CN110306235B - 一种电化学蚀刻实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种电化学蚀刻实验装置,包括上壳体、下壳体、阳极、阴极、电解液泵、三通球阀、储液箱、压力表、进液管、回液管、调节管和加工电源;上壳体设有上腔体,下壳体设有下腔体;阳极通过阳极座安装在上腔体内,阴极通过阴极座安装在下腔体;电解液泵的进液口与储液箱连接且其出液口与三通球阀连接,三通球阀与压力表连接,三通球阀与调节管一端连接且调节管另一端与储液箱连接,进液管一端与电解液通道连通且其另一端与三通接头的出液口连接,回液管一端与电解液通道连通且其另一端与储液箱连接。本发明可对电化学蚀刻工艺参数如加工电压、电流密度、电解液压力、加工间隙进行调整,可有效缩短实验周期且成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及电化学蚀刻实验技术领域,尤其涉及一种电化学蚀刻实验装置。
背景技术
金属晶体中不同密勒指数的晶面,如{100}、{110}、{111}等晶面,具有不同的物理和化学特性,例如不同密勒指数晶面的表面能、功函数、吸附特性、催化性能等理化特征均有明显的差异。电化学蚀刻技术是利用电化学阳极溶解的原理,对单晶或多晶的金属材料的表面进行蚀刻,期望得到符合技术要求的晶面或提高某种晶面在金属材料表面的份额。
为了掌握金属材料的电化学蚀刻工艺技术,研究工艺参数如加工电压、电流密度、温度、电解液压力、加工间隙等参数对电化学蚀刻过程和效果的影响,需要提供一种工艺参数可调、实验周期短、低成本的电化学蚀刻实验装置。
发明内容
基于背景技术中存在的技术问题,本发明提出了一种电化学蚀刻实验装置。
本发明提出的一种电化学蚀刻实验装置,包括上壳体、下壳体、阳极、阴极、电解液泵、三通球阀、储液箱、压力表、进液管、回液管、调节管和加工电源;其中:
上壳体、下壳体上下布置并安装在一起,上壳体设有上腔体,下壳体设有下腔体,上腔体与下腔体连通形成电解液通道;
阳极通过阳极座安装在上腔体内并且阳极与加工电源正极电连接,阴极通过阴极座安装在下腔体,阴极与阳极之间留有加工间隙,并且阴极与加工电源负极电连接;
电解液泵的进液口通过软管与储液箱连接且其出液口与三通球阀的第一接口连接,三通球阀的第二接口通过三通接头与压力表连接,三通球阀的第三接口与调节管一端连接且调节管另一端与储液箱连接,进液管一端与电解液通道连通且其另一端与三通接头的出液口连接,回液管一端与电解液通道连通且其另一端与储液箱连接。
优选的,还包括管螺纹法兰Ⅰ和管螺纹法兰Ⅱ,管螺纹法兰Ⅰ设置在上壳体、下壳体一端并与上壳体、下壳体连接,管螺纹法兰Ⅱ设置在上壳体、下壳体另一端并与上壳体、下壳体连接,进液管、回液管分别与管螺纹法兰Ⅰ、管螺纹法兰Ⅱ连接。
优选的,上壳体上设有螺纹孔,阳极座穿过螺纹孔伸入上腔体内并且阳极座与上壳体螺纹配合连接。
优选的,阳极座位于上腔体外部一段靠近上壳体位置套有与上壳体连接的密封圈压板Ⅰ,阳极座与上壳体连接处靠近密封圈压板Ⅰ位置设有套设在阳极座上的O型密封圈Ⅰ。
优选的,下壳体上设有螺纹孔,阴极座穿过螺纹孔伸入下腔体内并且阴极座与下壳体螺纹配合连接。
优选的,阴极座位于下腔体外部一段靠近下壳体位置套有与下壳体连接的密封圈压板Ⅱ,阴极座与下壳体连接处靠近密封圈压板Ⅱ位置设有套设在阳极座上的O型密封圈Ⅱ。
优选的,还包括阳极螺柱,阳极座内设有阶梯孔,该阶梯孔的大径孔为光孔且小径孔为螺纹孔,阳极安装在该阶梯孔的大径孔内并与阳极座间隙配合,并且阳极上套装有O型密封圈Ⅲ,阳极螺柱通过导线与加工电源正极电连接,阳极螺柱穿过该阶梯孔的小径孔与阳极螺纹连接且阳极螺柱与阳极座螺纹连接,阳极螺柱上安装有阳极锁紧螺母、阳极螺柱锁紧螺母。
