WO2023137827A1 - 一种基于柔性pi膜导电特性激光定域调控的电解加工方法及装置 - Google Patents

一种基于柔性pi膜导电特性激光定域调控的电解加工方法及装置 Download PDF

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  • the PI film 6 is pretreated to irradiate the patterned conductive graphene region, and then the localized processing of the three-dimensional structure and the transfer of the surface pattern from the cathode to the anode are realized through electrolytic processing;

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Abstract

本发明公开了一种基于柔性PI膜导电特性激光定域调控的电解加工方法及装置，涉及特种加工技术领域，通过激光辐照在PI膜上定域生成石墨烯区域，将带有石墨烯区域的PI膜贴附在阴极金属板上；将待加工材料设置在阴极金属板上方；待加工材料与阴极金属板分别接直流脉冲电源的正极与负极，向待加工材料与阴极金属板之间的间隙内射流电解液从而实现电化学加工，待加工材料减材仅在下表面对应石墨烯区域发生。本发明可以实现电场的定向屏蔽与通过，从而在阳极工件实现指定区域实现电解减材，同时，利用PI膜具柔性特性，实现不同加工结果要求的同时在非平面结构上实现电解加工。

Description

一种基于柔性PI膜导电特性激光定域调控的电解加工方法及装置 技术领域
本发明涉及特种加工领域，尤其涉及到一种基于柔性PI膜导电特性激光定域调控的电解加工方法及装置，用于阵列微坑、微织构等微细结构的加工方法及装置。
背景技术
石墨烯作为一种新型纳米材料，具备优异的电学、光学、热学、力学特性，在柔性可穿戴器件、微型超级电容器、生物传感器等领域都具有极大的潜在价值。利用激光热效应，可在PI膜上定域制备石墨烯，原理简述如下：激光能量吸收导致局部温度迅速升高，高温破坏C—O、C＝O以及N—C；随后，碳原子进行重新排列，形成石墨烯结构，其余的原子也会重新组合，以气体的形式释放出去；SP 3碳原子在激光辐照下转变为了SP 2晶格，无需催化剂即可完成碳前体进行石墨化。
激光加工技术利用激光束为主要刀具，通过光与材料的光热效应或光化学效应实现工件材料的去除加工，具有能量密度高、分辨率高和加工效率高等优势，但加工表面存在重铸层、氧化层、热影响区等热损伤。电解加工是非接触式加工的一种方法，加工表面无残余应力、无再铸层以及微裂纹，被广泛应用于难加工材料的加工，但电场的发散性会带来杂散腐蚀，导致电解加工定域性较差，此外，不同结构需要不同形状的阴极工具，在多种类小批量柔性电解加工中，阴极工具的制备将成为制约效率提升的关键。
公开号为CN1919514A的中国专利公开了一种喷射液束与激光同轴复合加工方法。该方法在激光加工的基础上，引入与激光束同轴的高速喷射液束电解去除材料，消除再铸层、微裂纹以及残余应力。该方法以金属材料为加工对象，未涉及其余类型材料的相关性质。由于射流直径，射流质量等因素影响，在同轴传导时会对激光束的能量起到削弱作用，使得进一步精确加工尺寸较为困难。
