CN102950343A - 一种以非导电塑料作电极加工微细结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种以非导电塑料作电极加工微细结构的方法，属于微细加工技术领域。其特征是采用塑料微挤出成型方法获得所需尺寸形状的非导电塑料制件，然后对非导电塑料制件进行预处理、表面粗化处理和导电化处理，最后将其作为工具电极，进行电火花加工，制造出金属微结构。本方法的效果和益处是利用塑料易变形、易拉伸的特点，突破了电火花加工工具电极的尺寸和形状限制，具有工艺简单、制造成本低的优点，能够高效率、高精度地加工出深径比较大的微细结构。

Description

一种以非导电塑料作电极加工微细结构的方法
技术领域
本发明属于微细加工技术领域，涉及到电火花加工技术，特别涉及到一种以非导电塑料作电极加工微细结构的方法。
背景技术
随着微机械、微机电系统（Micro Electro Mechanical System,MEMS）这一门新学科的兴起，微细加工技术作为获得微机械、微机电系统的必要手段，得到了快速的发展。微细加工技术可以大幅减小产品的体积和质量，从而满足体积小、质量轻的空间要求。目前，微细加工技术主要应用于大规模和超大规模电路的集成制造。此外，采用微细加工技术制造的大量微型机械（如压力传感器、温度传感器、智能传感器等）也广泛用于汽车工业、航空航天、医疗器械、微型机器人等领域。
国内外主要的微细加工技术包括：（1）光刻和化学刻蚀：可以加工微小的孔洞、沟槽等结构，但只限于硅材料。（2）LIGA技术：采用深度X射线光刻、微电铸成型和塑料模铸等技术相结合的一种综合型加工技术，可以进行三维立体微细加工。但是LIGA技术所需要的深层X射线辐射源价格昂贵，导致设备投资巨大，无法大范围的推广和使用。（3）微细激光加工：微细激光加工是以激光作为光源对微零件进行打孔、切割和刻蚀等。但是激光加工属于热加工，在加工过程中热的影响因素极难控制。（4）微细电火花加工技术：通过改变工具电极的尺寸并配合微量的进给实现微细结构的加工。微细电火花加工技术具有低应力、无毛刺、可加工高硬材料的优点，因而在微细加工技术领域得到了大范围推广和采用。但是，随着特征尺寸的不断减小，电火花工具电极也受到了一次次尺寸极限束缚。目前，微细电极的制备方法主要包括：反拷块电火花加工、线电极电火花磨削(WEDG)、LIGA技术、精密车削技术。但这些方法存在工艺复杂、成本高、不易推广和使用等缺点。如果存在一种电极制备方法，能达到工具电极的制备要求，并能进一步的减小电极尺寸，这必将推动电火花加工工艺的不断进步。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种以非导电塑料作电极加工微细结构的方法，可以加工孔、轴、沟槽等微细结构。
本发明采用塑料微挤出成型方法获得微小尺寸的非导电塑料制件；将非导电塑料制件依次进行除油、表面粗化和导电化处理，得到导电塑料制件；最后以导电塑料制件作为工具电极，进行电火花加工。具体的技术方案如下：
（1）非导电塑料制件的加工制备
通过塑料微挤出成型方法获得非导电塑料制件。利用微挤出成型设备，首先将塑料原料（颗粒或粉末）经挤出机进行熔融塑化；然后进入微挤出模具流道成型；塑料型坯成型后，在牵引机的牵引下进入水箱冷却；同时，在模具型芯尺寸不变的情况下，改变牵引机牵引、拉伸塑料制件的速度，获得不同直径的圆柱状塑料制件。
除上述的微挤出方法得到非导电塑料制件，还可以使用微注塑、微热压等方法获得非导电塑料制件。
（2）非导电塑料制件的除油处理
将塑料制件浸入碳酸钠20～40g/L、磷酸钠20～50g/L、氢氧化钠10～30g/L和OP乳化剂2～5mL/L的混合溶液中，温度50℃～70℃，浸入15～20min，除去制件表面的油污，然后用去离子水冲洗。
（3）非导电塑料制件的表面粗化处理
将制件浸入三氧化铬160～250g/L、浓硫酸300～350mL/L的混合溶液中，温度70℃～80℃，浸入30min，用去离子水冲洗。
（4）非导电塑料制件的导电化处理
①敏化处理：将步骤（3）粗化得到的非导电塑料制件浸入氯化亚锡10g/L和37%盐酸30～50mL/L的混合溶液中，浸入5min，取出后自然晾干。
②活化处理：将制件浸入硝酸银3～5g/L和20%氨水配合得到的混合溶液中，至表面成为暗褐色，滴加甲醛至塑料表面沉积得到一层银，用蒸馏水冲洗，自然晾干。
③化学镀铜：将导电塑料制件浸入酒石碳酸钠20～25g/L、氢氧化钠10～15g/L、硫酸铜5～10g/L、氯化镍0.5～1.5g/L、甲醛10mL/L的混合溶液中，直至塑料表面可观察到一层铜，取出用去离子水清洗。
④电镀：将导电塑料制件置于硫酸铜180～220g/L、浓硫酸50～70g/L、氯离子20～80mg/L、添加剂少量的混合溶液中，利用电镀设备在已导电的塑料表面镀一层铜。
（5）以塑料制件作电极进行电火花加工
以导电塑料制件为工具电极，金属材料为工件，进行电火花加工，得到与工具电极形状相反的金属微结构。
本发明的效果和益处是：利用塑料易拉伸变形的特点，突破了传统电火花加工工具电极的尺寸和形状限制；具有工艺简单、制造周期短的优点，能够降低制造成本60%以上；并且可以高效率、高精度地加工出深径比较大的微细结构。另外，以塑料作电极进行微细电火花加工具有低应力、无毛刺、可加工高硬材料的优点。
附图说明
图1是本发明技术方案流程图。
图2是塑料微挤出成型方法流程图。
图3是聚丙烯双腔塑料管截面的显微照片。
图4是聚丙烯双腔塑料管表面电镀铜后的显微照片。
图5是以聚丙烯双腔塑料管作电极加工出微结构的显微照片。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
本发明以通过微挤出获得的聚丙烯双腔微管为塑料制件，依次进行除油、表面粗化和导电处理，最后以双腔微管作电极进行电火花加工。具体步骤如下：
（1）利用双腔微管模具进行加工，先将T30S型聚丙烯原料颗粒注入挤出机中进行熔融塑化，聚丙烯的熔点为170℃，挤出机的加热温度是235℃，塑料熔化后进入微挤出模具成型，牵引机以6m/min的牵引速度将塑料管引入恒温水箱中进行冷却，得到聚丙烯双腔塑料管。成型过程如图2所示，图3为双腔塑料管截面形状（大圆外径Ф1.6mm，大圆内径Ф1.2mm，小圆内径Ф0.5mm，壁厚0.2mm）。
（2）将双腔塑料管浸入碳酸钠30g/L、磷酸钠50g/L、氢氧化钠25g/L和OP乳化剂3mL/L的混合溶液中进行除油处理，温度50℃～70℃，浸入20min，至表面完全被水浸润，然后取出塑料管，用去离子水冲洗，得到预处理好的非导电塑料管。
（3）将双腔塑料管浸入三氧化铬200g/L、浓硫酸350mL/L、水650mL/L的混合溶液中进行表面粗化处理，温度70℃～80℃，使其表面出现微小的粗糙凹坑从而增大溶液与塑料表面的接触面积，为后序处理做好准备。浸入30min，至塑料管表面平滑无光，取出塑料，用去离子水冲洗，得到粗化后的非导电双腔塑料管。
（4）①敏化处理：先将粗化得到的非导电塑料管浸入氯化亚锡10g/L和37%盐酸40mL/L的混合溶液中，浸入5min，取出后，自然晾干。
②活化处理：再将其浸入硝酸银4g/L和20%氨水配合得到的混合溶液中，至表面成为暗褐色，滴加甲醛至塑料管表面沉积上均匀的银，取出后用蒸馏水冲洗，自然晾干，得到导电塑料管。
③化学镀铜：将导电塑料管浸入酒石碳酸钠30g/L、氢氧化钠7g/L、硫酸铜5g/L、氯化镍1g/L、甲醛10mL/L的混合溶液中，直至塑料管表面可观察到一层均匀的铜，取出用去离子水清洗。
④电镀：最后将导电塑料管置于硫酸铜200g/L、浓硫酸40g/L、氯离子60mg/L、硫脲少量的混合溶液中，利用电镀设备在已导电的塑料管表面镀一层铜，得到具有铜镀层的导电双腔塑料管，如图4所示。
（5）以导电双腔塑料管为电火花加工的工具电极，NAK80进口钢材为工件，工具和工件分别置于脉冲电源的两端，自动进给装置使工具和工件达到放电间隙，不断的脉冲放电将工件上多余的部分蚀除，得到与工具电极形状相反的微细结构，如图5所示。

