摘要: 激光冲击成型是利用脉冲激光照射在吸收层表面产生的高压等离子体冲击波实现材料成型与强化的技术，具有靶材成型精度高，加工尺度小等优点，适合用于微尺度成型工艺制作金属模具。聚合物具有独特的高透光性和生物相容性等特征，通过微纳复制技术将模... 展开 激光冲击成型是利用脉冲激光照射在吸收层表面产生的高压等离子体冲击波实现材料成型与强化的技术，具有靶材成型精度高，加工尺度小等优点，适合用于微尺度成型工艺制作金属模具。聚合物具有独特的高透光性和生物相容性等特征，通过微纳复制技术将模具表面的微结构转移到聚合物上，可以加工多种用途的功能性表面和光学器件，因此高强度模具是聚合物成型研究的重点之一。本文通过实验和数值仿真方法系统地研究了激光冲击成型制作高精度聚合物热压印模具的成型过程和成型规律，探究了成型微结构强度等性能的改变，结合实验积累和理论分析，逐步从微米尺度模具深入到纳米尺度模具的制作。 首先，系统的论述了激光冲击成型加工技术理论，包括激光脉冲与材料间的相互作用、加工原理、冲击波的传播、激光冲击引起的高应变率变形特征和聚合物热压成型机理，为随后的实验和数值仿真提供了理论基础。然后搭建了适用于微米和纳米尺度的激光冲击成型实验平台。针对激光加工的特点，结合高应变率塑性变形理论模型，对本文中不同条件下的激光冲击成型实验建立了数值仿真模型。 其次，提出了利用激光冲击成型进行微米尺度金属模具制作的方法。通过对不同材料和不同特征微结构成型的研究发现，在微纳米尺度成型中，靶材屈服强度和微结构型腔尺度对成型效果有显著影响，并分析了接触界面摩擦力对成型的影响。为了得到更高强度模具，提出了成型深度与靶材厚度比值对成型效果影响的理论，通过控制该比值可以实现微结构完全成型，并保证靶材背部不会凹陷变形，结合数值仿真结果进行了不同靶材厚度下成型微结构残余应力分析。采用TEM和EBSD观测了激光冲击前后材料内部的织构和微缺陷变化，并在此基础上揭示了材料的成型和强化机理。 然后，结合微米尺度微结构成型的特点和理论研究，成功进行了纳米尺度微结构模具的制作。纳米尺度微结构成型工艺对靶材要求十分严格，因此首先进行了平坦化靶材的制备。通过分析铝箔平坦化实验的参数和靶材特征，最终得出结论，0.25J能量和75%光斑搭接率，是实验效果和实验效率的最优选参数，此参数下制得的平坦化铝箔粗糙度能达到5.71nm。然后为了降低靶材屈服强度，对压平铝箔进行退火并进行纳米压印实验，为了保护靶材和硅母版，通过对实验结果的分析，最终在0.1J能量下进行纳米微结构成型实验，得到了高精度纳米尺度金属微结构模具。最后结合数值仿真分析对压平过程中的脉冲能量对超薄靶材的回弹影响进行了分析。 最后，将制得的微米和纳米尺度模具用于热压印实验，检验了模具应用过程中的性能稳定性与聚合物成型效果，研究了模具用于热压印时承受的温度压强条件和脱模阻力对模具强度的影响，并分析了高弹态聚合物流动填充型腔的成型过程。最终得出结论，微米尺度模具热压印前后保持了硬度、弹性模量和形貌的一致性，纳米尺度模具热压印前后形貌、高度分布和表面摩擦学性能也能够保持稳定。 收起