CN109676379B - 激光刻蚀电化学微增材换热功能表面的制备装置及方法 - Google Patents

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Abstract

激光刻蚀电化学微增材换热功能表面的制备装置及方法，属于电化学沉积制造技术领域，包括隔振平台、XY向滑台系统、Z向滑台系统、原子力悬臂阳极探头系统、纳米流体供给系统、纳秒激光辐照刻蚀系统、电解质溶液供给系统、电化学池、中央控制单元以及恒电位电源。本发明采用两步加工方案，第一步为电化学微增材制造三维亚微米级表面纹理，第二步为在亚微米级表面织构的前提下对其表面进行激光刻蚀，形成纳米级表面织构，最终获得具有高效率换热功能表面；利用这两种技术同时参与功能表面制备中，对于制造大体积空气容腔的功能表面具有显著优势。

Description

激光刻蚀电化学微增材换热功能表面的制备装置及方法
技术领域
本发明属于电化学沉积制造技术领域，特别是涉及到一种激光辅助电化学微增材制造功能表面制备方法。
背景技术
电化学微增材制造技术是指电解质溶液中的金属阳离子在外加电场的作用下，在阴极基底表面发生氧化还原反应，形成金属原子，金属原子相互之间形成晶格，进而促进晶体成核和晶体生长，最后在基底上形成沉积物。制备的样品无内应力且表面质量好，加工重复性高。基于以上种种优势，微细电化学增材技术逐步被广泛应用在工程应用中，特别是在航空航天工业中可以利用该技术制造很多特定要求的微小零部件以满足特定的工艺要求，相比于其他传统微细加工技术，微细电化学沉积体现出了自己独有的加工优势。相比于电沉积技术，电化学微增材制造技术，也叫做电化学微3D打印技术，是一种具有亚微米级打印精度，纳米级定位精度的高分辨率的增材制造先进技术，利用该种技术可以打印许多传统加工难以实现的异形三维亚微米级结构，具有广泛的应用前景。
激光表面刻蚀技术是指利用高亮度、方向性强、高强度的高能脉冲激光束直接作用于材料，属于宏观非接触加工，该种激光可以通过调整激光功率、加工速度、加工间距等参数，在零件表面刻蚀出规则的微纳结构，改善材料表面润湿性能。根据脉冲宽度的不同，可分为纳秒、皮秒、飞秒激光。激光加工具有无工具磨损、适用范围广、灵活性高、加工材料的热影响区小、升温迅速等优势。
激光辅助电化学微增材制造技术正是凭借激光加工与电化学加工两者优势，进而获得较为理想加工效果的一种新型功能表面的制造方法，但是现有技术中针对换热功能等功能表面制备过程中达到亚微米级宏观结构和纳米级表面结构相结合的表面难以制造，微结构的空气容腔小，自顶向下设计困难等问题，还未有解决，因此，现有技术当中亟需要一种新型的关键技术解决大体积空气容腔功能表面的制造难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种激光刻蚀电化学微增材换热功能表面的制备装置及方法，采用两步加工方案，第一步为电化学微增材制造三维亚微米级表面纹理，第二步为在亚微米级表面织构的前提下对其表面进行激光刻蚀，形成纳米级表面织构，最终获得具有高效率换热功能表面；利用这两种技术同时参与功能表面制备中，对于制造大体积空气容腔的功能表面具有显著优势。
激光刻蚀电化学微增材换热功能表面的制备装置，其特征是：包括隔振平台、XY向滑台系统、Z向滑台系统、原子力悬臂阳极探头系统、纳米流体供给系统、纳秒激光辐照刻蚀系统、电解质溶液供给系统、电化学池、中央控制单元以及恒电位电源，
所述隔振平台为长方体结构，下部设置有支座；
所述XY向滑台系统包括X向精密移动断电自锁滑台固定装置、X向精密移动断电自锁滑台移动平台、Y向精密移动断电自锁滑台固定装置以及Y向精密移动断电自锁滑台移动平台，所述X向精密移动断电自锁滑台固定装置设置在隔振平台的上部，所述X向精密移动断电自锁滑台移动平台设置在X向精密移动断电自锁滑台固定装置上部，所述Y向精密移动断电自锁滑台固定装置设置在X向精密移动断电自锁滑台移动平台上部，所述Y向精密移动断电自锁滑台移动平台设置在Y向精密移动断电自锁滑台固定装置上部；