综上可知，虽然现有技术中存在有在PI模上制备石墨烯区域的方法及激光加工工件的方法，但是，还不能满足复杂的加工对象以及精细的加工结果的要求。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于柔性PI膜导电特性激光定域调控的电解加工方法及装置，将带有石墨烯区域的PI膜贴附在阴极板上，可以实现电场的定向屏蔽与通过，从而在阳极工件实现指定区域实现电解减材，本发明中还利用PI膜具柔性特性可以在实现不同加工结果要求的同时在非平面结构上实现电解加工。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于柔性PI膜导电特性激光定域调控的电解加工方法，将带有石墨烯区域的PI膜贴附在阴极金属板上；将待加工材料设置在阴极金属板上方；待加工材料与阴极金属板分别接直流脉冲电源的正极与负极，向待加工材料与阴极金属板之间的间隙内射流电解液从而实现电化学加工，待加工材料减材仅在下表面对应石墨烯区域发生。
上述方案中，通过激光定域辐照可在绝缘PI膜内诱导生成石墨烯区域。
上述方案中，通过控制激光相关参数可以调控石墨烯区域大小和导电性能，结合激光扫描策略可以获得图案化、差异化石墨烯区域，并通过电解加工转印到待加工材料上。
上述方案中，通过激光辐照调节PI膜表面亲疏水性，从而控制电解液的定向流动。
上述方案中，可以通过电化学反应先在石墨烯区域沉积出凸台结构，再将带有凸台结构的石墨烯PI膜贴合在阴极金属板上。
上述方案中，所述待加工材料下表面形状为平面、曲面或者圆弧面。
一种基于柔性PI膜导电特性激光定域调控的电解加工装置，包括低压稳定射流系统和电解加工系统；所述低压稳定射流系统将电解液通过针头以低压射流形式引入到待加工材料与阴极金属板之间的间隙内以形成电解液层；所述电解加工系统用于待加工材料与阴极金属板之间特定区域的电化学加工。
上述方案中，待加工材料与阴极金属板安装在专用夹具上，通过专用夹具上的微调螺钉，可实现阴极金属板的上下位置调整；所述专用夹具安装在支撑底座上；所述支撑底座角度可调。
上述方案中，所述低压稳定射流系统包括XYZ三向微调平台和针头；所述针头一端安装在XYZ三向微调平台上，通过XYZ三向微调平台可以调节针头的位置和角度。
上述方案中，所述电解加工系统包括直流脉冲电源和电流探头；所述电流探头对电流进行实时监控，并在示波器上给予反馈；所述直流脉冲电源为电化学反应提供外加电源。
有益效果：
(1)本发明利用经过激光辐照预处理的PI膜粘贴在金属板上作为电解加工的阴极，利用PI膜原本不导电而辐照处理区域产生的石墨烯具有良好导电性这一特性，使用调控后的PI膜作为阴极辅助贴层，可以精密、高效实现电场的定域屏蔽与通过，从而在阳极工件实现指定区域实现电解减材。
(2)本发明中带有石墨烯区域PI膜是通过激光诱导石墨烯技术得到的，石墨烯呈现出多孔蜂窝状的结构，通过控制激光辐照扫描速度、路径等参数，能够控制石墨烯层的结构以及图案化；同时，利用电沉积技术对带有石墨烯区域的PI膜进行预处理，可以在石墨烯区域 沉积出凸起结构，有助于提高后续电解加工结构深径比。
(3)本发明通过控制激光辐照等参数使得PI膜表面亲疏水性具备可调控性，从而促进电解液自主定向流动，抑制了微小加工间隙内的浓差极化，对电解加工质量的提高有很重要的意义。
(4)充分利用PI膜的柔性，可以满足平面、曲面、圆弧面等几乎任意形状工件表面电解加工需求，仅需制备相应形状的金属支撑结构，将激光调控改性后的PI膜贴到金属支撑结构上，进而对工件表面定域电解加工，实现对应形状的阳极工件表面微织构的加工。
(5)本发明方法简单易行，可以完成区域大小、深度均可控以及对复杂形貌的表面结构的加工，实现了三维结构的定域加工以及材料表面图案结构由阴极向阳极的转印。与此同时解决了易产生热损伤、残余应力以及再铸层的缺点，提高了加工表面质量。
