CN115125589B - 一种大面积纳米结构滚筒模具的低成本制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大面积纳米结构滚筒模具的低成本制造方法。具体步骤为:空心圆柱铝材机加工;对空心圆柱铝材内壁进行机械抛光;对空心圆柱铝材内壁进行电化学镜面抛光;对抛光后的空心圆柱铝材内壁进行阳极氧化以制备纳米孔阵列结构;准备一个抛光后的金属实心滚筒同轴放置于阳极氧化后的空心圆柱铝材内部,使得金属实心滚筒和空心圆柱铝材内壁保持一定的微小间隙并同时作为阴极,进行电铸工艺;将空心圆柱铝腐蚀掉便可以得到具有大面积纳米结构的滚筒模具。本发明通过灵巧设计滚筒模具的电铸将阳极氧化形成的纳米孔电铸层与滚筒电铸层无缝弥合形成一体化滚筒模具,实现了大面积纳米结构、无接缝一体化滚筒镍模具的低成本制造。

Description

一种大面积纳米结构滚筒模具的低成本制造方法
技术领域
本发明涉及一种大面积纳米结构滚筒模具的低成本制造方法,具体涉及一种大面积纳米结构、无接缝一体化滚筒镍模具的制造技术,属于微纳制造和模具加工技术领域。
背景技术
表面纳米结构有很多先进的应用,包括光电子器件、抗菌和抗病毒表面、亲疏水表面、抗雾和防积冰表面、结构色、自清洁表面、抗反射表面和可逆附着表面等。纳米压印技术由于其对表面细微纳米结构高精度的复制能力,被广泛用来在聚合物表面大规模生产制造表面纳米结构。滚筒式纳米压印是一种以成本、高产量的连续制造工艺,其中大面积纳米结构滚筒模具的制造是实现滚筒式纳米压印的关键,其工艺技术和加工设备要求很高,在很大程度上制约了纳米压印技术的快速发展。
纳米压印模具的制备方法一般采用电子束光刻直写,但是电子束光刻直写适用于小面积平面的加工,而且需要苛刻的高真空环境,无法实现大面积滚筒模具的加工。目前,对于大面积纳米结构滚筒模具的制备普遍是将一个柔性的带有纳米结构的金属薄膜卷贴到一个圆柱滚子上,但是在此情况下,卷贴的金属薄膜将会在滚筒上留下缝隙,这将会对连续性纳米压印造成严重的影响。
阳极氧化自组装形成多孔性纳米结构是一种低成本的加工方法,而且纳米结构的形状与尺寸可以根据阳极氧化工艺灵活调控,在滚筒上自组装形成大面积纳米结构具有重要的潜力。此外,电铸是一种具有纳米精度的复制技术,其加工不受模板尺寸和形状的限制,因此在微纳金属模具制造中展现出卓越的优势。通过结合阳极氧化和电铸复制技术,为实现大面积纳米结构、无接缝一体化滚筒模具的低成本制造提供了重要的解决方案。
发明内容
本发明的主要目的是针对目前大面积纳米结构滚筒模具制造成本高、存在接缝问题的不足,提出了一种大面积纳米结构、无接缝一体化滚筒模具的制造方法,该方法具有制造成本低、高产量、工艺操作简单等特点。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
本发明提供了一种大面积纳米结构滚筒模具的低成本制造方法,其特征在于,顺序包括下述步骤:
步骤1:空心圆柱铝材机加工;
选择纯度为99.99%的纯铝材料,利用车削和铣削技术加工得到空心圆柱结构的铝材;
步骤2:空心圆柱铝材机械抛光;
在空心圆柱铝材的内壁涂覆抛光膏,利用小磨头抛光工具对空心圆柱铝材的内壁进行旋转摩擦,使得其内表面粗糙度降低;
步骤3:空心圆柱铝材电化学抛光;
将空心圆柱铝材的外表面进行绝缘处理,通过使用不同的电解质抛光液对空心圆柱铝材的内壁进行多步电抛光处理,使得其表面达到镜面的效果;
步骤4:空心圆柱铝材阳极氧化;
在酸性电解液中,对电化学镜面抛光后的空心圆柱铝材内壁进行预先阳极氧化步骤,然后继续阳极氧化处理自组装形成多孔均匀阵列纳米结构氧化铝层;
步骤5:空心圆柱铝材电铸;
利用金属沉积技术对阳极氧化的空心圆柱铝材内壁做导电化处理,准备一个抛光后的金属实心滚筒同轴放置于阳极氧化后的空心圆柱铝材内部,使得金属实心滚筒和空心圆柱铝材内壁保持1~4mm的间隙并同时作为阴极,进行电铸工艺,在空心圆柱铝内壁纳米孔沉积电铸阶段施加小电流,之后施加大电流促进金属实心滚筒和空心圆柱铝材之间镍镀层的弥合速率;
步骤6:大面积纳米结构滚筒模具;
最后将空心圆柱铝材用氢氧化钠/氢氧化钾溶液腐蚀掉,得到由阳极氧化形成的纳米孔电铸层与金属滚筒电铸层无缝弥合的一体化滚筒镍模具。
