CN105648479B - 一种双阴极竖直旋转微电铸装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双阴极竖直旋转微电铸装置，结构包括电机(1)、电铸槽(3)、双阴极夹具单元(4)和电源(5)，电机(1)通过竖直旋转轴(2)与双阴极夹具单元(4)连接，双阴极夹具单元(4)安放在电铸槽(3)中，电源阴极和阳极分别与电解阴极(4f)和电解阳极(4k)连接，电铸槽(3)用于放置电铸液，电机(1)提供双阴极夹具单元(4)旋转所需的力矩，电源(5)提供电铸电能。本发明可实现平面阴极微电铸工艺中阴极绕竖直轴旋转，以减少析氢、杂质吸附等带来的铸件缺陷，增加电铸液扰动效果，改善离子传质条件，且一次电铸实验过程中成型两个工艺条件相同的铸件。
Description
技术领域
本发明涉及一种微电铸装置，尤其涉及一种双阴极竖直旋转微电铸装置。
背景技术
微电铸工艺是一种基于离子沉积的精密制造技术，能够用于制作各种传统加工方法难以实现或加工成本过高的微小、复杂结构。近年来,得益于MEMS技术的广泛研究和快速进步，微电铸技术被广泛尝试于微/纳米结构的制造，成为一种非硅基微纳结构加工的重要技术之一，并成功应用于信息通信、医用器械、影像镜片武器雷达等前沿技术领域中。
在微纳结构电铸过程中，阴极表面离子交换会产生析氢现象，气体依附在阴极表面如果不及时排除会产生气孔、氢脆等缺陷；阳极腐蚀过程中向电铸液排出杂质和阳极泥，杂质和阳极泥在电铸液中漂浮在接触阴极后也会吸附在阴极表面，最后形成结瘤；微纳结构电铸工艺中，微纳结构凹槽内部离子传质条件不佳，原溶液离子沉积消耗后得不到有效的补充，导致结构漏铸，铸件质量不佳。获得高表面质量的电铸铸件需要有效地控制工艺参数，改善成型条件。
目前，市场上成熟应用的电铸装置较少，结构和功能均较为单一，针对微纳结构电铸成型工艺开发设计的微电铸实验装置更为少见，结构成熟功能完善的微电铸实验装置对于金属基微制造技术发展意义重大。研究发现，电铸过程中采用一定的阴极运动可以改善电铸铸件的成型质量，特别是采用阴极竖直旋转的方式，可以有效减少气体、杂质等的影响。受制于竖直旋转的结构特点，目前采用阴极竖直旋转方式的电铸装置主要用于回转体零件电铸，平面阴极只能采用垂直于旋转轴的旋转方式。
例如，专利CN1410600A公开的一种“药型罩电铸制造工艺及装置”，阳极单元为与药型罩芯模外形相对应的像形阳极腔，药型罩电铸阴极绕竖直轴旋转运动，并采用绝缘辊子滚压法或绝缘摩擦法对旋转电铸中的阴极芯模表面进行滚压或摩擦扰动处理，从而获得性能良好的药型罩铸件。根据本发明人的研讨，上述的像形阳极腔与药型罩阴极均为其绕竖直轴旋转的必要条件，无法应用于平面阴极电铸。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能实现平面阴极微电铸工艺中阴极绕竖直轴旋转，以减少析氢、杂质吸附等带来的铸件缺陷，增加电铸液扰动效果，改善离子传质条件，且一次电铸实验过程中成型两个性能相同的铸件的双阴极竖直旋转微电铸装置。
为了解决上述技术问题，本发明提供的双阴极竖直旋转微电铸装置，包括电铸槽、电源、电机、电解阴极和电解阳极，所述的电机通过竖直旋转轴与双阴极夹具单元传动连接，所述的双阴极夹具单元安放在所述的电铸槽中；所述的双阴极夹具单元由一块上固定板、一块下固定板、两块阴极安装板、两块阴极固定板和一块阳极安装板组成，所述的竖直旋转轴与所述的上固定板上端连接，所述的阳极安装板上端竖直安装在上固定板中间部位，所述的阳极安装板下端竖直安装在所述的下固定板中间部位，所述的阳极安装板上固定安装所述的电解阳极，两块所述的阴极安装板相对于所述的阳极安装板平行安装在所述的阳极安装板的两侧，两块所述的阴极安装板上端分别与所述的上固定板连接，下端分别与所述的下固定板连接，两块电解阴极分别安装在两块所述的阴极安装板面对所述的阳极安装板的一侧且夹在所述的阴极安装板与阴极固定板中间，所述的阴极固定板与所述的阴极安装板相对固定；所述的电源的阴极和阳极分别与所述的双阴极夹具单元的所述的电解阴极和电解阳极电连接。
所述的上固定板和下固定板的外轮廓为圆柱形。
所述的阴极安装板和所述的阳极安装板均为方形。
所述的阴极固定板通过螺栓和螺母与所述的阴极安装板采用拆卸式固定连接。
