CN103526266B - 一种在金属表面上加工微坑阵列的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在金属表面上加工微坑阵列的方法，包括如下步骤：（a）在工件待加工表面（2）上均匀电泳涂覆一层非金属微粒子（1）组成的膜（3）；（b）工件待加工表面上的膜经干燥后，在非金属微粒子玻璃转化温度下烘烤30~90分钟，然后自然冷却到室温；（c）把涂覆有膜的工件待加工表面置于化学腐蚀液或电解液中，在轻微搅拌的情况下进行化学或电化学腐蚀加工；（d）当工件待加工表面上的膜完全脱落后，停止腐蚀加工，取出工件，冲洗、干燥。本发明所提供的方法工艺成本低，灵活高效，在三维复杂、大面积的金属表面上加工出密集排布的微坑阵列。
Description
技术领域
本发明涉及一种在金属表面上加工微坑阵列的方法，属电化学加工领域。
背景技术
在许多应用领域，常通过表面的微坑化来增强应用功效。如在动摩擦副中，具有微坑阵列的表面结构能够有效地减小摩擦磨损。又如，在固体表面上形成一些微纳米量级的凹坑结构，有利于降低其润湿性，甚至达到超疏水的效果。微坑的大小和形状直接影响其应用效果。而微坑的表面特性和几何特征与加工方法密切相关。
目前，常见的微坑阵列加工方法有：自激振动加工方法、电火花加工法、数控激光珩磨法、微细超声加工法、化学或电化学腐蚀法等。其中，化学或电化学腐蚀法因为具有加工过程中工具与工件不直接接触、无工具电极损耗、加工效率高、工件表面不会产生加工应力、变形及热影响区等优点，是加工微坑、微孔等微细阵列结构的重要技术手段之一，很有发展前景。
用化学和电化学腐蚀法加工微坑阵列，一般都需要掩膜来定义和限定加工区域和非加工区域。掩膜制备方式及其所能实现的精细程度对工艺实用性与成本、微坑大小等方面影响极大。目前腐蚀法所用的掩膜主要采用人工贴膜、光刻（含紫外光刻、电子束光刻等）、激光刻蚀等方法制备而成。这些方法或难以制作精细的掩模结构，或成本极高、速度慢，或不适用于曲面、三维廓形等非平面对象。现今，常需在三维复杂物体表面上加工出密集分布的微纳级大小的微孔阵列。但现有的微坑制作方法往往难以胜任。为此，有必要研究开发出一种操作简单、适用范围广、加工效率高、工艺成本更低的能在三维表面上大面积制备精细微坑阵列的方法。
发明内容
本发明针对现有微坑阵列方法中普遍存在的加工环节复杂、工艺成本高、加工精度偏低、适用范围窄等不足，提出一种以电泳微粒子膜为掩膜的可在三维物体表面上大面积加工出密集分布的精细微坑阵列的方法。
本发明的技术方案为：
一种在金属表面上加工微坑阵列的方法，其特征在于：包括如下步骤：
（a）在工件待加工表面上均匀电泳涂覆一层非金属微粒子组成的膜；
（b）工件待加工表面上的膜经干燥后，在一定温度下烘烤30~90分钟，然后自然冷却到室温；
（c）把涂覆有膜的工件待加工表面置于化学腐蚀液或电解液中，在轻微搅拌的情况下进行化学或电化学腐蚀加工；
（d）当工件待加工表面上的膜完全脱落后，停止腐蚀加工，取出工件，冲洗、干燥。
上述步骤（b）中，膜的烘烤时间取决于所用非金属微粒子的玻璃转化温度、膜厚度和粒径大小。非金属微粒子的玻璃转化温度越高、粒径越大或膜越厚，烘烤的时间要适当延长。
上述步骤（c）中，所用的化学腐蚀液要根据待加工表面的材质来确定，一般为质量百分比为1~10%的盐酸、硫酸、磷酸或氯化三铁等溶液。化学腐蚀液要选择那些既能化学溶解待加工面的材料又不易与膜发生化学溶解作用的溶液。电解液一般为质量百分比为10~25%氯化钠、硝酸钠或氯酸钠溶液。此外，腐蚀加工时，不能强烈搅拌或振动式搅拌，以免造成膜脱落。腐蚀加工的溶液温度最好为室温。
