CN110052678A - 一种光致变形智能电极及其电化学加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光致变形智能电极，所述光致变形智能电极由导电的光致变形材料制成。相应地，本发明还公开了一种光致变形智能电极的电化学加工方法。本发明采用导电的光致变形材料制作光致变形智能电极，可以克服几个微米大小级别高精度电极难于加工的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电极技术领域，尤其涉及一种光致变形智能电极及其电化学加工方法。
背景技术
微细加工在精密模具、航天航空、精密仪器、生物医疗等众多领域具有广泛的应用。目前发展的许多微细加工方法，如微细电火花加工、微细电化学加工、微细超声加工等，都需要使用电极来实现对微结构的加工。为了保证微细加工的尺寸和精度，对所使用的电极的尺寸、形状、位置精度和表面质量等都要严格的要求。
电极的制备有离线和在线两种方式，为了使其能与后续的微细加工工艺相匹配，通常使用在线制备。传统的在线制备方法主要有电化学溶液腐蚀法、线电极放电磨削法(WEDG)和电火花反拷块法。
“电化学溶液腐蚀法”在制备很细的电极时，电极在腐蚀过程中，由于插入腐蚀液中的电极各个部分的腐蚀速度不同，随着反应的进行，最后插入溶液中的下端会与上端分离而落下，此过程中腐蚀电流会迅速下降，必须在电流急剧下降时将电源回路迅速切断，阻止上端针尖继续腐蚀来得到尖端很细的电极，导致其加工精度控制难度较高。
“线电极放电磨削法”由于加工方法是点放电加工形式，使其加工效率不高；线电极的抖动、走丝的速度、丝的表面质量等都会给电极造成破坏,对走丝机构的制造精度和运动精度要求高,大大提高了该装置制造成本。
“电火花反拷块法”由于反拷块工作面不断被磨损，造成反拷块与工作台平面存在垂直度误差，工件电极的尺寸不容易控制，并且接触面积大，很难做到微能放电，难以得到高精度的电极。
现有的电极需要外部机械力或化学腐蚀的方法才能制作出目标尺寸，加工精度低、电极质量一般，且制备成本高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种光致变形智能电极，由导电的光致变形材料制成，所述光致变形智能电极可以成为几个微米级别的高精度电极。
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种光致变形智能电极的电化学加工方法，实现电极的在线制备，同时完成了工件的在线加工，简化了加工过程，降低了加工成本。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光致变形智能电极，所述光致变形智能电极由导电的光致变形材料制成。
作为上述方案的改进，所述光致变形智能电极由掺杂液晶的导电橡胶或含有碳纳米的液晶高分子材料制成。
作为上述方案的改进，所述光致变形智能电极由含有碳纳米管的偶氮苯的聚硅氧烷或含有碳纳米管的苯并螺吡喃衍生物的聚甲基丙烯酸甲酯制成。
相应地，本发明还提供了一种光致变形智能电极的电化学加工方法，包括以下步骤：
将电极固定在进给调节器上，对电极进行照射，使电极收缩，得到预设的尺寸和形状，所述电极由导电的光致变形材料制成；
调节电极与待加工工件的距离，并使电极与待加工工件的距离保持恒定；
将电解液通入待加工工件和电极之间的间隙；
在待加工工件与电极之间形成电场，使所述待加工工件与所述电极之间产生电化学反应，使待加工工件上与所述电极相对应的位置被溶解，以使待加工工件形成与所述电极大小和形状相对应的形状。
作为上述方案的改进，所述电极由掺杂液晶的导电橡胶或含有碳纳米的液晶高分子材料制成。
作为上述方案的改进，所述电极与待加工工件之间的距离为0.02-1mm。
作为上述方案的改进，所述电解液为NaCl电解液、NaNO3电解液或NaClO3电解液。
