CN108274083A - 一种电解加工表面微织构的方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电解加工表面微织构的方法，其特征在于，所述方法包含工具阴极、电解加工电源、电解液、激光光束发生器；所述工具阴极包含光导电层和透明导电层。该方法利用光导电层和透明导电层组成的工具阴极实现表面微织构的电解加工，具有表面微织构轮廓实时可控，无需涂胶、光刻、曝光等复杂过程，针对不同表面微织构加工无需更换工具阴极，可对任意曲面工件表面加工微织构等优点。

Description

一种电解加工表面微织构的方法

技术领域

本申请涉及一种基于可编程柔性模板的表面微织构微细电解加工技术，属于精密、微细特种加工领域。

背景技术

表面织构技术是指通过一定的加工方法将平整的零件表面加工为具有一定几何形状、尺寸和分布的凹坑、凹痕和凸起等非光滑表面，从而达到改变零件表面性能的一项技术。具有微/纳尺度的表面织构，尤其是金属表面的微织构在摩擦学、热能交换、生物医学等领域具有重要的作用。

目前表面微织构的加工技术包括机械振动加工技术、激光加工技术、电火花加工技术、磨粒气射流加工技术和电解加工技术等。基于加工效率要求，目前表面微织构加工主要利用光刻微细电解加工技术(Photoetching Electrochemical MicroMachining，PEMM)实现。PEMM又被称为照相电解，是一种高效的表面织构加工方法，可一次性加工出大面积表面微结构矩阵。PEMM技术采用光刻技术将光刻胶涂在工件表面，经过曝光、显影，在工件表面形成具有一定图案的模板，然后在电解加工过程中裸露的金属被溶解，从而在工件表面形成所需形状的表面织构。PEMM加工技术中具有一定图案的掩膜板的制备是表面微织构加工的前提。目前，采用光刻胶制备的掩膜板经曝光、显影后形成特定的图案，只能适应当前的加工表面，如需加工其他工件表面或其他轮廓的微织构，需要重新涂胶、光刻、显影等步骤，缺乏一定的柔性。此外，光刻机的成本相对加高，需在超净间操作，对加工环境和操作者的熟练程度的条件要求较高。

近年来，英国纽卡斯尔大学等(I.,Roy S.,ElectrochimicaActa,51,809-819(2005))提出了电解转印技术，将表面带有镂空图案的工具阴极与工件阳极被加工表面保持一定的加工间隙，电解液通过加工间隙，接通电源后在工件表面加工出特定轮廓的微结构。电解转印中工件阳极表面在电解加工前无需经过光刻处理，与传统的掩模电解加工表面织构相比，降低了加工成本。但是，电解转印技术仍然需要制备具有特定镂空图案的工具阴极，针对特定轮廓表面的微织构加工需定制具有相对镂空结构的工具阴极，加工柔性不足。而且目前多采用光刻胶制备镂空图案，仍然需要涂胶、曝光、显影等准备工作，加工效率较低。

综上，PEMM和电解转印技术需要光刻等过程制备具有特定图案的掩膜板或镂空结构工具阴极，准备时间长，加工成本高，对操作环境要求高，针对特定轮廓表面微织构的加工只能采用特定轮廓的定制掩膜板或工具阴极，加工柔性不足，准备周期长。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种电解加工表面微织构的方法，该方法利用光导电层和透明导电层组成的工具阴极实现表面微织构的电解加工，具有表面微织构轮廓实时可控，无需涂胶、光刻、曝光等复杂过程，针对不同表面微织构加工无需更换工具阴极，可对任意曲面工件表面加工微织构等优点。