优选的,还包括阴极螺柱,阴极座内设有阶梯孔,该阶梯孔的大径孔为光孔且小径孔为螺纹孔,阴极安装在该阶梯孔的大径孔内并与阴极座间隙配合,并且阴极上套装有O型密封圈Ⅳ,阴极螺柱通过导线与加工电源负极电连接,阴极螺柱穿过该阶梯孔的小径孔与阴极螺纹连接且阴极螺柱与阴极座螺纹连接,阴极螺柱上安装有阴极锁紧螺母、阴极螺柱锁紧螺母上。
优选的,上壳体、下壳体、阳极座、阴极座均采用绝缘材料制成。
优选的,阴极靠近阳极一端端面为内锥面且该内锥面中心位置设置有沉头盲孔,沉头盲孔内过盈配合有绝缘材料制成的圆柱体。
本发明提出的一种电化学蚀刻实验装置实验过程中,电解液被电解液泵从储液箱中抽出,电解液通过三通球阀、三通接头、进液管、管螺纹法兰Ⅰ被泵入电解液通道中,电解液流经阴极和阳极的表面,电解液再通过管螺纹法兰Ⅱ、回液管流回储液箱,形成电化学蚀刻过程的电解液循环回路;阴极、电解液、阳极、导线与加工电源形成电化学蚀刻过程的电流回路。
本发明通过调节三通球阀可调节电解液的压力和流量,通过设定加工电源的输出模式为恒电压或恒电流,并设置相应的电压值或电流值,可调节加工电压和电流密度;阴极座与下壳体螺纹配合连接,可快速拆装阴极座,并可以调整阴极座的垂直位置;阳极座与上壳体螺纹配合连接,可快速拆装阳极座,并可以调整阳极座的垂直位置;分别调整阴极座和阳极座的垂直位置,从而可以进行加工间隙的调整。阴极和阳极均为圆柱体,阴极靠近阳极一端端面为内锥面且该内锥面中心位置设置有沉头盲孔,沉头盲孔内过盈配合有绝缘材料制成的圆柱体,电化学蚀刻实验时,通过调整合适的加工间隙并设置一定的电压值或电流值,由于与阳极相对的阴极的一端端面为内锥面且阴极中心设有绝缘的圆柱体,阳极即实验样件的表面沿某一径向的各点与相对的阴极表面各点的垂直距离均不相同,根据电解加工中的电场分析,阳极表面沿某一径向的各点的电流密度均不相同,其电流密度分布规律为:阳极表面的电流密度沿径向从边缘至中心逐渐下降至最小值,电流密度的变化具有一定的梯度;因此在单次实验中经过电化学蚀刻的阳极表面各处的微观形貌不尽相同,对阳极表面不同位置进行观测可研究不同电流密度条件下的电化学蚀刻效果,有效减少实验次数,缩短实验周期。本发明上壳体、下壳体、阴极座、阳极座均采用绝缘材料。本发明可对电化学蚀刻工艺参数如加工电压、电流密度、电解液压力、加工间隙进行调整,便于快速拆装实验样件,可有效缩短实验周期且成本低廉。
附图说明
图1为本发明提出的一种电化学蚀刻实验装置的结构示意图;
图2为本发明提出的一种电化学蚀刻实验装置中阴极的结构示意图。
具体实施方式
参照图1、图2,本发明提出一种电化学蚀刻实验装置,包括上壳体1、下壳体2、阳极3、阴极4、电解液泵5、三通球阀6、储液箱7、压力表8、进液管9、回液管10、调节管11和加工电源12;其中:
上壳体1、下壳体2上下布置并安装在一起,上壳体1设有上腔体,下壳体2设有下腔体,上腔体与下腔体连通形成电解液通道。
阴极3和阳极4均为圆柱体,阳极3通过阳极座13可拆卸安装在上腔体内并且阳极3与加工电源12正极电连接。阴极4通过阴极座14可拆卸安装在下腔体内,阴极4与阳极3之间留有0.2-2mm加工间隙,并且阴极4与加工电源12负极电连接,阴极4靠近阳极3一端端面为内锥面且该内锥面中心位置设置有沉头盲孔,沉头盲孔内过盈配合有绝缘材料制成的圆柱体29。
电解液泵5的进液口通过软管与储液箱7连接且其出液口与三通球阀6的第一接口连接,三通球阀6的第二接口通过三通接头与压力表8连接,三通球阀6的第三接口与调节管11一端连接且调节管11另一端与储液箱7连接,进液管9一端与电解液通道连通且其另一端与三通接头的出液口连接,回液管10一端与电解液通道连通且其另一端与储液箱7连接。
在本实施例中,上壳体1、下壳体2、阳极座13、阴极座14均采用绝缘材料制成,实验人员可观察到实验装置内的实验过程。
