光学微结构阵列可以对任意波长光进行物理调控,成为现代光学工程中重要的元器件。模压成形技术是在玻璃表面实现高效、低成本加工微结构阵列的最有效的解决方案。由于光学微结构阵列周期尺度小、结构尖锐、精度要求高,模压制造光学微结构阵列面临的一大挑战是填充不完全问题。本论文系统测试了玻璃材料高温蠕变特性,并进行了材料黏弹性建模;针对模压成形加热阶段温升难以监控的问题,通过界面热阻模型建模并进行加热阶段有限元仿真,确认了最佳加热工艺方法;提出了成形界面摩擦模型,成功预测了玻璃微结构阵列的成形内应力分布,提出微结构阵列填充不完全的原因主要来自界面的摩擦阻力的论断;进行微结构阵列模压试验,发现了磷化镍模具中磷元素向玻璃表面扩散的现象;提出了铼-铱镀层隔绝元素扩散,降低界面摩擦的方法,并通过试验进行了验证;为进一步提高成形填充精度,提出了超声振动辅助模压成形技术方法,研究了超声振动对降低界面摩擦、提高玻璃填充性能、减少微结构表面缺陷的积极作用。研究结果为光学微结构阵列超精密制造提供理论和实践支持。本论文主要研究内容与创新性成果如下:1.进行玻璃高温蠕变测试,建立了玻璃高温黏弹性本构模型及时温等效模型,获得了玻璃的高温动态性能;使用有限元法验证了高温蠕变模型的准确性,通过应力松弛仿真得到了玻璃高温蠕变和应力松弛特性对成形工艺制定带来的影响。2.结合等效表面粗糙度理论和赫兹接触理论,构建了玻璃-模具界面热阻模型,揭示了表面粗糙度、界面压力对加热时间影响的作用机理;考虑界面黏着及玻璃应力迟滞行为,提出了玻璃-模具界面摩擦模型,阐明了界面剪切膜系数变化对微沟槽填充精度的影响规律;分析了玻璃松弛时间与玻璃内应力衰减的关系,提出了改善玻璃结构突变区的应力集中的方法。3.阐明了模具材料及表面粗糙度的变化对模压得到的玻璃表面粗糙度演化的影响规律,提出了光学器件低成本制造的方法。发现了磷化镍镀层内的磷元素扩散到玻璃表面的现象,揭示了元素扩散造成玻璃-模具界面摩擦变大进而提高了填充难度的作用机理。4.针对磷化镍模具中磷元素向玻璃表面扩散的问题,提出了利用惰性金属膜隔绝元素扩散的方法,在磷化镍模具表面镀一层铼-铱复合镀层,成功隔绝了微结构模压中磷元素向玻璃表面的扩散。经过分析,铼-铱镀层厚度为400nm,镀层中铼、铱元素质量百分比为1:3,模具表面的弹性模量及屈服强度均显著提高;获得了铼-铱镀层模具加热后的内应力变化规律,在模具加热至580°C时,模具内应力最大为649MPa,远低于铼-铱镀层的屈服极限;由于铼-铱镀层完全隔绝了磷化镍模具中磷元素向玻璃表面的扩散,模压得到的玻璃微沟槽复制精度较高。5.针对微结构阵列模压中填充不完全的问题,提出了超声振动辅助模压成形微结构阵列方法,通过摩擦力测试试验,证实了超声振动对玻璃-模具界面摩擦力的降低作用。通过有限元法仿真超声振动辅助模压成形中几个振动周期内的玻璃-模具界面相对位置,揭示了超声振动造成玻璃-模具界面周期性分离的作用机理。通过有限元仿真和试验验证了超声振动对玻璃模压成形填充性能的提高作用,得到了玻璃成形性能与超声振动幅值呈正比关系的结论。超声辅助微结构模压结果证实超声振动对提高微结构阵列成形精度、减少微结构表面缺陷有显著效果。