專利名稱:具有亞微米和納米尺寸帶隙結構的玻璃結構及其制造方法
技術領域:
本發(fā)明涉及制造亞微米和納米尺寸結構、尤其是玻璃結構的方法。
背景技術:
已經(jīng)通過使用陶瓷材料和各種技術制造了用作毫米和微米級帶隙結構的結構。 例如,一種制造這樣的微米級結構的方法是采用所謂快速原型開發(fā)(rapid prototyping)。 這種技術通常將計算機輔助設計與壓條法結合,用以制造結構。將所需結構的一種模型 進行電子分層(electronically sectioned),形成預定厚度的一些層。通過層疊重建該結構的 各層,并重建原始部件。最終形狀的細節(jié)和復雜性取決于單獨的起始各層的厚度。然后 對該結構進行有機粘結劑燒盡工藝和最終燒結工藝。有一些專利描述了該工藝。這些專 利包括例如美國專利第5738817和5997795號,這些專利的揭示內容通過參考明確地結合 于此。發(fā)明概述本文揭示了制造亞微米和納米尺寸玻璃結構的方法,該方法包括以下步驟一 次分配一層玻璃混合物,形成預定的結構,所述玻璃混合物包含玻璃粉末和粘結劑,在 粘結劑燒盡過程中從預定的結構除去至少75%的粘結劑,將預定的結構燒結,形成具有 預定的橫截面面積的第一玻璃結構,將該玻璃結構拉制成第二玻璃結構,該第二玻璃結 構具有的橫截面面積至少比第一玻璃結構的預定橫截面面積小10倍,在一些情況中至少 小50倍,在一些情況中至少小100倍。優(yōu)選該分配步驟包括分配多個層,各層一次沉 積一個層,在一些優(yōu)選的實施方式中,這種沉積可包括沉積超過10個、更優(yōu)選超過20 個層。在一些優(yōu)選的實施方式中,各層的厚度可小于2毫米,更優(yōu)選小于1毫米,在一 些實施方式中小于500微米。在一些實施方式中,拉制步驟導致第二玻璃結構具有的 橫截面面積至少比第一玻璃結構的預定橫截面面積小500倍,在一些情況中至少小800 倍。因此,這個過程導致形成寬度、長度或直徑在納米的10倍或100倍量級的直立結構 (standing structure)。在另一個方面中,揭示了用于使光偏振的玻璃結構,該玻璃結構包括整體式玻 璃結構和多個延伸通過該整體式玻璃結構的開孔,這些位于整體式玻璃結構中的開孔具 有約200納米的直徑。以下詳細說明中將提出本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點,對于本領域普通技術人員而言,通過閱讀說明書或者實施本發(fā)明,包括以下詳細說明、權利要求書和附圖,這些特 征和優(yōu)點中的一部分將是顯而易見的。應該理解,對于本發(fā)明實施方式的以上一般說明和以下詳細說明都是示例性和 說明性的,意在為理解要求權利的本發(fā)明的性質和特征提供概覽或框架。包括附圖以提 供對本發(fā)明的進一步理解,附圖結合在說明書中,并構成說明書的一部分。附圖結合說 明書說明本發(fā)明的各實施方式,解釋本發(fā)明的原理和工作。附圖簡要描述
圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一整體式玻璃結構的前視圖;和圖2是圖1的整體式玻璃結構的一部分的放大視圖。優(yōu)選實施方式詳細說明具體參考本發(fā)明提出的優(yōu)選實施方式,在附圖中說明這些實施方式的例子。盡 可能在所有附圖中使用相同的附圖標記來表示相同或類似的部分。在一個實施方式中,制備一種玻璃混合物,用于制造如圖1和2中所示的預定結 構100。這些結構可采用能沉積或形成其尺寸等于或小于幾毫米的結構的任何方法制造。 優(yōu)選的沉積技術包括但并不限于微分配技術,如快速原型開發(fā)和微型筆(micropen)。例 如,在一種實施方式中,可采用快速原型開發(fā)機器制造預定結構100,采用該機器“印 刷”玻璃混合物的多個層,各層一次印刷一個,從而形成三維結構。所述玻璃混合物可 以是任何玻璃組合物。例如,在一些實施方式中,玻璃混合物可以是氧化硅基玻璃,如 硼硅酸鹽玻璃。玻璃混合物優(yōu)選由所需玻璃組成的玻璃粉末制備。優(yōu)選玻璃粉末中的玻 璃尺寸在微米范圍內。玻璃混合物還優(yōu)選包含有機粘結劑,可以是任何合適的商購粘結 劑。玻璃混合物優(yōu)選為60-90%玻璃粉末和10-40%粘結劑,更優(yōu)選為70-80%玻璃粉末 和20-30%粘結劑。