所述电解加工表面微织构的方法，其特征在于，所述方法包含工具阴极、电解加工电源、激光光束发生器；

所述工具阴极包含光导电层和透明导电层。

可选地，作为一种优选的具体实施方式，所述方法还包括电解液，加工过程至少包括以下步骤：

a1)将工具阴极和工件表面保持初始加工间隙d；

所述工具阴极与工件表面之间的加工间隙d为0.01～0.1mm；

b1)电解液从侧面进入并充满加工间隙；

c1)激光光束通过扫描振镜，通过透光导电层在光导电层表面扫描设定的轮廓；

所述步骤b1)和步骤c1)可互换顺序；

d1)电解加工电源正极与工件连接，负极与工具阴极中的透明导电层连接，导电层导电部分端面对应的工件表面材料被电解蚀除，实现微细电解加工，得到表面微织构。

可选地，作为一种优选的具体实施方式，所述方法还包括电铸液，加工过程至少包括以下步骤：

a2)将工具阴极和工件表面保持初始加工间隙d；

所述工具阴极与工件表面之间的加工间隙d为0.01～0.1mm；

b2)电铸液从侧面进入并充满加工间隙；

c2)激光光束通过扫描振镜，通过透光导电层在光导电层表面扫描设定的轮廓；

所述步骤b2)和步骤c2)可互换顺序；

d2)电解加工电源为电解沉积电源，其负极与工件连接，正极与工具阴极中的透明导电层连接，导电层导电部分端面对应的工件表面材料被电解沉积，实现表面微细三维结构的增材制造。

可选地，所述工具阴极的外形选自平板、弧形或任意曲率。

可选地，所述光导电层的材料选自光导电高分子材料；所述透明导电层是包括氧化铟锡材料的薄层；

本申请中，光导电高分子材料是在无光照时为绝缘体，而在有光照时其导电率可以增加几个数量级为变为导体的光控制导体的材料。光导电高分子材料导电机理是：在光的激发下，材料内部的载流子密度迅速增加，从而使导电率大幅度增加。

本申请中，氧化铟锡(ITO)材料对可见光范围内的光线几乎没有吸收，透光性好，透光率90％以上，而且其导电率接近于金属材料。

可选地，所述透明导电层和光导电层的结合方法为机械连接或粘接；

可选地，所述光导电高分子材料选自聚乙烯咔唑结构的光导聚合物、酞菁类小分子有机化合物；

可选地，所述光导电高分子材料选自聚乙烯咔唑-硝基芴铜体系光导电高分子材料。

可选地，所述光导电层设计为包含大量相互隔离的微单元矩阵；所述微单元的尺度选自微米尺度、亚微米尺度或纳米尺度。

可选地，所述电解加工电源选自直流电源或高频脉冲电源中的一种。

可选地，所述电解液选自酸性电解液、中性盐溶液中的至少一种；

可选地，所述酸性电解液选自低浓度硫酸溶液或盐酸溶液中的至少一种；

可选地，所述中性盐溶液选自硝酸钠溶液、氯化钠溶液、硫酸钠溶液中的至少一种。

可选地，所述激光光束发生器选自固体激光器、气体激光器或半导体激光器中的一种；所述激光光束发生器通过计算机控制激光光束的重复频率、能量参数。

可选地，所述激光光束通过扫描振镜和平场聚焦透镜在工具阴极表面扫描；所述激光光束通过计算机控制扫描速率、重叠率和扫描方式。

可选地，所述方法是基于激光扫描柔性模板的表面微织构微细电解加工方法。

本申请能产生的有益效果至少包括：

1)本申请所提供的方法，利用激光扫描可实现对光导电层导电部分轮廓精确控制，即利用激光振镜扫描等方式控制工具阴极端面轮廓，进而利用电解加工加工出与工具阴极端面相对的表面微织构。

2)本申请所提供的方法，利用上述工具阴极中光导电层不导电部分起到侧面绝缘的作用，有利于提高微细电解加工表面微织构的精度，减小杂散腐蚀对微细电解加工精度的影响。

3)本申请所提供的方法，利用上述工具阴极，可实现针对不同工件表面、不同轮廓的表面微织构的加工，且无需更换不同阴极，只需通过更改激光扫描轮廓即可实现不同工件表面和不同形式表面微织构的加工。

4)本申请所提供的方法，上述工具阴极不仅可加工成平板形式，还可以加工成曲面、弧形等其他形式，加工适应性较好。

5)本申请所提供的方法，相比于目前广泛使用的光刻微细电解加工技术，所提出的基于激光扫描柔性模板的电解加工表面微织构方法，无需涂胶、曝光、显影等过程，加工过程大大简化，加工成本减低。

