实验室简介

天津大学微纳制造实验室

  天津大学微纳制造科研团队依托于天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,主要从事光学设计、加工及检测,超精密加工与微纳制造,注塑与玻璃模压铸,生物医疗设计与制造,聚焦离子束加工技术等方面的研究与开发。在前沿科技领域开展创新性研究,获取具有自主知识产权的创新成果,培养和凝聚创新性人才,构建高水平实验技术和国际学术交流平台。在天津大学、国家自然科学基金委员会、科技部的关怀与支持下,经实验室全体成员的共同努力,目前已发展成为国际上微纳制造研究领域的代表性实验室之一。


研究方向简介

  1. 光学设计、加工及检测
  2. 超精密加工与微纳制造
  3. 注塑与玻璃模压铸
  4. 生物医疗设计与制造
  5. 聚焦离子束加工技术

光学设计、加工及检测

  自由曲面超精密加工已成为带动现代光学、生物医学、通讯及微电子等领域飞速发展的关键技术。高技术产品的核心关键器件对表面粗糙度及尺寸精度以及形貌的复杂程度提出了更高的要求。MNMT通过建立复杂自由曲面模型,获得模型空间和加工空间的相互转换关系,从而实现自由曲面的超精密加工,成功开发出广泛应用于成像、照明、AR/VR等光学系统的各类典型光学自由曲面,如复眼曲面、螺旋反射镜、非球面阵列、正弦曲面阵列、三反曲面等。

超精密加工与微纳制造

  超精密加工可广泛应用于各种工程材料,如:铜、镍、金、锗、硒化锌、硫化锌、树脂(如PMMA)等的高精度、高表面质量的加工。可实现平面反射镜、球面反射镜、凹/凸非球面反射镜、离轴非球面反射镜、非球面阵列反射镜、菲涅尔反射镜,微沟槽阵列和多面棱镜等各种超精密关键件,以及各种形状复杂的光学注塑模具。
  通过数值模拟与微纳切削测试,MNMT的研究人员聚焦纳米尺度下的去除过程,针对加工变形与应力场、材料损伤及表面形成、刀具磨损等超精密加工基础问题开展系统性研究,为实际生产中的工艺参数优化、加工效率的提高提供理论指导。此外,实验室还面向典型难加工材料开展各种辅助加工方法研究,例如,通过离子注入对脆性材料进行表面软化,以降低表面碎裂并延长刀具寿命;采用超声振动辅助技术进行含铁金属的金刚石切削,抑制刀具的石墨化过程,使得模具钢的金刚石直接加工成为可能。

注塑与玻璃模压铸

  随着生物医疗、光学通讯、微型投影及消费电子等领域的飞速发展,对复杂面形透镜、微透镜阵列、柱面镜等光学元件的需求不断增加,因此该类元件高精度、批量化生产具有非常重要的意义。精密微注塑和玻璃模压技术,分别针对聚合物材料和低熔点玻璃,对目标元件进行一次成型加工。该技术具有制造成本低、生产周期短、成型工艺简单、产品质量易于保证的优点。MNMT使用自主设计、加工的超精密模具,进行多种高精度、复杂面形元件的微注塑、模压成型机理研究和工艺探索。微注塑工艺包括超精密微结构模具加工、加工过程中压力波形及计量时间的自动调节、成品的自动检测等环节,保证了产品的成型质量稳定性。在玻璃模压方面,可实现硬脆性模具材料的超精密加工和镀膜、多种可见光及红外硫系玻璃模压、非球面及自由曲面透镜模压以及模压工艺稳定调控。

生物医疗设计与制造

  全球关节病患者对人工关节置换手术的需求日益增加,具有优良物理性能及生物兼容性的生物陶瓷是下一代人工关节的主要替代材料。陶瓷-陶瓷全膝关节的原料主要为氧化锆生物陶瓷,但材料的硬度极高并且脆性较大,传统铣削加工效率低、刀具磨损严重,难以保证加工质量。由于人工膝关节面形具有宏观尺寸和较大的曲率变化,因此面形测量与评价也是该领域的技术难点。以陶瓷全膝关节研究为例,MNMT提出了基于T样条的统一描述建模及“低温烧结—粗加工成型—高温烧结—精加工”的工艺,采用新型磨削与抛光的复合加工方式,提高了氧化锆陶瓷膝关节的加工效率和加工质量。采用多原理集成方法实现了对膝关节的在加工各阶段的测量,并基于点测量系统提出了面形跟踪的测量方法。

聚焦离子束加工技术

  聚焦离子束(FIB)加工是一种重要的微纳加工技术,是离子源经过静电透镜加速、聚焦成直径为纳米尺度的离子束,实现微纳米结构的高精度加工。MNMT长期从事FIB加工机理、工艺和方法、以及功能器件制备等相关研究。主要研究方向包括:
1) 新型宽禁带半导体器件制备研究


2) 拉曼及荧光光谱表征研究


3) 离子束加工机理研究


4) 微纳光学器件制备研究


5) 微刀具制备及SEM在线观测纳米切削技术



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