CN113584568A - 一种金属微细结构的电化学高精度抛光方法 - Google Patents

一种金属微细结构的电化学高精度抛光方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属微细结构的电化学高精度抛光方法，包括以下步骤：制备包裹有金属工件待抛光结构面的固体电解质；对金属工件进行抛光电解；将带有微细结构的金属工件从固体电解质中取出。本发明利用了固体电解质在一定条件下可以转变为液态或者通过溶液固化的方式进行制备的性质可进行微细结构的自适应填充以及抛光电解液的三维结构形状约束，这一重要转变是实现金属微细结构高精度抛光的关键，因为电解液的形状受到约束，金属材料的去除只会发生在金属和固体电解质的界面，随着加工的进行，发生金属表面与固体电解质的分离，金属的电化学腐蚀随即停止，金属微细结构三维结构形状得以良好保持，实现了高精度抛光，还可去除一定的波纹度特征。

Description

一种金属微细结构的电化学高精度抛光方法
技术领域
本发明涉及一种金属微细结构的抛光，尤其是涉及一种金属微细结构的电化学高精度抛光方法。
背景技术
微结构表面特有的形状特征使其具有了一些特定的物理、化学等功能。具有三维金属微结构的微小型器件由于其功能性在生物医疗、精密机械、航空航天、国防、通信等领域获得了日益广泛的应用。例如，在冷却散热系统中使用微槽结构能够改善散热性能，提高散热效率；行波管依靠其内部的周期性微槽结构进行电子束与高频电磁行波的能量交换，实现微波信号的放大等等。微结构的表面粗糙度对其耐蚀性、耐磨性、抗疲劳性等性能具有重要影响，关系着加工质量的高低；微结构的形状精度会使微型元器件的性能偏离事先设计好的工作点，也是加工质量的重要评估标准之一。
微小型元器件市场需求日益增大的同时也推动了微细制造技术的进步。然而，现有的各种微细加工工艺加工出的微结构存在无法完全避免的表面缺陷，比如，微铣削(Micro milling)等基于机械力的加工会产生微裂纹、毛刺等缺陷，微槽底部微铣刀的叠加轨迹还会造成粗糙度之外的波纹度特征；微细电火花加工(MEDM)会产生放电凹坑、热影响层等缺陷；激光加工会在沟槽表面存在重熔层和翻边，微槽底部也会有激光轨迹造成的波纹度特征，所以必须经过后续抛光才能满足高性能金属微结构功能元器件的使用要求。
对于微细结构零件，由于其尺寸小、刚度低、精度要求高等特点，普通的抛光方法往往受到限制。迄今为止，人们已经发展了多种技术并应用于金属微结构的抛光，这些技术大致可以分为三类：(1)设计制造特殊抛光工具利用宏观机械力进行的机械式抛光方法，如特制抛光头抛光、磁性复合流体抛光、数控小磨头抛光等；(2)使用强聚焦的高能束与金属表面发生物理化学反应实现抛光的高能束抛光方式，如激光抛光、离子束抛光等；(3)化学或电化学抛光方法。
特制抛光头抛光使用的工具是经过特殊设计的带有软毛的抛光头，抛光头上的软毛带动磨粒滚动实现工件表面的抛光，该方法抛光工具制造较简单，对小深宽比简单微结构具有一定的抛光能力，但是无法实现微结构的高精度抛光以及较大深宽比微槽的抛光，还有可能产生磨粒嵌入、残留的问题；磁性复合流体抛光的原理是使用装有永磁铁的抛光工具头吸附定量的磁性复合流体，磁性复合流体与微结构工件表面接触且相对运动，产生切削作用，实现抛光。由于其抛光工具为柔性的磁性抛光体，能够与各种曲面工件高度贴合，因而能够实现对复杂曲面、微小结构等难以加工的工件表面进行抛光。但是适用于该方法的微结构多为曲面且深宽比较小，无法对侧壁垂直、大深宽比的微槽结构进行高精度抛光；数控小磨头抛光，由于抛光工具表面无法与微结构工件表面完全吻合而一定程度上影响了抛光工件的表面质量。
