CN104096932A - 一种电化学微加工电极的制备方法及制备装置 - Google Patents

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Abstract

一种电化学微加工电极的制备方法，将导电针尖置于电沉积溶液中，采用交流电沉积方法在导电针尖上电沉积生长金属纳米线，在生长过程中按预定的提拉速度将导电针尖缓慢提拉出液面，获得生长方向与导电针尖方向一致的纳米线圆柱电极。一种用于实施所述方法的制备装置，包括：盛有电镀液的电镀槽，其中设置有对电极；固定于位移台上的导电针尖，与对电极相对安置；信号发生器，在导电针尖与对对电极之间施加交流电信号，在导电针尖上电沉积生长纳米线；其中位移台在电沉积生长过程中按预定的提拉速度将导电针尖缓慢提拉出液面。本发明可迅速、经济地实现纳米级尺寸的电化学微加工用圆柱电极的制备，并可进行批量生产。

Description

一种电化学微加工电极的制备方法及制备装置
技术领域
本发明涉及电化学微加工电极的制备方法及制备装置。
背景技术
电化学微加工是采用电化学阳极溶解的方法，将微小零件加工成型的制造技术。电化学微加工零件的尺寸可从亚微米级(几百纳米)至几百微米不等。由于微小成型电极制造困难，目前电化学微加工使用的电极多为微细圆柱状电极，通过电极扫描，电化学铣削加工出所需零件，因此圆柱电极的尺寸直接决定了电化学微加工的加工精度和最小加工极限。
目前电化学微加工所使用的微细圆柱电极，一般采用电化学腐蚀方法来获得，如文献：王明环等，电化学腐蚀法加工微圆柱体，机械工程学报，2006,42:128；王磊等，电化学腐蚀法制备微细群圆柱，机械科学与技术，2007，26，856所介绍。但是目前利用电化学腐蚀法获得的圆柱电极尺寸都在3微米以上，无法用于亚微米或者纳米级结构的加工。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有电化学微加工用圆柱电极制备技术中存在的电极直径过大，无法进一步提高电化学微加工精度的问题，提供一种电化学微加工电极的制备方法及制备装置，利用电沉积尖端生长纳米线以制备纳米尺度的电化学微加工用圆柱电极。
一种电化学微加工电极的制备方法，将导电针尖置于电沉积溶液中，采用交流电沉积方法在所述导电针尖上电沉积生长金属纳米线，在生长过程中按预定的提拉速度将所述导电针尖缓慢提拉出液面，获得生长方向与所述导电针尖方向一致的纳米线圆柱电极。
优选地：
该方法包括以下步骤：
1)将所述导电针尖垂直置于所述电沉积溶液中，与溶液底部的对电极相对放置；
2)在所述导电针尖和所述对电极之间施加带直流偏置的交流电压，所述导电针尖接低电压，所述对电极接高电压，依靠针尖处电场集中的特性，使纳米线在所述导电针尖上电沉积生长；
3)在施加电压的同时，将所述导电针尖向上提拉，使电场始终集中在纳米线的生长前端，保证纳米线生长方向与所述导电针尖向方向一致；
4)将生长有纳米线的所述导电针尖向提拉出液面，完成纳米线的生长。
所述导电针尖可以为钨、铂、金制作的针尖，所述导电针尖可以为电化学腐蚀、机械研磨或电火花加工获得的针尖。
优选地，针尖尖端圆角半径为1～10μm。
所述对电极可以为金、铂等金属片或金属丝。
所述电沉积溶液可以为镀金液、镀铂液、镀钯液、镀铟液等。
所述交流电的电压峰值为5～20V，频率为0.05～10MHz，直流偏置电压为0.1～0.5V。
所述纳米线可为金、铂、钯、铟、银等金属材料，直径为10～500nm，长度为1～100μm。
所述预定的提拉速度为0.1～50μm/s。
一种用于实施所述的制备方法的制备装置，包括：
盛有电镀液的电镀槽，所述电镀槽中设置有对电极；
固定于位移台上的导电针尖，所述导电针尖与所述对电极相对安置；
信号发生器，所述信号发生器在所述导电针尖与对所述对电极之间施加交流电信号，使得所述电镀液在所述导电针尖上电沉积生长纳米线；
其中所述位移台在电沉积生长过程中按预定的提拉速度将所述导电针尖缓慢提拉出液面。
