CN113579378A - 一种微锥形阵列结构的分步电解加工方法 - Google Patents
一种微锥形阵列结构的分步电解加工方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113579378A CN113579378A CN202110817661.3A CN202110817661A CN113579378A CN 113579378 A CN113579378 A CN 113579378A CN 202110817661 A CN202110817661 A CN 202110817661A CN 113579378 A CN113579378 A CN 113579378A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- array
- mask
- workpiece
- electrolytic
- micro
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000003754 machining Methods 0.000 title claims abstract description 69
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 58
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 14
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 34
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 16
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 15
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 claims description 11
- 239000012224 working solution Substances 0.000 claims description 10
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 9
- 238000000059 patterning Methods 0.000 claims description 8
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims description 7
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 6
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 5
- 238000000866 electrolytic etching Methods 0.000 claims description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 3
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 claims description 3
- 239000007888 film coating Substances 0.000 claims description 2
- 238000009501 film coating Methods 0.000 claims description 2
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 abstract description 14
- 238000002493 microarray Methods 0.000 abstract description 3
- 238000009966 trimming Methods 0.000 abstract description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 description 14
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 14
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 14
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 11
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 9
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 7
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 description 7
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 5
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 5
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 4
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 4
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 4
- 238000002791 soaking Methods 0.000 description 4
- CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L Sodium Carbonate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]C([O-])=O CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 3
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005034 decoration Methods 0.000 description 2
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 2
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 2
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 2
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 2
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 2
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 2
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 2
- 229910001369 Brass Inorganic materials 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 244000137852 Petrea volubilis Species 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003929 acidic solution Substances 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 239000012670 alkaline solution Substances 0.000 description 1
- 238000000347 anisotropic wet etching Methods 0.000 description 1
- 239000002635 aromatic organic solvent Substances 0.000 description 1
- 239000010951 brass Substances 0.000 description 1
- 238000005282 brightening Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 238000010892 electric spark Methods 0.000 description 1
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000005098 hot rolling Methods 0.000 description 1
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000003701 mechanical milling Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002110 nanocone Substances 0.000 description 1
- 239000002113 nanodiamond Substances 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 229910000029 sodium carbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 1
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23H—WORKING OF METAL BY THE ACTION OF A HIGH CONCENTRATION OF ELECTRIC CURRENT ON A WORKPIECE USING AN ELECTRODE WHICH TAKES THE PLACE OF A TOOL; SUCH WORKING COMBINED WITH OTHER FORMS OF WORKING OF METAL
- B23H3/00—Electrochemical machining, i.e. removing metal by passing current between an electrode and a workpiece in the presence of an electrolyte
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23H—WORKING OF METAL BY THE ACTION OF A HIGH CONCENTRATION OF ELECTRIC CURRENT ON A WORKPIECE USING AN ELECTRODE WHICH TAKES THE PLACE OF A TOOL; SUCH WORKING COMBINED WITH OTHER FORMS OF WORKING OF METAL
- B23H11/00—Auxiliary apparatus or details, not otherwise provided for
