擴散連接制備微流道化學機械系統研究

趙 科，李京龍，熊江濤，張賦升，孫 福

(1.西北工業大學 凝固技術國家重點實驗室，陜西 西安 710072；2.西北工業大學 陜西省摩擦焊接重點實驗室，陜西 西安 710072)

焊接設備

擴散連接制備微流道化學機械系統研究

趙 科1，2，李京龍1，2，熊江濤1，2，張賦升2，孫 福1，2

(1.西北工業大學 凝固技術國家重點實驗室，陜西 西安 710072；2.西北工業大學 陜西省摩擦焊接重點實驗室，陜西 西安 710072)

在采用擴散連接的方法制備具有微型流道結構的化學機械系統時，流道部分因焊接壓力無法直接傳遞，往往形成未焊合造成泄漏。采用一個簡單的線性彈性模型對不同寬度和厚度的流道處的接觸壓力進行了有限元模擬，并結合流道處的金相照片對其連接狀態進行分析。結果表明：要實現層板間的有效連接，層板間各處的接觸壓力應不小于1 MPa；流道所允許的寬度是有限的，并且隨著流道厚度的增加而增加。

微化學機械系統(MCMS)；擴散連接；微通道

0 前言

微化學機械系統集微機電系統的設計思想和化學化工基本原理于一體，移植了集成電路和微加工制造技術等多種高新科學技術，是現代化工機械技術一個極其重要的發展方向，具有效率高、體積小等許多獨特優點，近年來引起了眾多科學工作者的關注[1-3]。目前微化學系統一般采用多層槽板重疊布置，運用擴散連接來實現層板間的連接[4-7]。但很少有擴散連接條件下流道區域層板間的壓力分布狀態的研究。流道橫截面示意如圖1所示，由于內部流道結構的存在，使得實體表面施加的均勻壓力無法一致地傳遞到流道部分。這些焊接壓力無法傳遞的區域易發生未焊合，從而導致泄漏或串腔等缺陷的產生。

本研究采用AISI304不銹鋼(0Cr18Ni9Ti)薄板做造型，結合ABAQUS有限元模擬和實驗，對不同厚度和寬度條件下的流道壓力分布狀態進行分析，從而為流道幾何尺寸的設計和擴散連接工藝的選取提供參考。

1 實驗方法和步驟

在薄板上蝕刻不同寬度和厚度的流道，對其進行擴散連接。在連接前將薄板放入酒精中進行超聲波清洗3 min，冷風吹干備用。焊接工藝為：焊接壓力9 MPa，焊接溫度900℃，保溫時間2 h。焊后對試樣進行磨制和拋光，利用光學顯微鏡觀察其連接界面，并結合有限元的計算結果進行分析。

2 有限元模型

為了便于得到更好的實驗驗證，對模型進行了簡化，如圖1所示。假設圖1中上下表面所受的壓力為施加的焊接壓力。由于在擴散連接過程中，溫度和壓力是恒定的，因此采用一個簡單的線性二維模型，模型中的材料屬性為304不銹鋼，在焊接溫度900℃時的彈性模量E＝125 000 MPa和泊松比μ＝0.23。在模型中，焊接壓力施加在放置于實體上下表面的兩個離散剛體板上。根據接觸狀態將接觸屬性分為兩種：剛體與金屬薄板間的無摩擦接觸和金屬層板間的摩擦接觸。為了防止模型的不收斂性，載荷被分為兩個分析步：

圖1 流道橫截面示意

(1)在分析步1中給底部的剛體設定一個位移邊界條件，使其在Y方向固定不動。并對頂層離散剛體板加一個位移載荷，向下移動很小的位移(1×10-9)，將各個接觸關系平穩地建立起來。

(2)在分析步2中，取消位移載荷，換成9 MPa的壓力載荷。

該模型中所有金屬層板的網格單元都是四節點四邊形雙線性平面應力減縮積分單元，剛體板采用二維剛體單元。

3 實驗結果和分析

對流道厚度為0.15 mm、0.3 mm和0.5 mm，寬度k＝0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm、0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm的薄板進行了擴散連接實驗。由于層板間壓力分布不均，造成層板間局部區域連接質量較差。因此，重點關注流道區域的壓力分布狀態和連接狀態。圖2為不同流道中心區域的金相照片，由圖2a、圖2c可知，當流道厚度h＝0.15 mm，寬度k＝0.2 mm(見圖2a)和厚度h＝0.5 mm，寬度k＝0.5 mm (見圖2c)時，流道中心區域連接良好，但當流道寬度增大到一定值時，0.15 mm和0.5 mm厚的流道中心區域都發生了明顯的未焊合，如圖2b、2d所示。