附图说明
图1为本发明实施例涉及到的激光刻蚀PI膜表面制备石墨烯区域的示意图；
图2为图1得到的PI膜作为阴极辅助贴层进行指定区域的电解加工示意图；
图3为图2中涉及到的低压稳定射流系统结构示意图；
图4为PI膜上表面亲疏水特性示意图。
附图标记：
1-激光源，2-机械光栅，3-扩束镜，4-反射镜，5-夹具，6-PI膜，7-振镜，8-透镜，9-低压稳定射流系统，10-金属针头，11-待加工材料，12-阴极金属板，13-电流探头，14-示波器，15-计算机，16-直流脉冲电源，17-控制卡，18-专用夹具，19-电解液槽，20-微调螺钉，21-支撑底座，22-锁紧螺钉，23-工作台，24-可调节支撑钉，25-排液孔，26-软管，27-回收缸。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特 征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明原理为：利用激光在PI膜上制备多孔石墨烯，并对石墨烯进行三维网络建模。通过脉冲激光照射，将SP 3碳原子光热转化为SP 2碳原子从而组成石墨烯结构，其次将处理过的PI膜粘贴在金属板上作为阴极与直流脉冲电源负极相接，直流脉冲电源的正极与阳极材料相接，阳极材料与阴极贴有PI膜的金属板平行放置，且两者之间存在一定的间隙；电解液通过针头以低压射流形式引入到阳极材料与贴有PI膜的阴极金属板之间的间隙内，形成电解液层，将阳极与阴极之间的电路导通，贴有处理过的PI膜的阴极金属板能够实现电场的定向屏蔽与通过，激光束辐照与贴有PI膜的阴极金属板上的石墨烯区域相对，并在阳极待加工材料相对应区域进行溶解。
PI膜6经激光辐照诱导产生石墨烯，形成特定的导电区域，如图中1的黑色区域，可以实现电场的定向屏蔽与通过；贴有激光调控处理后的PI膜的阴极金属板12作为阴极与直流脉冲电源16负极相接，直流脉冲电源16的正极与待加工材料11相接，待加工材料11与阴极上贴有带石墨烯区域PI膜的阴极金属板12平行放置，且两者之间存在均匀的间隙；针头10将电解液以低压射流形式引入到待加工材料11与阴极贴有带石墨烯区域PI膜的阴极金属板12之间的间隙内，形成电解液层，使阳极与阴极之间的电路导通；激光源1发出的激光束辐照在待加工材料11上，在内部形成了局部高温区域，加快了电化学溶解的速率。待加工材料11溶解区域对应于PI膜6上石墨烯的区域。
本发明中，带石墨烯区域PI模相当于模具，通过电化学反应，待加工材料11下表面会形成与石墨区域享贴合的槽或者微坑等结构。
通过控制激光辐照时间，强度，频率等参数，在PI膜6上表面调控亲疏水特性，从而促进电解液自主定向流动，抑制微小加工间隙内的浓差极化，提高了电解加工质量。
通过控制激光扫描路径，在PI膜6上预处理，辐照出图案化的导电石墨烯区域，再通过电解加工实现三维结构的定域加工及表面图案由阴极向阳极的转印；
为了实现深孔加工，可以在经激光处理的PI膜上添加电沉积步骤，从而在导电的石墨烯区域电沉积出凸起结构，之后进行相应电解操作，可以进一步提高电解加工微坑深度；通过 同时控制不同点位的激光辐照、扫描速度等参数，还可以实现差异化区域微坑电解。
针头10内的电解液为低浓度酸性溶液，质量分数为5％-10％，也可以根据需要使用中性盐水溶液，质量分数为10％-20％。
结合附图1，激光辐照PI膜表面制备石墨烯的装置中包括激光源1、机械光栅2、扩束镜3、反射镜4、振镜7和透镜8；所述激光源1发出的激光束经过机械光栅2、扩束镜3后经反射镜4反射通过振镜7和透镜8辐照在PI膜6上，激光束的生成以及振镜7的运动都通过计算机15控制。激光源1采用的激光可为毫秒-纳秒脉宽水平红外脉冲激光，或者皮秒紫外脉冲激光，实现对PI膜导电性能的定于调控。
