CN114959806A - 一种阵列通孔电铸加工装置及二维材料改性方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种阵列通孔电铸加工装置,包括工件单元、入液体、上夹具体、下夹具体、阳极、出液体;工件单元包括工件,工件单元整体分布阵列通孔结构,工件单元安装在上夹具体和下夹具体之间,电铸液从入液体进入上夹具体的流道中,一部分经过上夹具体流道后从出液体流出,另一部分再经过工件的通孔进入下夹具体的流道中再从出液体流出;阳极与上夹具体流道相适应。该装置可根据工件表面通孔的分布设计合理流道和阳极,更有效的控制电铸加工区,有利于材料在通孔内壁的沉积。基于该通孔电铸装置,本发明还提供一种二维材料改性方法,如提高二维材料石墨烯的纵向导热特性。

Description

一种阵列通孔电铸加工装置及二维材料改性方法
技术领域
本发明涉及电铸加工技术领域,尤其涉及一种阵列通孔电铸加工装置及二维材料改性方法。
背景技术
石墨烯作为21世纪最有潜力的材料,具有诸多优异性能,如良好的强度、柔韧度、导电、导热等性能。石墨烯作为目前为止导热系数最高的材料,具有非常好的热传导性能,被广泛用于电子产品的散热。然而,石墨烯是一种典型的二维材料,各向导热性差异较大;纵向导热系数比横向导热系数小约2-3个数量级,这一特性限制了石墨烯在散热领域的应用。因此,需要对石墨烯进行功能化改性来提高石墨烯的纵向导热性能,改善石墨烯的综合导热性能。
电铸加工是一种基于电化学阴极沉积原理的增材制造方法,被广泛用于精密复杂金属零部件及各种模具的制造。目前,电铸技术已经从简单的铜、镍、铁金属电铸发展到高强合金电铸、纳米电铸以及复合材料电铸。通过电铸技术在零件表面制备一定厚度的电铸层,可大大提高零件的耐磨性、耐热性、耐腐蚀性等性能。常州大学在专利“一种石墨烯铜/钢复合材料的制备方法和应用”中利用电铸技术在钢芯线制备石墨烯铜镀层,明显提高其导电率,获得适用于制作传输高频信号的同轴电缆内导线(CN201810114829.2)。广西师范大学在专利“一种具有高导热性能铝基镀铜石墨烯薄膜复合材料及其制备方法”中在铝基体表面复合电镀铜石墨烯薄膜提高铝材的导热系数(CN201410848015.3)。现有研究主要利用电铸技术在其他材料中复合石墨烯以改善基体材料的导电和导热性能,而电铸技术在石墨烯材料改性方面的应用缺少研究。
发明内容
为解决现有的技术问题,本发明提供了一种阵列通孔电铸加工装置及二维材料改性方法。
本发明的具体内容如下:一种阵列通孔电铸加工装置,包括工件单元、入液体、上夹具体、下夹具体、阳极、出液体;工件单元包括工件,工件单元整体分布阵列通孔结构,工件单元设置在上夹具体和下夹具体之间,电铸液从入液体进入上夹具体的流道中,一部分经过上夹具体流道后从出液体流出,另一部分再经过工件的通孔进入下夹具体的流道中再从出液体流出;阳极与上夹具体流道相适应。
进一步的,工件单元还包括上保护板和下保护板,上保护板和下保护板采用非导电材料,分别设置在工件的上下两侧并通过机械钻孔整体加工出阵列通孔,下保护板的一侧设有缺口。
进一步的,入液体的顶部设置有多个入液口,侧壁设有开口朝向内侧的腔室,电铸液从入液口进入入液体再从腔室出口流到上夹具体流道,腔室的出口仅与上夹具体流道联通。
进一步的,上夹具体流道与工件表面的通孔结构相对应,流道的入口与腔室出口相联,上夹具体在流道入口的侧壁上设有侧壁槽,侧壁槽与流道对应,上夹具体流道的出口设有朝向上夹具体中心方向的Z字结构并与出液体相联。
进一步的,上夹具体流道宽度为工件单元通孔结构直径的2-5倍,通孔的圆心位于对应流道的中心线上。