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23H—WORKING OF METAL BY THE ACTION OF A HIGH CONCENTRATION OF ELECTRIC CURRENT ON A WORKPIECE USING AN ELECTRODE WHICH TAKES THE PLACE OF A TOOL; SUCH WORKING COMBINED WITH OTHER FORMS OF WORKING OF METAL
- B23H9/00—Machining specially adapted for treating particular metal objects or for obtaining special effects or results on metal objects
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Electrical Discharge Machining, Electrochemical Machining, And Combined Machining (AREA)
Abstract
本发明提供了一种微锥形阵列结构的分步电解加工方法，所述方法包括在预处理后的工件表面直接或间接制作阵列图形化掩膜；将待加工工件装入夹具，夹具外接电源，工具电极接电源阴极，工件接电源阳极，进行一次掩膜电解快速成形加工；一次电解加工后，去除微结构顶端的阵列图形化掩膜，再进行二次电解轮廓修整加工。区别于传统的微锥形阵列加工，本发明通过开展一次掩膜电解快速成形加工和进行二次电解轮廓修整加工的分步电解加工方式，使得一次电解加工后的微结构顶端直径减小锐化，最终形成尖锥形阵列结构，解决了微锥形阵列结构加工过程中加工精度差、阵列一致性低、表面质量差的问题，提高微阵列结构加工效率。
Description
技术领域
本发明涉及特种加工技术领域，尤其涉及一种微锥形阵列结构的分步电解加工方法。
背景技术
目前实现金属阵列锥形结构制造，常用的加工方法主要有传统机械铣削、激光加工、电火花加工、电化学沉积等。然而上述加工方法存在刀具磨损、应力释放、重铸层、微裂纹以及加工效率低等缺陷，难以实现微米级金属阵列锥形结构高精度、高表面质量、高阵列一致性加工。
电解加工是一种用电化学方法去除金属的加工方法，通常用于坚硬材料或难以加工材料的大规模加工。掩膜电解加工利用高精度掩膜和高定域性电化学刻蚀，可实现大面积阵列微结构的高效率、高精度加工。其加工过程中工具电极表面无损耗，可重复使用，同时掩膜图案制作方便且具有多样性。
2018年2月23日，授权号为CN 107999908 A的中国专利公开了一种掩膜电解加工微结构阵列的方法。该方法通过在经表面疏水处理的基底上安装支架并涂覆聚合物作为掩膜成形的诱导装置，接通电源后，聚合物受到电场约束与工件接触并图形化，再使用紫外光固化聚合物，最后利用聚合物作为掩膜电解加工阵列结构。该方法利用聚合物作为掩膜，可以防止电解后掩膜残留在基底表面，工艺简单，效率高。但是，该方法主要针对聚合物掩膜的电解加工，局限了掩膜的材料和形式。
2013年12月12日，授权号为CN 103706899 B的中国专利公开了用于微细电解加工的线电极阵列结构制备方法。该方法在预处理后的金属基板涂覆光刻胶作为掩膜并利用光刻技术图形化掩膜，然后采用深刻蚀加工工具电极，再电解刻蚀至金属栅线阵列图形，最后去除背面材料，得到线电极阵列。该方法加工的定域性好，可制作深宽比不受限制的微结构，也可改变电极和工件的夹角，制作不同截面形状的阵列结构。但是，该工艺方法主要针对线形电极阵列加工，无法应用到金属微锥形阵列加工以及其他微形状阵列加工。
2013年5月15日，申请号为CN 103253626 A的中国专利公开了一种硅材料锥形结构及其制备方法。该方法通过在抛光单晶硅片上沉积保护膜并涂抹光刻胶，利用掩模版图形化掩膜，去除残余光刻胶后用碱性溶液作异性湿刻蚀硅片得到四棱锥体或八面体结构，清洗后再通过酸性溶液作同性湿刻蚀，得到锥形结构。该方法操作简单，可以制作光学器件中的回转体结构，加工结构尺寸小于1mm。但是，该方法主要针对硅材料的锥形结构制备，无法应用到其他金属、非金属、半导体材料的加工。
2018年12月06日，申请号为CN 109365995 A的中国专利公开了一种高度均一的微锥形阵列结构的制备方法。该方法将激光焦点中心聚焦在工件上，设置激光单脉冲能量和平面网格路径，采用激光扫射工件表面，经去离子水清洗后得到高度均一的微锥形阵列结构。该方法可增大材料表面的粗糙度、湿润性能和电磁波的吸收率，极大提高工作效率。但是，该方法在模板去除后，结构容易变形，坍塌明显，光学损耗较大。
2020年3月24日，申请号为CN 111378956 A的中国专利公开了一种有序排布金刚石微纳米锥阵列工具的制备方法。该方法利用超短脉冲制作溅射掩模板，将其固定在纳米金刚石薄膜上，使用磁控溅射设备利用掩模版制备金属掩膜点阵列，在加热点阵列并修复形状缺陷，最后采用反应离子刻蚀金刚石薄膜，形成锥阵列工具。该方法可用于硬脆材料的锥形结构加工，提高工件的光学性能，成本低。但是，该方法操作复杂，效率低，阵列结构均匀性一般。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种微锥形阵列结构的分步电解加工方法，解决了微锥形阵列结构加工过程中加工精度差、阵列一致性低、表面质量差的问题，提高微阵列结构加工效率。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种微锥形阵列结构的分步电解加工方法，所述方法包括：在预处理后的工件表面直接或间接制作阵列图形化掩膜；