结合附图2，一种基于柔性PI膜导电特性激光定域调控的电解加工装置，包括低压稳定射流系统9以及电解加工系统；所述稳定低压射流系统9用于提供进入金属针头10后形成的电解液流束，电解液流束在待加工材料11与阴极贴有PI膜的阴极金属板12之间形成电解液层，导通了阴极与阳极之间的电路，电解过程中析出氢气易堆积在阴极金属板12上，而依靠低压射流可以实现对其进行有效去除。
待加工材料11与阴极金属板12放置在专用夹具18上，通过专用夹具18上的微调螺钉20可实现阴极金属板12的上下位置调整；且专用夹具18安装在支撑底座21上，两者之间通过锁紧螺钉22锁紧；支撑底座21放置在电解液槽19中，通过可调节支撑钉24改变专用夹具18的倾斜角度，将电解液依次经过排液孔25，软管26回到回收缸27实现对电解液的回收与利用，避免污染环境；电解液槽19放置在工作台23上，在计算机15和控制卡17的控制下实现位置的移动。
结合附图3，低压稳定射流系统包括伺服电机34通过联轴器35带动滚动丝杠32转动，滚珠丝杆32两端通过第一支撑座34与第二支撑37；通过与滚珠丝杠32匹配的滑块31将滚珠丝杠32的转动转化为活塞杆30的直线移动，从而推动电解液28中的电解液以恒定速度输出。电解液经第一单向44、软管43流入金属针头10，形成低压稳定射流。其角度可以通过角度调节器41调节，XYZ三向微调平台40可以改变射流冲击的位置，第一单向阀27与第二单向阀37可以配合滚珠丝杠32正反向运动实现电解液输出与吸入。当伺服电机34经滚珠丝杠32带动活塞杆30正向运动，第一单向阀44开启，第二单向阀37闭合，电解液在活塞29推动下进入软管33；当伺服电机34经滚珠丝杠32带动活塞杆30反向运动，第一单向阀44闭合，第二单向阀37开启，电解液存储槽38内的电解液经过滤器37被吸入电解液缸28中。
结合附图4，其中黑色区域为已加工出的石墨烯区域，方形区域为未加工的PI膜，电解液流向从左向右，材料上的疏水性从左向右由强到弱，亲水性由弱到强，从而实现电解液的 定向流动；本实例通过控制激光辐照时间，强度，频率等参数，在PI膜6上表面调控亲疏水特性：在已诱导出的石墨烯区域附近通过相同机理加工出薄的石墨烯区域层，形成疏水性减弱到亲水性增强的定向分布，从而促进电解液自主定向流动，抑制微小加工间隙内的浓差极化，提高了电解加工质量。
实施例1：
一种基于柔性PI膜导电特性激光定域调控的激光电化学加工方法，由于经过激光调控处理后的PI膜上形成了三维导电性能优良的石墨烯区域，实现了空间电场的定向屏蔽与通过，在此基础上，利用低压稳定射流系统9在材料表面引入低压电解液束流，在特定的石墨烯区域处，实现定域电化学溶解加工，且获得的表面结构无热损伤，无残余应力，无再铸层。所用到的电解环境为酸性溶液，质量分数为5％-10％，也可以选取中性盐水溶液，其质量分数为10％-20％。
为实现深孔加工，可以在经激光处理的PI膜上添加电沉积步骤，从而在导电的石墨烯区域电沉积出凸起结构，之后进行相应电解操作，可以进一步提高电解加工微坑深度；还可以通过同时控制不同点位的激光辐照、扫描速度等参数，还可以实现差异化区域微坑电解。
一种基于柔性PI膜导电特性激光定域调控的电解加工装置，包括低压稳定射流系统9以及电解加工系统；其中，低压稳定射流系统9，产生的恒定速度电解液经金属针头10后形成稳定的低压射流，冲射到待加工材料11与贴有激光调控处理过的PI膜6的阴极金属板10间的间隙里，并形成薄电解液层。本实例还包括电解液槽19，排液孔25，软管26，回收缸27有利于电解液回收利用。
