CN113186588B - 一种制备金属纳米针尖试样的自动化智能化抛光设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种制备金属纳米针尖试样的自动化智能化抛光设备及抛光方法。包括样品夹持装置、自动清洗装置、精抛装置和电控系统，样品夹持装置的样品夹抓夹持金属试样，步进电机带动往复导管和往复齿条及金属试样循环往复运动，金属试样构成的阳极与电机固定柱、金属圆环构成的阴极实现电解粗抛光，粗抛光和酒精清洗可自动完成。粗抛光完成后，通过升降旋转平台旋转，将金属试样旋转至水平，步进电机带动金属试样阳极相对电解液液膜阴极往复运动进行精抛光，整个过程通过电控系统自动运行，减少人为参与，将针尖抛光经验参数化，得到的金属纳米针尖效果好，可重复性高。避免粗抛光和精抛光衔接过程中金属试样的转移，节约时间成本，有利于保护针尖。

Description

一种制备金属纳米针尖试样的自动化智能化抛光设备

技术领域

本发明涉及微纳米加工领域和材料表征领域，尤其涉及一种制备金属纳米针尖试样的电解抛光设备。

背景技术

金属纳米针尖有着广泛的应用背景：透射电子显微镜的场发射灯丝通常采用钨纳米针尖，聚焦离子束切割的机械操作手为钨纳米针尖，扫描隧道显微镜探针采用钨纳米针尖，原子力显微镜探针采用镀金的硅纳米针尖或者铂铱合金纳米针尖，原子探针层析技术表征材料微结构时采用的试样均是纳米针尖，还有应用在医学中的微细胞操作、特种制造业的微加工等领域中。制备纳米针尖常用的方法有：机械剪切(专利：201810660814.6)、电化学刻蚀(专利：201921961179.1，201810418740.5)、电化学腐蚀抛光(专利：201410734587.9)、聚焦离子束切割(专利：CN102915900，201910321634.X)、选择性刻蚀法(专利：201910273149.X)、场致蒸发等，其中电化学刻蚀和电化学腐蚀抛光因成本低、操作简单、方便快捷等优势而被广泛使用制备金属纳米针尖试样，尤其是在原子探针层析技术制样中被广泛采用。

传统的电化学刻蚀法分为浸没刻蚀法和液膜刻蚀法。前者将用来制备纳米针尖的金属试样(一般尺寸为0.5mm×0.5mm×15mm)作为阳极浸没在电解液中，阴极一般是将交变电源的负极接在金属圆环上浸没在电解液中，在通电情况下进行电化学刻蚀，空液交界处金属丝的溶解速度最快，最终在下部重力作用下金属丝被拉断，此时需要及时断开电路防止拉出来的纳米针尖继续被腐蚀钝化，即可在电解液上部获得纳米针尖。后者是在前者的基础上进行改进，利用悬挂电解液液膜的金属圆环充当阴极，金属丝充当阳极穿过液膜，以液膜为分界线形成上下两部分，通电进行电化学刻蚀，金属丝将在液膜上下表面处断开，形成上下两个纳米针尖。液膜刻蚀法比浸没刻蚀法更加方便，但两种方法都存在成品率低、纳米针尖成形性差等问题。

为了解决在电化学刻蚀中存在的问题，又发展了电化学腐蚀抛光技术(简称电解抛光技术)。电解抛光技术在上述两种电化学刻蚀技术改进的基础上，分为粗抛和精抛阶段。在粗抛阶段，在浸没刻蚀法的设施基础上，让金属试样做周期性往复运动，“离开电解液——浸没在电解液中——离开电解液”如此往复循环，电解液液面就好比铅笔刀，将金属丝尖端一层层“削”成针尖形状。粗抛完成后，继续进行第二阶段精抛。精抛是将阴极悬挂液膜的金属环立在光学显微镜下，手动让粗抛后的针尖试样水平穿过液膜，做“离开液膜——刺穿液膜——离开液膜”的往复循环，液膜进一步将针尖“整形“成纳米针尖。精抛阶段可以借助光学显微镜对出尖形状进行初步的判断，避免电化学刻蚀法需要及时断开电源的麻烦，增加了纳米针尖试样制备的成功率。但现有设备简陋，人力成本高，自动化智能化程度低，而且针尖在粗抛和精抛两阶段衔接的转移过程中容易被损坏，出尖效果以及针形不理想，难以用仪器参数控制，更多地取决于操作者的个人经验和技巧。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

