CN110777424B - 一种纳米针尖批量生产装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米针尖批量生产装置，包括底座、金属丝装夹机构、电化学反应机构和针尖收集机构，金属丝装夹机构、电化学反应机构和针尖收集机构均固定设置在底座上，金属丝装夹机构用于装夹金属丝，金属丝可与电源的阳极连通，电化学反应机构包括至少两个在竖直方向上间隔设置的电机，每个电机均分别与一可与电源的阴极连通的液膜环固定连接，装夹在金属丝装夹机构的金属丝可依次穿过位于下方的液膜环，针尖收集机构包括用于接收针尖的收集件，收集件与底座之间的距离可调，收集件内开设有收集腔，收集腔位于液膜环下方。还提供了具体的制备方法。可以从一根金属丝上制得多根纳米针尖，实现纳米针尖的批量生产。

Description

一种纳米针尖批量生产装置及制备方法

技术领域

本发明涉及微纳加工领域，尤其涉及一种纳米针尖批量生产装置及制备方法。

背景技术

纳米针尖的应用十分广泛，可作用于军事，医学，航天航空，生物等多个领域，在微观科学中具有重要的作用和意义。目前市场主要有三种方式制备纳米针尖：机械剪切、电化学刻蚀和离子铣削。其中，机械剪切方式的成功率不是非常高，且成本不低，目前已经很少采用；采用离子铣削的方法，成本非常昂贵，加工耗时长，有多个周期，不能适应目前高速发展的生产力，因此该加工方法也难以推广和被采用；电化学刻蚀的方法不但过程简捷明了，易于操作，成功率高，还可以减少很多成本，而且制备的针尖尺寸可控，是生产微纳精密针尖较为经济的方法，目前被广泛采用。然而目前制备纳米针尖的方式均只可以生产单个针尖，无法达到批量生产的要求。

发明内容

本申请实施例的目的是通过提供一种纳米针尖批量生产装置，可以从一根金属丝上制备得到多根纳米针尖，实现批量生产。

本申请实施例提供了一种纳米针尖批量生产装置，包括底座、金属丝装夹机构、电化学反应机构和针尖收集机构，金属丝装夹机构、电化学反应机构和针尖收集机构均固定设置在底座上，

金属丝装夹机构用于装夹金属丝，金属丝可与电源的阳极连通，

电化学反应机构位于金属丝装夹机构下方，电化学反应机构包括至少两个在竖直方向上间隔设置的电机，每个电机均分别与一可与电源的阴极连通的液膜环固定连接，装夹在金属丝装夹机构的金属丝可依次穿过位于下方的液膜环，

针尖收集机构包括用于接收针尖的收集件，收集件与底座之间的距离可调，收集件内开设有收集腔，收集腔位于液膜环下方。

进一步地改进，金属丝装夹机构包括装夹支架和两排相对设置的装夹轮组，装夹支架底部固定在底座上，装夹轮组固定设置装夹支架的顶部，金属丝装夹在两排装夹轮组之间。设置两排装夹轮组，不仅可以装夹金属丝，还可进一步对金属丝进行校直。

进一步地改进，两排装夹轮组中每个装夹轮的外壁均周向开设有一凹槽。开设凹槽，金属丝直接装夹在凹槽内。

进一步地改进，电化学反应机构还包括电机支架，电机支架底部固定在底座上，所述至少两个电机沿着电机支架的高度方向间隔固定设置在电机支架上。

进一步地改进，电化学反应机构还包括与电机数量相等的液膜环连接杆，每个电机均与一液膜环连接杆连接，液膜环连接杆的一端与电机的固定连接，液膜环连接杆的另一端分别与一液膜环固定连接。