电解加工系统包括直流脉冲电源16，直流脉冲电源16负极与阴极贴有激光调控处理的PI膜的金属板12相连，直流脉冲电源16正极与待加工材料11相连，由于贴有激光调控处理的PI膜的阴极金属板12能够实现电场的定向屏蔽与通过，因此在利用激光处理PI膜6时，通过控制石墨烯层的三维结构以及图案化，可以实现差异化区域微结构电解以及阳极表面结构的复制加工。
本发明中，PI膜为聚酰亚胺，聚醚酰亚胺也存在激光致石墨烯现象。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的， 不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

  1. 一种基于柔性PI膜导电特性激光定域调控的电解加工方法，其特征在于，将带有石墨烯区域的PI膜贴附在阴极金属板(12)上；将待加工材料(11)设置在阴极金属板(12)上方；待加工材料(11)与阴极金属板(12)分别接直流脉冲电源(16)的正极与负极，向待加工材料(11)与阴极金属板(12)之间的间隙内射流电解液从而实现电化学加工，待加工材料(11)减材仅在下表面对应石墨烯区域发生。
  2. 根据权利要求1所述的基于柔性PI膜导电特性激光定域调控的电解加工方法，其特征在于，通过激光定域辐照可在绝缘PI膜内诱导生成石墨烯区域。
  3. 根据权利要求2所述的基于柔性PI膜导电特性激光定域调控的电解加工方法，其特征在于，通过控制激光相关参数可以调控石墨烯区域大小和导电性能，结合激光扫描策略可以获得图案化、差异化石墨烯区域，并通过电解加工转印到待加工材料(11)上。
  4. 根据权利要求1所述的基于柔性PI膜导电特性激光定域调控的电解加工方法，其特征在于，通过激光辐照调节PI膜表面亲疏水性，从而控制电解液的定向流动。
  5. 根据权利要求1所述的基于柔性PI膜导电特性激光定域调控的电解加工方法，其特征在于，可以通过电化学沉积先在石墨烯区域沉积出凸台结构，再将带有凸台结构的石墨烯PI膜贴合在阴极金属板(12)上。
  6. 根据权利要求1所述的基于柔性PI膜导电特性激光定域调控的电解加工方法，其特征在于，所述待加工材料(11)下表面形状为平面、曲面或者圆弧面。
  7. 一种基于柔性PI膜导电特性激光定域调控的电解加工装置，其特征在于，包括低压稳定射流系统(9)和电解加工系统；所述低压稳定射流系统(9)将电解液通过针头(10)以低压射流形式引入到待加工材料(11)与阴极金属板(12)之间的间隙内以形成电解液层；所述电解加工系统用于待加工材料(11)与阴极金属板(12)之间特定区域的电化学加工。
  8. 根据权利要求7所述的基于柔性PI膜导电特性激光定域调控的电解加工装置，其特征在于，待加工材料(11)与阴极金属板(12)安装在专用夹具(18)上，通过专用夹具(18)上的微调螺钉(19)，可实现阴极金属板(12)的上下位置调整；所述专用夹具(18)安装在支撑底座(21)上；所述支撑底座(21)角度可调。
  9. 根据权利要求7所述的基于柔性PI膜导电特性激光定域调控的电解加工装置，其特征在于，所述低压稳定射流系统(9)包括XYZ三向微调平台(40)和针头(10)；所述针头(10)一端安装在XYZ三向微调平台(40)上，通过XYZ三向微调平台(40)可以调节针头(10)的位置和角度。
  10. 根据权利要求7所述的基于柔性PI膜导电特性激光定域调控的电解加工装置，其特征在于，所述电解加工系统包括直流脉冲电源(16)和电流探头(13)；所述电流探头(13) 对电流进行实时监控，并在示波器(14)上给予反馈；所述直流脉冲电源(16)为电化学反应提供外加电源。
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