一系列微纳米尺度的几何单元。目前各种各样的微纳结构制造技术旨在提高在尺寸、精度、一致性和效率方面的极端制造能力。玻璃模压成形技术具有成形精度高、效率高、一致性好、加工成本低等优点，适合微纳结构阵列的批量生产。由于微纳结构完全从模具表面复制而来，因此在模具上精确制造具有小尺寸、高质量等极端特征的微纳米结构是玻璃模压成形技术的前提。最近，机械和非机械方法在微纳结构加工方面得到迅速发展，不断地突破极小尺寸、极高质量微纳结构制造的极限。
图2 （a）模压成形装备PFLF7-60A照片及 （b） 模压成形过程示意图。
【最新的研究进展】
作者在这篇文章中主要阐述了微纳结构模具制造技术的最新进展主要包含：新型模具材料开发、非机械制造方法、机械制造方法、模具服役性能。在每个部分中，作者依次讨论了其技术原理、分类和最新进展。除此之外特别讨论了各种技术加工的典型微纳结构以及制造能力和范围，在这里主要讲下关于非机械方法制作微纳结构模具以及机械方法制造微纳模具。
非机械方法制造微纳结构模具：非机械方法制造微纳结构主要是指利用化学、飞秒激光及微电火花等刻蚀技术在模具表面去除材料形成微纳单元阵列。图3展示了单点车削与离子束（IBE）刻蚀相结合制备的6H-SiC微透镜模具。图4为利用化学腐蚀辅助飞秒激光在硅表面制备的纳米线结构。
图3 微切削-离子束刻蚀微透镜阵列模具。（a） 微透镜阵列；（b） IBE刻蚀后的微透镜形貌。
图4 化学腐蚀辅助飞秒激光制备的纳米线。
机械方法制造微纳结构模具：非机械加工能够实现具有特定性能材料表面的微纳尺度的结构加工，但很难对微纳结构的几何形貌进行变化和控制。相反，机械加工的方法能够适应更多种类的材料，并且能够实现更高质量的微纳结构加工和形貌灵活控制。机械方法加工微纳结构主要有：慢刀伺服（STS）、快刀伺服（FTS）、微纳铣削、飞切加工、微磨削和超精密研磨技术。图5展示了一种将超声振动、进给运动和旋转运动相结合的旋转超声振动（RUT）加工技术以及制造的微纳结构。
图6 （a） 旋转超声加工技术及 （b） 在表面生成的微纳结构。
【未来展望】
国务院发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）中 明确指出，” 五、前沿技术（12）极端制造技术：极端制造是指在极端条件或环境下，制造极端尺度（特大或特小尺度）或极高功能的器件和功能系统。重点研究微纳机电系统、微纳制造、超精密制造和强场制造相关的设计、 制造工艺和检测技术。” 微纳光学制造行业属于国家重点支持发展的行业。针对具有极小尺寸和高质量的极端特性微纳结构的制造仍将是研究的重点。此外，将蚀刻等非机械方法与微纳切削相结合的复合技术将受到产业界以及学术界更多关注。