进一步的,阳极整体呈L型,阳极的竖直部分包括片状结构和条状结构,水平部分为条状结构,水平部分的条状结构安装在上夹具体流道的槽内,竖直部分的条状结构安装在上夹具体的侧壁槽中,竖直部分的片状结构伸出上夹具体并与电源正极连接。
进一步的,下夹具体设有工件单元的安装槽,安装槽的高度与工件单元的厚度相适应,安装槽的一侧设有引电片槽,安装槽内设有下夹具体流道,下夹具体流道延伸至下夹具体的边缘并与出液体的腔室相联。
进一步的,出液体包括不联通的上腔室和下腔室,上腔室与上夹具体流道联通,下腔室与下夹具体流道联通,电铸液从工件单元的上下两侧分别流入上腔室和下腔室再流出出液体。
进一步的,上夹具体与下夹具体之间放置密封垫,并通过螺栓连接组成整个夹具体。上夹具体与下夹具体的入口端与入液体间放置密封垫并通过螺栓固定连接;上夹具体与下夹具体的出口端与出液体间放置密封垫并通过螺栓固定连接,还包括储液箱、阀门和离心泵,电铸液从储液箱中经过阀门、通过离心泵送入入液体的入液口,电铸后再分别通过出液体的上腔室和下腔室的出液口流回至储液箱。
本发明还提供一种二维材料改性方法,使用上述阵列通孔电铸加工装置,包括:将需改性材料的上下表面分别粘贴非导电保护板,再整体加工出通孔结构,构成工件单元,然后通过上述通孔电铸加工装置,在改性材料通孔内电铸其他材料,实现二维材料改性。
本发明的通孔电铸装置,根据工件表面通孔的分布,合理设计流道和阳极,更有效地控制电铸加工区;同时控制电铸液仅能从夹具体上流道通过工件单元的通孔进入下流道,有利于材料在通孔内壁的沉积;该通孔电铸装置能够用于二维材料改性,如提高石墨烯的纵向导热特性。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步阐明。
图1为本发明的阵列通孔电铸加工装置的示意图;
图2为工件单元的示意图;
图3为下保护板的示意图;
图4为入液体的示意图;
图5为上夹具体的示意图;
图6为上夹具体的剖面示意图;
图7为阳极的示意图;
图8为下夹具体的示意图;
图9为出液体的示意图;
图10为本发明的电铸液流向示意图。
其中,1、工件单元,2、上保护板,3、工件,4、下保护板,5、入液体,6、入液口,7、上夹具体,8、上夹具体流道,9、Z字结构,10、侧壁槽,11、下夹具体,12、安装槽,13、下夹具体流道,14、引电片槽,15、阳极,16、出液体,17、上腔室,18、下腔室,19、引电片,20、储液箱,21、离心泵,22、阀门,23、上腔室出液口,24、下腔室出液口。
具体实施方式
如图1-图10所示,本实施例公开了一种阵列通孔电铸加工装置,包括工件单元1、入液体5、上夹具体7、下夹具体11、阳极15、出液体16。
如图2和图3所示,工件单元1包括工件3、上保护板2和下保护板4,上保护板2和下保护板4为非导电材料,分别粘敷在工件3的上、下表面。工件单元1整体通过机械加工方法加工出阵列通孔结构。下保护板4的侧边设有缺口,与引电片19位置对应,便于电铸过程中引电。本实施例中为6X7阵列通孔。
如图4所示,入液体5的上端根据流道的数目设置有多个入液口6,使各流道内的流场分布均匀;入液体5的侧面设有开口朝向内侧的腔室,电铸液从入液口6进入入液体5再从腔室出口流到上夹具体流道8,腔室的出口仅与上夹具体流道8联通。本实施例中,入液口6设置3个,宽度与腔室及上夹具体流道8的整体宽度相适应。
