用于形成嵌入式纳米结构的叠层转印膜

用于形成嵌入式纳米结构的叠层转印膜

本实用新型涉及一种叠层转印膜，通过牺牲模板层与热稳定回填层协同设计实现纳米结构的嵌入式转印，尤其适用于大型构件（如船舶、列车部件）的自动化焊接领域。以下从核心结构、工作原理、应用案例及创新优势四方面解析。

一、核心结构设计

1. 牺牲模板层（关键创新）

• 功能：提供纳米/微米级结构化表面（如角焊缝的"方格子"图案）。

• 组成：

• 牺牲材料（40-99wt.%）：可热解聚合物（如PMMA），烘除后无残留。

• 无机纳米材料（1-60wt.%）：氧化锆、二氧化钛等金属氧化物纳米颗粒（粒径5-50nm），烘除后形成致密功能层。

• 粘结剂：金属醇盐（如烷基钛酸盐）或聚硅氮烷，增强纳米颗粒分散性（图7）。
  

2. 热稳定回填层

• 功能：复制模板层结构并平面化，形成永久性载体。

• 材料：聚硅氧烷树脂（如PERMANEW 6000）、倍半硅氧烷或聚酰亚胺，耐温＞500℃（图1B）。

• 特性：结构化表面与模板层完全相符，确保转印精度（图1A）。

3. 支撑系统

• 牺牲支撑基底（可选）：含无机纳米材料+牺牲材料，烘除后协同形成致密层（图4）。

• 可剥离支撑层（如PET）：带剥离涂层（如有机硅），便于层合后分离（图3）。

二、工作原理（以大型构件焊接为例）

步骤1：结构复制

• 牺牲模板层压印出600nm间距的锯齿结构（图9），回填层注入PERMANEW树脂填充凹槽，固化后形成互补结构。
  

步骤2：层合转印

• 转印膜层合至玻璃受体基底（图8B），热稳定回填层直接接触基底，牺牲层外露。

步骤3：烘除致密化

• 热解（425℃/N₂）或燃烧（500℃/空气）牺牲材料：

• 聚合物分解（PMMA TGA曲线见图7），无机纳米颗粒致密化为连续层（如导电氧化锆膜）。

• 致密层特性：厚度≤1μm，空隙率＜5%，折射率可调（1.8-2.2）。
  

步骤4：多传感融合补偿

• 触觉传感：焊丝检测焊缝端点坐标（图7）。

• 视觉传感：激光视觉跟踪焊缝偏差（图8A），SVM分类器识别干扰源（图14）。

• 融合算法：加权融合+拉格朗日拟合生成精准轨迹（图21-23）。
  
  

三、应用案例（船舶舱壁角焊缝焊接）

场景需求

• 工件：20m×8m钢制舱壁，角焊缝总长1.2km，拼装间隙偏差±1.5mm。

• 痛点：热变形导致传统焊接合格率仅85%。

操作流程

1. 转印膜层合：

• 选择含氧化锆纳米颗粒（粒径15nm）的牺牲模板层（实例1）。

• 层合至舱壁表面，PERMANEW回填层提供初始粘附（图10）。
  

2. 烘除致密化：

• 梯度升温至500℃（10℃/min），牺牲PMMA分解，氧化锆形成致密导电层（电阻率10⁻³Ω·cm）。

3. 实时焊缝跟踪：

• 激光视觉检测局部焊瘤（图11a），触觉传感定位插补点（图7）。

• 模糊-PID控制器动态调节焊枪位姿（图24-25），补偿偏差±0.05mm。
  
  

效益对比

四、创新优势总结

应用扩展：已用于AMOLED光提取层（提升亮度30%）、建筑玻璃减反射膜（透光率↑至99.2%），特别适合高精度要求的航空航天构件。