Claims (3)

1.一种以非导电塑料作电极加工微细结构的方法，其特征包括如下步骤，
（1）非导电塑料制件的加工制备：通过塑料微挤出成型方法获得非导电塑料制件；首先将塑料原料经挤出机进行熔融塑化；然后进入微挤出模具流道成型；塑料型坯成型后，在牵引机的牵引下进入水箱冷却；同时，在模具型芯尺寸不变的情况下，改变牵引机牵引、拉伸塑料制件的速度，获得不同直径的圆柱状塑料制件；
（2）非导电塑料制件的除油处理：将塑料制件浸入碳酸钠20～40g/L、磷酸钠20～50g/L、氢氧化钠10～30g/L和OP乳化剂2～5mL/L的混合溶液中，温度50℃～70℃，浸入15～20min，除去制件表面的油污，然后用去离子水冲洗；
（3）非导电塑料制件的表面粗化处理：将制件浸入三氧化铬160～250g/L、浓硫酸300～350mL/L的混合溶液中，温度70℃～80℃，浸入30min，用去离子水冲洗；
（4）非导电塑料制件的导电化处理：
①敏化处理：将步骤（3）得到的非导电塑料制件浸入氯化亚锡10g/L和37%盐酸30～50mL/L的混合溶液中，浸入5min，取出后自然晾干；
②活化处理：将制件浸入硝酸银3～5g/L和20%氨水配合得到的混合溶液中，至表面成为暗褐色，滴加甲醛至塑料表面沉积得到一层银，用蒸馏水冲洗，自然晾干；
③化学镀铜：将导电塑料制件浸入酒石碳酸钠20～25g/L、氢氧化钠10～15g/L、硫酸铜5～10g/L、氯化镍0.5～1.5g/L、甲醛10mL/L的混合溶液中，直至塑料表面观察到一层铜，取出用去离子水清洗；
④电镀：将导电塑料制件置于硫酸铜180～220g/L、浓硫酸50～70g/L、氯离子20～80mg/L、添加剂少量的混合溶液中，利用电镀设备在已导电的塑料表面镀一层铜；
（5）以塑料制件作电极进行电火花加工：以导电塑料制件为工具电极，金属材料为工件，进行电火花加工，得到与工具电极形状相反的金属微结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过微注塑方法获得非导电塑料制件。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过微热压方法获得非导电塑料制件。
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