所述的非金属微粒子为聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂等球状有机高分子微粒子，以便于在后续步骤中易于热烘烤固定处理，且成本相对更低。
所述的非金属微粒子为粒径大小基本相同的同一材料微粒子，以便于后续电泳步骤形成分布均匀的膜。
所述的非金属微粒子的粒径为0.01~100微米。粒径大小要根据拟实现的微坑大小来确定。粒径越小，有利于获得直径更小的微坑。
所述的膜的厚度为0.01~200微米。膜的厚度与所用的粒子粒径有关，粒径越大，形成的膜往往越厚。在非金属微粒子粒径既定的条件下，形成的膜越薄，越有利于后续腐蚀液透过膜实现腐蚀加工，但膜太薄，不易保证其完整性，易导致微坑大小分布不均。
所述的一定温度为所用非金属微粒子的玻璃转化温度。在玻璃转化温度下，非金属微粒子会有一定程度的熔化与软化，从而有利于与待加工表面形成更大的结合力而不易脱落，同时增大各个非金属微粒子与待加工表面的接触面积；另一方面，非金属微粒子之间因相互挤压与粘附，更能保持好膜的完整性。如果温度太高，非金属微粒子会熔为一体，膜间的空隙就可能全部被填充，从而失去了掩模的功能。如温度低于玻璃转化温度，非金属微粒子无法熔化，达不到增强膜与待加工面结合力的效果。
均匀电泳涂覆的膜经适当温度烘烤后，紧密贴合在工件待加工金属表面上。由于非金属微粒子是通过电泳方式集合在一起的，且其间没有其它物质填充，即使经过烘烤，也没有完全粘实。这样，紧密贴合在待加工表面上的膜内均匀布满了微小孔。特别是紧密贴合在表面上的非金属微粒子层，因为非金属微粒子间的不完全接触，导致金属表面上有大量未被覆盖的微小区域。当进行化学腐蚀或电化学腐蚀加工时，化学腐蚀溶液或电解液便透过膜中的微小孔对金属表面的无非金属微粒子覆盖区域进行腐蚀溶解，从而形成无数个微小坑。随着腐蚀加工的继续，各非金属微粒子覆盖下的金属不断被消除，直到完全蚀除掉。此时，膜因为无非金属微粒子与待加工表面接触而自然脱落。在这个过程中，微坑区域在不断扩大的同时，由于中心区域腐蚀的时间更长，便形成了中心深四周浅的微凹坑。膜脱落后，停止腐蚀加工。
与现有技术相比，本发明的技术优势为：
（1）工艺成本低：本发明无光刻胶涂覆、曝光等复杂操作环节，也无需激光、电子束等扫描刻蚀行为，只是通过电泳涂覆微粒子膜来形成掩膜，操作简单，易于实现。不受被加工对象面积、形状等因数限制。在复杂、大面积表面上加工微坑，更能突出优势。
（2）灵活高效。采用本发明方法，微坑大小与间距易于调控。通过改变非金属微粒子大小及热烘烤时间等因数，便可方便调整膜内空隙的大小，进行改变微坑的大小。
附图说明
图1是电泳涂覆在工件待加工表面上的由非金属微粒子组成的膜示意图。
图2是电泳涂覆在工件待加工表面上的膜经烘烤后的示意图。
图3是涂覆有膜的工件待加工表面被腐蚀加工后形成的微坑阵列示意图。
图4是工件表面上加工形成的微坑阵列示意图。
图中标号名称：1、非金属微粒子，2、工件待加工表面，3、膜。
具体实施方式
下面结合图1、图2、图3和图4对本发明——“一种在金属表面上加工微坑阵列的方法”的具体实施过程作进一步描述。
实施实例一
（a）用移液枪移取10ml含有粒径为180±10nm聚苯乙烯微粒子（球状）1悬浊液（质量百分数为10%）至烧杯中，然后量取90ml无水乙醇到人同一烧杯中。烧杯密封后，超声搅拌60分钟，然后机械高速搅拌2小时，制备出聚苯乙烯电泳液。