然后調節(jié)玻璃混合物的稠度,通過快速原型開發(fā)機器進行充分分配。然后通過所述機器分配玻璃混合物,形成如圖1和2中所示的預定結構100。應 該注意,雖然圖1和2中所示的預定結構是正方形/矩形構造,但是可以“印刷”任何 構造,都落在本發(fā)明的范圍之內。還應該注意,圖1和2中所示的預定結構由多個亞結 構構成,這些亞結構約為50毫米X 50毫米X 2毫米,但是亞結構或預定結構的確切尺寸 對本發(fā)明并非關鍵。將多個2毫米厚度的亞結構熔接在一起,制成較長(或較厚)的預 定結構100。但是,預定結構也可以是單獨的亞結構,屬于本發(fā)明的范圍之內。如圖1 和2所示,預定結構具有約0.20毫米的孔或開孔102,但是也可以是任何合適的尺寸,如 下文具體描述在最終結構中為100-1500納米。事實上,雖然將這些開孔描述為圓形,但 是不一定必須為圓形,其直徑可以是約0.10-0.5毫米。應該注意,雖然優(yōu)選在進行熔接 以制造較長的預定結構100之前,使各亞結構中的開孔102與相鄰亞結構中的開孔102排 列整齊,但是不一定要求如此。然后將預定結構100放置在合適的烘箱中,燒盡粘結劑,在預定結構中只留下 玻璃粉末。優(yōu)選在低于玻璃化轉變溫度Tg的溫度燒盡粘結劑,以避免結構變形和氣體夾 雜。然后優(yōu)選在低于玻璃結晶溫度Tx的溫度進行下述燒結工藝步驟,以避免玻璃結晶, 否則可能阻礙隨后的結構再拉制工藝步驟。這些要求比其他材料(如陶瓷、金屬、金屬 合金等)更嚴格,對于其他材料,粘結劑燒盡和燒結工藝步驟可以在最高為所用材料燒 結溫度的條件下進行。另外,優(yōu)選在惰性氣氛如氦、氬或氮中進行粘結劑燒盡。如果在氧存在下進行燒盡,而且玻璃是例如氧化硅基玻璃,則在預定結構中可能形成方石英, 可能造成無法用于預期目的。在一種優(yōu)選的實施方式中,通過將預定結構在1小時內從室溫(或環(huán)境溫度)加 熱到150°C,開始燒盡程序。然后通過以約10°C/小時的速率將預定結構從150°C加熱到 350°C并在350°C溫度保持至少1小時來繼續(xù)燒盡程序。最后,以約10°C /小時的速率將 預定結構從350°C加熱到650°C,并將650°C溫度保持至少1小時。這種燒盡程序將從預定結構除去約90%的粘結劑??梢赃M行規(guī)模較小的 (reduced)燒盡程序,但是優(yōu)選在粘結劑燒盡工藝步驟中應當從預定結構除去至少75%的 粘結劑。然后燒結預定結構100,使玻璃粉末固結,同樣優(yōu)選在相同烘箱中以類似的惰性 氣氛條件進行。如果在不同的烘箱或位置進行燒結,則在燒結步驟之前在移動結構時應 當特別小心,以免破壞該構造。在燒結步驟中,預定結構100變成第一玻璃結構,該第 一玻璃結構基本與預定結構具有相同的構造和尺寸。然后如本領域中已知,將第一玻璃結構加熱并拉制或拉伸成縮小的直徑,制成 橫截面尺寸相對于第一玻璃結構的尺寸縮小的第二玻璃結構??梢詫⒌谝徊AЫY構加熱 到適合于拉制該第一玻璃結構的溫度,這取決于玻璃結構的組成。例如,若玻璃是硅酸 鹽玻璃,則可采用高于iooo°c或者甚至高于iioo°c的溫度來將玻璃結構拉制成縮小的直 徑。但是,也可采用較低的拉制溫度,尤其是當玻璃為非硅酸鹽玻璃組成時。在一種示 例性的實施方式中,將第一玻璃結構拉制成其原始長度的約1000倍。在拉制第一玻璃結 構時,可以相對于第一玻璃結構將第二玻璃結構的橫截面縮小超過100倍、超過500倍、 甚至超過800倍。因此,例如在將第一玻璃結構拉制成第二玻璃結構時,第一玻璃結構 中直徑為0.2毫米的開孔在第二玻璃結構中變成直徑約為200納米,或者甚至直徑小于 200納米,第二玻璃結構的橫截面變成大約0.5毫米乘0.5毫米。優(yōu)選使用差示分壓控制 系統(tǒng)(differential partial pressure control system)來保持第一玻璃結構在通過再拉制過程時 的對稱性。在差示分壓控制系統(tǒng)中,對第一玻璃結構保持加壓,控制通過整個再拉制工 藝步驟時的差示分壓。因此,例如可以在拉制過程中對孔102加壓,使得這些孔不會在 直徑縮小步驟中遭到破壞。然后可以將拉長的第二玻璃結構分成適當?shù)拈L度,以供所需應用。