所述Z向滑台系统包括Z向立柱精密移动断电自锁导轨固定装置以及Z向立柱精密移动断电自锁导轨移动平台，所述Z向立柱精密移动断电自锁导轨固定装置设置在隔振平台上，所述Z向立柱精密移动断电自锁导轨移动平台设置在Z向立柱精密移动断电自锁导轨固定装置上；
所述纳米流体供给系统设置有微电解质储存槽，纳米流体供给系统安装在Z向立柱精密移动断电自锁导轨移动平台上部；
所述原子力悬臂阳极探头系统包括原子力悬臂阳极悬臂、锥形的空心探针，所述原子力悬臂阳极悬臂的一端设置在纳米流体供给系统上，所述锥形的空心探针设置在原子力悬臂阳极悬臂的另一端上；
所述纳秒激光辐照刻蚀系统包括纳秒激光头旋转装置、纳秒激光头摇臂、光纤纳秒激光器、纳秒激光头旋转固定装置、纳秒激光头，所述纳秒激光头旋转固定装置设置在隔振平台上，所述纳秒激光头旋转装置设置在纳秒激光头旋转固定装置上，所述纳秒激光头摇臂的一端设置在纳秒激光头旋转装置的顶部，所述纳秒激光头摇臂的另一端设置有光纤纳秒激光器，所述光纤纳秒激光器的下部设置有纳秒激光头；
所述电化学池设置在Y向精密移动断电自锁滑台移动平台上部，内部填充有H2SO4溶液，所述电解质溶液供给系统与电化学池连接；
所述中央控制单元和恒电位电源均设置在隔振平台上。
所述X向精密移动断电自锁滑台固定装置、X向精密移动断电自锁滑台移动平台、Y向精密移动断电自锁滑台固定装置以及Y向精密移动断电自锁滑台移动平台内部均设置有压电陶瓷精密移动部件，进行微米级移动和定位。
所述锥形的空心探针尖端的孔是由聚焦离子束钻孔而成的，可以喷射出导电电解质溶液，形成阳极，施加电动势，形成电势差，趋势金属离子电迁移，在阴极表面形成电沉积固化物。
所述中央控制单元内部设置有加工程序，与XY向滑台系统、Z向滑台系统、原子力悬臂阳极探头系统、纳米流体供给系统、纳秒激光辐照刻蚀系统以及电解质溶液供给系统通过数据线或无线通信连接，控制加工时间和加工顺序。
激光刻蚀电化学微增材换热功能表面的制备方法，其特征是：应用所述的激光刻蚀电化学微增材换热功能表面的制备装置，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
步骤一：将阴极基板用丙酮清洗表面，放在超声波清洗机中浸酒精清洗20分钟，取出干燥后放在电化学池底部安装固定。
步骤二：向电解质溶液供给系统中添加充足的H2SO4溶液，保证整体电解质溶液的正常循环；向纳米流体供给系统中添加足量的CuSO4溶液，保证纳米流体供给系统正常工作。
步骤三：清洗原子力悬臂阳极探头系统的锥形的空心探针，防止堵塞；
步骤四：利用恒电位电源给电化学池通电，纳米流体供给系统先不供给溶液，离线监测电流电压值20分钟；
步骤五：经过所述步骤四的电流电压监测后，利用恒电位电源给电化学池通电，纳米流体供给系统供给溶液，按照中央控制单元内预编制的程序打印三维微结构表面；
步骤六：所述步骤五的三维微结构表面打印完毕，将电化学池中的电解质溶液全部抽出到电解质溶液供给槽中，阴极基板表面清洗干燥后备用；
步骤七：采用纳秒激光辐照刻蚀系统对所述步骤六获得的表面清洗干燥后的阴极基板表面进行逐行辐照刻蚀；至此激光刻蚀电化学微增材制造功能表面制作完毕。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：激光刻蚀电化学微增材换热功能表面的制备装置及方法，首先，利用电化学微增材制造技术加工出微尺度的平顶微螺旋结构和倒置微金字塔结构；然后利用激光辐照刻蚀亚微米尺度构造形成的新的表面，得到具有高效率的换热功能表面；
本发明的进一步有益效果在于：
1、利用电化学微增材制造手段可以自顶向下的制造三维亚微米表面结构；
2、该方法对于制造大体积空气容腔的功能表面具有显著优势；