作为上述方案的改进，所述电解液的流速为5-10米/秒。
作为上述方案的改进，所述供电电源包括正极和负极，所述待加工工件与所述供电电源的正极电连接，所述电极与所述供电电源的负极电连接。
作为上述方案的改进，采用光照系统对电极进行照射，所述光照系统包括光源以及与光源连接的光源调节器，所述光源位于电极的一侧或几侧，所述光源对电极的侧壁进行照射。
实施本发明，具有如下有益效果：
首先，本发明采用导电的光致变形材料制作光致变形智能电极，可以克服几个微米大小级别高精度电极难于加工的问题。
其次，与现有的通过外部机械力或溶液化学腐蚀方法将电极加工至目标尺寸相比，本发明的电极在光源的激发作用下，导电光致变形材料中的光致变色基团吸收光能后，基团和分子发生可逆的分子异构化，这种变化传递给高分子链，引起分子链的构象发生变化，材料在宏观上发生变形，大大降低了电极成型加工成本，并且由于其不受外界机械力的加工误差影响，与传统机械加工而成的电极相比，本发明电极的表面质量更好。
进一步地，本发明采用含有碳纳米管的液晶高分子材料制成的电极，在紫外光照射下，偶氮苯液晶基元发生反式到顺式的光异构化，被照射一侧产生弯曲收缩的现象，在可见光照射下材料中的偶氮苯液晶基元顺式到反式，阴极电极弯曲收缩的现象恢复至原本形状。改变紫外光照射在阴极电极上的范围或调节照射的紫外线性偏振光的偏振方向来精确地控制工具阴极的变形方向，可实现同个电极加工出不同目标形状的效果。
再次，由于本发明的电极可以发生收缩变形，因此可以调节电极与待加工工件之间的距离，便于电解产物的排出，提高腐蚀加工效率。
最后，本发明的电极能够实现在线制备和加工，可以避免电极的二次装夹造成的偏心和倾斜等误差，进而提高加工精度。
附图说明
图1是本发明基于光致变形智能电极的电化学加工装置的结构示意图；
图2是电极和待加工工件的变形示意图一；
图3是电极和待加工工件的变形示意图二；
图4是电极和待加工工件的变形示意图四。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
本发明提供了一种光致变形智能电极，所述光致变形智能电极由导电的光致变形材料制成。
本发明的光致变形智能电极具有两个特性，导电性和光致变形特性。由于光致变形材料里面含有变色基团，材料吸收光之后，会发生分子异构化，引起材料整体尺寸和形状的改变。本发明采用导电的光致变形材料来制作电极，通过调节光线的波长、光照方式、光照强度和照射时间等参数，即可使电极产生光致收缩、光致弯曲或光致体积变形，从而使电极形成所需的尺寸和形状。此外，由于光致变形的过程是可逆的，电极在光致变形之后可以恢复到原本的状态，因此可以重复利用，节省成本。
优选的，所述光致变形智能电极由含有碳纳米的液晶高分子材料制成。采用含有碳纳米管的液晶高分子材料制作而成的电极在紫外光照射下，偶氮苯液晶基元发生反式到顺式的光异构化，被照射一侧产生弯曲收缩的现象，在可见光照射下材料中的偶氮苯液晶基元顺式到反式，电极弯曲收缩的现象恢复至原本形状。具体的，通过改变紫外光照射在阴极电极上的范围或调节照射的紫外线性偏振光的偏振方向来精确控制电极的变形方向，可实现同个电极加工出不同目标形状的效果。
优选的，所述光致变形智能电极由掺杂液晶的导电橡胶制成。采用掺杂液晶的导电橡胶制成的电极在紫外光照射下，可实现40％-50％的收缩率，即能将0.1mm直径的电极收缩至0.05-0.06mm。
相应地，本发明还提供了一种光致变形智能电极的电化学加工方法，包括以下步骤：
S1、将电极固定在进给调节器上，对电极进行照射，使电极收缩，得到预设的尺寸和形状，所述电极由导电的光致变形材料制成；
S2、调节电极与待加工工件的距离，并使电极与待加工工件的距离保持恒定；
S3、将电解液通入待加工工件和电极之间的间隙；