进一步地改进，针尖收集机构还包括滑台，滑台竖直设置，滑台底部在底座上，滑台中包括滑块，收集件与滑块可拆卸连接。通过滑台调节滑块的位置，即可改变收集件的位置，使用时即可根据实际加工调节滑块使收集件始终靠近金属丝底部设置，如此可以避免制得的纳米针尖高空掉入收集件，避免了纳米针尖的毁损，最大限度地保证针尖的精度。收集件与滑块可拆卸连接，方便收集件的安装、拆卸和更换。

进一步地改进，收集件通过连接构件与滑块可拆卸连接，连接构件包括连接杆和连接块，连接杆的一端与收集件固定连接，连接杆的另一端与连接块固定连接，连接块与滑块可拆卸连接。

一种纳米针尖的制备方法，包括：

将电解液添加在液膜环中使液膜环内形成电解液膜；

将金属丝装夹在金属丝装夹机构并使金属丝的底部依次穿过位于下方的液膜环中；

将收集件调节到位于最下方的液膜环的下方；

将金属丝与电源的阳极连通，将位于最下方的液膜环与电源的阴极连通，电化学刻蚀开始，电解液膜处的金属丝逐渐变细，直到位于电解液膜下方的金属丝因重力脱落掉入下方的收集件内，制得第一根针尖；

启动位于最下方的电机，电机带动与之相连的液膜环转离金属丝，将收集件往远离底座的方向调节，使收集件靠近金属丝底部；

将与位于最下方的液膜环相邻的液膜环与电源的阴极连通，电化学刻蚀开始，电解液膜处的金属丝逐渐变细，直到位于电解液膜下方的金属丝因重力脱落掉入下方的收集件内，制得第二根针尖。

进一步地改进，电解液为0.5.mol/L-2mol/L的KOH溶液。

与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：在液膜环上添加电解液形成液膜，将液膜环接通电源阴极，将金属丝接通电源阳极，进行电化学刻蚀，因为沿着金属丝的长度方向设置有至少两个液膜环，所以可以从一根金属丝上制得多根纳米针尖，实现纳米针尖的批量生产。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种纳米针尖批量生产装置的整体结构示意图。

图2是图1中A处的放大示意图。

图3是本发明实施例提供的一种纳米针尖批量生产装置中金属丝装夹机构的示意图。

图4是本发明实施例提供的一种纳米针尖批量生产装置中装夹轮组和安装板的连接示意图。

图5是本发明实施例提供的一种纳米针尖批量生产装置中收集件和滑块的连接示意图。

图6是本发明实施例提供的一种纳米针尖批量生产装置中收集件和连接构件的示意图。

图7是是本发明实施例电化学刻蚀的原理图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

请参阅图1-7，本实施例提供的一种纳米针尖批量生产装置，包括底座1、金属丝装夹机构2、电化学反应机构3和针尖收集机构4，金属丝装夹机构2、电化学反应机构3和针尖收集机构4均固定设置在底座1上。

参阅1、图3和图4所示，金属丝装夹机构2用于装夹金属丝，金属丝可与电源的阳极连通。金属丝装夹机构2包括装夹支架21和两排相对设置的装夹轮组22，装夹支架21的底部通过螺钉固定在底座1上，装夹支架21的顶部固定设置有一U型固定板23，每排装夹轮组22分别固定在一安装板24上，两安装板24通过连接杆25固定在固定板23上，本实施例中配设有两连接杆25，且两连接杆25的两端均分别开设有外螺纹，将固定了装夹轮组22的两安装板24相对放置在U型固定板23内，将两连接杆25的一端分别依次穿过U型固定板23的一侧、两安装板24和U型固定板23的另一侧，然后分别用螺母拧紧在两连接杆25的两端，以将两排装夹轮组22固定在装夹支架21顶部。金属丝可以装夹在两排装夹轮组22之间，本实施例中每排装夹轮组22中有3个装夹轮，每个装夹轮的外壁均周向开设有一凹槽221，金属丝装夹在两排装夹轮组22上的凹槽221内，凹槽221的横截面为半圆形状，可以减少对金属丝的磨损，每排装夹轮组22还可以对金属丝起到校直的作用。装夹时，两排装夹轮组22中相对的两两装夹轮相互接触，金属丝装夹在凹槽221中。