上述现有电化学腐蚀抛光设备存在的以下几个问题：(1)自动化智能化程度低，人力成本高，(2)针尖在粗抛和精抛两阶段衔接的转移过程中容易被损坏，(3)对操作者个人经验和技巧依赖性高，出尖效果及针形受人为因素影响大，制备的针尖试样结果可控性低，针对目前存在的问题，提出了本发明。

本发明提供如下技术方案：

一种制备金属纳米针尖试样的自动化智能化抛光设备，包括粗抛装置、精抛装置和电控系统，所述粗抛装置包括样品夹持及运动控制装置、自动清洗装置，所述精抛装置包括光学显微镜21、液膜支持环22，所述电控系统包括控制器3、交变电源24；

所述样品夹持及运动控制装置包括样品夹抓6、往复齿条7、齿条导管8，步进电机13、电极固定柱14、金属圆环18，样品夹抓6固定在往复齿条7末端，步进电机13带动往复齿条7在齿条导管8内往复运动，样品夹抓6连接交变电源24的正极，金属圆环通过电极固定柱14连接交变电源24的负极，金属圆环放在活动水槽16盛放的电解液中，步进电机13带动样品夹抓6的金属在活动水槽16的电解液中做循环往复电解粗抛光运动；

所述自动清洗装置包括酒精喷洒装置1，对粗抛光的金属进行清洗；

所述样品夹持及运动控制装置还包括升降旋转平台9，步进电机13和齿条导管8固定在升降旋转平台9上；

所述液膜支持环22连接交变电源24负极，光学显微镜21观察步进电机13带动金属沿水平方向做循环往复电解精抛光状态；

所述控制器3可设置参数控制升降旋转平台9自动旋转、酒精喷洒装置1对金属自动清洗、电解粗抛光和精抛光自动循环运行。

作为本发明进一步的技术方案，所述控制器3控制升降旋转平台9自动旋转包括旋转角度和间隔旋转时间。所述控制器3控制电解粗抛光和精抛光自动运行包括控制步进电机转速、往复齿条速度、往复齿条幅值、抛光时间中的至少一个参数。通过控制升降旋转平台9的旋转、粗抛光运行、酒精喷洒清洗、精抛光运行，使粗抛光、酒精清洗和精抛光能自动衔接运行。

作为本发明进一步的技术方案，所述样品夹持及运动控制装置还包括升降齿条11、锁紧螺母10和升降手轮12，升降旋转平台9以啮合在升降齿条11上，升降手轮12可使升降旋转平台9在升降齿条11上上下移动，锁紧螺母10将升降旋转平台9锁紧在升降齿条11上。

作为本发明进一步的技术方案，所述升降旋转平台9的倾转角度为0～360°，升降齿条11上金属试样高度调节范围为0～135mm。

作为本发明进一步的技术方案，所述升降齿条11齿数为62，压力角为20°，模数为1，齿条长为220mm，齿面宽为40mm，齿距高度为21mm；往复齿条7齿数为42，压力角为20°，模数为1，齿条长为180mm，齿面宽为11.5mm，齿距高度为10mm；齿条导管8外圆直径为16mm，内孔高为10mm，宽为12mm，内孔圆角半径为2mm。本发明通过升降齿条、往复齿条、齿条导管的精密设计配合，实现粗抛光和精抛光高精度的控制和运行。

