CN103182573A - 采用平板电极电解转印加工金属双极板表面微流道的方法及其平板电极 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用平板电极电解转印加工金属双极板表面微流道的方法，属于电解加工领域。该方法的特征在于包括以下步骤：（a）用金属填充镂空光刻胶流道，制作平板工具阴极（4）；（b）将平板工具阴极（4）与工件阳极（6）固定并保持微量间隙；（c）工具阴极（4）和工件阳极（6）分别与电源（7）正负极连接；（d）在工具阴极（4）和工件阳极（6）之间通入电解液（5）；（e）接通电源（7）进行电解加工。利用本发明可以增强了绝缘层和基底的结合力，保证绝缘层与金属基底的紧密结合，提高工具电极的使用率，同时，采用平板电极可以保证加工区域电解液的及时更新，有效提高电解加工的定域性。

Description

采用平板电极电解转印加工金属双极板表面微流道的方法及其平板电极

技术领域

本发明采用平板电极电解转印加工金属双极板表面微流道的方法，属电解加工技术领域。

背景技术

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是以氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，将化学能直接转化为电能的发电装置。作为氢能的理想转换装置，PEMFC以其高比功率、高转化效率、低环境受到了各国研究机构以及各大汽车公司的广泛关注。自上世纪90年代以来，PEMFC 技术发展迅速，现在正处在商品化的前夜。双极板是PEMFC 的核心部件之一，具有隔离并均匀分配反应气体、收集并导出电流、串联各个单电池等功能。其质量占电池组的60%以上，成本占电池组30%-45%。理想的双极板应具有较高的导电导热性、耐腐蚀性、低密度、高机械强度、高阻气能力，以及低成本、易加工等特点。金属材料具有良好导电导热性能好，而且强度高，资源丰富，可以显著降低双极板厚度，是理想的PEMFC双极板材料，采用金属材料制备双极板被认为是PEMFC 产业化的必然选择。

金属双极板表面的成形微流道是制造金属双极板的最主要难点。有效的双极板表面流道加工技术是PEMFC商业化的重要保障。双极板表面流道通常是由宽度为1mm左右，深度为数百微米的流道组成，属于典型的Micro/Meso加工任务。

目前，国内外提出了多种的金属表面微流道的加工方法，每一种加工方法都有其独特的优势，同时也存在着某些局限性。

冲压成形是制作双极板的一个有效快速的手段。SASAWAT等研究人员系统研究了金属双极板冲压成形与液压成形的成形性和成形表面质量, 试验结果表明冲压和液压成形在制造具有阵列形微沟槽的薄金属双极板方面是可行的，但是金属双极板成形过程中，板料容易引起变形，需要采取先成形再整形的方法解决板料局部变形问题。LIU等研究人员研究用橡胶垫软模成形加工金属双极板表面微流道, 也取得了较好的效果, 但是对于加工复杂截面形状或拔模度较小、圆角较小的沟槽结构时, 该工艺的成形性能以及局部变薄的情况有待进一步验证。Hung等研究人员提出采用微细电火花加工技术加工金属双极板表面的微流道结构，采用该阵列凸起电极在工件上反拷加工出流道结构，由于电火花加工是和激光加工一样利用热能蚀除工件，工件受热易发生变形，同时电火花的加工速度慢，工具电极亦存在严重的损耗，使用寿命较短。德国Schreck等研究人员采用激光技术在不锈钢表面加工了不同的流道结构，但激光加工也存在着不足之处，由于激光加工属于热作用过程，被加工材料在激光的高温作用下达到气化温度后，在高压蒸汽的作用下，液态材料被喷出，而残留在工件材料表面上的熔融物遇冷凝固后形成“翻边”现象。通常采用特殊光整加工工艺去除“翻边”再铸层，常用的方法有磨料气射流加工技术和化学研磨技术。

近几年，国内外很多专家特别关注微细电解加工技术，期望利用其独特的加工原理和特性解决这类零件的微制造难题，从原理上来讲，微细电解加工具有非接触、与材料硬度强度无关、无切削力等优点，从而可以保证加工后工件无应力变形。

日本东京农业大学Wataru Natsu等研究人员采用电射流技术(Electrolyte Jet Machining, EJM)进行表面织构加工研究，并利用电场仿真研究了电液束到工件表面的电场分布和阳极蚀除机理。该工艺由于阴阳极距离较远，需采用较高的加工电压，直接高压电解液射流冲击阳极工件表面来完成对工件材料的溶解。电射流加工技术可以准确地在平面和曲面加工各种表面沟槽和微坑结构，但是该工艺属于单点或单排加工，当需要加工群坑或者群缝结构时，加工效率比较低。