通過有限元軟件對上述流道處的壓力分部狀態進行了相應的模擬計算。圖3為流道厚h＝0.5 mm，寬度k＝0.8 mm的流道的S22應力云圖，可以看出流道中心區域層板間的應力S22(接觸壓強)明顯小于兩側。為了更好地對比分析模擬結果和實驗結果，表1列出了有限元的分析結果和相應的實驗結果。表1中臨界應力為流道中心單元節點的應力值(S22)，即為兩層板間的接觸壓力。焊合狀態是指流道中心區域的焊接狀態。由表1可知，流道厚度一定時，流道寬度越大，中心處的應力S22越小，并當寬度增大到一定值后中心處便發生明顯的未焊合。如6#、9#和10#流道中心區域的應力S22分別為0.92 MPa、0.89 MPa、0.23 MPa，實驗結果顯示流道中心區域未焊合。其他流道連接良好，其中3#流道中心處的應力S22最小，其值為1.05 MPa。通過對比分析以上理論分析和實驗結果可知，當模擬計算的臨界應力S22降到1 MPa時，未焊合便可能發生。因此，只要層板間各處的接觸壓力大于1 MPa，就不會產生因未焊合而導致的泄漏缺陷。反之當流道寬度相比于它的厚度足夠寬時，中心處的接觸壓力減小甚至為零，此時無論施加多大的壓力，中心區域都無法焊合。

4 結論

(1)本研究所采用的簡單塑性模型基本可以實現對擴散連接過程中層板間接觸壓力的預測。

(2)用擴散焊制備具有微通道的化學機械系統時，當層板厚度一定時，需限制流道的寬度才能實現良好連接。

(3)當擴散連接條件一定時，所允許的流道寬度與流道厚度有關，隨著流道厚度的增加，允許的流道寬度也隨之增加，并且通過有限元模擬計算表明中心處的壓力大于1 MPa時，可實現層板間的有效連接。

圖2 不同流道中心區域的金相照片

圖3 流道區域的應力(S22)云圖

表1 模擬結果與實驗結果對比

[1]涂善東，周幗彥，于新海.化學機械系統的微小化與節能[J].化工進展，2007，26(2)：253-261.

[2] Schubert K，Brandner J，Fichtner M，et al.Microstructure devices for applications in thermal andchemical process engineering[J].Microscale Thermophysical Engineering，2001，5(1)：17-39.

[3] Lacaze J，Tierce S，Lafont M-C，et al.Study of the microstructure resulting from brazed aluminium materials used in heat exchangers[J].Materials Science and Engineering A，2005 (413-414)：317-321.

[4]熊江濤，李京龍，楊思乾，等.TA3多層板及TA3+TC4真空擴散焊[J].航天制造技術，2002(4)：10-13.

[5]張賦升，孫 福，王艷芳，等.用擴散焊進行多層不銹鋼打印噴頭的實體制造[J].熱加工工藝，2006，35(7)：26-28.

[6]彭成章，陳安華，王文明.分層實體制造中金屬層片連接的擴散焊接工藝[J].礦冶工程，2005，25(4)：86-88.

[7]易樹平，哈 津，林紅利，等.分層實體制造中金屬分層板結合的新方法[J].重慶大學學報，2002，25(2)：1-4.

Micro-chemo-mechanical system with micro channel manufactured by diffusion bonding

ZHAO Ke1，2，LI Jing-long1，2，XIONG Jiang-tao1，2，ZHANG Fu-sheng2，SUN Fu1，2
(1.State Key Laboratory of Solidification Processing，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China；2.Shaanxi Key Laboratory of Friction Welding Technologies，Northwestern Polytechnic University，Xi'an 710072，China)

Diffusion bonding is used for micro-chemo-mechanical system with microchannel，the regions of microchannel do not directly transmit pressure，and result in leakage.A simple linear elastic model is used to calculate the stress between the lamina which has different span and thickness，and analyse combined appearance of microstructure.The results show when the lamina is bonded together，the stress should be more than 1MPa.The width of microchannel is limited，and which increased，when the thickness increased.Key words：micro-chemo-mechanical system(MCMS)；diffusion bonding；micro channel

TG453.9

A

1001-2303(2012)07-0022-03

2012-03-21

西北工業大學凝固國家重點實驗室資助項目(43-QP-2009，31-TP-2009)

趙 科(1987—)，男，陜西咸陽人，在讀碩士，主要從事先進連接技術的研究。