S4、在待加工工件与电极之间形成电场，使所述待加工工件与所述电极之间产生电化学反应，使待加工工件上与所述电极相对应的位置被溶解，以使待加工工件形成与所述电极大小和形状相对应的形状。
相应地，参见图1，本发明还提供了一种用于上述电化学加工方法的电化学加工装置，包括供电电源1、电解液2、与所述供电电源1电连接的待加工工件3、与所述供电电源1电连接的电极4、用于夹持电极4的进给调节器5、用于照射电极的光照系统6、以供液系统7。
所述供电电源1包括正极和负极，所述待加工工件3与所述供电电源1的负极电连接，所述电极4与所述供电电源1的正极电连接。所述供电电源1供电后，在所述待加工工件3与所述电极4之间产生电场，电解液2与所述待加工工件3发生电化学反应，溶解所述待加工工件3的表面，实现对待加工工件3的加工，实现本发明的微加工过程。
所述电极4由导电的光致变形材料制成。优选的，所述电极由掺杂液晶的导电橡胶或含有碳纳米的液晶高分子材料制成。更优的，所述电极由含有碳纳米管的偶氮苯的聚硅氧烷或含有碳纳米管的苯并螺吡喃衍生物的聚甲基丙烯酸甲酯制成。
本发明的进给调节器5不仅可以夹持所述电极4，还可以调节电极4与待加工工件3的距离，并使电极4与待加工工件3的距离保持恒定。需要说明的是，本发明的进给调节器5为现有的设备，本发明不做具体限定。
优选的，所述电极4与待加工工件3之间的距离为0.02-1mm。由于待加工工件与所述电极之间需要产生一定的电场，且电解液需要与待加工工件发生电化学反应，若电极4与待加工工件3之间的距离小于0.02，则间隙容易被溶解出来的物质堵住，容易加工；若电极4与待加工工件3之间的距离大于1mm，则影响电场的产生。需要说明的是，由于本申请的电极可以发生变形，因此会进一步增加电极4与待加工工件3之间的距离。
所述光照系统6包括光源61、与光源61连接的光源调节器62。所述光源调节器62可以调节光线的波长、光照强度和照射时间等参数。光源61的设置位置，可以调节电极的光照方式。
由于光致变形材料里面含有变色基团，材料吸收光之后，会发生分子异构化，引起材料整体尺寸和形状的改变。本发明采用导电的光致变形材料来制作电极，通过调节光线的波长、光照方式、光照强度和照射时间等参数，即可使电极产生光致收缩、光致弯曲或光致体积变形，从而使电极形成所需的尺寸和形状。此外，由于光致变形的过程是可逆的，电极在光致变形之后可以恢复到原本的状态，因此可以重复利用，节省成本。
参见图2至图4，本发明通过光源和光源调节器的相互配合，即可使电极产生光致收缩、光致弯曲或光致体积变形，从而使电极形成所需的尺寸和形状，进而通过电极加工待工工件，使待加工工件形成相应的形状。
优选的，所述光源61位于电极4的一侧或几侧，所述光源61对电极的侧壁进行照射。
本发明的供液系统7用于将电解液2通入待加工工件3和电极4之间的间隙。本发明的供液系统7包括供液泵和管道。为了配合本发明的电极，提高待加工工件的加工质量，本发明的电解液优选为NaCl电解液、NaNO3电解液或NaClO3电解液。
为了提高待加工工件的加工质量和加快加工时间，所述电解液的流速为5-10米/秒。
通电后，在所述待加工工件与所述电极之间产生电化学反应，所述待加工工件上与所述电极相对应的位置被溶解。
需要说明的是，电极和待加工工件通过自动进给调节装置保持着恒定的间隙，从而使得待加工工件能按照电极的表面形状得到有效溶解。其中，电解液从间隙中流过，以带走溶解反应中的产物和热量。由于电极和待加工工件之间的间隙只有0.02-1mm，若电解液的流速小于5米/秒，则难以带走间隙中溶解反应中的产物和热量，影响加工质量；若电解液的流速大于10米/秒，则会降低加工精度。
首先，本发明采用导电的光致变形材料制作电极，可以克服几个微米大小级别高精度电极难于加工的问题。