作为本发明进一步的技术方案，所述往复齿条7的运动速度范围为0～623.1mm/s，运动幅值为(-65)～65mm。

作为本发明进一步的技术方案，所述控制器控制粗抛阶段每粗抛30～60s酒精清洗一次，酒精清洗时间为3～10s，粗抛时间为1～3小时。

作为本发明进一步的技术方案，所述精抛装置还包括显微镜移动平台20，光学显微镜21坐落在显微镜移动平台20上，显微镜移动平台20可横向调节显微镜与金属针尖的距离。

作为本发明进一步的技术方案，所述自动清洗装置还包括活动液槽2、储液盒25、电动泵26，酒精喷洒装置1连接电动泵26，电动泵26放在储液盒25中，电动泵26受控制器3控制，活动液槽2对清洗后的酒精进行收集。

本发明的有益效果：

(1)自动化智能化程度高，金属试样的粗抛、清洗、精抛阶段均可以通过程序控制，同时兼顾手动调节，操作方便，能节约大量的人力成本。

(2)集成度高，粗抛和精抛两个阶段的设备被集成到一台设备上，减少金属纳米针尖的转移过程；

(3)操作过程参数化，根据成功的经验可以通过设置标准化参数精确控制抛光过程中的每一步骤，避免人为因素对样品成功率的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明抛光装置的前置结构示意图。

图2为本发明抛光装置的后置结构示意图。

图3为本发明具体实施例中5种金属细棒电解抛光制备纳米针尖的扫描电镜图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

本发明提供一种制备金属纳米针尖试样的自动化智能化抛光设备，及用该抛光设备进行抛光的方法。

参见图1与图2，制备金属纳米针尖试样的自动化智能化抛光设备，包括粗抛装置、精抛装置和电控系统。

其中，粗抛装置包括样品夹持及运动控制装置和自动清洗装置。所述样品夹持及运动控制装置是抛光设备的核心部分，负责装载金属试样，并控制金属试样的运动速度以及调节金属试样的空间位置。夹持及运动控制装置包括样品夹抓6、往复齿条7、齿条导管8、步进电机13。利用样品夹抓6锁紧金属试样，保持试样运动过程中的同轴度。样品夹抓6固定在往复齿条7末端，往复齿条7在齿条导管8内运动，齿条导管8与步进电机13连接，步进电机13控制往复齿条7运动的行程和速度，带动金属试样在电解液中做“离开电解液——浸没在电解液中——离开电解液…”的循环往复运动，到达腐蚀抛光的目的。齿条结构与步进电机的结合不仅可以控制试样的运动速度，还能保证试样运动过程中与腐蚀液液面的垂直度。

本发明的样品夹抓6表层可镀铬，防止抛光液腐蚀。

本发明的步进电机13控制往复齿条7运动的运动速度范围为0～623.1mm/s，运动幅值为(-65)～65mm。

金属试样被锁紧在样品夹抓6中，所述样品夹抓6固定在往复齿条7的末端，考虑到原始金属试样尺寸不同，所述样品夹抓可以随意更换，所能夹持的试样界面等效直径在0.5～3.0mm范围内。

夹持及运动控制装置还包括升降旋转平台9、升降齿条11、锁紧螺母10和升降手轮12。步进电机13和齿条导管8固定在升降旋转平台9上，升降旋转平台9可实现样品高度和倾转角度的调节，其中倾转角度范围为0～360°。升降旋转平台9以齿结构啮合在升降齿条11上，齿啮合结构的设计有利于保证试样的垂直度。通过升降手轮12可使升降旋转平台9在升降齿条上上下移动，升降齿条11即试样高度的调节范围为0～135mm。当升降旋转平台9升降至合适的位置后，利用锁紧螺母10将升降旋转平台9固定在升降齿条11上，锁紧螺母10和升降手轮12可以增加试样的可调高度范围，并能保证整个样品夹持及运动装置的垂直度。通过升降旋转平台9，金属式样在粗抛过程可实现自动清洗，粗抛完成后可直接传送至精抛阶段，避免由人转移造成的针尖损坏。

