CN110230078A - 约束电场动态调控电化学微增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种约束电场动态调控电化学微增材制造方法。其特征在于，在微结构沉积生长的不同阶段，通过调节、控制沉积层表面电流密度分布，提高微结构成形精度和表面质量。具体应用方法为：借助带有辅助电极的双电位工具电极，在生长初始阶段，通过电子负载（具有自动调节内部电阻，实现稳定的电压降功能）设置辅助电极电位低于阴极电位（），来缩小阴极表面沉积电流作用区域，控制微结构初始段尺寸；在稳定生长阶段，通过电子负载设置辅助电极电位在阳极电位附近浮动（），可微调沉积层表面电流密度分布，提高沉积层表面平整度。

Description

约束电场动态调控电化学微增材制造方法
技术领域
本发明的一种约束电场动态调控电化学微增材制造方法，属于精密电沉积加工技术领域。
背景技术
电化学微增材制造，依据电化学阴极沉积原理，在电场牵引、诱导下阳离子发生还原反应生成原子，以近似原子单位的量级逐层堆积形成微结构，理论上可制造出纳米特征尺寸尺度的任意形状微结构器件。该方法避免了高能束金属增材制造存在的受粉末粒度限制、残余应力、热损伤等问题；具有适用材料广泛、组织-形貌-性能可控、应用形式灵活等特点，是极具优势的微增材制造方法。此外，研究表明：电化学沉积的纳米金属材料相比传统材料，表现出超顺磁性、巨磁阻等新的电、磁、光、热特性。
至今，已有数种面向金属基三维微结构与零件制造的电沉积技术被开发出来，主要有掩膜电沉积(through-mask electroplating)，即膜沉积(instantmasking,IM)， EFAB(electrochemical fabrication)，局域生长电沉积(localized electrodeposition,LECD)，月牙形电解液约束三维电沉积成形(meniscus-confined 3D electrodeposition,MCED)等。目前，三维电沉积技术可以实现三维微型结构的成形，但是，在微结构尺寸一致性、表面质量等方面距应用还有一定的距离。具体表现在：在实际电沉积过程中，由于低电流密度杂散电场的作用，实际发生电沉积的区域大于理想生长区域，并且电流密度差异使得材料沉积速度不同，表面粗糙、平整度差。
发明内容
本发明中一种能够提高微结构成形精度和表面质量的约束电场动态调控电化学微增材制造方法。
本发明中一种约束电场动态调控电化学微增材制造方法。其特征在于：在微结构沉积初始生长阶段和稳定生长阶段，借助双电位工具电极，通过调节辅助电极和阴极之间的电位差，调整和控制沉积层表面电流密度。
在微结构沉积初始生长阶段，通过电子负载设置辅助电极电位低于阴极电位(ΔU1＝0.1～1V)，实现缩小阴极表面沉积电流作用区域，从而控制微结构初始段尺寸。
在微结构沉积稳定生长阶段，辅助电极的电位随沉积层表面高度、电流分布及与阳极的相对位置实时调整，通过电子负载实现辅助电极的电位与阳极电位之间电位差在ΔU2＝-0.5～0.5V变化：沉积层表面呈上凸状时，电位差在0～0.5V 变化，电位差随沉积层表面凸起趋势的增大而增大；沉积层表面呈下凹状时，电位差在-0.5～0V变化，电位差随沉积层表面凹陷趋势的增大而减小。实现微调沉积层表面电流密度分布，提高沉积层表面平整度。
本发明中的双电位工具电极由阳极、辅助电极和绝缘层构成。在电沉积过程中，阳极接电源正极，辅助电极串联电子负载接电源负极。
本发明中的双电位工具电极中阳极材料为化学惰性金属，如金、铂、钯等。
本发明中的稳定生长阶段，指沉积层的平面特征尺寸稳定后的阶段。
本发明中的电子负载具有自动调节内部电阻，实现稳定的电压降功能。
其特征在于：在微结构沉积生长的不同阶段，通过调节、控制沉积层表面电流密度分布，提高微结构成形精度和表面质量。
本发明旨在通过约束和调控电场，从而缩小阴极表面沉积电流作用区域，控制沉积层表面电流密度分布，提高微结构成形精度和表面质量。
本发明的有益结果：提出通过调整辅助电极电位控制加工区沉积层表面电场分布，实现高精度电化学微增材制造。在初始生长阶段，使辅助电极电位低于阴极电位，可限制阴极表面沉积电流作用区域，提高加工定域性，从而精确控制微结构初始段尺寸；在稳定生长阶段，辅助电极电位在阳极电位附近浮动，可微调沉积层表面电流密度分布，以生长出均匀平整的沉积层。
附图说明
图1为双电位工具电极的结构图；
图2为初始生长阶段加工示意图；
图3为稳定生长阶段加工示意图；
图中标号名称：1、不溶性阳极，2、辅助电极，3、绝缘层，4、双电位工具电极，5、加工电源，6、电子负载，7、基板
具体实施方式
如图1所示，双电位工具电极4主要由不溶性阳极1、辅助电极2和绝缘层 3组成。以下结合附图2和3对本发明的具体实施过程做详细介绍，具体如下：
步骤1、制备双电位工具电极4；
步骤2、在初始生长阶段，电源5正极接双电位工具电极4中的阳极1，电源5负极接基板7，同时电子负载6串联双电位工具电极4中的辅助电极2接电源5负极；
步骤3、通入电铸液，设定电子负载6的恒压工作模式实现压降，使辅助电极2电位低于阴极电位(ΔU1＝0.1～1V)，缩小阴极表面沉积电流作用区域，避免表面出现大面积杂散电流，提高加工定域性，精确控制微结构初始段尺寸；
步骤4、开启电源，在基板7上开始初始阶段电沉积；
步骤5、进入稳定生长阶段，电源5正极接双电位工具电极4中的辅助电极 2，同时电子负载6串联双电位工具电极4中的阳极1极接电源5正极，电源5 负极接基板7；
步骤6、通过电子负载设置辅助电极2的电位随阳极与基板的相对空间位置变化，两者电位差在ΔU2＝-0.5～0.5V变化。沉积层表面呈上凸状时，电位差在 0～0.5V变化，电位差随沉积层表面凸起趋势的增大而增大；沉积层表面呈下凹状时，电位差在-0.5～0V变化，电位差随沉积层表面凹陷趋势的增大而减小。此时沉积层表面电流密度分布均匀，生长出的沉积层平整度、沿生长方向尺寸一致性好。