附图说明

图1为基于激光扫描柔性模板的电解加工表面微织构过程示意图。

图2为基于激光扫描柔性模板的电解加工表面微织构加工装置示意图。

图3为基于激光扫描柔性模板的电解加工弧形工件表面微织构示意图。

图4为包含大量相互隔离的微单元矩阵的光导电层示意图。

图5为通过激光扫描在包含大量相互隔离的微单元矩阵的光导电层得到的“正”字形轮廓。

图6为利用激光扫描柔性模板的表面微细三维结构的增材制造方法原理图。

部件和附图标记如下：

1、透明导电层；2、光导电层；3、工件；4、电解液；5、电解液流入方向；6、电解液流入方向；7、电解加工电源；8、开关；9、激光光束；10、扩束镜；11、伺服电机X；12、反射镜X；13、伺服电机Y；14、反射镜Y；15、平场聚焦透镜；16、激光扫描轮廓；17、光导电层导电区域；18、微细电解加工微织构轮廓；19、曲面工件；20、曲面透明导电层；21、曲面光导电层；22、曲面工件表面加工微织构；23、矩阵式光导电层；24、矩阵式光导电层激光扫描轮廓；25、电铸液；26、微细结构。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

实施例1

通过图1、图2说明基于激光扫描柔性模板的电解加工表面微织构原理。

如图1所示，基于激光扫描柔性模板的电解加工表面微织构过程包括以下步骤：

(1)工具阴极有透明导电层1和光导电层2，光导电层的材料为聚乙烯咔唑结构的光导聚合物，透明导电层是包括氧化铟锡材料的薄层；光导电层设计为包含大量相互隔离的微米尺度的微单元矩阵；将透明导电层1和光导电层2通过粘接方式连接为一体，表面微织构加工过程中，工具阴极和工件3表面保持初始加工间隙d＝0.01mm；

(2)激光光束9透过透明导电层1在光导电层2上依据光导电层导电区域17的轮廓扫描出特定的导电轮廓；

(3)酸性电解液4由侧面进入加工间隙，电解液为低浓度硫酸溶液；

(4)透明导电层1和工件3分别与电解加工电源7的负极和正极连接。当接通电源后，在光导电层导电区域17对应部分电解刻蚀去除材料得到表面微织构18。

图2是基于激光扫描柔性模板的电解加工表面微织构加工装置示意图。激光光束9通过扩束镜10进入扫描振镜，其中扫描振镜由伺服电机X11、反射镜X12、伺服电机Y13、反射镜Y14组成。进过控制伺服电机X和伺服电机Y控制激光光束的扫描轮廓。激光光束9通过扫描振镜后通过平面聚焦聚焦于光导电层2表面。

实施例2

如图1所示，基于激光扫描柔性模板的电解加工表面微织构过程包括以下步骤：

(1)工具阴极有透明导电层1和光导电层2，光导电层的材料为酞菁类小分子有机化合物，透明导电层是包括氧化铟锡材料的薄层；光导电层设计为包含大量相互隔离的纳米尺度的微单元矩阵；将透明导电层1和光导电层2通过机械方式连接为一体，表面微织构加工过程中，工具阴极和工件3表面保持初始加工间隙d＝0.1mm；

(2)激光光束9透过透明导电层1在光导电层2上依据光导电层导电区域17的轮廓扫描出特定的导电轮廓；

(3)中性盐电解液4由侧面进入加工间隙，中性盐溶液为硝酸钠溶液；

(4)透明导电层1和工件3分别与电解加工电源7的负极和正极连接。当接通电源后，在光导电层导电区域17对应部分电解刻蚀去除材料得到表面微织构18。

实施例3

基于激光扫描柔性模板的电解加工表面微织构过程与实施例1保持一致，仅将酸性电解液替换为盐酸溶液。

实施例4

基于激光扫描柔性模板的电解加工表面微织构过程与实施例2保持一致，仅将中性电解液替换为氯化钠溶液。

实施例5

基于激光扫描柔性模板的电解加工表面微织构过程与实施例2保持一致，仅将中性电解液替换为盐酸溶液和硫酸钠溶液的混合溶液。

实施例6

图3是基于激光扫描柔性模板的电解加工弧形工件表面微织构示意图，利用该发明可实现任意曲面、弧面表面微织构22的加工，相应的，工具阴极可设计为相应形状轮廓，工具阴极包括曲面透明导电层20和曲面光导电层21。

