Литье керамики под давлением, используемое для производства микрофлюидных чипов.

May 22, 2024

17 октября 2022 г.

Поделитесь в своей сети:

Микрофлюидные устройства вызвали огромный интерес как в академических, так и в промышленных исследованиях благодаря таким ключевым преимуществам, как быстрое время отклика и низкие аналитические затраты. В производстве микрофлюидных чипов первого поколения использовался кремний, но на сегодняшний день используются многочисленные материалы (например, кварц/плавленый кварц, стекло, керамика, полимеры и металлы) в зависимости от разнообразных функциональных возможностей различных микрофлюидных устройств.

В настоящее время некоторые микрофлюидные приложения интегрированы с инфракрасной (ИК) спектроскопией, которая используется для измерения частоты колебаний связи в молекуле и определения функциональной группы. Однако большинство полимерных и стеклянных подложек, используемых в микрофлюидных чипах, не прозрачны в средней инфракрасной области, а обычные ИК-совместимые материалы дороги и сложны для микропроизводства. Прозрачная поликристаллическая керамика может решить проблемы прозрачности и потенциально может использоваться в приложениях микрофлюидики в сочетании с FTIR-анализом, при условии, что необходимые микроструктуры могут быть изготовлены на керамических подложках по низкой цене.

Совместная исследовательская программа Сингапурского института производственных технологий (SIMTech), Школы машиностроения и аэрокосмической техники, Наньянского технологического университета (NTU) и Института химических и инженерных наук (ICES), базирующихся в Сингапуре, показала, что керамика Литье под давлением может успешно использоваться для производства высокопроизводительных ИК-прозрачных керамических микрочипов чистой или близкой к ней формы с небольшими сложными микроструктурами размером до 100 мкм при относительно низкой стоимости. Результаты исследования, описывающего возможность производства ИК-прозрачных керамических микрофлюидных чипов с желаемыми профилями характеристик, микроструктурами и оптическими свойствами с помощью PIM, были опубликованы в виде краткого сообщения Тао Ли и др. в журнале Research & Development in Materials Science, 7 июля 2021 г., 1707-1712 гг.

Авторы сообщения сообщили, что порошок иттрия (Y2O3) высокой чистоты со средним размером частиц 0,25 мкм подвергался распылительной сушке с получением сферических частиц размером 30–50 мкм. 5 мол.% порошка 3Y-циркония добавляли к партиям порошка иттрия посредством шаровой мельницы, чтобы снизить температуру спекания и дополнительно улучшить прозрачность. Затем к этой смеси добавляли разработанную собственными силами связующую систему на основе парафина (PW), полипропилена (PP) и стеариновой кислоты (SA) для получения сырья CIM.

После оптимизации параметров литья под давлением были изготовлены круглые диски размером 20 х 2 мм и квадратные микрофлюидные чипы 25 х 25 х 2,5 мм с микроканалами шириной 200 мкм и глубиной 100 мкм, как показано на рис. 1. Удаление связующих растворителем осуществлялось. используется для удаления большей части связующих PW и SA с отформованных неспеченных деталей. Оставшееся связующее удалялось в ходе многоступенчатого процесса термического удаления связующего, при котором детали нагревались в инертной атмосфере и со строго контролируемым профилем нагрева. После термического удаления связующих коричневые детали переносили в высоковакуумную печь для спекания при температуре 1770°C и разном времени выдержки.

Как упоминалось ранее, добавление диоксида циркония играет важную роль в производстве прозрачного иттрия. Диски PIM с диоксидом циркония и без него, спеченные при 1750°C, показаны на рис. 2, и ясно, что спеченный образец без добавления диоксида циркония (рис. 2а) все еще непрозрачен, в то время как определенная прозрачность была достигнута с добавлением диоксида циркония (рис. 2б).

Полировка образца диска из иттрия, содержащего диоксид циркония, дает еще лучшую прозрачность по сравнению с спеченной деталью (рис. 3). Светопропускание полированных PIM-дисков также увеличивается примерно на 10–20% по сравнению с неполированными образцами. Исследователи заявили, что это связано с тем, что на полированной поверхности рассеивается меньше света по сравнению с неполированной поверхностью. Для деталей после полировки коэффициент пропускания составляет около 50—70 % в видимом диапазоне света (400—800 нм). Коэффициенты пропускания увеличиваются от коротковолнового диапазона к длинноволновому, и образец имеет коэффициент пропускания 70–74% в инфракрасном диапазоне. По сравнению с монокристаллом иттрия, коэффициент пропускания которого составляет около 80% в том же диапазоне длин волн, в поликристаллической керамике, полученной методом литья под давлением, можно достичь коэффициента пропускания 90%.