3、在线一次完成亚微米结构和纳米表面组合的功能表面制作。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为本发明激光刻蚀电化学微增材换热功能表面的制备装置正等轴侧示意图。
图2为本发明激光刻蚀电化学微增材换热功能表面的制备装置左视示意图。
图3为本发明激光刻蚀电化学微增材换热功能表面的制备装置制造倒金字塔结构表面加工路径示意图。
图4为本发明激光刻蚀电化学微增材换热功能表面的制备装置制造螺旋托底结构表面加工路径示意图。
图中，1-隔振平台、201-X向精密移动断电自锁滑台固定装置、202-X向精密移动断电自锁滑台移动平台、203-Y向精密移动断电自锁滑台固定装置、204-Y向精密移动断电自锁滑台移动平台、301-Z向立柱精密移动断电自锁导轨固定装置、302-Z向立柱精密移动断电自锁导轨移动平台、303-纳米流体供给系统、304-原子力悬臂阳极悬臂、305-锥形的空心探针、4-阴极基板、501-纳秒激光头旋转装置、502-纳秒激光头摇臂、503-光纤纳秒激光器、504-纳秒激光头旋转固定装置、505-纳秒激光头、601-电解质溶液供给系统、602-电化学池、7-中央控制单元、8-恒电位电源。
具体实施方式
激光刻蚀电化学微增材换热功能表面的制备装置，如图1和图2所示，包括隔振平台1、XY向滑台系统、Z向滑台系统、原子力悬臂阳极探头系统、纳米流体供给系统303、纳秒激光辐照刻蚀系统、电解质溶液供给系统601、电化学池602、中央控制单元7以及恒电位电源8，
所述隔振平台1为长方体结构，下部设置有支座；
所述XY向滑台系统包括X向精密移动断电自锁滑台固定装置201、X向精密移动断电自锁滑台移动平台202、Y向精密移动断电自锁滑台固定装置203以及Y向精密移动断电自锁滑台移动平台204，所述X向精密移动断电自锁滑台固定装置201设置在隔振平台1的上部，所述X向精密移动断电自锁滑台移动平台202设置在X向精密移动断电自锁滑台固定装置201上部，所述Y向精密移动断电自锁滑台固定装置203设置在X向精密移动断电自锁滑台移动平台202上部，所述Y向精密移动断电自锁滑台移动平台204设置在Y向精密移动断电自锁滑台固定装置203上部；XY向滑台系统主要负责电化学池602在XY平面内的精密移动，内部有压电陶瓷精密移动部件，进行微米级移动和定位。
所述Z向滑台系统包括Z向立柱精密移动断电自锁导轨固定装置301以及Z向立柱精密移动断电自锁导轨移动平台302，所述Z向立柱精密移动断电自锁导轨固定装置301设置在隔振平台1上，所述Z向立柱精密移动断电自锁导轨移动平台302设置在Z向立柱精密移动断电自锁导轨固定装置301上；Z向滑台系统是原子力显微镜的支撑部分，可以进行Z向的宏观运动，起到整体调节原子力显微镜高度的作用。
所述纳米流体供给系统303设置有微电解质储存槽，纳米流体供给系统303安装在Z向立柱精密移动断电自锁导轨移动平台302上部；通过钻削的原子力显微镜探针架，将原子力悬臂阳极悬臂304中的微通道连接到外部的流体电路上，并与压力控制器连接，输出压力控制精度小于2.5％。将定量进行沉积，把不需要的液体回抽回微电解液储存槽。
所述原子力悬臂阳极探头系统包括原子力悬臂阳极悬臂304、锥形的空心探针305，所述原子力悬臂阳极悬臂304的一端设置在纳米流体供给系统303上，所述锥形的空心探针305设置在原子力悬臂阳极悬臂304的另一端上；锥形的空心探针305尖端的孔是由聚焦离子束钻孔而成的，可以喷射出导电电解质溶液，形成阳极，施加电动势，形成电势差，趋势金属离子电迁移，在阴极基板4表面形成电沉积固化物；根据MATLAB提供的数据程序，打印不同形状的三维物体。电化学沉积时将三维形状自动拆分成微体元，在打印同一层的体元时，系统会先打印其中一个，然后打印一个体元的高度之后，会打印同一层的下一个结构的体元。