如图5和图6所示,上夹具体7整体为长方体结构,沿电铸液流动方向设有上夹具体流道8,上夹具体流道8为凹陷于上夹具体7表面的结构,若干条上夹具体流道8平行设置且与工件单元1的阵列通孔相对应。每个上夹具体流道8的宽度为工件单元1上通孔结构直径的2-5倍,通孔的圆心位于对应流道的中心线上。在每条上夹具体流道8的入口处(即靠近入液体5的一侧边缘)侧壁上设有侧壁槽10,侧壁槽10的深度与阳极15的厚度相同;出口处(即靠近出液体16的一侧边缘)设有Z字结构9。该Z字结构9的截面显示为向下的台阶状,并且下台阶的出口与出液体16的上腔室17相连。本实施例中,上夹具体7上设有7条流道,通过上夹具体流道8与工件通孔的位置对应关系设置减小了流场对加工结果的影响,通过Z字结构9增加电铸液流动的背压,使流场均匀。
如图7所示,阳极15整体呈L型,阳极15的竖直部分包括片状结构和条状结构,水平部分为条状结构,阳极15为一体结构,水平部分的条状结构安装在上夹具体流道8的槽内,且端部位于Z字结构9的边缘;竖直部分的条状结构安装在上夹具体7的侧壁槽10中,竖直部分的片状结构伸出上夹具体7并与电源正极连接。
如图8所示,下夹具体11的上表面设有安装槽12,安装槽12的大小与工件单元1相同,深度与工件单元1厚度相同,用于安装工件单元1。安装槽12的一端延伸至下夹具体11的边缘(靠近出液体16的一边),另一端与另一边有一定距离。安装槽12内设有下夹具体流道13,下夹具体流道13仅分布在工件单元1阵列通孔对应区域,不贯穿下夹具体11整个表面。在安装槽12的垂直下夹具体流道13的一侧设有用于安装引电片19的引电片槽14,工件3通过引电片19与电源的负极连接。本实施例中,安装槽12中设有7条流道,当将工件单元1安装进安装槽12内时,下夹具体流道13仅能通过工件单元1的通孔与工件单元1的上方联通。
如图9所示,出液体16包括不联通的上腔室17和下腔室18,上腔室17与上夹具体流道8联通,下腔室18与下夹具体流道13联通,电铸液从工件单元1的上下两侧分别流入上腔室17和下腔室18再流出出液体16。本实施例中,出液体16的顶部设有与上腔室17连接的上腔室出液口23,侧部设有与下腔室18连接的下腔室出液口24。
本实施例优选的,上夹具体7与下夹具体11之间放置密封垫,并通过螺栓连接组成整个夹具体。上夹具体7与下夹具体11的入口端与入液体5间放置密封垫并通过螺栓固定连接;上夹具体7与下夹具体11的出口端与出液体16间放置密封垫并通过螺栓固定连接。
本实施例还包括储液箱20、阀门22和离心泵21,电铸液从储液箱20中经过阀门22、通过离心泵21送入入液体5的入液口6,电铸后再分别通过出液体16的上腔室17和下腔室18的出液口流回至储液箱20。由于上夹具体流道8与下夹具体流道13被工件3隔离,仅通过工件3表面的通孔贯通。
如图10所示,在电铸过程中,电铸液通过入液体5的入液口6进入上夹具体7的流道,一部分电铸液通过上夹具体流道8直接进入出液体16的上腔室17流回至储液箱20;另一部分电铸液通过工件3表面的通孔进入下流道,然后进入出液体16的下腔室18流回至储液箱20。这样做有利于在通孔内壁的沉积更多材料,可用于导电性二维材料功能化改性。
依据该阵列通孔电铸加工装置,本实施例还提供了一种二维材料改性方法,将需改性材料(如石墨烯)上、下表面粘贴非导电保护板,构成工件单元1;通过机械钻孔方法在工件单元1加工出阵列通孔结构,再使用上述阵列通孔电铸加工装置,即可实现二维材料特性的改变。
本申请的阵列通孔电铸加工装置及二维材料改性方法,根据工件表面通孔的分布设计合理流道和阳极,更有效的控制电铸加工区;另外,上、下夹具体的各流道间的肋结构可对工件起到支撑和夹紧作用,保证该装置适用于超薄片状材料;控制电铸液仅能从夹具体上流道通过工件单元的通孔进入下流道,有利于材料在通孔内壁的沉积,能够实现阵列通孔内材料的电沉积,改善二维材料特性。