本实施例中在底座1上且位于装夹支架21的两侧均固定设置一稳固板6，以加强金属丝装夹机构2的安装稳定性。

请参阅图1和图2，电化学反应机构3位于金属丝装夹机构2下方，电化学反应机构3包括电机支架34、3个电机31、3根液膜环连接杆33和3个均可与电源的阴极连通的液膜环32，电机支架34底部通过螺钉固定在底座1上，3个电机31沿着电机支架34的高度方向间隔固定设置在电机支架34上，每个电机31均分别通过一减速箱固定连接一液膜环连接杆33，液膜环连接杆33一端与减速箱固定连接，液膜环连接杆33的另一端均分别固定连接一液膜环32，定义从下往上，3个电机31分别为第一电机311、第二电机312和第三电机313，3个液膜环32分别为第一液膜环321、第二液膜环322和第三液膜环323，第一液膜环321、第二液膜环322和第三液膜环323的环心和两排装夹轮组22的接触处位于同一竖直线上，使得装夹在金属丝装夹机构2中的金属丝可以依次穿过位于下方的各液膜环32。当然，在其他实施方式中，可以根据需要设置更多的电机和与之相对应液膜环连接杆、液膜环。

金属丝可以采用的材质如钨、金、银、镍等，本实施例中采用的是钨丝。液膜环为金属材质制成，如钨、镍、金、铂金等，本实施例中液膜环由钨制成，材质与金属丝的材质一样，性价比更高。

请参阅图1、图5和图6，针尖收集机构4包括丝杆滑台42和用于接收针尖且与底座1之间的距离可调的收集件41，滑台42包括滑台架422、滑台电机423、丝杆和滑块421，滑台架422竖直设置，滑台架422底部固定在底座1上，滑台电机423固定在滑台架422顶部，且滑台电机423的输出轴朝下，丝杆的顶部与滑台电机423的输出轴固定连接，丝杆的底端通过轴承设置在滑台架422底部，滑块421套设在丝杆上，收集件41与滑块421可拆卸连接。收集件41内开设有收集腔411，收集腔411的开口位于液膜环32正下方。启动滑台电机423，带动丝杆转动，从而带动滑块421在丝杆上上下滑动，进而带动收集件41上下移动，从而可以将收集件41移动靠近金属丝底部，当金属丝在电化学刻蚀中掉入时能够近距离掉入收集件41中，避免针尖从高处掉落后造成毁损，最大限度地保证针尖掉落时的精度。收集件41与滑块421可拆卸连接，方便收集件41与滑块421的安装、拆卸和更换。

本实施例中收集件41通过连接构件5与滑块422连接，连接构件5包括连接杆51和连接块52，连接杆51的一端与收集件41固定连接，连接杆51的另一端与连接块52固定连接，连接块52与滑块421通过螺栓连接。

本实施例中还包括滑台加强筋7，滑台加强筋7倾斜设置，滑台加强筋7的一端固定在滑台架422上，滑台加强筋7的另一端固定在底座1上，设置滑台加强筋7来加强滑台的安装稳定性。