激光抛光是由激光加工衍生出来的一种新型抛光技术。根据激光与材料的相互作用效果，激光抛光分为热抛光和冷抛光。热抛光依据热作用，使被抛光工件表面材料在激光作用下产生受热后的瞬时熔化、蒸发以及气化现象，从而去除缺陷，获得光滑表面。和传统的激光加工一样，热抛光同样会使抛光后的材料表面产生较大的热应力，同时还会伴随热裂纹等缺陷的发生。因此，激光热抛光后的工件材料表面并不能获得特别高的光洁度，抛光效果比较一般。激光冷抛光基于短脉冲激光(准分子激光、飞秒脉冲激光等)技术，主要通过破坏材料的化学键(或者晶格结构)来实现材料的剥离，抛光过程中热效应几乎可以忽略。因此，冷抛光后的材料表面几乎不存在热应力，也无热裂纹产生。但是短脉冲激光设备昂贵，成本高，抛光费用贵，加工表面激光强度的均匀性不易保证，而且对抛光过程中的检测技术和精密控制技术要求很高，激光抛光金属微结构是个昂贵且困难的过程。
电化学抛光其起源可以追溯到20世纪初，第一个对电化学抛光技术进行系统研究并将其推广到工业应用中的是法国人P.A.Jacquet。电化学抛光利用金属在适当的电解液中阳极工件表面微粗糙峰凸起处溶解速度大的原理，逐渐减小峰值，降低表面粗糙度。该方法不受材料强度、硬度等限制，抛光过程无应力产生，电化学抛光中材料以离子形式被去除，理论上可以达到离子级别的抛光精度。但是电化学抛光适用于抛光尺度较大的结构或零部件，当抛光微细结构时会受到微细结构型腔内传质困难、微结构各处电场强度分布不均匀的影响，导致微结构各处去除率不一致，造成三维形状的破环，尤其是台阶形状的破坏，且电化学抛光只能降低表面粗糙度，没有改善波纹度的能力。
综上所述，现有方法存在的问题：
1、电化学抛光方法受到微细结构型腔内传质困难、微结构各处电场强度分布不均匀的影响，导致微结构各处去除率不一致，造成三维形状的破环，尤其是台阶形状的破坏，且传统的电化学抛光只能降低表面粗糙度，没有改善波纹度的能力。
2、设计制造特殊抛光工具利用宏观机械力进行的机械式抛光方法存在着对大深宽比微细结构型腔可达性差、抛光工具与微结构表面贴合性差、可能产生磨粒嵌入和残留、容易造成微结构三维结构形状破坏等问题。
3、高能束抛光方式设备昂贵、成本高、抛光费用贵、加工表面聚焦的高能束强度的均匀性不易保证，而且对抛光过程中的检测技术和精密控制技术要求很高，利用高能束抛光金属微结构是个昂贵且困难的过程。
所以到目前为止还没有一种低成本、操作简单、抛光精度高、能够保持原始三维结构形状且能降低粗糙度和波纹度的金属微细结构抛光方法。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要提供一种低成本、操作简单、无应力、无需超精密机床控制、能够保持原始三维结构形状且能降低粗糙度和波纹度的金属微细结构的电化学高精度抛光方法，同时该方法也可去除一定的微结构表面因加工带来的波纹度特征。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种金属微细结构的电化学高精度抛光方法，包括以下步骤：
A、制备包裹有金属工件待抛光结构面的固体电解质；
所述的固体电解质为琼脂糖凝胶，琼脂糖凝胶的制备方法为：按一定浓度配制琼脂糖水溶液，并将琼脂糖水溶液加热至90℃以上直至琼脂糖完全融解于水中，将加热后的琼脂糖水溶液和经过前处理的金属工件置于模具中，琼脂糖水溶液应没过金属工件的结构面一定高度，待琼脂糖水溶液在室温下完全冷却固化后，得到包裹金属工件的琼脂糖凝胶，然后将琼脂糖凝胶从模具中取出。
B、将固体电解质包裹有金属工件的一端朝上置于盛有抛光电解液的电解池中，且金属工件底面位于电解液液面之上；
C、将金属工件底面连接导线，将金属工件作为工作电极，对金属工件在固体电解质包裹状态下进行电化学抛光加工；
D、将带有微细结构的金属工件从固体电解质中取出，加工完毕。
进一步的，步骤A所述一定浓度为，按质量比琼脂糖固体粉末:去离子水＝1:10～30。
进一步的，步骤A所述加热包括恒温水浴锅沸水浴加热或微波炉加热；步骤A所述加热后的琼脂糖水溶液需按照加热前的质量将因水的蒸发损失的琼脂糖水溶液的质量用去离子水补齐；步骤A所述前处理为对金属工件进行表面清洁，表面清洁方法包括超声清洗和稀酸除去氧化层。
进一步的，步骤A所述模具为橡胶模具，其大小和形状按照金属工件的大小和形状进行选择。
进一步的，步骤A所述一定高度为1～2cm。
进一步的，步骤A所述冷却固化的时间为0.5～1h。