Claims (5)

1.一种双电位管电极，其特征在于：
管电极中心为电解液通道,壁面由内向外依次由阳极、绝缘层、辅助电极组成。
2.利用权利要求1所述双电位工具电极的约束电场动态调控电化学微增材制造方法,其特征在于：
步骤1、在初始生长阶段，电源(5)正极接双电位管电极(4)中的阳极(1)，电源(5)负极接基板(7)，同时电子负载(6)串联双电位管电极(4)中的辅助电极(2)接电源(5)负极；
步骤2、通入电铸液，设定电子负载(6)的恒压工作模式实现压降，使辅助电极(2)电位低于阴极电位,两者电位差ΔU1＝0.1～1V，缩小阴极表面沉积电流作用区域，避免表面出现大面积杂散电流，提高加工定域性，精确控制微结构初始段尺寸；
步骤3、开启电源，在基板(7)上开始初始阶段电沉积；
步骤4、进入稳定生长阶段，电源(5)正极接双电位管电极(4)中的辅助电极(2)，同时电子负载(6)串联双电位管电极(4)中的阳极(1)极接电源(5)正极，电源(5)负极接基板(7)；
步骤5、辅助电极(2)的电位随沉积层表面高度、电流分布及与阳极(1)的相对位置实时调整，通过电子负载实现辅助电极(2)的电位与阳极(1)电位之间电位差在ΔU2＝-0.5～0.5V变化：沉积层表面呈上凸状时，电位差在0～0.5V变化，电位差随沉积层表面凸起趋势的增大而增大；沉积层表面呈下凹状时，电位差在-0.5～0V变化，电位差随沉积层表面凹陷趋势的增大而减小；此时沉积层表面电流密度分布均匀，生长出的沉积层平整度、沿生长方向尺寸一致性好。
3.根据权利要求2中所述的约束电场动态调控电化学微增材制造方法，其特征在于：所述阳极材料为化学惰性金属，如金、铂、钯等。
4.根据权利要求2中所述的约束电场动态调控电化学微增材制造方法，其特征在于：所述稳定生长阶段，指沉积层的平面特征尺寸稳定后的阶段。
5.根据权利要求2中所述的约束电场动态调控电化学微增材制造方法，其特征在于：所述的电子负载为自动调节内部电阻的电子负载，以实现稳定的电压降功能。
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