CN113369608B - 一种在金属表面同步制备微织构和微织化微坑的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在金属表面同步制备微织构和微织化微坑的方法，属于掩膜电解加工领域。基于带式掩膜电解加工系统，调整主动轮、从动轮和金属圆柱体三者的空间位置，使掩膜带紧密贴合在平面工件上；开启位于掩膜带与平面工件之间的电解液喷嘴，向它们的夹角处喷射电解液；把金属圆柱体、平面工件分别与电解电源负极、正极连接；开启电解电源，利用金属圆柱体上的阵列微凸点与平面工件的间隙小、电流密度大、溶解速度更快的特性，使金属圆柱体先形成与阵列微凸点形状相似的微坑，随着进一步电化学溶解，在平面工件表面同步制备微织构和微织化微坑。本发明可一次性地在平面工件表面加工出微织构和微织化微坑，加工效率更高，工艺成本低，适应性强。

Description

一种在金属表面同步制备微织构和微织化微坑的方法

技术领域

本发明涉及一种在金属表面同步制备微织构和微织化微坑的方法，属于掩膜电解加工领域。

背景技术

表面织构化或微结构化是用以提高传热传质效率、增强医用植入物的生物相容性、改变耐摩擦磨损和表面润湿性等的常用举措。对此，现有化学蚀刻、超声振动加工、磨料射流加工、激光加工、电火花加工、电解加工等微织构化方法。这其中，电解加工在金属表面织构化方面兼具原理与工艺优势。电解加工利用选择性溶解（掩膜电解加工）或材料溶解速度和溶解量的不均匀性来实现表面微织构的制备，适用于任何金属材料，不受其力学性能限制，且效率高。电解加工所形成的微结构和织构无裂纹、再铸层和新增应力层等缺陷。针对金属表面微织构和微结构的制备，至今发展了包括成形电解加工、射流电解加工和掩膜电解加工等在内的不同形式的电解加工方法。这些方法各有所长。相比而言，掩膜电解加工更受业界青睐。主要原因是：它能一次性并行地高精度制造海量表面微结构。然而，标准粘结式掩膜电解加工强烈依赖于光刻等掩膜制备工艺，操作复杂，需一工件一掩膜，工艺成本高。为此，科技界开发了掩膜可反复使用的活动掩膜电解加工技术，大幅度降低了工艺成本，提高了工艺灵活性。但是，现有的活动掩膜电解加工仍不能很好地满足金属表面织构化的应用需求。主要的不足有二：一是活动掩膜极难均匀可靠地贴附在曲面工件上，导致重复精度偏低；二是不太适合大幅面工件的加工，且不同形状和尺寸的工件往往需制备不同的活动掩膜，导致适应性不高。

为此，申请号为201910673940.X的发明专利公布了一种带式活动掩膜电解加工微织构技术及装置。带式活动掩膜电解加工采用类似砂带磨削加工的加工方式，加工时，由于工件是转动的，特别适合圆柱（筒）类工件的加工，且加工过程电解液的传质条件好，电场作用于加工区的强度均等，电流密度分布的均匀性好，因此，加工所得的微纳结构的几何形状与尺寸分布一致性高。此外，该技术受工件外形尺寸的影响小，加工不同尺寸工件时，无需更换掩膜，工艺柔性和适应性得到显著提高。不过，目前的带式活动掩膜电解加工只能实现实现单一种类（或类型）微纳结构的加工。当前，单一种类的微纳结构主要有：微坑结构、微纳二重分级表面结构、含有微纳分级结构的微坑结构等。

然而，很多时候类型（或种类）单一的微纳结构不能满足某些现代高科技产品的性能或功能需求，时常需要多类型的集成。比如，表面既有微纳分级结构也有阵列微坑、同时微坑表面也含有微纳分级结构的金属传送带已作为高效载运药液（以微液滴形式）的载体。但是，这种全域微织构化和阵列微坑兼具的表面往往制备起来比较繁琐，需至少2个甚至更多步骤来完成，这导致加工成本高，生产效率低。