所述的阴极安装板和所述的阳极安装板与上固定板和下固定板通过螺钉采用拆卸式固定连接。
所述的电铸槽为圆柱形。
所述的双阴极夹具单元的结构件即所述的上固定板、下固定板、阴极安装板、阴极固定板、阳极安装板、螺钉、螺栓和螺母均采用耐腐蚀尼龙材料加工制成。
采用上述技术方案的双阴极竖直旋转微电铸装置，电铸槽用于放置电铸液，电机提供双阴极夹具单元旋转所需的力矩，电源提供电铸电能；其优点是：
(1)实现平面电铸阴极绕竖直线旋转，使平面阴极相对于电铸液具有一定的相对速度，通过电铸液对阴极面的冲刷，降低气体、杂质等在阴极表面的吸附能力，减少铸件气孔、结瘤等缺陷。
(2)一次电铸过程可以获得两个工艺条件完全相同的电铸铸层，提高制备电铸铸件的工作效率，特别有利于需要相同工艺条件下的电铸对比实验。
(3)阴极旋转使电铸阴极表面电铸液更替作用增加，阴极表面可以不断地与离子浓度稳定的电铸液接触，压缩电铸扩散层的厚度，有效改善沉积离子传质条件。特别有利于改善微纳结构电铸过程中微纳结构凹槽内部的离子扩散环境，提高电铸复制质量。
(4)电铸过程中，阴极阳极保持相对固定，保证电场稳定。阳极与阴极同步旋转，电铸液冲刷作用带走阳极电解析出的杂质、阳极泥等，保证阳极表面电场分布稳定性。
(5)双阴极安放在阳极两侧，电铸过程中电场分布相对与单对阴阳极具有更均匀的分布效果，在一定程度上可以降低电铸边缘效应影响，得到厚度均匀性良好的铸层。
综上所述，本发明是一种能实现平面阴极微电铸工艺中阴极绕竖直轴旋转，以减少析氢、杂质吸附等带来的铸件缺陷，增加电铸液扰动效果，改善离子传质条件，且一次电铸实验过程中成型两个性能相同的铸件的双阴极竖直旋转微电铸装置。
附图说明
图1是双阴极竖直旋转微电铸装置整体结构图。
图2是双阴极夹具单元结构图。
图3是双阴极夹具单元剖视图。
其中，1-电机，2-竖直旋转轴，3-电铸槽，4-双阴极夹具单元，4a-上固定板，4b-阴极安装板，4c-阳极安装板，4d-下固定板，4e-螺钉，4f-电解阴极，4g-阴极固定板，4k-电解阳极，4m-螺栓，4n-螺母，5-电源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，双阴极竖直旋转微电铸装置包括电机1、竖直旋转轴2、电铸槽3、双阴极夹具单元4和电源5。电机1为57步进电机，通过联轴器与竖直旋转轴2连接，竖直旋转轴2前端带螺纹，与双阴极夹具单元4中上固定板4a的中心螺纹孔连接，电机旋转带动双阴极夹具单元旋转。电铸槽3为圆柱形，内部装有电铸液，双阴极夹具单元4完全浸没在电铸液中。电源5采用脉冲电源，电源阴极和阳极接口分别通过连线与双阴极夹具单元上的电解阴极4f和电解阳极4k连接。
如图2和图3所示，双阴极夹具单元4由一块上固定板4a、一块下固定板4d、两块阴极安装板4b、两块阴极固定板4g和一块阳极安装板4c组成，为了防止电铸液对夹具产生腐蚀作用，双阴极夹具单元结构件即上固定板4a、下固定板4d、阴极安装板4b、阴极固定板4g、阳极安装板4c、螺钉4e、螺栓4m和螺母4n均采用耐腐蚀尼龙材料加工制成，上固定板4a和下固定板4d为圆柱形，阴极安装板4b、阴极固定板4g和阳极安装板4c均为方形，且连接部位有螺纹孔。阳极安装板4c上端竖直安装在上固定板4a中间部位，通过螺钉4e即尼龙螺钉紧固，阳极安装板4c下端竖直安装在下固定板4d中间部位，通过螺钉4e即尼龙螺钉紧固。两块阴极安装板4b相对于阳极安装板4c安装在阳极安装板4c两侧相同距离位置，与阳极安装板4c平行，阴极安装板4b上端与上固定板4a通过螺钉4e即尼龙螺钉连接，下端与下固定板4d通过螺钉4e即尼龙螺钉连接。
阴极固定板4g通过螺栓4m和螺母4n与阴极安装板4b采用拆卸式固定连接。
阴极安装板4b和阳极安装板4c与上固定板4a和下固定板4d通过螺钉4e采用拆卸式固定连接。
双阴极竖直旋转微电铸装置试验中，阴极模芯为40X40mm的导电化纳米光栏模芯，阴极安装在阴极安装板4b预制阴极模芯安装孔上，阴极固定板4g中间有35X35mm的方形孔，阴极固定板4g的方形孔中心与模芯中心重合，通过尼龙螺栓和尼龙螺母安装在阴极安装板4b上，将电解阴极4f固定于阴极安装板4b中。电解阳极4k为50X50mm电解纯镍板，安装在阳极固定板4c中央孔中,孔的外层用钛网封闭。
