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热场诱导微纳结构成形的数值模拟

热场诱导微纳结构成形的数值模拟

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作者：刘宴奎东北电力大学

学位级别：硕士

微纳制造技术目前被广泛应用于大规模集成电路和功能材料涂层等领域。热场诱导微纳结构成形技术作为众多微纳制造技术中的一种,一经发现就激起了学者们的研究兴趣。目前,对于热场诱导微纳结构成形技术,主要存在实验观测、理论分析和数... 详细信息

微纳制造技术目前被广泛应用于大规模集成电路和功能材料涂层等领域。热场诱导微纳结构成形技术作为众多微纳制造技术中的一种,一经发现就激起了学者们的研究兴趣。目前,对于热场诱导微纳结构成形技术,主要存在实验观测、理论分析和数值模拟三种研究手段。对于实验观测,虽然结果更加直观,但是存在耗时、成本高昂和操作难度大等问题。对于理论分析,虽然简化后的方程便于求解,但其结果通常精度较低且研究过程不够全面。所以,本文结合线性分析,利用高精度的两相流相场数值模拟,对热场诱导微纳结构成形进行仿真研究。主要研究内容如下:首先,利用润滑近似对流场方程及温度场方程进行简化。通过参数的假设与判定,推导出光滑模板与结构化模板热场诱导微纳结构成形的无量纲薄膜瞬态变形方程,生长方程以及生长率方程。以此定性研究薄膜变形动态过程和各无量纲参数如Ma数、Re数等对薄膜动态变形过程的影响。此部分属于理论分析,其主要目的是与后续的数值结果进行对照。其次,开发了基于相场方法的多物理场耦合两相流数值模型并验证了该模型的正确性。该模型主要包括温度场、流场以及相场三大控制方程。相场方程的引入一方面可以使修正后的温度场与流场方程进行耦合,另一方面也使对聚合物/空气界面变形的实时追踪成为可能。随后,利用基于有限元方法的COMSOL数值模拟软件,对热场诱导微纳结构成形问题进行数值求解。模拟了单/多周期下光滑模板热场诱导微纳结构成形的动态过程,并研究无量纲参数如Ma数、Re数等对微结构生长过程的影响。结果发现Ma数和Re数越大,微结构生长速率越快。然后,利用相同的数值模型,模拟了单/多周期下结构化模板热场诱导微纳结构成形的动态过程。并研究几何参数如模板突起宽度D、突起高度D等和物性参数如热导率比k、润湿角θ等对微结构生长过程的影响。结果发现随模板突起宽度D和热导率比k的增大,微结构生长速率呈现抛物线变化。最后,本文对热场诱导微纳结构成形技术进行了总结,并展望了其未来的发展方向。本文的理论分析及数值模拟结果对热场诱导微纳结构成形技术的实验开展具有一定的指导意义及参考价值。

关键词：多相流相场热毛细现象微纳结构成形数值模拟

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