（b）把经抛光、除锈、除油等处理后的不锈钢片I（1毫米×10厘米×2厘米）浸入电泳液中，浸入深度为2厘米。把另一经抛光、除锈、除油等处理后的不锈钢片II（1毫米×10厘米×2厘米）也浸入电泳液中。然后以不锈钢片I为阳极，以不锈钢片II为阴极，通入5V的直流电1分钟。由于聚苯乙烯微粒子1带负电，通电后，不锈钢片I上电泳沉积形成了由聚苯乙烯微粒子1组成的膜3，如图1所示。
（c）涂覆有聚苯乙烯微粒子1的不锈钢片I经自然干燥后，置于烘箱中，75℃烘烤60分钟，然后自然冷却到室温。聚苯乙烯微粒子1的玻璃转化温度为75℃。热烘烤后的聚苯乙烯粒子膜3如图2所示
（d）把不锈钢片I置于20%的NaNO3电解液中并作为阳极，以另一金属片为阴极，以电流密度为10A/cm2通入直流电进行电化学腐蚀，不锈钢片I表面上无非金属微粒子1粘附的区域便在电场和电解液的作用下腐蚀出微凹坑，如图3所示。当不锈钢片I上的膜3全部脱落后停止腐蚀。然后取出，清洗，干燥，最后获得微坑阵列，如图4所示。
实施实例二
实施实例二的步骤（a）与实施实例一的步骤（a）相同。其余的步骤依次为：
（b）把经抛光、除锈、除油等处理后的镍片I（1毫米×10厘米×2厘米）浸入电泳液中，浸入深度为2厘米。把另一经抛光、除锈、除油等处理后的镍片II（1毫米×10厘米×2厘米）也浸入电泳液中。然后以镍片I为阳极，以镍片II为阴极，通入5V的直流电1分钟。由于聚苯乙烯微粒子1带负电，通电后，会电泳沉积到镍片I上形成由聚苯乙烯微粒子1组成的膜3。
（c）涂覆有聚苯乙烯微粒子1的镍片I经自然干燥后，置于烘箱中，75℃烘烤60分钟，然后自然冷却到室温。聚苯乙烯微粒子1的玻璃转化温度为75℃。
（d）把镍片I置于质量百分比为10%的盐酸溶液中在室温下进行化学腐蚀。此时，镍片I上无非金属微粒子1粘附的区域不断地被化学溶解，形成微凹坑。当镍片I上的膜3全部脱落后，停止腐蚀。然后取出，清洗，干燥，得到最终的微坑阵列。
Claims (4)
1.一种在金属表面上加工微坑阵列的方法，其特征在于：包括如下步骤：
（a）在工件待加工表面（2）上均匀电泳涂覆一层聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲脂微粒子（1）组成的膜（3）；
（b）工件待加工表面（2）上的膜（3）经干燥后，在上述微粒子的玻璃转化温度下烘烤30~90分钟，然后自然冷却到室温；
（c）把涂覆有膜（3）的工件待加工表面（2）置于化学腐蚀液或电解液中，在轻微搅拌的情况下进行化学或电化学腐蚀加工；
（d）当工件待加工表面（2）上的膜（3）完全脱落后，停止腐蚀加工，取出工件，冲洗、干燥。
2.根据权利要求1所述的一种在金属表面上加工微坑阵列的方法，其特征在于：所述的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲脂微粒子为粒径大小基本相同的同一材料微粒子。
3.根据权利要求1所述的一种在金属表面上加工微坑阵列的方法，其特征在于：所述的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲脂微粒子（1）的粒径为0.01~100微米。
4.根据权利要求1所述的一种在金属表面上加工微坑阵列的方法，其特征在于：所述的膜（3）的厚度为0.01~200微米。
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