CN112658412A - 基于电解液约束的超声辅助电化学微纳加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属微纳加工领域，涉及一种基于电解液约束的超声辅助电化学微纳加工方法。本发明电化学微纳加工方法包含若干周期，每个周期内分为两个工作节拍：电解液约束电解加工和超声辅助振动，其中电解液约束电解加工过程采用充满电解液的微纳米移液管与工件之间构造微纳液滴连接，将电解反应约束在微液滴范围内进行微坑加工。而超声辅助振动过程则在工件表面进行定向超声，对微坑内的电解液进行超声雾化来带走微量电解产物。在加工过程中，两个工作节拍独立工作和脉动切换，在电解加工的同时能够及时清除电解产物，从而提高微纳尺度的电解加工精度与质量，并通过设定电解加工路径在金属表面制备获得高精度、高质量的微纳尺度坑/槽结构。

Description

基于电解液约束的超声辅助电化学微纳加工方法

技术领域：

本发明属于金属微纳加工领域，涉及一种基于电解液约束的超声辅助电化学微纳加工方法，用于制备金属表面微纳尺度坑/槽结构。

背景技术：

用于金属表面制备微纳尺度坑/槽结构的微纳加工技术主要有激光加工技术、电火花技术、电解加工技术等，分别依靠热能、电能、化学能等能量形式进行材料去除获得所需结构。其中，激光加工技术较为成熟，应用广泛，但由于激光加工基于工件材料的熔融和气化，因此加工不可避免的产生熔融再铸层，需要使用其他加工方法去除，以满足零件使用要求。电火花加工效率高，但也由于通过高温去除材料，工件表面往往存在重铸层、热影响区及微裂纹，也需要通过其他后续手段提高表面质量，去除重铸层。而电解加工过程是通过电化学阳极溶解反应进行，无高热产生，因此加工后工件表面重铸层、无微裂纹及残余应力，故非常适合金属微纳结构加工。

目前电解微纳加工技术有扫描探针微加工技术、掩膜电解加工技术、约束刻蚀剂层技术等。其中扫描探针微加工技术通过探针和样品之间通过高电场诱导加工基底材料表面发生诸如局部氧化或者局部刻蚀的反应，因其简单、易行的特点成为近年来微纳加工研究最活跃的领域，但是它的加工尺度为50nm以下，不适用加工较大尺度的微纳结构。掩膜电化学微细加工技术就是将传统光刻技术与电解加工技术结合，利用在金属材料表面涂上光刻胶，经过曝光后，使金属表面有一部分裸露的表面，随后进行电解加工。使用该方法已经在镍、钛以及不锈钢上刻蚀出了复杂三维微结构，可用于精密光栅、 MEMS器件等的制造。但该法的缺点是图形深宽比较小，容易受到电解液电场和液流等影响。约束刻蚀剂层技术是使在带有三维微结构图案的模板电极表面进行电化学反应，从而产生针对基底材料的刻蚀剂，当模板靠近加工基底表面时，模板附近的薄层刻蚀剂可以对基底材料进行化学刻蚀。约束刻蚀剂层技术适合大批量的制作并且成本较低，但它加工速率有待提高。

上述这些电化学微纳加工方法各自都有其优缺点，难以同时满足高加工速率、高加工柔性及高加工质量，本发明一种基于电解液约束的超声辅助电化学微纳加工方法，通过采用电解加工方法提高加工速率，通过采用微纳移液管扫描式加工方法提高加工柔性，通过将电解反应约束在微液滴范围内提高加工精度，通过加工过程中的超声雾化作用时清除电解产物来提高电解加工质量。在此基础上制备获得高精度、高质量的微纳尺度坑或槽等结构。