当所述阵列图形化掩膜制作完成后，将上述工件装入夹具；夹具外接电源，将工具电极接电源阴极，工件接电源阳极，进行一次掩膜电解快速成形加工：设定电源一次电解加工时间，通过供液***使刻蚀剂在阴极和阳极间流过，在所述工件表面进行电解刻蚀，所述工件表面的阵列图形化掩膜为绝缘材料，用于在电解过程中屏蔽电场，并在所述工件表面电解刻蚀出对应阵列图形的微结构；
当所述电源一次电解加工时间结束后，完成所述一次掩膜电解快速成形加工在工件表面形成阵列微结构，去除微结构顶端的阵列图形化掩膜，再进行二次电解轮廓修整加工：将工具电极接电源阴极，工件接电源阳极，设定电源二次电解加工时间，在上述刻蚀剂中掺入添加剂形成混合工作液，通过供液***使混合工作液在阴极和阳极间流过，用于减小锐化一次电解加工后工件表面阵列微结构的顶端直径，形成尖锥形阵列结构。
进一步地，所述工件由金属、非金属、半导体中任一种材料制成。
进一步地，工件通过砂纸打磨黏附面，再放入无水乙醇、去离子水中超声清洗，去除表面污垢后烘干。
进一步地，所述直接制作阵列图形化掩膜的方法为：在工件表面进行覆膜处理，以具有待加工阵列的阵列孔掩膜板为模板，由光刻机根据掩膜板的形状给对所覆膜曝光，去除未曝光区域，得到阵列图形化掩膜。
优选地，所述掩模板上组成阵列的每个孔以筋的形式相连，用于形成具有筋连接的阵列图形化掩膜。
进一步地，所述筋连接的阵列图形化掩膜能够通过增加连接筋的数目增加自身与待加工工件的接触面积，进而增加一次掩膜电解加工时间，能够获得大高径比、小顶端直径的阵列微结构；所述筋连接形式包括矩形式、三角形式、一字形式、人字形式以及其他连接形式中任意一种。
进一步地，所述绝缘膜的材料为光敏有机材料或SU-8。
进一步地，所述间接制作阵列图形化掩膜的方法为：在工具电极表面采用机械微铣削的方法加工出与待加工阵列结构分布相一致的阵列孔，将绝缘棒***孔内形成具有对应图形的阵列图形化掩膜。
进一步地，所述绝缘棒材料为塑料、树脂和高分子聚合物。
进一步地，所述绝缘棒截面形状由所述阵列图形决定，可为圆形和多边形。
进一步地，将待加工工件放置于下夹具中间的键槽中，键槽上设有螺钉能够与待加工器件接触并外接电源阳极；键槽四周设有充液密封装置；上夹具上设有螺钉与工具电极连接，并外接电源阴极；上夹具顶部设有两个以上的出入水口，通过控制进出水口的工作方式可以实现刻蚀剂的多种流动方式，包括正向流动、反向流动和侧向流动。
进一步地，上夹具9顶部设有三个进出水口，包括第一进出水口2、第二进出水口3以及第三进出水口4；当刻蚀剂流动方式为正向流动，刻蚀剂从第二进出水口3流入，从第一进出水口2、第三进出水口4流出；当刻蚀剂流动方式为反向流动，刻蚀剂从第一进出水口2、第三进出水口4流入，从第二进出水口3流出；当刻蚀剂流动方式为侧向流动，刻蚀剂从第三进出水口4流入，从第一进出水口2流出，也可反之，此时用活塞封闭第二进出水口3。
优选地，选择侧流式刻蚀剂流动形式，可有效排出堆积的电解产物和热量，从而保证电解反应的正常进行。
进一步地，所述电源包括直流电源和脉冲电源。
优选地，选用占空比为50-60％，频率为250-300Hz的脉冲电源。
进一步地，所述工具电极由黄铜、紫铜以及其他任一具有良好导电性的材料制成。
进一步地，所述刻蚀剂可选碱性刻蚀剂，中性刻蚀剂，酸性刻蚀剂及上述刻蚀剂中任意两种的组合。
进一步地，一次掩膜电解快速成形加工工作在稳流状态，电流密度为15-17A/cm2。
进一步地，所述去除微结构顶端的阵列图形化掩膜方法包括超声清洗和人工剥离；其中，超声清洗的具体步骤包括：将所述工件浸泡于溶解液中，取出后浸泡于无水乙醇中并采用超声清洗装置清洗所述工件表面残余溶液，最后取出烘烤；所述溶解液可为有机溶液或无机溶液；其中，有机溶液包括丙酮、芳香族有机溶剂；无机溶液包括H2SO4、H2O2和NaOH。
进一步地，所述添加剂为抛光剂、光亮剂、活化剂及上述添加剂中任意两种或多种的组合。
进一步地，所述二次电解轮廓修整加工工作在稳压状态，电压幅值为2-4V。
进一步地，所述工件加工完成后，微锥顶端曲率半径范围为1-40μm，高径比范围为1-100，形状尺寸可达到微米级、亚微米级。
有益效果：
1、本发明采用了一种微锥形阵列结构的分步电解加工方法，通过开展一次掩膜电解快速成形加工和进行二次电解轮廓修整加工，不仅解决了微锥形阵列结构加工过程中加工精度差、阵列一致性低、表面质量差的问题，同时还可提高微阵列结构加工效率，可用于大面积金属阵列锥形结构的加工。
2、本发明采用的一种微锥形阵列结构的分步电解加工方法中，提出掩膜的多种形式，除了常见的在工件表面黏附绝缘膜，本发明提出在阴极表面加工出与工件图形对应的阵列孔，在孔内***空心绝缘棒与工件阳极表面接触，起到电场屏蔽作用。
3、本发明采用筋连接式掩膜电解加工方法，可增大绝缘膜和工件表面的粘附面积，进而增强其黏附性，防止加工过程中绝缘膜脱落，从而有效提高单一微锥结构的加工精度；同时可以延长掩膜电解加工的时间，实现极小顶端直径和大高径比微锥结构加工；此外，可有效保证微锥阵列各微锥间尺寸和精度的高一致性加工。
附图说明
图1a是本发明实施例1的掩膜板矩形筋连接示意图；
图1b是本发明实施例1的加工原理图；
图1c是本发明实施例1的一次掩膜电解加工快速成形加工示意图；
图1d是本发明实施例1的去除掩膜示意图；
图1e是本发明实施例1的二次电解轮廓修整加工示意图；
图2是本发明对比例1的未使用筋连接掩膜的加工原理图；
图3a是本发明实施例部分提供的掩膜板三角形式筋连接示意图；
图3b是本发明实施例部分提供的掩膜板一字形式筋连接示意图；
图3c是本发明实施例部分提供的掩膜板人字形式筋连接示意图；
图4a是本发明实施例2的圆形绝缘棒掩膜示意图；
图4b是本发明实施例2的加工原理图；
图5a是本发明实施例部分提供的矩形绝缘棒示意图；
图5b是本发明实施例部分提供的三角形绝缘棒示意图；
图6是本发明实施例部分的电解加工***示意图；