夹持及运动控制装置还包括镶嵌式底座15、电极固定柱14、盛放电解液的活动水槽16。升降齿条11固定在镶嵌式底座15上，镶嵌式结构便于拆卸。进一步的，本发明镶嵌式底座15上有卡槽19，升降齿条11通过过盈配合安插在镶嵌式底座的卡槽19内。镶嵌式底座上，升降齿条的金属试样的垂直下方设有活动水槽16，活动水槽的直径范围在43-100mm，活动水槽16用于放置装有电解液的培养皿或者烧杯。活动水槽旁边设计有电极固定柱14，用于固定浸没在电解液中的金属圆环18的外置把柄，电极固定柱14和金属圆环18通过导线17电连接。电极固定柱连接交变电源24的负极，金属圆环18在电解液中充当阴极。将交变电源24的正极接线连接到样品夹抓6，使得金属试样充当阳极。

自动清洗装置包括酒精喷洒装置1、活动液槽2、储液盒25、电动泵26。酒精喷洒装置1可以是酒精淋浴喷头1或其他可喷洒酒精的装置。酒精喷洒装置1连接电动泵26，电动泵26放在储液盒25中，电动泵26受控制器3控制，程序自动设置在试样旋转至喷头下方时，喷头开始喷洒酒精进行清洗。清洗完成后，程序自动控制水泵停止工作，清洗后的酒精通过活动液槽进行收集。

储液盒25为抽屉式结构，方便拿取。

样品夹持及运动控制装置与自动清洗装置保持合适的距离，使酒精淋浴喷头喷洒的酒精对金属试样起到清洗的作用。

电控系统包括电源开关4、控制器3、交变电源24。控制器3可控制升降旋转平台9旋转，通过程序设定时间，间隔一定的时间将金属试样旋转至酒精淋浴喷头1下方后，控制器3控制电动泵26通过酒精淋浴喷头1自动喷洒酒精，清洗完成后，控制器3关闭电动泵26，并将升降旋转平台9旋转至原来的垂直位置。控制器3可控制夹持及运动控制装置和清洗装置，对金属试样反复抛光和清洗。

金属纳米针尖试样的自动化智能化抛光设备还包括底座5，样品夹持及运动控制装置、自动清洗装置均固定在底座上，底座内安装有电控系统。

金属纳米针尖试样的自动化智能化抛光设备，其精抛装置包括显微镜移动平台20、光学显微镜21、液膜支持环22及台架23，光学显微镜21坐落在显微镜移动平台20上，显微镜移动平台20用于横向调节显微镜位置，以便能通过光学显微镜在合适位置观察到纳米针尖来回刺透液膜的过程，并能观察到针尖的最终形状。液膜支持环22及台架23安装在显微镜载物台上，液膜支持环用于支撑电解液液膜，液膜支持环连接交变电源负极充当电解抛光的阴极。

当有粗抛阶段转至精抛阶段时，通过控制器3自动调节升降旋转平台9，将金属试样调节至水平位置，利用升降手轮12调节样品高度，使粗抛后的金属纳米针尖对准光学显微镜载物台上液膜支持环22的中心，利用步进电机13控制金属纳米针尖左右往复运动的行程和速度，往复齿条带动金属纳米针尖既能刺穿液膜支持环上的液膜，又能距离液膜一定的距离，完成“离开液膜——刺穿液膜——离开液膜…”循环运动，从而达到出尖和针尖整形的目的。

本发明中，当有粗抛阶段转至精抛阶段时，还可通过手动调节升降旋转平台9，将金属试样调节至水平位置。

上述光学显微镜是普通的商业光学显微镜，兼具透射模式和反射模式。

本发明还提供一种采用上述抛光设备进行抛光的方法，包括以下步骤：

(1)利用样品夹抓锁紧金属试样，手动旋转升降旋转平台使金属试样垂直朝下，调节升降手轮使金属试样末端距离活动水槽中电解液液面的距离适中。当放置金属试样样品时，可采用手动旋转升降平台，使样品夹抓垂直朝上，避免损坏金属试样，当金属试样夹紧后，再手动旋转升降旋转平台，使金属试样垂直朝下。该步骤金属试样末端距离电解液液面适中，指金属试样随步进电机往复运动，金属试样部分进入液面，当金属试样随步进电机抬高时，可完全离开电解液液面。