对此，本专利提出了一种在金属表面同步制备微织构和微织化微坑的方法，以满足应用亟需。

发明内容

本发明专利的目的是提供一种在金属表面同步制备微织构和微织化微坑的方法。为达到上述目的，本发明的技术方案是：

S1. 将平面工件置于带式掩膜电解加工系统的托辊上，并置于柱面设有阵列微凸点的金属圆柱体的下方；

S2. 调整带式掩膜电解加工系统的主动轮、从动轮和金属圆柱体的空间位置，使含有海量微通孔的掩膜带处于张紧状态且金属圆柱体轻压在平面工件的待加工面上；

S3. 将电解电源的正、负极分别与平面工件和金属圆柱体相连接；

S4. 开启位于掩膜带与金属圆柱体之间的电解液喷嘴，向它们的夹角处喷射电解液；

S5. 启动主动轮使之顺时针匀速转动，此时，掩膜带在摩擦力的作用下作匀速移动并带动金属圆柱体和从动轮匀速转动，平面工件也在掩膜带的带动作用下作匀速水平直线移动；

S6. 启动电解电源使平面工件和金属圆柱体均带电，此时平面工件的待加工面在电场与电解液的共同作用下发生选择性电化学溶解作用，使得阵列微凸点所对应的区域形成表面带有微织化的微坑、其他区域只形成微织构，进而在平面工件的表面同步制得含有微织化的微坑和单一微织构。

所述的掩膜带为微通孔面积占比为70%-95%的电绝缘高分子材料薄膜。

所述的掩膜带的厚度为50μm-200μm。

所述的微通孔的孔径为100nm-10μm。

所述的主动轮和从动轮均由电绝缘材料制成。

所述的阵列微凸点的材质为金属。

本发明的工作原理和过程如下。

将平面工件置于带式掩膜电解加工系统的托辊上，并置于柱面设有阵列微凸点的金属圆柱体的下方。将掩膜带缠绕在带式掩膜电解加工系统的主动轮、从动轮和金属圆柱体上且通过调整它们三者的空间位置，使掩膜带紧密贴合在平面工件上。通过喷嘴向掩膜带与金属圆柱体表面间的夹角处高速喷射电解液，随后电解液在掩膜带的携带作用下进入加工间隙。把金属圆柱体与电解电源负极连接，工件与电解电源阳极连接。接通电解电源后，平面工件的待加工面在电场与电解液的共同作用下发生选择性电化学溶解，此时，掩膜带通孔（镂空）所对应的平面工件表面区域因受电流的直接作用而被溶解，其他区域因电场被屏蔽而保留下来，进而形成织构化表面。由于金属圆柱体上的阵列微凸点与平面工件间的间隙更小，导致平面工件表面与阵列微凸点相对区域的电流密度更大（图2中的电场线疏密表示电流密度的大小，电场线越密集电流密度越大），所以该区域的溶解速度更快，进而先形成与阵列微凸点形状相似的微坑。与此同时，在形成微坑过程中，同样因为掩膜对微坑表面的选择性电流屏蔽作用，使得正形成的微坑表面也是被选择性溶解，进而形成表面微织化微坑。随着掩膜带不断地缓慢运动，金属圆柱体随之转动，平面工件也随之缓慢水平移动，在此过程中，平面工件不断形成微织构表面和微织化微坑，直到拟定的平面工件表面都被加工完成。

本发明与现有技术相比具有以下突出优点。

（1）能够一次性地在平面工件表面加工出微织构和微织化微坑，加工效率更高。在带式掩膜电解加工系统中的金属圆柱体上设置阵列微凸点，阵列微凸点通过电绝缘高分子材料薄膜先与平面工件紧密接触，利用两者之间的间隙更小、电流密度更大、接触区域溶解速度更快的特性，使平面工件形成与阵列微凸点形状相似的微坑，并同时对微坑表面织构化。待形成的微坑与阵列微凸点形状基本一致时，阵列微凸点非相对的平面工件表面区域则也被微织构化。随着掩膜带不断地缓慢运动，金属圆柱体随之转动，平面工件也随之缓慢水平移动，在此过程中，平面工件不断形成织构化表面和微织化微坑，直到拟定的平面工件表面都被加工完成。基于本专利技术方案，无需两步甚至更多步骤，可一次性地在平面工件表面加工出微织构和织构化微坑，效率非常高。

（2）工艺成本低，适应性强。基于同一种掩膜，通过适当改变与阴极连接的金属圆柱体的阵列微凸点形状与结构特征等，可灵活地电解加工不同类型、不同分布特征、不同特性的微织构化表面。此外，同一加工系统，稍作简单改变，可加工不同形状的工件，如圆柱体工件、带材等。

附图说明

图1为本发明的带式掩膜电解加工系统图。

图2为本发明在平面工件上同步制备微织构和微织化微坑加工流程的二维剖视图。

图3为本发明的制备微织化微坑和微织构表面的二维俯视图。

图4为本发明具备微织构表面和微织化微坑的工件的二维剖视图。

图中标号名称：1、平面工件；1-1、微坑；1-2、微织构；2、电解液喷嘴；3、掩膜带；3-1、微通孔；4、从动轮；5、金属圆柱体；5-1、阵列微凸点；6、主动轮； 7、电解电源；8、托辊；9、电场线；10、带式掩膜电解加工系统。