进一步的，步骤B所述抛光电解液按照金属工件的材料进行选择，所述抛光电解液测定的极化曲线有钝化区。
进一步的，步骤C所述电化学抛光加工使用的电位为钝化电位。
进一步的，步骤C所述电化学抛光加工时间为0.1～1h。
进一步的，步骤A所述琼脂糖凝胶用聚丙烯酰胺凝胶代替。
与现有方法相比，本发明的突出优点是：
1、本发明涉及到存储有金属抛光电解液的包裹住待加工金属微细结构的固体电解质以及可用于电化学抛光加工的三电极体系。这一电化学高精度抛光方法与传统的进行金属结构件抛光的电化学抛光方法有明显区别。传统的金属结构件电化学抛光是将金属结构件直接浸没于抛光液中，若用传统金属结构件电化学抛光的方法进行金属微细结构的抛光会受到微细结构型腔内传质困难、微结构各处电场强度分布不均匀的影响，导致微结构各处去除率不一致，造成三维形状的破环，尤其是台阶形状的破坏，且传统的电化学抛光只能降低表面粗糙度，没有改善波纹度的能力。而本发明扩展了电化学抛光技术，使用本发明的加工方法，利用了固体电解质在一定条件下可以转变为液态或者通过溶液固化的方式进行制备的性质可进行微细结构的自适应填充以及抛光电解液的三维结构形状约束，这一重要转变是实现金属微细结构高精度抛光的关键，因为电解液的形状受到约束，金属材料的去除只会发生在金属和固体电解质的界面，随着加工的进行，发生金属表面与固体电解质的分离，金属的电化学腐蚀随即停止，金属微细结构三维结构形状得以良好保持，实现高精度抛光，该方法还可去除一定的波纹度特征。
2、本发明利用了固体电解质在一定条件下可以转变为液态或者通过溶液固化的方式进行制备的性质。使用抛光工具的机械式抛光，如数控小磨头抛光，存在着抛光工具表面无法与微结构工件表面完全吻合的问题，一定程度上影响了抛光工件的表面质量。而首先利用电解质液态的流动性对任意三维结构形状的微细结构进行自适应填充，然后在一定条件作用下将电解质固化，即得到实现了对微细结构贴合包裹的固体电解质，所以本发明适用于任意三维结构形状金属微细结构的抛光而不存在无法贴合工件表面的问题。
3、本发明利用了固体电解质在一定条件下可以转变为液态或者通过溶液固化的方式进行制备的性质，并将其与电化学抛光技术相结合，可以实现金属微细结构的高精度抛光，抛光后的金属微细结构三维形状保持良好、粗糙度降低效果明显、表面光泽度提高。与高能束抛光方式，如激光抛光相比，短脉冲激光设备昂贵，成本高，抛光费用贵，加工表面激光强度的均匀性不易保证，而且对抛光过程中的检测技术和精密控制技术要求很高，激光抛光金属微结构是个昂贵且困难的过程。而本发明不需要使用超精密机床控制以及复杂的抛光工具制造，为金属微细结构的抛光提供了一种精度高、成本低、操作简单且新颖的抛光方法，并且未见任何相关报道。
附图说明
图1为本发明实施例铜微结构电化学高精度抛光的琼脂糖凝胶包裹工件的流程示意图。
图2为本发明实施例铜微结构电化学高精度抛光装置示意图。
图3为本发明实施例铜微结构电化学高精度抛光加工前的铜微结构激光共聚焦三维形貌照片。
图4为本发明实施例铜微结构电化学高精度抛光加工后的铜微结构激光共聚焦三维形貌照片。
图中：1、金属工件，2、橡胶模具，3、琼脂糖凝胶。4、抛光电解液，5、铂丝环，6、饱和硫酸亚汞参比电极(MSE)，7、电化学工作站。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
实施例
图1为本发明实施例铜微结构电化学高精度抛光的琼脂糖凝胶3包裹工件的流程示意图。在图1中，a为琼脂糖凝胶3包裹铜工件过程；b为从模具中取出琼脂糖凝胶3过程。首先在烧杯中将琼脂糖粉末与去离子水按质量比1：(10～30)混合，然后将琼脂糖水溶液置于恒温水浴锅中进行沸水浴加热，直至琼脂糖完全融解于水中。将金属工件1置于稀硫酸中30s除去表面氧化层，然后用去离子水超声清洗5min，然后将经过前处理的金属工件1结构面朝上放入圆柱形橡胶模具2中。将加热好的琼脂糖水溶液从恒温水浴锅中取出，用胶头滴管滴入去离子水直至其达到加热前的质量。将琼脂糖水溶液迅速倒入放有金属工件的模具中，直至液面没过金属工件1上表面1cm。在室温下静置，待其完全冷却固化，最后将琼脂糖凝胶3从橡胶模具2中取出。