(2)将交变电源的正极接线连接到样品夹抓，使得金属试样充当阳极，将交变电源的负极接线连到电极固定柱，使得与电极固定柱相接的浸没在电解液中的金属环充当阴极。

(3)启动电源开关，控制器启动步进电机，尝试确定往复齿条合适的运动速度以及往复运动行程大小。当金属试样达到最下端时，应该有部分浸没在电解液中，当金属试样达到最上端时，金属试样应该完全离开电解液液面，记录往复齿条的运动速度和往复行程幅值。

(4)利用控制器控制升降旋转平台旋转，当金属试样到达酒精淋浴喷头正下方时记录升降旋转平台旋转的精确角度。结束后通过控制器控制金属试样回复到垂直向下的位置。

(5)将步骤S3-S4的记录的参数写入控制器程序，开始对金属试样粗抛。

(6)控制器控制试样垂直往复运动进入电解液中的速度和行程幅值，当往复循环达到程序设定的时间后，步进电机停止工作，此时金属试样刚好回到最上端位置，完全离开液面。

(7)执行完步骤S6后，控制器程序控制升降旋转平台将金属试样旋转设定的角度后，正好停在左侧酒精淋浴喷头正下方，同时，控制器控制电动泵开启，酒精淋浴喷头喷洒酒精清洗金属试样。清洗程序结束后，控制器控制升降旋转平台将金属试样送回原先的垂直位置，步进电机启动，继续电解抛光执行步骤S6。

(8)循环执行步骤S6和步骤S7，循环设定的次数后，当金属试样末端细化到头发丝般大小，粗抛完成，此时升降旋转平台将金属试样直接旋转至水平位置，进入精抛准备。

(9)利用升降手轮调节升降旋转平台的高度，使得水平放置的金属试样正对右侧光学显微镜载物台上的液膜支持环的中心位置。

(10)调节显微镜移动平台，确认显微镜的最佳位置，此时，启动步进电机带动金属试样运动时，金属试样应该以液膜支持环为中心做对称往复运动，记录金属试样精抛的合适的运动幅值和速度参数。

(11)将步骤S10记录的参数写入控制器程序，将电解液液滴滴在液膜支撑环上，形成液膜，启动控制器程序，金属试样的前端往复刺穿液膜，开始精抛。

(12)在精抛的过程中，通过与光学显微镜相连的电脑屏幕认真观察金属试样前端，当金属试样前端掉落，针尖形状出来时，调节控制器采用更慢的运动速度刺穿液膜，直到获得完美针尖形状，将纳米针尖停在远离液膜的位置，并马上用滴管滴酒精清洗，获得金属纳米针尖试样。

制备获得金属纳米针尖试样后，将光学显微镜移到原来的位置，手动升降旋转平台，将试样转到垂直朝上的位置，松开样品夹抓，取出纳米针尖试样，保存到特定的样品盒中。将机构复位，移走所有的电解液和酒精妥善处置，清洁抛光装置及光学显微镜，以免设备被腐蚀。

为了进一步说明采用本发明制备金属纳米针尖试样的自动化智能化抛光设备所取得的优异效果，本发明选取尺寸为0.5mm×0.5mm×15mm表面光洁的Al、Al基合金、Mo、Fe基合金、Ti 5种金属细棒依次进行电解抛光制备纳米针尖。

