1．2   平面微弹簧简介

1.2.1  微弹簧简介

微弹簧是一种常见的MEMS器件，按形状分为 C型、S型、W型三类，按材料分为硅质、 非硅质两类，传统金属和紫外光固化的SU-8胶都属于非硅质材料[9]。

精密微器件成型技术是目前世界瞩目的焦点，制备技术是关键。基于目前的加工水平， 微弹簧呈现的多为平面结构。现有加工大多采用传统的LIGA（微电铸）技术方法，使用的材 料为SU-8胶，其力学性能接近玻璃，工艺较简单，可大量应用于气动驱动微控制器和微阀门， 但SU-8胶在弹性力较大时力学性能不具备金属材料的抗疲劳性能和应力应变能力，而使用金 属材料制备而成的平面微弹簧却可以在拉力较大时依旧保持良好的使用性能。图1.2和1.3为几 种常见的微弹簧。

1.2.2 平面微弹簧的研究现状

与常规尺寸弹簧相比，MEMS微弹簧的结构形状、使用范围更加灵活多变，目前业界尚 未对微弹簧系统做出总结，不利于微弹簧加工技术发展和性能优化，对此展开深入研究尤为 必要。

石庚辰等人利用微电铸技术设计并加工出L和W型平面微弹簧，推导了弹簧弹性系数公 式，并与有限元模拟结果进行了对比[11]。

南京理工大学的程健健等人研究了C、S和W型弹簧在占用结构面积相等的情况下的柔度 系数比，发现弹簧的弯曲半径和直梁比大小是主要的影响因素[12]。

南京理工大学洪祥挺等制备了QAl7铝青铜平面弹簧，循环寿命高达19260次，高于LIGA 技术制备的镍基弹簧，其中前期热处理以及挤压速度影响其成型质量与服役性能[13]。

1．3 铝青铜简介及其优势

1.3.1 铝青铜简介

通常将含铝超过 5%的铜合金称为铝青铜合金，其塑性好，可冷、热加工，可热处理强化， 并具有良好的抗疲劳、耐腐蚀性能[14]。图 1.4 Cu-Al 二元平衡相图[15]

Cu-Al二元平衡相图如图1.4所示，铜侧典型等温反应如表1.1所示。其中，α相属于FCC结 构，是一种以铜为基的置换固溶体，塑性较好，硬度为HV 200~270。γ2相是硬脆相，通常是 以Cu9Al4为基的固溶体，硬度为HV350-550。β相当温度高于565℃时才能稳定，BCC结构，高 温塑性良好。β′相是以Cu3Al为基的固溶体，只有在温度十分低时β相共析转变时受阻才能出 现的亚稳定相[16]，和β相互为同素异构体 ，硬度为HV290~400，属于硬脆相。而κ相为AlFe、 AlNi、AlCu等金属间化合物，BCC结构。

表 1.1 Cu-Al 二元相图铜侧典型等温反应

温度（℃） 反应类型 相变关系

1036 共晶 L（8.3%Al）→α（7.4%Al）+β（9.0%Al）

1037 包晶 L+β（15.0%Al）→X

964 共析 X→β（15.4%Al）+γ1 (16.4%Al)

786 包析 β（13.6%Al）+γ1 (15.6%Al) →γ2 (15.6%Al)

565 共析 β（11.8%Al）→α（9.4%Al）+γ2 (15.6%Al)

含铝7%到9.4%的铝青铜合金，由相图得到高温下主要是α+β组织，565℃以下应为单相的 α固溶体，具有较好的塑性，可冷加工。实际情况中，由于β→α的转变不能完全进行从而保 留少量β相，β相随后会分解成(α+γ2)共析体，此时塑性会下降，硬度、强度相应的提升许多。 铝青铜合金微观组织控制及其拉伸性能研究(3):http://www.chuibin.com/cailiao/lunwen_205179.html