双阴极竖直旋转微电铸装置的试验步骤如下：
(1)电解纯镍板即电解阳极4k放置与阳极安装板4c中央孔中，钛网将孔覆盖以固定电解阳极4k位置，将阳极安装板4c安装于上固定板4a和下固定板4d中,用螺钉4e即尼龙螺钉紧固。
(2)将电解阴极4f安装在阴极安装板4b上,确保电源阴极导线与电解阴极4f表面良好接触，安装阴极固定板4g固定阴极位置,将阴极安装板4b安装于上固定板4a和下固定板4d中,用螺钉4e即尼龙螺钉紧固。
(3)将安装完毕的双阴极夹具单元4安装到竖直旋转轴2上，将电源5的阴阳极导线与双阴极夹具单元4上的电解阴极4f和电解阳极4k连接，并置于电铸槽3中，将配置好的电铸液倒置于电铸槽3中，电铸液浸没双阴极夹具单元4。
(4)启动电机1，电机1带动竖直旋转轴2旋转，使双阴极夹具单元4绕竖直轴线以250r/min的速度旋转，通过电铸液冲刷带走电铸过程中阴极表面的气泡、杂质，并改善电铸离子的对流与扩散作用。
(5)启动电源5，前期采用小电流电铸一段时间，电流稳定后调至预定大小，电铸至厚度达到要求后，切断各项供电电源，取出电解阴极4f，经过清洗、干燥、分离即可得到两块相同工艺条件下电铸试验铸件，铸件上具有复制质量良好的纳米光栏结构。
试验结果表明：双阴极竖直旋转微电铸装置实现了一次电铸过程获得两个电铸工艺条件相同的电铸铸件，提高制备微纳结构电铸铸件的工作效率。实现了电铸过程中平面阴极绕竖直线旋转，减少了气体杂质在阴极表面的吸附，改善了电铸液中离子传质条件，提高了电场分布均匀性。试验所得的纳米光栏电铸模芯上无明显气孔、结瘤、漏镀等缺陷，微观显微结构复制质量精度高。
Claims (7)
1.一种双阴极竖直旋转微电铸装置，包括电铸槽(3)、电源(5)、电机(1)、电解阴极(4f)和电解阳极(4k)，其特征是：所述的电机(1)通过竖直旋转轴(2)与双阴极夹具单元(4)传动连接，所述的双阴极夹具单元(4)安放在所述的电铸槽(3)中；所述的双阴极夹具单元(4)由一块上固定板(4a)、一块下固定板(4d)、两块阴极安装板(4b)、两块阴极固定板(4g)和一块阳极安装板(4c)组成，所述的竖直旋转轴(2)与所述的上固定板(4a)上端连接，所述的阳极安装板(4c)上端竖直安装在上固定板(4a)中间部位，所述的阳极安装板(4c)下端竖直安装在所述的下固定板(4d)中间部位，所述的阳极安装板(4c)上固定安装所述的电解阳极(4k)，两块所述的阴极安装板(4b)相对于所述的阳极安装板(4c)平行安装在所述的阳极安装板(4c)的两侧，两块所述的阴极安装板(4b)上端分别与所述的上固定板(4a)连接，下端分别与所述的下固定板(4d)连接，两块电解阴极(4f)分别安装在两块所述的阴极安装板(4b)面对所述的阳极安装板(4c)的一侧且夹在所述的阴极安装板(4b)与阴极固定板(4g)中间，所述的阴极固定板(4g)与所述的阴极安装板(4b)相对固定；所述的电源(5)的阴极和阳极分别与所述的双阴极夹具单元(4)的所述的电解阴极(4f)和电解阳极(4k)电连接。
2.根据权利要求1所述的双阴极竖直旋转微电铸装置，其特征是：所述的上固定板(4a)和下固定板(4d)的外轮廓为圆柱形。
3.根据权利要求1或2所述的双阴极竖直旋转微电铸装置，其特征是：所述的阴极安装板(4b)和所述的阳极安装板(4c)均为方形。
4.根据权利要求1或2所述的双阴极竖直旋转微电铸装置，其特征是：所述的阴极固定板(4g)通过螺栓(4m)和螺母(4n)与所述的阴极安装板(4b)采用拆卸式固定连接。
5.根据权利要求1或2所述的双阴极竖直旋转微电铸装置，其特征是：所述的阴极安装板(4b)和所述的阳极安装板(4c)与上固定板(4a)和下固定板(4d)通过螺钉(4e)采用拆卸式固定连接。
6.根据权利要求1或2所述的双阴极竖直旋转微电铸装置，其特征是：所述的电铸槽(3)为圆柱形。
7.根据权利要求1或2所述的双阴极竖直旋转微电铸装置，其特征是：所述的双阴极夹具单元(4)的结构件即所述的上固定板(4a)、下固定板(4d)、阴极安装板(4b)、阴极固定板(4g)、阳极安装板(4c)、螺钉(4e)、螺栓(4m)和螺母(4n)均采用耐腐蚀尼龙材料加工制成。
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