针对该尺寸的5种金属试样，选取样品夹抓的规格为0.5～1mm。将样品夹抓利用螺纹连接安装在往复齿条的一端，往复齿条通过齿啮合的方式安装在齿条导管内，往复齿条的具体参数为：齿数为42；压力角为20°；模数为1；齿条长为180mm；齿面宽为11.5mm；齿距高度为10mm。齿条导管外圆直径为16mm；内孔高为10mm，宽为12mm；内孔圆角半径为2mm。此外，升降齿条的齿数为62，压力角为20°；模数为1；齿条长为220mm；齿面宽为40mm；齿距高度为21mm，通过设计往复齿条、齿条导管、升降齿条的精密结构，对抛光设备进行精密运行，得到的金属纳米针尖形状重复性好，出针效果好。

粗抛阶段设定的控制器参数为：齿条往复运动对的速度为10～60mm/s，齿条往复运动最大距离为(-65)～65mm，电机最大转速为14r/min，粗抛阶段清洗时升降旋转平台旋转角度为45°，每粗抛30～60s酒精清洗一次，酒精清洗时间为3～10s，粗抛次数视材料腐蚀性能而异，通常粗抛要持续1～3小时。

精抛阶段设定的控制器参数为：齿条往复运动对的速度为100～300mm/s，齿条往复运动最大幅值为(-5)～5mm，电机最大转速为337r/min。当金属试样前端掉落，针尖形状出来时，通过光学显微镜判断针尖形状，根据针尖形状进行脉冲式抛光。

实施例1

选取尺寸为0.5mm×0.5mm×15mm表面光洁的Al金属细棒进行电解抛光制备纳米针尖。

粗抛和粗抛抛光液均采用1％-10％高氯酸甲醇溶液，交变电源为5-10VAC，温度控制在-10℃。

粗抛阶段设定的控制器参数为：齿条往复运动对的速度为15mm/s，齿条往复运动距离为6mm，电机转速为17r/min，粗抛阶段清洗时升降旋转平台旋转角度为45°，清洗时间可设置每粗抛30～60s酒精清洗一次，酒精清洗时间为3～10s，粗抛持续1小时。

精抛阶段设定的控制器参数为：齿条往复运动对的速度为100mm/s，齿条往复运动幅值为10mm，电机转速为112r/min。当金属试样前端掉落，针尖形状出来时，通过光学显微镜判断针尖形状，根据针尖形状进行脉冲式抛光。

制得的Al金属纳米针尖的扫描电镜图如图3中的3A所示。

实施例2

选取尺寸为0.5mm×0.5mm×15mm表面光洁的Al基合金金属细棒进行电解抛光制备纳米针尖。

粗抛阶段采用25％高氯酸+75％冰醋酸的抛光液，交变电源为10-25V DC，精抛阶段采用2％高氯酸乙二醇单丁醚溶液，交变电源为10-25V DC。

粗抛阶段设定的控制器参数为：齿条往复运动对的速度为20mm/s，齿条往复运动距离为6mm，电机转速为22r/min，粗抛阶段清洗时升降旋转平台旋转角度为45°，清洗时间可设置每粗抛30～60s酒精清洗一次，酒精清洗时间为3～10s，粗抛持续1小时。

精抛阶段设定的控制器参数为：齿条往复运动对的速度为120mm/s，齿条往复运动幅值为10mm，电机转速为135r/min。当金属试样前端掉落，针尖形状出来时，通过光学显微镜判断针尖形状，根据针尖形状进行脉冲式抛光。

制得的Al基合金金属纳米针尖的扫描电镜图如图3中的3B所示。

实施例3

选取尺寸为0.5mm×0.5mm×15mm表面光洁的Mo金属细棒进行电解抛光制备纳米针尖。

粗抛阶段采用5mol/LNaOH水溶液作为抛光液，交变电源为6V AC，精抛阶段采用5mol/LNaOH水溶液作为抛光液，交变电源为6V DC。

粗抛阶段设定的控制器参数为：齿条往复运动对的速度为50mm/s，齿条往复运动距离为6mm，电机转速为56r/min，粗抛阶段清洗时升降旋转平台旋转角度为45°，清洗时间可设置每粗抛30～60s酒精清洗一次，酒精清洗时间为3～10s，粗抛持续2.5小时。