实施例7

通过图4和图5说明利用矩阵式光导电层进行表面微织构加工原理，其中图4是包含大量相互隔离的微单元矩阵的光导电层示意图。光导电层设计为包含大量相互隔离的微米尺度、亚微米尺度或纳米尺度微单元矩阵，通过减小微单元的尺寸，可提高光导电层导电区域的控制精度。利用矩阵式光导电层，只有激光扫描过的矩阵单元是导电的，而未经过扫描的区域是不导电的。通过控制激光扫描轮廓，可得到相对应轮廓的导电轮廓。图5是通过激光扫描在包含大量相互隔离的微单元矩阵的光导电层得到的“正”字形轮廓。

实施例8

当工件和工具阴极中的透明导电层分别与电解沉积电源的负极和正极连接，加工间隙中的电解液更换为电铸液，则可以实现表面微细三维结构的增材制造。图6所示为利用激光扫描柔性模板的表面微细三维结构的增材制造方法原理图。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种电解加工表面微织构的方法，其特征在于，所述方法包含工具阴极、电解加工电源、激光光束发生器；

所述工具阴极包含光导电层和透明导电层。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括电解液，加工过程至少包括以下步骤：

a1)将工具阴极和工件表面保持初始加工间隙d；所述工具阴极与工件表面之间的加工间隙d为0.01～0.1mm；

优选地，所述工具阴极的外形选自平板、弧形或任意曲率；

b1)电解液从侧面进入并充满加工间隙；

c1)激光光束通过扫描振镜，通过透光导电层在光导电层表面扫描设定的轮廓；

所述步骤b1)和步骤c1)可互换顺序；

d1)电解加工电源正极与工件连接，负极与工具阴极中的透明导电层连接，导电层导电部分端面对应的工件表面材料被电解蚀除，实现微细电解加工，得到表面微织构。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括电铸液，加工过程至少包括以下步骤：

a2)将工具阴极和工件表面保持初始加工间隙d；所述工具阴极与工件表面之间的加工间隙d为0.01～0.1mm；

优选地，所述工具阴极的外形选自平板、弧形或任意曲率；

b2)电铸液从侧面进入并充满加工间隙；

c2)激光光束通过扫描振镜，通过透光导电层在光导电层表面扫描设定的轮廓；

所述步骤b2)和步骤c2)可互换顺序；

d2)电解加工电源为电解沉积电源，其负极与工件连接，正极与工具阴极中的透明导电层连接，导电层导电部分端面对应的工件表面材料被电解沉积，实现表面微细三维结构的增材制造。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光导电层的材料选自光导电高分子材料；所述透明导电层是包括氧化铟锡材料的薄层；

优选地，所述透明导电层和光导电层的结合方法为机械连接或粘接；

优选地，所述光导电高分子材料选自聚乙烯咔唑结构的光导聚合物、酞菁类小分子有机化合物；

优选地，所述光导电高分子材料选自聚乙烯咔唑-硝基芴铜体系光导电高分子材料。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光导电层设计为包含大量相互隔离的微单元矩阵；所述微单元的尺度选自微米尺度、亚微米尺度或纳米尺度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电解加工电源选自直流电源或高频脉冲电源中的一种。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电解液选自酸性电解液、中性盐溶液中的至少一种；

优选地，所述酸性电解液选自低浓度硫酸溶液或盐酸溶液中的至少一种；

优选地，所述中性盐溶液选自硝酸钠溶液、氯化钠溶液、硫酸钠溶液中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光光束发生器选自固体激光器、气体激光器或半导体激光器中的一种；

所述激光光束发生器通过计算机控制激光光束的重复频率、能量参数。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光光束通过扫描振镜和平场聚焦透镜在工具阴极表面扫描；

所述激光光束通过计算机控制扫描速率、重叠率和扫描方式。

10.权利要求1至9任一项所述的方法，其特征在于，所述方法是基于激光扫描柔性模板的表面微织构微细电解加工方法。