所述纳秒激光辐照刻蚀系统包括纳秒激光头旋转装置501、纳秒激光头摇臂502、光纤纳秒激光器503、纳秒激光头旋转固定装置504、纳秒激光头505，所述纳秒激光头旋转固定装置504设置在隔振平台1上，所述纳秒激光头旋转装置501设置在纳秒激光头旋转固定装置504上，所述纳秒激光头摇臂502的一端设置在纳秒激光头旋转装置501的顶部，所述纳秒激光头摇臂502的另一端设置有光纤纳秒激光器503，所述光纤纳秒激光器503的下部设置有纳秒激光头505；纳秒激光辐照刻蚀系统为增材制造之后表面进行激光刻蚀，在电化学微增材制造亚微米结构的基础之上刻蚀出纳米尺度的结构，完成功能表面制造的最后一环。
所述电化学池602设置在Y向精密移动断电自锁滑台移动平台204上部，内部填充有H2SO4溶液，所述电解质溶液供给系统601与电化学池602连接，电解质溶液在沉积过程中，经过传质，对流和电迁移会引起电解质溶液内部是不均匀的，通过不断补充新的电解质溶液使电化学微增材制造过程中，由于电解质溶液不均匀引起的误差降到最低。
所述中央控制单元7和恒电位电源8均设置在隔振平台1上。所述中央控制单元7，是电化学沉积过程中的中枢，控制每一步工作的先后顺序，保证每一步的加工和工作时间，安排下一步实验工作的进行；所述恒电位电源8，恒电位电源为工作电极，对电极和参比电极提供相同的电压值。为电化学沉积过程的顺利提供保障。
激光刻蚀电化学微增材换热功能表面的制备方法，应用所述的激光刻蚀电化学微增材换热功能表面的制备装置，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
步骤一：将阴极基板4用丙酮清洗表面，放在超声波清洗机中浸酒精清洗20分钟，取出干燥后放在电化学池602底部安装固定。
步骤二：向电解质溶液供给系统601中添加充足的H2SO4溶液，保证整体电解质溶液的正常循环；向纳米流体供给系统303中添加足量的CuSO4溶液，保证纳米流体供给系统303正常工作。
步骤三：清洗原子力悬臂阳极探头系统的锥形的空心探针305，防止堵塞；
步骤四：利用恒电位电源8给电化学池602通电，纳米流体供给系统303先不供给溶液，离线监测电流电压值20分钟，观察是否在规定范围内。
步骤五：经过所述步骤四的电流电压监测后，利用恒电位电源8给电化学池602通电，纳米流体供给系统303供给溶液，按照中央控制单元7内预编制的程序打印三维微结构表面。
步骤六：所述步骤五的三维微结构表面打印完毕，将电化学池602中的电解质溶液全部抽出到电解质溶液供给槽中，阴极基板4表面清洗干燥后备用。
步骤七：采用纳秒激光辐照刻蚀系统对所述步骤六获得的表面清洗干燥后的阴极基板4表面进行逐行辐照刻蚀，如图3和图4所示，其中箭头方向为激光刻蚀加工路径。至此激光刻蚀电化学微增材制造功能表面制作完毕。

Claims (5)

1.激光刻蚀电化学微增材换热功能表面的制备装置，其特征是：包括隔振平台(1)、XY向滑台系统、Z向滑台系统、原子力悬臂阳极探头系统、纳米流体供给系统(303)、纳秒激光辐照刻蚀系统、电解质溶液供给系统(601)、电化学池(602)、中央控制单元(7)以及恒电位电源(8)，
所述隔振平台(1)为长方体结构，下部设置有支座；
所述XY向滑台系统包括X向精密移动断电自锁滑台固定装置(201)、X向精密移动断电自锁滑台移动平台(202)、Y向精密移动断电自锁滑台固定装置(203)以及Y向精密移动断电自锁滑台移动平台(204)，所述X向精密移动断电自锁滑台固定装置(201)设置在隔振平台(1)的上部，所述X向精密移动断电自锁滑台移动平台(202)设置在X向精密移动断电自锁滑台固定装置(201)上部，所述Y向精密移动断电自锁滑台固定装置(203)设置在X向精密移动断电自锁滑台移动平台(202)上部，所述Y向精密移动断电自锁滑台移动平台(204)设置在Y向精密移动断电自锁滑台固定装置(203)上部；
所述Z向滑台系统包括Z向立柱精密移动断电自锁导轨固定装置(301)以及Z向立柱精密移动断电自锁导轨移动平台(302)，所述Z向立柱精密移动断电自锁导轨固定装置(301)设置在隔振平台(1)上，所述Z向立柱精密移动断电自锁导轨移动平台(302)设置在Z向立柱精密移动断电自锁导轨固定装置(301)上；