提高电解加工阵列微流道的加工效率的有效方法是制作群电极进行电解加工。台湾LEE等研究人员采用成形群电极进行电解加工微流道。该研究小组基于加工间隙内的电场模型进行数值分析，模拟了该加工方式下微流道的成型过程，但是电解加工过程中，加工间隙内的流场分布是影响电解加工稳定性和加工精度的主要因素。通常电解加工过程中，应保证电解液在缓变的通道中流过，保证较好的均匀性，但是采用这种加工方式加工过程中，当电解液在加工通道内高速流过时，电解液通道截面大小不断交替突变，从而会造成加工区域流场混乱，使加工过程不稳定，甚至会引起短路等意外情况。

因此，为提高加工过程的稳定性，国外有研究学者提出采用掩模电解加工技术(Through Mask Electrochemical Micromachining, TMEMM)，也被称为照相电解，加工表面微流道。该工艺是基于光刻工艺和微细电解加工(Electrochemical Micromachining, EMM)中阳极电化学溶解原理，将阳极表面经光刻处理后进行电解加工的一门特种加工工艺，具有工具电极无损耗、加工后阳极工件表面无残余应力、无变形和表面质量好等优点。这种传统的掩模电解加工技术在电解加工前工件都需要进行光刻工艺处理，电解加工结束后需进行表面的去胶处理，因此，该工艺并不适合大批量生产，当上升到工程实践环节时会产生局限性。

发明内容

本发明的目的是针对目前电解转印工艺的不足与局限性，提出采用平板电极电解转印加工金属双极板表面微流道的方法。所谓平板电极，是指在目前电解转印工艺中使用的镂空工具阴极基础上进行金属填充后得到的平板工具阴极。然后，利用平板电极进行电解转印，可以将平板电极上填充金属部分的图案转移至阳极工件表面。

一种采用平板电极电解转印加工金属双极板表面微流道的方法，其特征在于：步骤如下：

（1）制作平板电极：将带有微流道形貌的镂空部分进行金属填充后得到平板阴极； 

（2）通过夹持工具，将平板阴极与工件阳极固定并保持微小加工间隙；

（3）工件阳极与电源正极连接，工具阴极与电源负极连接；

（4）向平板工具阴极和工件阳极之间的间隙内通入电解液；电解液到达平板工具阴极和工件阳极的加工表面；

（5）接通电源进行电解加工。

进一步地，所述步骤1）中平板电极的制作工艺如下：所述平板工具电极作为电解加工中的工具阴极，由三部分组成，依次是光刻基底金属，光刻胶和填充金属；所述光刻基底金属为光刻胶的载体，在光刻基底金属的表面涂有光刻胶，经过光刻显影以后，所述光刻胶上刻有镂空流道，然后经过电铸工艺，将所述镂空流道内充满填充金属。

进一步地，所述步骤2）为通过夹持工具，将平板工具电极与工件阳极角对角平行放置于电解液槽中，保持微小间隙0.02mm-0.04mm后，固定平板工具电极与工件阳极的相对位置。

本发明的优点：利用本发明方法不仅可以显著提高电解加工的定域性和微细尺度加工能力，而且能在加工过程中保证电解产物的及时排出。该加工方法和目前的电解转印工艺相比，采用平板工具电极进行电解转印的明显优势有：（1）镂空工具电极经过金属填充后，增强了绝缘层和基底的结合力。电解加工过程中在高速电解液的冲刷下，保证绝缘层与金属基底的紧密结合，提高工具电极的使用率；（2）采用平板电极，当电解液在加工通道内高速流过时，电解液通道截面大小不变，保证加工区域流场平稳，电解产物在电解液的冲刷下迅速流出加工区域，保证加工区域电解液的及时更新；（3）镂空工具阴极经过金属填充后，缩短了加工区域阴极与阳极的加工间隙，可以有效提高电解加工的定域性。

附图说明

图1是采用平板电极电解转印加工金属双极板表面微流道方法示意图。

图2是平板工具电极结构示意图。图2（a）和图2（b）分别是平板电极主视图和平板电极截面剖视图。

图3是平板工具电极制作过程示意图。图3（a）是金属基底板涂覆光刻胶并进行光刻示意图；图3（b）是显影后带光刻胶的金属基底板示意图；图3（c）是光刻胶镂空部分填充金属后得到的平板工具阴极示意图。