在本实施例中,还包括管螺纹法兰Ⅰ15和管螺纹法兰Ⅱ16,管螺纹法兰Ⅰ15设置在上壳体1、下壳体2一端并与上壳体1、下壳体2连接,管螺纹法兰Ⅱ16设置在上壳体1、下壳体2另一端并与上壳体1、下壳体2连接,进液管9、回液管10分别与管螺纹法兰Ⅰ15、管螺纹法兰Ⅱ16连接。
在本实施例中,上壳体1上设有螺纹孔,阳极座13穿过螺纹孔伸入上腔体内并且阳极座13与上壳体1螺纹配合连接。阳极座13位于上腔体外部一段靠近上壳体1位置套有与上壳体1连接的密封圈压板Ⅰ17,阳极座13与上壳体1连接处靠近密封圈压板Ⅰ17位置设有套设在阳极座13上的O型密封圈Ⅰ18。阳极座13与上壳体1螺纹配合连接,可快速拆装阳极座13,并可以调整阳极座13的垂直位置。
在本实施例中,下壳体2上设有螺纹孔,阴极座14穿过螺纹孔伸入下腔体内并且阴极座14与下壳体2螺纹配合连接。阴极座14位于下腔体外部一段靠近下壳体2位置套有与下壳体2连接的密封圈压板Ⅱ19,阴极座14与下壳体2连接处靠近密封圈压板Ⅱ19位置设有套设在阳极座13上的O型密封圈Ⅱ21。阴极座14与下壳体2螺纹配合连接,可快速拆装阴极座14,并可以调整阴极座14的垂直位置;分别调整阴极座14和阳极座13的垂直位置,从而可以进行加工间隙的调整。
在具体实施例中,还包括阳极螺柱21,阳极座13内设有阶梯孔,该阶梯孔的大径孔为光孔且小径孔为螺纹孔,阳极3安装在该阶梯孔的大径孔内并与阳极座13间隙配合,并且阳极3上套装有O型密封圈Ⅲ27,阳极螺柱22通过导线与加工电源12正极电连接,阳极螺柱22穿过该阶梯孔的小径孔与阳极3螺纹连接且阳极螺柱21与阳极座13螺纹连接,阳极螺柱21上安装有阳极锁紧螺母22、阳极螺柱锁紧螺母23。阳极3即实验样件可通过阳极螺柱22调整阳极3在阳极座13内的垂直位置,因此一个实验样件可循坏使用。
在具体实施例中,还包括阴极螺柱24,阴极座14内设有阶梯孔,该阶梯孔的大径孔为光孔且小径孔为螺纹孔,阴极4安装在该阶梯孔的大径孔内并与阴极座14间隙配合,并且阴极4上套装有O型密封圈Ⅳ28,阴极螺柱26通过导线与加工电源12负极电连接,阴极螺柱26穿过该阶梯孔的小径孔与阴极4螺纹连接,阴极螺柱26上安装有阴极锁紧螺母25、阴极螺柱锁紧螺母26。阴极4可通过阴极螺柱24调整阴极4在阴极座14内的垂直位置。
本发明实验过程中,电解液被电解液泵5从储液箱7中抽出,电解液通过三通球阀6、三通接头、进液管9、管螺纹法兰Ⅰ15被泵入电解液通道中,电解液流经阴极4和阳极3的表面,电解液再通过管螺纹法兰Ⅱ16、回液管10流回储液箱7,形成电化学蚀刻过程的电解液循环回路;阴极4、电解液、阳极3、导线与加工电源12形成电化学蚀刻过程的电流回路。
本发明通过调节三通球阀6可调节电解液的压力和流量,通过设定加工电源的输出模式为恒电压或恒电流,并设置相应的电压值或电流值,可调节加工电压和电流密度;阴极4靠近阳极3一端端面为内锥面且该内锥面中心位置设置有沉头盲孔,沉头盲孔内过盈配合有绝缘材料制成的圆柱体29,电化学蚀刻实验时,通过调整合适的加工间隙并设置一定的电压值或电流值,由于与阳极3相对的阴极4的一端端面为内锥面且阴极4中心设有绝缘的圆柱体29,阳极3即实验样件的表面沿某一径向的各点与相对的阴极4表面各点的垂直距离均不相同,根据电解加工中的电场分析,阳极3表面沿某一径向的各点的电流密度均不相同,其电流密度分布规律为:阳极3表面的电流密度沿径向从边缘至中心逐渐下降至最小值,电流密度的变化具有一定的梯度;因此单次实验中经过电化学蚀刻的阳极3表面各处的微观形貌不尽相同,对阳极3表面不同位置进行观测可研究不同电流密度条件下的电化学蚀刻效果,有效减少实验次数,缩短实验周期。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种电化学蚀刻实验装置,其特征在于,包括上壳体(1)、下壳体(2)、阳极(3)、阴极(4)、电解液泵(5)、三通球阀(6)、储液箱(7)、压力表(8)、进液管(9)、回液管(10)、调节管(11)和加工电源(12);其中:
上壳体(1)、下壳体(2)上下布置并安装在一起,上壳体(1)设有上腔体,下壳体(2)设有下腔体,上腔体与下腔体连通形成电解液通道;
阳极(3)通过阳极座(13)安装在上腔体内并且阳极(3)与加工电源(12)正极电连接,阴极(4)通过阴极座(14)安装在下腔体内,阴极(4)与阳极(3)之间留有加工间隙,并且阴极(4)与加工电源(12)负极电连接;
电解液泵(5)的进液口通过软管与储液箱(7)连接且其出液口与三通球阀(6)的第一接口连接,三通球阀(6)的第二接口通过三通接头与压力表(8)连接,三通球阀(6)的第三接口与调节管(11)一端连接且调节管(11)另一端与储液箱(7)连接,进液管(9)一端与电解液通道连通且其另一端与三通接头的出液口连接,回液管(10)一端与电解液通道连通且其另一端与储液箱(7)连接;
还包括管螺纹法兰Ⅰ(15)和管螺纹法兰Ⅱ(16),管螺纹法兰Ⅰ(15)设置在上壳体(1)、下壳体(2)一端并与上壳体(1)、下壳体(2)连接,管螺纹法兰Ⅱ(16)设置在上壳体(1)、下壳体(2)另一端并与上壳体(1)、下壳体(2)连接,进液管(9)、回液管(10)第一端分别与管螺纹法兰Ⅰ(15)、管螺纹法兰Ⅱ(16)连接;
上壳体(1)上设有螺纹孔,阳极座(13)穿过螺纹孔伸入上腔体内并且阳极座(13)与上壳体(1)螺纹配合连接;
阳极座(13)位于上腔体外部一段靠近上壳体(1)位置套有与上壳体(1)连接的密封圈压板Ⅰ(17),阳极座(13)与上壳体(1)连接处靠近密封圈压板Ⅰ(17)位置设有套设在阳极座(13)上的O型密封圈Ⅰ(18);
下壳体(2)上设有螺纹孔,阴极座(14)穿过螺纹孔伸入下腔体内并且阴极座(14)与下壳体(2)螺纹配合连接;
阴极座(14)位于下腔体外部一段靠近下壳体(2)位置套有与下壳体(2)连接的密封圈压板Ⅱ(19),阴极座(14)与下壳体(2)连接处靠近密封圈压板Ⅱ(19)位置设有套设在阳极座(13)上的O型密封圈Ⅱ(20);
阴极(4)靠近阳极(3)一端端面为内锥面且该内锥面中心位置设置有沉头盲孔,沉头盲孔内过盈配合有绝缘材料制成的圆柱体(29)。
2.根据权利要求1所述的电化学蚀刻实验装置,其特征在于,还包括阳极螺柱(21),阳极座(13)内设有阶梯孔,该阶梯孔的大径孔为光孔且小径孔为螺纹孔,阳极(3)安装在该阶梯孔的大径孔内并与阳极座(13)间隙配合,并且阳极(3)外部套装有O型密封圈Ⅲ(27),阳极螺柱(21)通过导线与加工电源(12)正极电连接,阳极螺柱(21)穿过该阶梯孔的小径孔与阳极(3)螺纹连接且阳极螺柱(21 )与阳极座(13)螺纹连接,阳极螺柱(21)上安装有阳极锁紧螺母(22)、阳极螺柱锁紧螺母(23)。
3.根据权利要求1 所述的电化学蚀刻实验装置,其特征在于,还包括阴极螺柱(24),阴极座(14)内设有阶梯孔,该阶梯孔的大径孔为光孔且小径孔为螺纹孔,阴极(4)安装在该阶梯孔的大径孔内并与阴极座(14)间隙配合,并且阴极(4)外部套装有O型密封圈Ⅳ(28),阴极螺柱(24)通过导线与加工电源(12)负极电连接,阴极螺柱(24)穿过该阶梯孔的小径孔与阴极(4)螺纹连接且阴极螺柱(24)与阴极座(14)螺纹连接,阴极螺柱(24)上安装有阴极锁紧螺母(25)、阴极螺柱锁紧螺母(26)。
4.根据权利要求1所述的电化学蚀刻实验装置,其特征在于,上壳体(1)、下壳体(2)、阳极座(13)、阴极座(14)均采用绝缘材料制成。
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