发明内容：

本发明一种基于电解液约束的超声辅助电化学微纳加工方法，提高微纳尺度的电解加工质量和精度，在金属表面制备高质量和高精度微纳尺度坑/槽结构。

一种基于电解液约束的超声辅助电化学微纳加工方法，其特征在于包括以下过程：步骤1、将工件上所需微坑/槽结构按照尺寸与结构特征分为若干单位微坑，并设计加工路径；步骤2、将电极内置于微纳米移液管内 ，微纳米移液管充满电解液；超声波振动头置于工件下方并与工件接触；电源负极接阴极，电源正极接工件；步骤3、在单位微坑内，微纳加工方法包含若干周期，每个周期内分为两个工作节拍：电解液约束电解加工和超声辅助振动，加工过程中两个工作节拍独立工作和脉动切换，具体为：步骤3-1、将装有电解液的微纳米移液管移动至当前单位微坑制备点并靠近工件表面，对微纳米移液管内加压，电解液受压挤出，移液管与工件表面形成微液滴连接，形成微液滴连接后，管内压力降为大气压；接着微纳米移液管内置的电极充当阴极，工件作为阳极，通过设定电压使微液滴内发生电解反应去除工件表面材料，完成单位微坑的制备； 步骤3-2、完成单位微坑的制备后，进入超声辅助振动步骤，在这个步骤中工件电压为0，微纳米移液管内压力为大气压，超声波振动头与工件接触，在工件表面进行定向超声，使电解制备获得的微坑中电解液雾化，及时带走电解产物；步骤3-3、将微纳米移液管移动至下个单位微坑制备点，重复步骤3-1与步骤3-2完成单位微坑制备，直到获得所需的微坑/槽结构。

一种基于电解液约束的超声辅助电化学微纳加工方法，所述的单位微坑尺寸特征为：直径为100nm~10μm，微坑深度为100nm~1000nm。目前常用微纳米移液管的最小孔径为50nm，用其构造微液滴加工获得的微坑最小直径为100nm，而如果单位微坑直径超过10μm，则需选用较大直径的微纳米移液管，不利于对加工过程微液滴连接的精确控制，从而影响加工精度；针对于单位微坑深度，若选用低于100nm的单位微坑深度，则加工效率较低，若选用较深的单位微坑深度，则不利于微坑内的电解液及电解产物排出。

一种基于电解液约束的超声辅助电化学微纳加工方法，所述微纳米移液管的直径由选定的单位微坑直径决定，为单位微坑直径的0.5~0.8倍。由于液体扩张行为，液体被挤压出移液管与基体形成的微液滴会呈现出“上窄下宽”的现象，即在工件表面形成的液滴直径大于移液管管口直径，因此移液管的管口直径应小于单位微坑直径。若移液管管口直径过小，需要挤出大量的液体使工件表面液滴直径满足单位微坑直径要求，使微液滴的稳定性下降，受到震动后易脱离移液管。

一种基于电解液约束的超声辅助电化学微纳加工方法，其选用的电解液为酸性电解液。采用酸性电解液可以减少加工过程中不溶性产物的生成，有利于提高加工精度和表面质量。

一种基于电解液约束的超声辅助电化学微纳加工方法，单位微坑的电解加工时间由材料去除速率有关，而同种材料去除速率由加工电压决定；前期需要通过基础试验确定材料的电压区间、电压与材料去除速率的关系，然后在选定的电压下，根据单位微坑尺寸决定电解加工时间；

一种基于电解液约束的超声辅助电化学微纳加工方法，其特征在于：所述步骤2-2中超声波振动头与工件接触，超声振动频率为40khz~50khz，若选用低于40khz的超声振动频率，电解液不会雾化，若选用超过50khz的超声振动频率，过高频率易造成基体微量移动，降低加工精度。

本发明有益结果：提出了一种基于电解液约束的超声辅助电化学微纳加工方法，制造过程电解液约束电解加工和超声辅助振动两个节拍独立工作和脉动切换，电解加工过程采用充满电解液的微纳米移液管与工件之间构造微纳液滴连接，将电解反应约束在微液滴范围内进行微坑加工，避免电解加工造成杂散腐蚀，提高电解加工质量与精度，而超声辅助振动过程则对制备微坑内的电解液进行超声雾化来带走电解产物，进一步提高电解加工质量和精度，从而在金属表面制备获得高精度、高质量的微纳尺度坑/槽结构。