所述纳米流体供给系统(303)设置有微电解质储存槽，纳米流体供给系统(303)安装在Z向立柱精密移动断电自锁导轨移动平台(302)上部；
所述原子力悬臂阳极探头系统包括原子力悬臂阳极悬臂(304)、锥形的空心探针(305)，所述原子力悬臂阳极悬臂(304)的一端设置在纳米流体供给系统(303)上，所述锥形的空心探针(305)设置在原子力悬臂阳极悬臂(304)的另一端上；
所述纳秒激光辐照刻蚀系统包括纳秒激光头旋转装置(501)、纳秒激光头摇臂(502)、光纤纳秒激光器(503)、纳秒激光头旋转固定装置(504)、纳秒激光头(505)，所述纳秒激光头旋转固定装置(504)设置在隔振平台(1)上，所述纳秒激光头旋转装置(501)设置在纳秒激光头旋转固定装置(504)上，所述纳秒激光头摇臂(502)的一端设置在纳秒激光头旋转装置(501)的顶部，所述纳秒激光头摇臂(502)的另一端设置有光纤纳秒激光器(503)，所述光纤纳秒激光器(503)的下部设置有纳秒激光头(505)；
所述电化学池(602)设置在Y向精密移动断电自锁滑台移动平台(204)上部，内部填充有H2SO4溶液，所述电解质溶液供给系统(601)与电化学池(602)连接；
所述中央控制单元(7)和恒电位电源(8)均设置在隔振平台(1)上。
2.根据权利要求1所述的激光刻蚀电化学微增材换热功能表面的制备装置，其特征是：所述X向精密移动断电自锁滑台固定装置(201)、X向精密移动断电自锁滑台移动平台(202)、Y向精密移动断电自锁滑台固定装置(203)以及Y向精密移动断电自锁滑台移动平台(204)内部均设置有压电陶瓷精密移动部件，进行微米级移动和定位。
3.根据权利要求1所述的激光刻蚀电化学微增材换热功能表面的制备装置，其特征是：所述锥形的空心探针(305)尖端的孔是由聚焦离子束钻孔而成的，可以喷射出导电电解质溶液，形成阳极，施加电动势，形成电势差，趋势金属离子电迁移，在阴极表面形成电沉积固化物。
4.根据权利要求1所述的激光刻蚀电化学微增材换热功能表面的制备装置，其特征是：所述中央控制单元(7)内部设置有加工程序，与XY向滑台系统、Z向滑台系统、原子力悬臂阳极探头系统、纳米流体供给系统(303)、纳秒激光辐照刻蚀系统以及电解质溶液供给系统(601)通过数据线或无线通信连接，控制加工时间和加工顺序。
5.激光刻蚀电化学微增材换热功能表面的制备方法，其特征是：应用权利要求1所述的激光刻蚀电化学微增材换热功能表面的制备装置，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
步骤一：将阴极基板(4)用丙酮清洗表面，放在超声波清洗机中浸酒精清洗20分钟，取出干燥后放在电化学池(602)底部安装固定；
步骤二：向电解质溶液供给系统(601)中添加充足的H2SO4溶液，保证整体电解质溶液的正常循环；向纳米流体供给系统(303)中添加足量的CuSO4溶液，保证纳米流体供给系统(303)正常工作；
步骤三：清洗原子力悬臂阳极探头系统的锥形的空心探针(305)，防止堵塞；
步骤四：利用恒电位电源(8)给电化学池(602)通电，纳米流体供给系统(303)先不供给溶液，离线监测电流电压值20分钟；
步骤五：经过所述步骤四的电流电压监测后，利用恒电位电源(8)给电化学池(602)通电，纳米流体供给系统(303)供给溶液，按照中央控制单元(7)内预编制的程序打印三维微结构表面；
步骤六：所述步骤五的三维微结构表面打印完毕，将电化学池(602)中的电解质溶液全部抽出到电解质溶液供给槽中，阴极基板(4)表面清洗干燥后备用；
步骤七：采用纳秒激光辐照刻蚀系统对所述步骤六获得的表面清洗干燥后的阴极基板(4)表面进行逐行辐照刻蚀；至此激光刻蚀电化学微增材制造功能表面制作完毕。
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