在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已,本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施,因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下,都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰,或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰,均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种阵列通孔电铸加工装置,其特征在于:包括工件单元、入液体、上夹具体、下夹具体、阳极、出液体;工件单元包括工件,工件单元整体分布阵列通孔结构,工件单元安装在上夹具体和下夹具体之间,电铸液从入液体进入上夹具体的流道中,一部分经过上夹具体流道后从出液体流出,另一部分再经过工件的通孔进入下夹具体的流道中再从出液体流出;阳极与上夹具体流道相适应。
2.根据权利要求1所述的阵列通孔电铸加工装置,其特征在于:工件单元还包括上保护板和下保护板,上保护板和下保护板采用非导电材料,分别设置在工件的上下两侧并通过机械钻孔整体加工出阵列通孔,下保护板的一侧设有缺口。
3.根据权利要求1所述的阵列通孔电铸加工装置,其特征在于:入液体的顶部设置有多个入液口,侧壁设有开口朝向内侧的腔室,电铸液从入液口进入入液体再从腔室出口流到上夹具体流道,腔室的出口与上夹具体流道联通。
4.根据权利要求3所述的阵列通孔电铸加工装置,其特征在于:上夹具体流道与工件表面的通孔结构相对应,上夹具体流道的入口与腔室出口相连,上夹具体在流道入口的侧壁设有侧壁槽,侧壁槽与上夹具体流道对应,上夹具体流道的出口设有朝向上夹具体中心方向的Z字结构并与出液体相联。
5.根据权利要求4所述的阵列通孔电铸加工装置,其特征在于:上夹具体流道宽度为工件单元通孔结构直径的2-5倍,通孔的圆心位于对应流道的中心线上。
6.根据权利要求4所述的阵列通孔电铸加工装置,其特征在于:阳极整体呈L型,阳极的竖直部分包括片状结构和条状结构,水平部分为条状结构,水平部分的条状结构安装在上夹具体流道的槽内,竖直部分的条状结构安装在上夹具体的侧壁槽中,竖直部分的片状结构伸出上夹具体并与电源正极连接。
7.根据权利要求1所述的阵列通孔电铸加工装置,其特征在于:下夹具体设有工件单元的安装槽,安装槽的高度与工件单元的厚度相适应,安装槽的一侧设有引电片槽,安装槽内设有下夹具体流道,下夹具体流道延伸至下夹具体的边缘并与出液体的腔室相联。
8.根据权利要求1所述的阵列通孔电铸加工装置,其特征在于:出液体包括不联通的上腔室和下腔室,上腔室与上夹具体流道联通,下腔室与下夹具体流道联通,电铸液从工件单元的上下两侧分别流入上腔室和下腔室再流出出液体。
9.根据权利要求1所述的阵列通孔电铸加工装置,其特征在于:上夹具体与下夹具体之间放置密封垫,并通过螺栓连接组成整个夹具体,上夹具体与下夹具体的入口端与入液体间放置密封垫并通过螺栓固定连接;上夹具体与下夹具体的出口端与出液体间放置密封垫并通过螺栓固定连接;还包括储液箱、阀门和离心泵,电铸液从储液箱中经过阀门、通过离心泵送入入液体的入液口,电铸后再分别通过出液体的上腔室和下腔室的出液口流回至储液箱。
10.一种二维材料改性方法,其特征在于:使用如权利要求1至9任一所述的阵列通孔电铸加工装置,包括:将需改性材料的上下表面分别粘贴非导电保护板,再整体加工出通孔结构,构成工件单元,然后通过上述通孔电铸加工装置,在改性材料通孔内电铸其他材料,实现二维材料改性。
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