本实施例提供的纳米针尖批量生产装置在使用时，在第一液膜环321、第二液膜环322和第三液膜环323中形成电解液膜，启动滑台电机423，通过滑块421将收集件41调节到第一液膜环321下方且位于装夹的金属丝下方，将金属丝装夹在金属丝装夹机构上，并使金属丝底部依次穿过第三液膜环323、第二液膜环322和第一液膜环321，将第一液膜环321接通电源阴极，将金属丝接通电源正极，在第一液膜环321的电解液膜处发生电化学刻蚀，位于液膜中的金属丝逐渐变细，直至位于液膜下方的金属丝段因为重力脱落并掉入位于下方的收集件41中，制得第一根纳米针尖；然后启动第一电机311，第一电机311输出轴转动，带动第一液膜环321远离金属丝以防止阻碍收集件41向上靠近金属丝，启动滑台电机423，通过滑块421将收集件41往滑台电机423方向调节，使得收集件41靠近此时金属丝的底部，给第二液膜环322接通电源阴极，在第二液膜环322的电解液膜处发生电化学刻蚀，位于电解液膜中的金属丝逐渐变细，直至位于液膜下方的金属丝段因为重力脱落并掉入位于下方的收集件41中，制得第二根纳米针尖；启动第二电机312，带动第二液膜环322远离金属丝，启动滑台电机423，通过滑块421将收集件41往滑台电机423方向调节，使得收集件41靠近此时金属丝的底部，给第三液膜环323接通电源阴极，在第三液膜环323的电解液膜处发生电化学刻蚀，位于电解液膜中的金属丝逐渐变细，直至位于液膜下方的金属丝段因为重力脱落并掉入位于下方的收集件41中，制得第三根纳米针尖，将此时装夹在金属丝装夹机构2的剩余金属丝取下，为第三根纳米针尖，即可从一根金属丝上加工出4根纳米针尖，完成一次装夹批量生产出多根纳米针尖，大大提高纳米针尖的生产效率。

实施例2

与实施例基本相同，所不同的是：本实施例还提供一种利用实施例1提供的一种纳米针尖批量生产装置制备纳米针尖的方法。

一种纳米针尖的制备方法，具体包括：

将电解液添加在液膜环32中使液膜环32内形成电解液膜；

将金属丝装夹在金属丝装夹机构2并使金属丝的底部依次穿过位于下方的第三液膜环323、第二液膜环322和第一液膜环321；

将收集件41调节到位于最下方的第一液膜环321的下方；

将金属丝与电源的阳极连通，将位于最下方的第一液膜环321与电源的阴极连通，在第一液膜环321的电解液膜处开始电化学刻蚀，第一液膜环321的电解液膜处的金属丝逐渐变细，直到位于电解液膜下方的金属丝因重力脱落掉入下方的收集件41内，制得第一根针尖；

启动位于最下方的第一电机311，第一电机311带动与之相连的第一液膜环321转离金属丝，将收集件41往远离底座1的方向调节，使收集件41靠近此时金属丝的底部；

将与位于最下方的第一液膜环321相邻的第二液膜环322与电源的阴极连通，电化学刻蚀开始，第二液膜环322的电解液膜处的金属丝逐渐变细，直到位于电解液膜下方的金属丝因重力脱落掉入下方的收集件41内，制得第二根针尖；

启动第二电机312，第二电机312带动与之相连的第二液膜环322转离金属丝，调节收集件41位置使其靠近此时金属丝的底部；

将第三液膜环323接通电源的阴极，电化学刻蚀开始，第三液膜环323的电解液膜处的金属丝逐渐变细，直到位于电解液膜下方的金属丝因重力脱落掉入下方的收集件41内，制得第三根针尖；

取下此时装夹在金属丝装夹机构2的金属丝剩余部分作为第四根针尖，即完成从一根金属丝中批量制备多根纳米针尖，大大提高的纳米针尖的制备效率。

本实施例中电解液为KOH溶液，浓度可以在0.5mol/L-2mol/L之间确定。

本实施例中，金属丝在装夹前，先用砂纸打磨去除金属丝表面的氧化物，并进行校直。

本实施例中，将制得的纳米针尖去除，洗去纳米针尖上附着的电解液，以减少电解液对探针针尖的后续影响。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或采用现有技术加以实现。

以上所述仅为本发明的优先实施例，而非对本发明作任何形式上的限制。本领域的技术人员可在上述实施例的基础上施以各种等同的更改和改进，凡在权利要求范围内所做的等同变化和修饰，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种纳米针尖批量生产装置，其特征在于：包括底座(1)、金属丝装夹机构(2)、电化学反应机构(3)和针尖收集机构(4) ，金属丝装夹机构(2)、电化学反应机构(3)和针尖收集机构(4)均固定设置在底座(1)上，