优选地，所述导电针尖尖端圆角半径为1～10μm。
优选地，所述交流电的电压峰值为5～20V，频率为0.05～10MHz，直流偏置电压为0.1～0.5V。
本发明的优点在于，本发明通过尖端电沉积生长纳米线方法构造电化学微加工用圆柱电极的工艺方法，可迅速、经济的实现纳米级尺寸的电化学微加工用圆柱电极的制备。具体体现为：
1.本发明可迅速、方便地实现电化学微加工用纳米线圆柱电极的制作，制备工艺方法简单，成本低，并可进行批量生产。
2.采用本工艺制备的纳米线电极的最小尺寸只与电沉积参数有关，与加工设备精度无关，很容易制备出用于纳米级结构微加工的圆柱电极。
附图说明
图1是本发明实施例的制备电化学微加工用纳米线圆柱电极的制备装置示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参见图1，一种用于制备纳米线电化学微加工用圆柱电极的制备装置，包括：盛有电镀液3的电镀槽2，电镀槽2中设置有对电极5；固定于位移台7上的导电针尖1，导电针尖1与对电极5相对安置，优选导电针尖1垂直于电镀液3液面；信号发生器6，信号发生器6在导电针尖1与对对电极5之间施加交流电信号，使得电镀液3在导电针尖1上电沉积生长纳米线4。在电沉积生长过程中，位移台7按预定的提拉速度将导电针尖1缓慢提拉出液面，从而在导电针尖1获得纳米线圆柱电极。导电针尖1可以为钨、铂、金等制作的针尖。导电针尖1可以通过电化学腐蚀、机械研磨或电火花加工获得的针尖。优选地，导电针尖1尖端圆角半径为1～10μm。对电极5可以为金、铂等材料的金属片或金属丝。电沉积溶液可以为镀金液、镀铂液、镀钯液、镀铟液等。优选地，交流电的电压峰值为5～20V，频率为0.05～10MHz，且采用0.1～0.5V的直流偏置电压。
以下以示例性的实施例说明本发明的制备工艺。
实施例1
本实施例在钨针尖上电沉积金纳米线，制备电化学微加工用金纳米线圆柱电极，工艺具体可包括以下步骤：
1)首先使用电化学腐蚀工艺，在直径0.3mm的钨丝上制备钨针尖1，针尖尖端圆角半径为1μm；
2)将钨针尖1固定于压电位移台7上，浸入金电镀液3，与电镀槽2底部的铂片对电极5相对放置；
3)使用信号发生器6，在钨针1与对电极5之间施加带有直流偏置的交流电信号，在钨针尖1上进行纳米线4的电沉积生长。其中具体电沉积条件为：交流电压峰峰值为16V，频率为5MHz，偏置电压为0.3V。本实施例进行电沉积金纳米线4的电镀液3为碘化物镀金液，该镀金液配方如下：
碘      6×10-5mol/l
碘化钾  4×10-5mol/l
金      5×10-6mol/l
4)在金纳米线4生长的同时，通过压电位移台7缓慢提升钨针1，提升速度为10μm/s，经过20s后，切断电源，将生长有纳米线4的针尖1取出用去离子水清洗烘干后，完成金纳米线圆柱电极的制备。
实施例2
本实施例在铂针尖上电沉积铟纳米线，制备电化学微加工用铟纳米线圆柱电极，工艺具体可包括以下步骤：
1)首先使用电火花反靠工艺，在直径0.5mm的铂丝上制备铂针尖1，针尖尖端圆角半径为5μm；
2)将铂针尖1固定于电动位移台7上，浸入铟电镀液3，与电镀槽2底部的铂片对电极5相对放置；
3)使用信号发生器6，在铂针1与对电极5之间施加带有直流偏置的交流电信号，在铂针尖1上进行铟纳米线4的电沉积生长。其中具体电沉积条件为：交流电压峰峰值为18V，频率为1MHz，偏置电压为0.1V。本实施例进行电沉积铟纳米线4的电镀液3为镀铟液，该镀铟液配方如下：
醋酸铟  5.5×10-2mol/l
水      其余
4)在铟纳米线4生长的同时，通过电动位移台7提升铂针1，提升速度为30μm/s，经过10s后，切断电源，将生长有铟纳米线4的针尖1取出用去离子水清洗烘干后，完成铟纳米线圆柱电极的制备。
实施例3
本实施例在铂针尖上电沉积钯纳米线，制备电化学微加工用钯纳米线圆柱电极，工艺具体可包括以下步骤：
1)首先使用机械研磨法，在直径0.5mm的铂丝上制备钨针尖1，针尖尖端圆角半径为10μm；