一種示例性 的應用是光子或聲子帶隙結構,所述結構由具有亞微米和納米尺寸特征的玻璃制成。例 如,這些結構可用作光譜的可見或紅外范圍中的偏振器。例如參見圖2,可使用具有約 2-300納米間距(pitch)(孔中心之間的距離)的孔或開孔102的結構作為光子偏振器???以通過拉制其中孔的間距約為100微米到1毫米的第一玻璃結構來獲得這種結構。在一 種實施方式中,起始(第一)玻璃結構的孔的間距約為100微米,將其拉制成間距為100 納米的第二玻璃結構,相當于直徑減小1000倍。這說明可以通過使起始玻璃結構的直徑 減小3000倍以下、較優(yōu)選2000倍以下、并且甚至更優(yōu)選不超過1000倍,獲得其中重復 結構(如孔)的間距小于500微米、更優(yōu)選小于250微米的玻璃結構。將第二玻璃結構分 段的時候,亞結構之間開孔102的任何不對齊都是很明顯的,可以簡單地棄去這些段。對本領域普通技術人員顯而易見的是,可以對本發(fā)明進行各種修改和變化而不 偏離本發(fā)明的精神和范圍。因此,本發(fā)明意在涵蓋落在所附權利要求及其等同項范圍之內的本發(fā)明各種修改和變化。
權利要求
1.一種制造亞微米或納米尺寸玻璃結構的方法,該方法包括以下步驟一次分配一層玻璃混合物,形成預定結構,所述玻璃混合物包含玻璃粉末和粘結劑;在粘結劑燒盡工藝步驟中,從預定結構除去至少75%的粘結劑;燒結預定結構,形成整體化的第一玻璃結構,所述第一玻璃結構具有預定的橫截面 面積;和將整體化的玻璃結構拉制成整體化的第二玻璃結構,所述整體化的第二玻璃結構具 有的橫截面面積比整體化的第一玻璃結構的預定橫截面面積至少小10倍。
2.如權利要求1所述的制造亞微米和納米尺寸玻璃帶隙結構的方法,其特征在于,所 述結構是光子和聲子帶隙結構中的一種。
3.如權利要求1所述的制造亞微米和納米尺寸玻璃帶隙結構的方法,其特征在于,所 述結構是光子偏振器。
4.如權利要求1所述的制造亞微米和納米尺寸玻璃帶隙結構的方法,其特征在于,所 述除去步驟包括除去至少90%的粘結劑。
5.如權利要求1所述的制造亞微米和納米尺寸玻璃帶隙結構的方法,其特征在于,所 述整體化的第二玻璃結構具有的橫截面面積比所述整體化的第一玻璃結構的預定橫截面 面積小至少500倍。
6.如權利要求1所述的制造亞微米和納米尺寸玻璃帶隙結構的方法,其特征在于,所 述整體化的第一玻璃結構具有直徑約為100-500微米的開孔。
7.如權利要求1所述的制造亞微米和納米尺寸玻璃帶隙結構的方法,其特征在于,所 述整體化的第二玻璃結構具有直徑約為50-1500納米的開孔。
8.如權利要求1所述的制造亞微米和納米尺寸玻璃帶隙結構的方法,其特征在于,所 述除去粘結劑的步驟和燒結步驟在惰性氣氛中進行。
9.如權利要求1所述的制造亞微米和納米尺寸玻璃帶隙結構的方法,其特征在于,所 述分配步驟中的玻璃混合物包含60-90%的玻璃粉末和10-40%的粘結劑。
10.如權利要求1所述的制造亞微米和納米尺寸玻璃帶隙結構的方法,其特征在于, 所述玻璃混合物包含70-80%的玻璃粉末和20-30%的粘結劑。
11.如權利要求1所述的制造亞微米和納米尺寸玻璃帶隙結構的方法,其特征在于, 所述除去粘結劑的步驟包括以下步驟將預定結構從室溫加熱到150度;以預定速率將預定結構從150度加熱到350度,并保持該溫度至少1小時;和以預定速率將預定結構從350度加熱到650度,并保持該溫度至少1小時。
12.如權利要求1所述的制造亞微米和納米尺寸玻璃帶隙結構的方法,其特征在于, 所述拉制整體化的第一結構的步驟導致整體化的第二玻璃結構具有的橫截面面積比整體 化的第一玻璃結構小至少10倍。
13.如權利要求1所述的制造亞微米和納米尺寸玻璃帶隙結構的方法,其特征在于, 預定結構包括多個預定亞結構,這些預定亞結構在除去粘結劑的步驟之前熔接在一起。
全文摘要
提供了具有亞微米和納米尺寸帶隙結構的玻璃結構和制造該玻璃結構的方法。制造具有微米級特征的第一玻璃結構,然后將該第一玻璃結構拉制成具有亞微米和納米尺寸的特征的第二玻璃結構,使得該結構能用作可見光和紅外光的偏振器。
文檔編號B82B3/00GK102015240SQ200980114687
公開日2011年4月13日 申請日期2009年4月20日 優(yōu)先權日2008年4月21日
發(fā)明者I·科爾內霍, S·馬加諾維克 申請人:康寧股份有限公司