金属丝装夹机构(2)用于装夹金属丝，金属丝可与电源的阳极连通，

电化学反应机构(3)位于金属丝装夹机构(2)下方，电化学反应机构(3)包括至少两个在竖直方向上间隔设置的电机(31) ，每个电机(31)均分别与一可与电源的阴极连通的液膜 环(32)固定连接，装夹在金属丝装夹机构(2)的金属丝可依次穿过位于下方的液膜环(32) ，

针尖收集机构(4)包括用于接收针尖的收集件(41) ，收集件(41)与底座(1)之间的距离可调，收集件(41)内开设有收集腔(411) ，收集腔(411)位于液膜环(32)下方；

金属丝装夹机构(2)包括装夹支架(21)和两排相对设置的装夹轮组(22) ，装夹支架(21)底部固定在底座(1) 上，装夹轮组(22)固定设置装夹支架(21)的顶部，金属丝装夹在两排装夹轮组(22)之间。

2.根据权利要求1所述的一种纳米针尖批量生产装置，其特征在于：两排装夹轮组(22)中每个装夹轮的外壁均周向开设有一凹槽(221)。

3.根据权利要求1所述的一种纳米针尖批量生产装置 ，其特征在于 ：电化学反应机构(3)还包括电机支架(34) ，电机支架(34)底部固定在底座(1)上，所述至少两个电机(31)沿着电机支架(34)的高度方向间隔固定设置在电机支架(34)上。

4.根据权利要求1所述的一种纳米针尖批量生产装置 ，其特征在于 ：电化学反应机构(3)还包括与电机(31)数量相等的液膜环连接杆(33) ，每个电机(31)均与一液膜环连接杆(33)连接，液膜环连接杆(33)的一端与电机(31)的固定连接，液膜环连接杆(33)的另一端均分别与一液膜环(32)固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种纳米针尖批量生产装置，其特征在于：针尖收集机构(4)还包括滑台(42) ，滑台 (42)竖直设置，滑台 (42)底部在底座(1)上 ，滑台 (42)中包括滑块 (421) ，收集件(41)与滑块(421)可拆卸连接。

6.根据权利要求5所述的一种纳米针尖批量生产装置，其特征在于：收集件(41)通过连接构件(5)与滑块(421)可拆卸连接，连接构件(5)包括连接杆(51) 和连接块(52) ，连接杆(51)的一端与收集件(41)固定连接，连接杆(51)的另一端与连接块(52)固定连接，连接块(52)与滑块(422)可拆卸连接。

7.一种纳米针尖的制备方法，其特征在于，包括：

将电解液添加在液膜环(32)中使液膜环(32)内形成电解液膜；

将金属丝装夹在金属丝装夹机构(2)并使金属丝的底部依次穿过位于下方的液膜环(32)中；

将收集件(41)调节到位于最下方的液膜环(32)的下方；

将金属丝与电源的阳极连通，将位于最下方的液膜环(32)与电源的阴极连通，电化学刻蚀开始，电解液膜处的金属丝逐渐变细，直到位于电解液膜下方的金属丝因重力脱落掉入下方的收集件(41)内，制得第一根针尖；

启动位于最下方的电机(31) ，电机(31)带动与之相连的液膜环(32)转离金属丝，将收 集件(41)往远离底座(1)的方向调节，使收集件(41)靠近金属丝底部；

将与位于最下方的液膜环(32) 相邻的液膜环(32) 与电源的阴极连通 ，电化学刻蚀开始，电解液膜处的金属丝逐渐变细，直到位于电解液膜下方的金属丝因重力脱落掉入下方 的收集件(41)内，制得第二根针尖。

8.根据权利要求7所述一种纳米针尖的 制备方法 ，其特征在于 ：电 解液为0 .5mol/L-2mol/L的KOH溶液。