一种大面积纳米结构滚筒模具的低成本制造方法,其特征在于,所述阳极氧化形成的纳米孔纳米结构的尺寸和形状有阳极氧化电解液种类、浓度和所施加电压共同决定。
一种大面积纳米结构滚筒模具的低成本制造方法,其特征在于,所述金属实心滚筒和空心圆柱铝材之间镀层的弥合状态可以通过控制电铸电流密度和时间来决定。
本发明的显著优势在于:
(1)充分利用阳极氧化在任意表面(平面、曲面、柱面)自组装大面积纳米结构的优势,结合电铸技术超精密的微纳特征复制能力,可实现大面积纳米结构滚筒模具模板、一体化金属模具的精密、低成本制造。
(2)通过灵巧设计滚筒模具的电铸制造工艺将阳极氧化形成的纳米孔电铸层与滚筒电铸层无缝弥合形成一体化滚筒镍模具,实现了大面积纳米结构、无接缝一体化滚筒镍模具的低成本制造。
附图说明
图1为本发明大面积纳米结构、无接缝一体化滚筒模具的制造工艺流程图。
图2为抛光镜面空心圆柱铝材示意图。
图3为阳极氧化后具有大面积纳米结构的空心圆柱铝材模板示意图。
图4为金属实心圆柱滚筒示意图。
图5为空心圆柱铝材模板与金属实心圆柱滚筒同轴放置组合体作为电铸阴极示意图。
图6为空心圆柱铝材模板与金属实心圆柱滚筒组合体阴极的半剖截面示意图。
图7为空心圆柱铝材模板与金属实心圆柱滚筒组合体阴极电铸过程中的镀层示意图。
图8为空心圆柱铝材模板与金属实心圆柱滚筒组合体阴极电铸过程中的镀层半剖截面示意图。
图9为空心圆柱铝材模板与金属实心圆柱滚筒组合体阴极电铸完成后的镀层示意图。
图10为空心圆柱铝材模板与金属实心圆柱滚筒组合体阴极电铸完成后的镀层半剖截面示意图。
图11为大面积纳米结构滚筒模具示意图。
图中:1空心圆柱铝材;2纳米孔结构;3实心金属圆柱滚筒;4空心圆柱铝材内壁电铸薄镀层;5实心圆柱滚筒外壁电铸薄镀层;6空心圆柱铝材内壁电铸厚镀层;7实心圆柱滚筒外壁电铸厚镀层;8实心金属圆柱滚筒上的凸型纳米结构。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
本发明以大面积纳米结构镍滚筒模具制造为具体实施例。
本实施例大面积纳米结构滚筒镍模具的制造工艺流程如图1所示,步骤包括:空心圆柱铝材加工、空心圆柱铝材机械抛光、空心圆柱铝材电化学抛光、空心圆柱铝材阳极氧化、空心圆柱铝材电铸、大面积纳米结构滚筒模具。
该实施例大面积纳米结构滚筒模具制造的具体顺序步骤如下:
步骤1:空心圆柱铝材机加工;
选择纯度为99.99%的纯铝材料,利用车削和铣削技术加工得到内径为200mm、壁厚为20mm、长度为500mm的空心圆柱结构的铝材如图2所示;
步骤2:空心圆柱铝材机械抛光;
在空心圆柱铝材的内壁涂覆抛光膏,将空心圆柱铝材放置在抛光架上并让其旋转,利用小磨头抛光工具对空心圆柱铝材的内壁进行旋转摩擦磨抛处理,使得最终空心圆柱铝材的内壁粗糙度低于100nm,待抛光完毕后将整个空心圆柱铝材进行清洗;
步骤3:空心圆柱铝材电化学抛光;
将空心圆柱铝材的外表面利用涂层技术进行绝缘处理,然后在65%HClO4和99.5%乙醇(1:4混合)且温度为5℃的条件下对其内壁进行多步电化学镜面抛光,待抛光完毕后将整个空心圆柱铝材进行清洗;
步骤4:空心圆柱铝材阳极氧化;
为了形成有序且均匀的纳米结构,需要预先对镜面空心铝材在0.3mol的草酸H2C2O4电解液(1~2℃)且电压为40V的条件下阳极氧化8~10分钟,然后,通过继续阳极氧化处理自组装形成多孔均匀阵列纳米圆柱结构氧化铝层如图3所示,其中阳极氧化电压以0.5~0.9V/s的速率被逐渐增加到一个目标形成电压(100~160V),待阳极氧化完毕后将整个空心圆柱铝材进行清洗;
步骤5:空心圆柱铝材电铸;
利用热蒸发沉积技术对阳极氧化的空心圆柱铝材内壁做导电化处理,准备一个具有镜面抛光的直径为192mm的不锈钢金属实心滚筒(如图4所示)同轴放置于阳极氧化后的空心圆柱铝材内部(如图5所示),使得金属实心滚筒和空心圆柱铝材内壁保持4mm的间隙并同时作为阴极,进行电铸工艺,在纳米圆柱结构电铸阶段使用小于0.01A/dm2的脉冲电流密度,当纳米圆柱结构被填充后,使用1A/dm2的电流密度电沉积加厚空心圆柱铝材内壁镀层和实心圆柱滚筒外壁,促进金属实心滚筒和空心圆柱铝材之间镍镀层的弥合速率,最后通过控制电铸时间将空心圆柱铝材内壁的厚镀层和金属实心滚筒的厚镀层的间隙弥合。