精抛阶段设定的控制器参数为：齿条往复运动对的速度为280mm/s，齿条往复运动幅值为10mm，电机转速为315r/min。当金属试样前端掉落，针尖形状出来时，通过光学显微镜判断针尖形状，根据针尖形状进行脉冲式抛光。

制得的Mo金属纳米针尖的扫描电镜图如图3中的3C所示。

实施例4

选取尺寸为0.5mm×0.5mm×15mm表面光洁的Fe基合金金属细棒进行电解抛光制备纳米针尖。

粗抛阶段采用10％-25％高氯酸(70％)，其余为冰醋酸作为抛光液，交变电源为10-25V DC，精抛阶段采用2％高氯酸乙二醇单丁醚溶液，交变电源为10-25V DC。

粗抛阶段设定的控制器参数为：齿条往复运动对的速度为20mm/s，齿条往复运动距离为6mm，电机转速为22r/min，粗抛阶段清洗时升降旋转平台旋转角度为45°，清洗时间可设置每粗抛30～60s酒精清洗一次，酒精清洗时间为3～10s，粗抛持续1.5小时。

精抛阶段设定的控制器参数为：齿条往复运动对的速度为200mm/s，齿条往复运动幅值为10mm，电机转速为225r/min。当金属试样前端掉落，针尖形状出来时，通过光学显微镜判断针尖形状，根据针尖形状进行脉冲式抛光。

制得的Fe基合金金属纳米针尖的扫描电镜图如图3中的3D所示。

实施例5

选取尺寸为0.5mm×0.5mm×15mm表面光洁的Ti金属细棒进行电解抛光制备纳米针尖。

粗抛阶段和精抛阶段均采用6％高氯酸，34％正丁醇，其余为甲醇作为抛光液，交变电源为50-60V DC，温度为-50℃。

粗抛阶段设定的控制器参数为：齿条往复运动对的速度为55mm/s，齿条往复运动距离为6mm，电机转速为124r/min，粗抛阶段清洗时升降旋转平台旋转角度为45°，清洗时间可设置每粗抛30～60s酒精清洗一次，酒精清洗时间为3～10s，粗抛持续3小时。

精抛阶段设定的控制器参数为：齿条往复运动对的速度为260mm/s，齿条往复运动幅值为10mm，电机转速为292r/min。当金属试样前端掉落，针尖形状出来时，通过光学显微镜判断针尖形状，根据针尖形状进行脉冲式抛光。

制得的Ti金属纳米针尖的扫描电镜图如图3中的3E所示。

现有技术中制备金属纳米针尖主要依靠手动进行，更多依靠个人经验。通过比较本发明对Al、Al基合金、Mo、Fe基合金、Ti 5种金属细棒电解抛光制备纳米针尖的扫描电镜图，本发明的用于制备金属纳米针尖试样的自动化智能化抛光设备，无论制备纳米针尖的种类，均可通过设置适宜的操作参数，做到参数标准化精确控制抛光过程中的每一步骤，避免人为因素对样品成功率的影响，节约人力成本，且出尖效果和针形可重复性好。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种制备金属纳米针尖试样的自动化智能化抛光设备，包括粗抛装置、精抛装置和电控系统，其特征在于：所述粗抛装置包括样品夹持及运动控制装置、自动清洗装置，所述精抛装置包括光学显微镜(21)、液膜支持环(22)，所述电控系统包括控制器(3)、交变电源(24)；

所述样品夹持及运动控制装置包括样品夹抓(6)、往复齿条(7)、齿条导管(8)，步进电机(13)、电极固定柱(14)、金属圆环(18)，样品夹抓(6)固定在往复齿条(7)末端，步进电机(13)带动往复齿条(7)在齿条导管(8)内往复运动，样品夹抓(6)连接交变电源(24)的正极，金属圆环(18)通过电极固定柱(14)连接交变电源(24)的负极，金属圆环(18)放在活动水槽(16)盛放的电解液中，步进电机(13)带动样品夹抓(6)的金属在活动水槽(16)的电解液中做循环往复电解粗抛光运动；