其次，与现有的通过外部机械力或溶液化学腐蚀方法将电极加工至目标尺寸相比，本发明的电极在光源的激发作用下，导电光致变形材料中的光致变色基团吸收光能后，基团和分子发生可逆的分子异构化，这种变化传递给高分子链，引起分子链的构象发生变化，材料在宏观上发生变形，大大降低了电极成型加工成本，并且由于其不受外界机械力的加工误差影响，与传统机械加工而成的电极相比，本发明电极的表面质量更好。
进一步地，本发明采用含有碳纳米管的液晶高分子材料制成的电极，在紫外光照射下，偶氮苯液晶基元发生反式到顺式的光异构化，被照射一侧产生弯曲收缩的现象，在可见光照射下材料中的偶氮苯液晶基元顺式到反式，阴极电极弯曲收缩的现象恢复至原本形状。改变紫外光照射在阴极电极上的范围或调节照射的紫外线性偏振光的偏振方向来精确地控制工具阴极的变形方向，可实现同个电极加工出不同目标形状的效果。
再次，由于本发明的电极可以发生收缩变形，因此可以调节电极与待加工工件之间的距离，便于电解产物的排出，提高腐蚀加工效率。
最后，本发明的电极能够实现在线制备和加工，可以避免电极的二次装夹造成的偏心和倾斜等误差，进而提高加工精度。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种光致变形智能电极，其特征在于，所述光致变形智能电极由导电的光致变形材料制成。
2.如权利要求1所述的光致变形智能电极，其特征在于，所述光致变形智能电极由掺杂液晶的导电橡胶或含有碳纳米的液晶高分子材料制成。
3.如权利要求2所述的光致变形智能电极，其特征在于，所述光致变形智能电极由含有碳纳米管的偶氮苯的聚硅氧烷或含有碳纳米管的苯并螺吡喃衍生物的聚甲基丙烯酸甲酯制成。
4.一种光致变形智能电极的电化学加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
将电极固定在进给调节器上，对电极进行照射，使电极收缩，得到预设的尺寸和形状，所述电极由导电的光致变形材料制成；
调节电极与待加工工件的距离，并使电极与待加工工件的距离保持恒定；
将电解液通入待加工工件和电极之间的间隙；
在待加工工件与电极之间形成电场，使所述待加工工件与所述电极之间产生电化学反应，使待加工工件上与所述电极相对应的位置被溶解，以使待加工工件形成与所述电极大小和形状相对应的形状。
5.如权利要求4所述的光致变形智能电极的电化学加工方法，其特征在于，所述电极由掺杂液晶的导电橡胶或含有碳纳米的液晶高分子材料制成。
6.如权利要求4所述的光致变形智能电极的电化学加工方法，其特征在于，所述电极与待加工工件之间的距离为0.02-1mm。
7.如权利要求4所述的光致变形智能电极的电化学加工方法，其特征在于，所述电解液为NaCl电解液、NaNO3电解液或NaClO3电解液。
8.如权利要求7所述的光致变形智能电极的电化学加工方法，其特征在于，所述电解液的流速为5-10米/秒。
9.如权利要求4所述的光致变形智能电极的电化学加工方法，其特征在于，所述供电电源包括正极和负极，所述待加工工件与所述供电电源的正极电连接，所述电极与所述供电电源的负极电连接。
10.如权利要求4所述的光致变形智能电极的电化学加工方法，其特征在于，采用光照系统对电极进行照射，所述光照系统包括光源以及与光源连接的光源调节器，所述光源位于电极的一侧或几侧，所述光源对电极的侧壁进行照射。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 刘钊;胡成云;陈茂林;李安虎;俞燕蕾;: "一种新型光致弯曲聚合物材料机械特性的研究", 材料开发与应用, no. 06 * |
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| Publication number | Publication date |
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