图2为本发明实施例铜微结构电化学高精度抛光装置示意图。将琼脂糖凝胶3带有金属工件1的一端朝上置于盛有抛光电解液4(1.0M H3PO4+0.85M Na2SO4)的电解池中，且琼脂糖凝胶3顶端暴露于液面之上，静置一段时间，使抛光电解液4在琼脂糖凝胶3中充分且均匀存储。金属微细结构电化学高精度抛光装置有三电极体系构成，金属工件1为工作电极，铂丝环5为辅助电极，饱和硫酸亚汞电极6为参比电极，电化学加工参数由电化学工作站7控制。所选用的加工电位为钝化电位2.2V vs.MSE。
图3为本发明实施例铜微结构电化学高精度抛光加工前的铜微结构激光共聚焦三维形貌照片。该微结构为蛇形微槽结构，槽宽为450μm，槽深为760μm。微结构表面及槽底有清晰可见的铣削刀纹，侧壁粗糙、轮廓不光滑，槽底有铣削轨迹叠加产生的波纹度特征，加工质量较差。
图4为本发明实施例铜微结构电化学高精度抛光加工后的铜微结构激光共聚焦三维形貌照片。加工时间为30min，微结构表面和槽底的刀纹以及侧壁毛刺被去除，微细结构三维形状保持良好，槽底波纹度特征被去除，面形得到良好的改善。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种金属微细结构的电化学高精度抛光方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、制备包裹有金属工件(1)待抛光结构面的固体电解质；
所述的固体电解质为琼脂糖凝胶(3)，琼脂糖凝胶(3)的制备方法为：按一定浓度配制琼脂糖水溶液，并将琼脂糖水溶液加热至90℃以上直至琼脂糖完全融解于水中，将加热后的琼脂糖水溶液和经过前处理的金属工件(1)置于模具中，琼脂糖水溶液应没过金属工件(1)的结构面一定高度，待琼脂糖水溶液在室温下完全冷却固化后，得到包裹金属工件(1)的琼脂糖凝胶(3)，然后将琼脂糖凝胶(3)从模具中取出；
B、将固体电解质包裹有金属工件(1)的一端朝上置于盛有抛光电解液(4)的电解池中，且金属工件(1)底面位于电解液液面之上；
C、将金属工件(1)底面连接导线，将金属工件(1)作为工作电极，对金属工件(1)在固体电解质包裹状态下进行电化学抛光加工；
D、将带有微细结构的金属工件(1)从固体电解质中取出，加工完毕。
2.根据权利要求1所述一种金属微细结构的电化学高精度抛光方法，其特征在于：步骤A所述一定浓度为：按质量比琼脂糖固体粉末:去离子水＝1:10～30。
3.根据权利要求1所述一种金属微细结构的电化学高精度抛光方法，其特征在于：步骤A所述加热包括恒温水浴锅沸水浴加热或微波炉加热；步骤A所述加热后的琼脂糖水溶液需按照加热前的质量将因水的蒸发损失的琼脂糖水溶液的质量用去离子水补齐；步骤A所述前处理为对金属工件(1)进行表面清洁，表面清洁方法包括超声清洗和稀酸除去氧化层。
4.根据权利要求1所述一种金属微细结构的电化学高精度抛光方法，其特征在于：步骤A所述模具为橡胶模具(2)，其大小和形状按照金属工件(1)的大小和形状进行选择。
5.根据权利要求1所述一种金属微细结构的电化学高精度抛光方法，其特征在于：步骤A所述一定高度为1～2cm。
6.根据权利要求1所述一种金属微细结构的电化学高精度抛光方法，其特征在于：步骤A所述冷却固化的时间为0.5～1h。
7.根据权利要求1所述一种金属微细结构的电化学高精度抛光方法，其特征在于：步骤B所述抛光电解液(4)按照金属工件(1)的材料进行选择，所述抛光电解液(4)测定的极化曲线有钝化区。
8.根据权利要求1所述一种金属微细结构的电化学高精度抛光方法，其特征在于：步骤C所述电化学抛光加工使用的电位为钝化电位。
9.根据权利要求1所述一种金属微细结构的电化学高精度抛光方法，其特征在于：步骤C所述电化学抛光加工时间为0.1～1h。
10.根据权利要求1所述一种金属微细结构的电化学高精度抛光方法，其特征在于：步骤A所述琼脂糖凝胶(3)用聚丙烯酰胺凝胶代替。
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