步骤6:大面积纳米结构滚筒模具;
最后将空心圆柱铝材用氢氧化钠/氢氧化钾溶液腐蚀清洗便可以得到由阳极氧化形成的纳米圆柱孔电沉积层与金属滚筒电沉积层无缝弥合的一体化滚筒镍模具如图11所示。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,凡是利用本发明及附图内容的等效工艺流程,或直接或间接运用在其它的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种大面积纳米结构滚筒模具的低成本制造方法,其特征在于,顺序包括下述步骤:
步骤1:对圆柱铝材进行机加工,制得空心圆柱铝材;
步骤2:利用小磨头对空心圆柱铝材内壁进行机械抛光;
步骤3:空心圆柱铝材电化学抛光;
利用电化学抛光工艺对完成机械抛光的空心圆柱铝材的内壁进行镜面抛光;
步骤4:空心圆柱铝材阳极氧化;
对电化学镜面抛光后的空心圆柱铝材内壁进行阳极氧化以制备纳米孔阵列结构;
步骤5:空心圆柱铝材电铸;
准备一个抛光后的金属实心滚筒同轴放置于阳极氧化后的空心圆柱铝材内部,使得金属实心滚筒和空心圆柱铝材内壁保持间隙并同时作为阴极,进行电铸工艺;
步骤6:大面积纳米结构滚筒模具;
将空心圆柱铝腐蚀掉得到具有大面积纳米结构的滚筒模具;将阳极氧化形成的纳米孔电铸层与滚筒电铸层无缝弥合形成一体化滚筒镍模具,实现大面积纳米结构、无接缝一体化滚筒镍模具的低成本制造。
2.如权利要求1所述的一种大面积纳米结构滚筒模具的低成本制造方法,其特征在于,所述步骤1空心圆柱铝材机加工:选择纯度为99.99%的纯铝材料,利用车削和铣削技术加工得到空心圆柱结构。
3.如权利要求1所述的一种大面积纳米结构滚筒模具的低成本制造方法,其特征在于,所述步骤2中的空心圆柱铝材机械抛光中:在空心圆柱铝材的内壁涂覆抛光膏,利用小磨头抛光工具对空心圆柱铝材的内壁进行旋转摩擦,使得空心圆柱铝材内壁的内表面粗糙度降低。
4.如权利要求1所述的一种大面积纳米结构滚筒模具的低成本制造方法,其特征在于,所述步骤3空心圆柱铝材电化学抛光:将空心圆柱铝材的外表面进行绝缘处理,通过使用不同的电解质抛光液对空心圆柱铝材的内壁进行多步电抛光处理,使得其表面达到镜面的效果。
5.如权利要求1所述的一种大面积纳米结构滚筒模具的低成本制造方法,其特征在于,所述步骤4中的空心圆柱铝材阳极氧化:为形成有序且均匀的纳米结构,预先对镜面空心铝材在0.3mol的1~2℃草酸H2C2O4电解液且电压为40V的条件下阳极氧化8~10分钟,然后,通过继续阳极氧化处理自组装形成多孔均匀阵列纳米圆柱结构氧化铝层;阳极氧化电压以0.5~0.9V/s的速率被逐渐增加到一个目标形成100~160V电压,待阳极氧化完毕后将整个空心圆柱铝材进行清洗。
6.如权利要求1所述的一种大面积纳米结构滚筒模具的低成本制造方法,其特征在于,所述步骤5空心圆柱铝材电铸:利用金属沉积技术对阳极氧化的空心圆柱铝材内壁做导电化处理,准备一个抛光后的金属实心滚筒同轴放置于阳极氧化后的空心圆柱铝材内部,使得金属实心滚筒和空心圆柱铝材内壁保持1~4mm的间隙并同时作为阴极,进行电铸工艺,在空心圆柱铝内壁纳米孔沉积电铸阶段施加小电流,之后施加大电流促进金属实心滚筒和空心圆柱铝材之间镍镀层的弥合速率。
7.如权利要求1所述的一种大面积纳米结构滚筒模具的低成本制造方法,其特征在于,所述步骤6大面积纳米结构滚筒模具:将空心圆柱铝材用氢氧化钠/氢氧化钾溶液腐蚀掉,得到由阳极氧化形成的纳米孔电沉积层与金属滚筒电沉积层无缝弥合的一体化滚筒镍模具。
8.如权利要求5所述的一种大面积纳米结构滚筒模具的低成本制造方法,其特征在于,所述阳极氧化形成的纳米孔纳米结构的尺寸和形状由阳极氧化电解液种类、浓度和所施加电压共同决定。
9.如权利要求6所述的一种大面积纳米结构滚筒模具的低成本制造方法,其特征在于,所述金属实心滚筒和空心圆柱铝材之间镀层弥合状态,通过控制电铸电流密度和时间调控镀层厚度来决定。
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