图4（a）是光刻胶流道内未填充金属时，经电解液冲刷一段时间后，部分光刻胶脱离金属基底。

图4（b）是光刻胶镂空图案中填充金属后，电解液冲刷相同时间后，光刻胶未脱离金属基底。

图1中1.金属基底，2.光刻胶，3.填充金属，4.平板电极，5.电解液，6.工件阳极，7.电源。

图3中8.曝光光源，9.掩模板。

具体实施方式

下面结合图1、图2和图3具体说明实施本发明：

1）采用平板电极电解转印加工金属双极板表面微流道的方法中使用的平板工具电极（4），其特征是：所述平板工具电极作为电解加工中的工具阴极，由三部分组成，依次是光刻基底金属（1），光刻胶（2）和填充金属（3）；所述光刻基底金属（1）为光刻胶的载体，在光刻基底金属（1）的表面涂有光刻胶（2），曝光光源（9）透过掩膜版（9）对光刻胶照射后进行显影，所述光刻胶上刻有镂空流道，然后经过电铸工艺，将所述镂空流道内充满填充金属（3）；

2）通过夹持工具，将平板工具电极（4）与工件阳极（6）角对角平行放置于电解液槽中，保持微小间隙（0.02mm-0.04mm）后固定平板工具电极（4）与工件阳极（6）的相对位置；

3）分别将工件阳极（6）、平板工具阴极（4）与电源（7）的正负极相连接；

4）在平板工具阴极（4）和工件阳极（6）之间的微小间隙内通入电解液（5），电解液（5）到达平板工具阴极（4）和工件阳极（6）的加工表面；

5）接通电源，进行电解加工。

采用平板电极电解加工微流道的明显优势有：（1）镂空工具电极经过金属填充后，增强了光刻胶绝缘层和金属基底的结合力。电解加工过程中在高速电解液的冲刷下，保证绝缘层与金属基底的紧密结合，提高工具电极的使用率，图4（a）是光刻胶流道内未填充金属时，经电解液冲刷一段时间后，部分光刻胶脱离金属基底，图4（b）是光刻胶镂空图案中填充金属后，电解液冲刷相同时间后，光刻胶未脱离金属基底；通过图片对比可以直观地看到图4（b）的效果优于图4（a）。（2）采用平板电极，当电解液在加工通道内高速流过时，电解液通道截面大小不变，保证加工区域流场平稳，电解产物在电解液的冲刷下迅速流出加工区域，保证加工区域电解液的及时更新；（3）镂空工具阴极经过金属填充后，缩短了加工区域阴极与阳极的加工间隙，可以有效提高电解加工的定域性。

Claims (3)

1.一种采用平板电极电解转印加工金属双极板表面微流道的方法，其特征在于包括下列步骤：

（1）制作平板电极：将带有微流道形貌的镂空部分进行金属填充后得到平板阴极；

（2）通过夹持工具，将平板阴极与工件阳极固定并保持微小加工间隙；

（3）工件阳极与电源正极连接，工具阴极与电源负极连接；

（4）向平板工具阴极和工件阳极之间的间隙内通入电解液；电解液（5）到达平板工具阴极（4）和工件阳极（6）的加工表面；

（5）接通电源进行电解加工。

2.根据权利要求1所述的一种采用平板电极电解转印加工金属双极板表面微流道的方法，其特征在于：所述步骤1）中平板电极的制作工艺如下：所述平板工具电极作为电解加工中的工具阴极，由三部分组成，依次是光刻基底金属（1），光刻胶（2）和填充金属（3）；所述光刻基底金属（1）为光刻胶的载体，在光刻基底金属（1）的表面涂有光刻胶（2），经过光刻显影以后，所述光刻胶上刻有镂空流道，然后经过电铸工艺，将所述镂空流道内充满填充金属（3）。

3.根据权利要求1所述的一种采用平板电极电解转印加工金属双极板表面微流道的方法，其特征在于：所述步骤2）为通过夹持工具，将平板工具电极（4）与工件阳极（6）角对角平行放置于电解液槽中，保持微小间隙0.02mm-0.04mm后，固定平板工具电极（4）与工件阳极（6）的相对位置。

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