所述样品夹持及运动控制装置还包括升降旋转平台(9)、升降手轮(12)，步进电机(13)和齿条导管(8)固定在升降旋转平台(9)上，所述控制器(3)可控制升降旋转平台(9)旋转至水平，调节升降手轮(12)带动升降旋转平台(9)上下移动使样品夹抓(6)夹持的粗抛光金属针尖对准液膜支持环(22)的中心，步进电机(13)带动粗抛光金属针尖沿水平方向做循环往复电解精抛光运动；

所述自动清洗装置包括酒精喷洒装置(1)，对粗抛光的金属进行清洗；

所述液膜支持环(22)连接交变电源(24)负极，光学显微镜(21)观察步进电机(13)带动金属沿水平方向做循环往复电解精抛光状态；

所述控制器(3)可设置参数控制升降旋转平台(9)自动旋转、酒精喷洒装置(1)对金属自动清洗、电解粗抛光和精抛光自动循环运行。

2.如权利要求1所述的制备金属纳米针尖试样的自动化智能化抛光设备，其特征在于：所述控制器(3)控制升降旋转平台(9)自动旋转包括旋转角度和间隔旋转时间。

3.如权利要求1所述的制备金属纳米针尖试样的自动化智能化抛光设备，其特征在于：所述控制器(3)控制电解粗抛光和精抛光自动运行包括控制步进电机(13)转速、往复齿条(7)速度、往复齿条(7)幅值、抛光时间中的至少一个参数。

4.如权利要求1所述的制备金属纳米针尖试样的自动化智能化抛光设备，其特征在于：所述样品夹持及运动控制装置还包括升降齿条(11)、锁紧螺母(10)，升降旋转平台(9)以啮合在升降齿条(11)上，升降手轮(12)可使升降旋转平台(9)在升降齿条(11)上上下移动，锁紧螺母(10)将升降旋转平台(9)锁紧在升降齿条(11)上。

5.如权利要求4所述的制备金属纳米针尖试样的自动化智能化抛光设备，其特征在于：所述升降旋转平台(9)的倾转角度为0～360°，升降齿条(11)上金属高度调节范围为0～135mm。

6.如权利要求5所述的制备金属纳米针尖试样的自动化智能化抛光设备，其特征在于：所述升降齿条(11)齿数为62，压力角为20°，模数为1，齿条长为220mm，齿面宽为40mm，齿距高度为21mm；往复齿条(7)齿数为42，压力角为20°，模数为1，齿条长为180mm，齿面宽为11.5mm，齿距高度为10mm；齿条导管(8)外圆直径为16mm，内孔高为10mm，宽为12mm，内孔圆角半径为2mm。

7.如权利要求1所述的制备金属纳米针尖试样的自动化智能化抛光设备，其特征在于：所述往复齿条(7)的运动速度范围为0～623.1mm/s，运动幅值为(-65)～65mm。

8.如权利要求3所述的制备金属纳米针尖试样的自动化智能化抛光设备，其特征在于：所述控制器(3)控制粗抛阶段每粗抛30～60s酒精清洗一次，酒精清洗时间为3～10s，粗抛时间为1～3小时。

9.如权利要求1所述的制备金属纳米针尖试样的自动化智能化抛光设备，其特征在于：所述精抛装置还包括显微镜移动平台(20)，光学显微镜(21)坐落在显微镜移动平台(20)上，显微镜移动平台(20)可横向调节显微镜与金属针尖的距离。

10.如权利要求1所述的制备金属纳米针尖试样的自动化智能化抛光设备，其特征在于：所述自动清洗装置还包括活动液槽(2)、储液盒(25)、电动泵(26)，酒精喷洒装置(1)连接电动泵(26)，电动泵(26)放在储液盒(25)中，电动泵(26)受控制器(3)控制，活动液槽(2)对清洗后的酒精进行收集。

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