2)将钨针尖1固定于电动位移台7上，浸入钯电镀液3，与电镀槽2底部的铂片对电极5相对放置；
3)使用信号发生器6，在钨针1与对电极5之间施加带有直流偏置的交流电信号，在钨针尖1上进行钯纳米线4的电沉积生长。其中具体电沉积条件为：交流电压峰峰值为10V，频率为0.3MHz，偏置电压为0V。本实施例进行电沉积钯纳米线4的电镀液3为镀钯液，该镀铂液配方如下：
醋酸钯  2.8×10-3mol/l
水      其余
4)在钯纳米线4生长的同时，通过电动位移台7提升钨针1，提升速度为30μm/s，经过10s后，切断电源，将生长有钯纳米线4的针尖1取出用去离子水清洗烘干后，完成钯纳米线圆柱电极的制备。
以上内容是结合具体的/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施例做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电化学微加工电极的制备方法，其特征在于，将导电针尖置于电沉积溶液中，采用交流电沉积方法在所述导电针尖上电沉积生长金属纳米线，在生长过程中按预定的提拉速度将所述导电针尖缓慢提拉出液面，获得生长方向与所述导电针尖方向一致的纳米线圆柱电极。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)将所述导电针尖垂直置于所述电沉积溶液中，与溶液底部的对电极相对放置；
2)在所述导电针尖和所述对电极之间施加带直流偏置的交流电压，所述导电针尖接低电压，所述对电极接高电压，依靠针尖处电场集中的特性，使纳米线在所述导电针尖上电沉积生长；
3)在施加电压的同时，将所述导电针尖向上提拉，使电场始终集中在纳米线的生长前端，保证纳米线生长方向与所述导电针尖向方向一致；
4)将生长有纳米线的所述导电针尖向提拉出液面，完成纳米线的生长。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述导电针尖可以为钨、铂、金制作的针尖，所述导电针尖可以为电化学腐蚀、机械研磨或电火花加工获得的针尖，优选地，针尖尖端圆角半径为1～10μm。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述对电极可以为金、铂等金属片或金属丝。
5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述电沉积溶液可以为镀金液、镀铂液、镀钯液、镀铟液等。
6.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述交流电的电压峰值为5～20V，频率为0.05～10MHz，直流偏置电压为0.1～0.5V。
7.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述纳米线可为金、铂、钯、铟、银等金属材料，直径为10～500nm，长度为1～100μm。
8.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述预定的提拉速度为0.1～50μm/s。
9.一种用于实施权利要求1-8任一项所述的制备方法的制备装置，其特征在于，包括：
盛有电镀液的电镀槽，所述电镀槽中设置有对电极；
固定于位移台上的导电针尖，所述导电针尖与所述对电极相对安置；
信号发生器，所述信号发生器在所述导电针尖与对所述对电极之间施加交流电信号，使得所述电镀液在所述导电针尖上电沉积生长纳米线；
其中所述位移台在电沉积生长过程中按预定的提拉速度将所述导电针尖缓慢提拉出液面。
10.一种用于实施权利要求9所述的制备方法的制备装置，其特征在于，所述导电针尖尖端圆角半径为1～10μm，优选地，所述交流电的电压峰值为5～20V，频率为0.05～10MHz，直流偏置电压为0.1～0.5V。
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