具体实施方式

下面结合图1、图2、图3和图4对发明的实施步骤作进一步描述:

步骤一：实验前用导管依次将喷嘴、电解槽、过滤杯和压力泵连接起来组成一个完整的电解液循环系统；

步骤二：将长宽为500mm×60mm、厚度为800μm的SUS316不锈钢平面工件1放置于带式掩膜电解加工系统10中直径为30mm、宽度为70mm的托辊8上，并置于由SUS316不锈钢制成的圆柱面设有直径为200μm、高度为100μm的阵列微凸点5-1金属圆柱体5的下方，金属圆柱体5的直径为25mm，长度为60mm；

步骤三：调整带式掩膜电解加工系统10中金属圆柱体5的位置，使其位于由聚四氟乙烯制成的主动轮6和从动轮4的中部正下方，且使含有占比面积为90%、孔径大小为100nm-10μm微通孔3-1、厚度为100μm的PP材质高分子薄膜掩膜带3处于张紧状态，同时，保证金属圆柱体5轻压在平面工件1的待加工面；

步骤四：将输出电压值为9V的电解电源7的正、负极分别与平面工件1和金属圆柱体5相连接；

步骤五：将电解液加热到35℃时，开启电解液喷嘴2，向掩膜带3与金属圆柱体5的夹角处喷射质量分数为10%的NaNO₃电解液；

步骤六：启动主动轮6以0.002r/min的转速顺时针匀速转动，此时，掩膜带3在摩擦力的作用下作匀速移动并带动金属圆柱体5和从动轮4匀速转动，且三者的线速度保持一致，平面工件1也在掩膜带3的带动作用下以0.004187mm/s的速度缓慢匀速水平直线移动；

步骤七：启动电解电源7，此时，平面工件1的待加工面在电场与电解液的共同作用下发生选择性电化学溶解，先形成与阵列微凸点5-1形状相似、直径大小为350μm、深度为200μm的微坑1-1。随着进一步电化学溶解，可一次性地在平面工件1表面同步制备纳米级微织构1-2和微织化微坑1-1。当达到加工尺寸要求后，断开电解电源7，停止供液。

Claims (6)

1.一种在金属表面同步制备微织构和微织化微坑的方法，它包括如下步骤：

S1. 将平面工件（1）置于带式掩膜电解加工系统（10）的托辊（8）上，并置于柱面设有阵列微凸点（5-1）的金属圆柱体（5）的下方；

S2. 调整带式掩膜电解加工系统（10）的主动轮（6）、从动轮（4）和金属圆柱体（5）的空间位置，使含有海量微通孔（3-1）的掩膜带（3）处于张紧状态且金属圆柱体（5）轻压在平面工件（1）的待加工面上；

S3. 将电解电源（7）的正、负极分别与平面工件（1）和金属圆柱体（5）相连接；

S4. 开启位于掩膜带（3）与金属圆柱体（5）之间的电解液喷嘴（2），向它们的夹角处喷射电解液；

S5. 启动主动轮（6）使之顺时针匀速转动，此时，掩膜带（3）在摩擦力的作用下作匀速移动并带动金属圆柱体（5）和从动轮（4）匀速转动，平面工件（1）也在掩膜带（3）的带动作用下作水平匀速直线移动；

S6. 启动电解电源（7）使平面工件（1）和金属圆柱体（5）均通电，此时平面工件（1）的待加工面在电场与电解液的共同作用下发生选择性电化学溶解作用，使得阵列微凸点（5-1）所对应的区域表面形成微织化微坑（1-1）、其他区域只形成微织构（1-2），进而在平面工件（1）的表面同步制得微织构（1-2）和微织化微坑（1-1）。

2.根据权利要求1所述的一种在金属表面同步制备微织构和微织化微坑的方法，其特征在于：所述的掩膜带（3）为微通孔（3-1）面积占比为70%-95%的电绝缘高分子材料薄膜。

3.根据权利要求1所述的一种在金属表面同步制备微织构和微织化微坑的方法，其特征在于：所述的掩膜带（3）的厚度为50μm-200μm。

4.根据权利要求1所述的一种在金属表面同步制备微织构和微织化微坑的方法，其特征在于：所述的微通孔（3-1）的孔径为100nm-10μm。

5.根据权利要求1所述的一种在金属表面同步制备微织构和微织化微坑的方法，其特征在于：所述的主动轮（6）和从动轮（4）均由电绝缘材料制成。

6.根据权利要求1所述的一种在金属表面同步制备微织构和微织化微坑的方法，其特征在于：所述的阵列微凸点（5-1）的材质为金属。

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