附图说明：

图1：电解液约束电解加工步骤示意图

图2：超声辅助振动步骤示意图

图中标号名称，1-基体，2-微纳米移液管，3-电解液，4-阴极，5-电源，6-超声波振动头，7-雾化的电解液，8-电解产物。

具体实施方式：

本发明一种基于电解液约束的超声辅助电化学微纳加工方法，结合图1与图2对本发明的具体实施过程做详细介绍：

步骤1、将所需微坑/槽结构按照尺寸与结构特征分为若干单位微坑，并设计加工路径，单位微坑直径为100nm~10μm，微坑深度为100nm~1000nm；

步骤2、将装有电解液的微纳米移液管移动至加工起点并靠近工件表面，微纳米移液管直径由单位微坑直径决定，为单位微坑直径的0.5~0.8倍；电解液选用酸性电解液，减少产生不溶性电解产物，管内受压挤出电解液与工件表面形成微液滴连接后，管内压力降为大气压；

步骤3、前期试验获得的电压区间及材料去除率的数据，通过基础试验研究探究不同尺寸单位微坑的加工参数，然后优化参数获得加工精度高、表面质量好的单位微坑。

步骤4、完成单位微坑制备后，进入超声辅助振动步骤，工件电压降为0，微纳米移液管内压力为大气压，超声波振动头与工件接触，率为40khz~50khz，在工件表面进行定向超声，使制备的坑/槽内电解液雾化，及时带走电解产物；

步骤5、将移液管移动至下个单位微坑制备点，重复步骤2、3、4进行单位微坑制备，按照设定路径进行加工，直到获得所需的微坑/槽等结构。

Claims (6)

1.一种基于电解液约束的超声辅助电化学微纳加工方法，其特征在于包括以下过程：

步骤1、将工件（1）上所需微坑/槽结构按照尺寸与结构特征分为若干单位微坑，并设计加工路径；

步骤2、将电极内置于微纳米移液管（2）内 ，微纳米移液管（2）充满电解液（3）；超声波振动头（6）置于工件下方并与工件接触；电源（5）负极接阴极（4），电源正极接工件（1）；

步骤3、在单位微坑内，微纳加工方法包含若干周期，每个周期内分为两个工作节拍：电解液约束电解加工和超声辅助振动，加工过程中两个工作节拍独立工作和脉动切换，具体为：

步骤3-1、将装有电解液（3）的微纳米移液管（2）移动至当前单位微坑制备点并靠近工件（1）表面，对微纳米移液管（2）内加压，电解液受压挤出，移液管（2）与工件（1）表面形成微液滴连接，形成微液滴连接后，管内压力降为大气压；接着微纳米移液管（2）内置的电极充当阴极（4），工件（1）作为阳极，通过设定电压使微液滴内发生电解反应去除工件（1）表面材料，完成单位微坑的制备；

步骤3-2、完成单位微坑的制备后，进入超声辅助振动步骤，在这个步骤中工件（1）电压为0，微纳米移液管（2）内压力为大气压，超声波振动头（6）与工件（1）接触，在工件（1）表面进行定向超声，使电解制备获得的微坑中电解液雾化，及时带走电解产物；

步骤3-3、将微纳米移液管（2）移动至下个单位微坑制备点，重复步骤3-1与步骤3-2完成单位微坑制备，直到获得所需的微坑/槽。

2.根据权利要求1所述一种基于电解液约束的超声辅助电化学微纳加工方法，其特征在于：

所述步骤1中单位微坑/直径为100nm~10μm，微坑深度为100nm~1000nm。

3.根据权利要求1所述一种基于电解液约束的超声辅助电化学微纳加工方法，其特征在于：

所述步骤2中微纳米移液管（2）直径由单位微坑直径决定，为单位微坑直径的0.5~0.8倍。

4.根据权利要求1所述一种基于电解液约束的超声辅助电化学微纳加工方法，其特征在于：

电解液为用酸性电解液。

5.根据权利要求1所述一种基于电解液约束的超声辅助电化学微纳加工方法，其特征在于：

单位微坑的电解加工时间由工件（1）材料去除速率有关，而同种材料去除速率由加工电压决定；前期需要通过基础试验确定工件材料（1）的电压区间、电压与材料去除速率的关系，然后在选定的电压下，根据单位微坑尺寸决定电解加工时间。

6.根据权利要求1所述一种基于电解液约束的超声辅助电化学微纳加工方法，其特征在于：

所述步骤3-2中超声波振动头（6）与工件（1）接触，超声振动频率为40khz~50khz。

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