擴(kuò)散連接制備微流道化學(xué)機(jī)械系統(tǒng)研究

趙 科，李京龍，熊江濤，張賦升，孫 福

(1.西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072；2.西北工業(yè)大學(xué) 陜西省摩擦焊接重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072)

焊接設(shè)備

擴(kuò)散連接制備微流道化學(xué)機(jī)械系統(tǒng)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(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072；2.西北工業(yè)大學(xué) 陜西省摩擦焊接重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072)

在采用擴(kuò)散連接的方法制備具有微型流道結(jié)構(gòu)的化學(xué)機(jī)械系統(tǒng)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(jìn)行了有限元模擬，并結(jié)合流道處的金相照片對其連接狀態(tài)進(jìn)行分析。結(jié)果表明：要實(shí)現(xiàn)層板間的有效連接，層板間各處的接觸壓力應(yīng)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(xué)機(jī)械系統(tǒng)(MCMS)；擴(kuò)散連接；微通道

0 前言

微化學(xué)機(jī)械系統(tǒng)集微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計思想和化學(xué)化工基本原理于一體，移植了集成電路和微加工制造技術(shù)等多種高新科學(xué)技術(shù)，是現(xiàn)代化工機(jī)械技術(shù)一個極其重要的發(fā)展方向，具有效率高、體積小等許多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，近年來引起了眾多科學(xué)工作者的關(guān)注[1-3]。目前微化學(xué)系統(tǒng)一般采用多層槽板重疊布置，運(yùn)用擴(kuò)散連接來實(shí)現(xiàn)層板間的連接[4-7]。但很少有擴(kuò)散連接條件下流道區(qū)域?qū)影彘g的壓力分布狀態(tài)的研究。流道橫截面示意如圖1所示，由于內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)的存在，使得實(shí)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(qū)域易發(fā)生未焊合，從而導(dǎo)致泄漏或串腔等缺陷的產(chǎn)生。

本研究采用AISI304不銹鋼(0Cr18Ni9Ti)薄板做造型，結(jié)合ABAQUS有限元模擬和實(shí)驗(yàn)，對不同厚度和寬度條件下的流道壓力分布狀態(tài)進(jìn)行分析，從而為流道幾何尺寸的設(shè)計和擴(kuò)散連接工藝的選取提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法和步驟

在薄板上蝕刻不同寬度和厚度的流道，對其進(jìn)行擴(kuò)散連接。在連接前將薄板放入酒精中進(jìn)行超聲波清洗3 min，冷風(fēng)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(jìn)行磨制和拋光，利用光學(xué)顯微鏡觀察其連接界面，并結(jié)合有限元的計算結(jié)果進(jìn)行分析。

2 有限元模型

為了便于得到更好的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對模型進(jìn)行了簡化，如圖1所示。假設(shè)圖1中上下表面所受的壓力為施加的焊接壓力。由于在擴(kuò)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(shí)體上下表面的兩個離散剛體板上。根據(jù)接觸狀態(tài)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(shè)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(guān)系平穩(wěn)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(wǎng)格單元都是四節(jié)點(diǎn)四邊形雙線性平面應(yīng)力減縮積分單元，剛體板采用二維剛體單元。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jìn)行了擴(kuò)散連接實(shí)驗(yàn)。由于層板間壓力分布不均，造成層板間局部區(qū)域連接質(zhì)量較差。因此，重點(diǎn)關(guān)注流道區(qū)域的壓力分布狀態(tài)和連接狀態(tài)。圖2為不同流道中心區(qū)域的金相照片，由圖2a、圖2c可知，當(dāng)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(qū)域連接良好，但當(dāng)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(qū)域都發(fā)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(tài)進(jìn)行了相應(yīng)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(yīng)力云圖，可以看出流道中心區(qū)域?qū)影彘g的應(yīng)力S22(接觸壓強(qiáng))明顯小于兩側(cè)。為了更好地對比分析模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表1列出了有限元的分析結(jié)果和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。表1中臨界應(yīng)力為流道中心單元節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值(S22)，即為兩層板間的接觸壓力。焊合狀態(tài)是指流道中心區(qū)域的焊接狀態(tài)。由表1可知，流道厚度一定時，流道寬度越大，中心處的應(yīng)力S22越小，并當(dāng)寬度增大到一定值后中心處便發(fā)生明顯的未焊合。如6#、9#和10#流道中心區(qū)域的應(yīng)力S22分別為0.92 MPa、0.89 MPa、0.23 MPa，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示流道中心區(qū)域未焊合。其他流道連接良好，其中3#流道中心處的應(yīng)力S22最小，其值為1.05 MPa。通過對比分析以上理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)模擬計算的臨界應(yīng)力S22降到1 MPa時，未焊合便可能發(fā)生。因此，只要層板間各處的接觸壓力大于1 MPa，就不會產(chǎn)生因未焊合而導(dǎo)致的泄漏缺陷。反之當(dāng)流道寬度相比于它的厚度足夠?qū)挄r，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(qū)域都無法焊合。

4 結(jié)論

(1)本研究所采用的簡單塑性模型基本可以實(shí)現(xiàn)對擴(kuò)散連接過程中層板間接觸壓力的預(yù)測。

(2)用擴(kuò)散焊制備具有微通道的化學(xué)機(jī)械系統(tǒng)時，當(dāng)層板厚度一定時，需限制流道的寬度才能實(shí)現(xiàn)良好連接。

(3)當(dāng)擴(kuò)散連接條件一定時，所允許的流道寬度與流道厚度有關(guān)，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(shí)現(xiàn)層板間的有效連接。

圖2 不同流道中心區(qū)域的金相照片

圖3 流道區(qū)域的應(yīng)力(S22)云圖

表1 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

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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(yè)大學(xué)凝固國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)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(jìn)連接技術(shù)的研究。