其中，1—6*M6内六角沉头螺钉，2—第一进出水口，3—第二进出水口，4—第三进出水口，5—2*M4内六角沉头螺钉，6—工具电极，7—键槽，8—充液密封装置，9—上夹具，10—下夹具，11—压力表，12—压力控制阀，13—过滤器，14—离心泵，15—旋拧阀，16—工作液槽，17—工作液，18—电源，19-工件，20-阵列图形化掩膜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述发明内容的优点将会变得更加清楚。
本发明公开一种微锥形阵列结构的分步电解加工方法，本方法可应用于航空、航天、能源、电子等邻域机械零部件中金属阵列锥形结构的制造。通过一次掩膜电解加工实现金属阵列锥形结构高效快速成形粗加工，其次采用二次电解表面修饰加工对粗加工的金属阵列锥形结构表面材料进行去除，进一步降低锥形结构顶端直径并提高阵列结构的高度，最终完成对金属阵列锥形结构的精加工。
本发明实施例提供的一种微锥形阵列结构的分步电解加工方法，包括：在预处理后的工件表面直接或间接制作阵列图形化掩膜；
当所述阵列图形化掩膜制作完成后，将上述工件装入夹具；夹具外接电源，将工具电极接电源阴极，工件接电源阳极，进行一次掩膜电解快速成形加工：设定电源一次电解加工时间，通过供液***使刻蚀剂在阴极和阳极间流过，在所述工件表面进行电解刻蚀，所述工件表面的阵列图形化掩膜为绝缘材料，用于在电解过程中屏蔽电场，并在所述工件表面电解刻蚀出对应阵列图形的微结构；
当所述电源一次电解加工时间结束后，完成所述一次掩膜电解快速成形加工在工件表面形成阵列微结构，去除微结构顶端的阵列图形化掩膜，再进行二次电解轮廓修整加工：将工具电极接电源阴极，工件接电源阳极，设定电源二次电解加工时间，在上述刻蚀剂中掺入添加剂形成混合工作液，通过供液***使混合工作液在阴极和阳极间流过，用于减小锐化一次电解加工后工件表面阵列微结构的顶端直径，形成尖锥形阵列结构。
实施例1
一种微锥形阵列结构的分步电解加工方法，包括：
采用201不锈钢作为阳极工件19，利用800#～2000#粒度金相砂纸对阳极覆膜面进行打磨，去除表面划痕后依次放入无水乙醇、去离子水中进行超声清洗，去除表面污垢、油渍后烘干静置；去除工件表面的PE保护膜，采用热辊压方式进行覆膜处理，覆膜温度保持在90-105℃，覆膜压力为0.3-0.5Mpa，辊压速度为1-3m/min，覆膜后静置15min至室温；采用具有筋连接式图案的掩膜板，如图1a所示，掩膜板上阵列孔的直径为400μm，连接筋宽度为80μm，将其置于工件正上方，采用20.8mW/cm2的紫外光曝光1s，曝光后的工件静置15-20min，待其干膜层充分固化；去除干膜表面PET保护层，采用0.85-1.0wt％的无水碳酸钠溶液冲洗工件35s，去除工件表面未曝光的绝缘膜，再用去离子水冲洗15s，清除干膜表面残余碳酸钠溶液后静置5-10min；经过上述步骤，可得到如图1b所示的矩形式筋连接的圆形阵列掩膜结构20；
阵列图形加工完成后，将工件19放置在如图6所示夹具中的键槽7，工具电极通过上夹具9中间的M4内六角沉头螺钉5接电源18阴极，工件通过下夹具10中间的M4内六角沉头螺钉5接电源18阳极；刻蚀剂采用侧向流动方式，刻蚀剂从第三进出水口4流入，从第一进出水口2流出，此时用活塞封闭第二进出水口3；电解液17通过过滤器13、离心泵输14从第三进出水口4进入，流过加工区域四周设有的充液密封装置8，从第一进出水口2流出至工作液槽16；可以通过压力控制阀12、压力表11对管路压力进行控制和监测；如图1b所示，本实施例中选用占空比为50-60％，频率为250-300Hz的脉冲电源，工作液为浓度为1-1.5mol/L的刻蚀剂；基于绝缘掩膜屏蔽电场的作用，在径向方向上材料去除率逐渐降低；在稳流状态下工作，电流密度为15-17A/cm2，通电40-45s后制备了高阵列一致性的微结构阵列，如图1c所示；
将工件浸泡于3％～5％氢氧化钠溶液中40s，然后将工件浸泡于无水乙醇中并采用超声清洗装置清洗10min，去除工件表面残余的氢氧化钠溶液，最后取出工件进行烘干处理，得到如图1d所示结构；可以发现，通过一次电解加工的微结构顶端具有微平台，无法形成顶部尖锥结构；
因此去除微结构顶端所述掩膜结构后，进行二次电解表面轮廓修整加工，如图1e所示；在所述刻蚀剂中掺入添加剂，使得工件表面质量提高；二次电解后，微结构阵列顶端直径减小锐化，形成尖锥形阵列结构，尖锥高度为305.82μm，，曲率半径为2.71μm，高径比为56.42；在本实施例中，混合工作液为1.5mol/L的刻蚀剂与2mol/L的添加剂混合而成；在稳压状态下工作，电压幅值为2-4V，加工时间为10-12s。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于在采用的掩膜板未使用筋连接的方式，如图2所示，一次掩膜电解时间在25-30s；其余步骤同实施例1。
对比实施例1和对比例1，即是否采用筋连接的方式之间的比较；未采用筋连接式掩膜结构一次掩膜电解时间在25-30s，二次电解后制备的锥形阵列结构的尖锥高度为259.63μm，曲率半径为11.98μm，高径比为10.84。而采用筋连接式掩膜一次电解加工时间可延长至40-45s；进而，由于掩膜电解时间变长，微锥结构的高度增大、顶端直径减小，二次电解后制备出大高径比的锥形阵列结构，尖锥高度为305.82μm，曲率半径为2.71μm，高径比为56.42。
另一方面，未采用筋连接式的掩膜会出现少数绝缘膜脱落情况，导致微结构之间材料去除量不一致，而采用筋连接式掩膜能增大绝缘膜与工件的接触面积，增强掩膜的黏附性，使得筋连接式绝缘膜不易脱落，在延长一次加工电解时间的基础上，还能提高阵列结构的一致性。
图3a至图3c为本发明提供的掩膜板筋连接方式示意图，还包括三角形式筋连接、一字形式筋连接、人字形式筋连接以及其他各种连接形式的筋连接方式；本发明可以通过增加连接筋的数目增加自身的总面积，进而增加掩膜与待加工工件的接触面积，从而增加一次掩膜电解加工时间，以获得大高径比、小顶端直径的阵列微结构，进而在二次电解加工后获得大高径比的尖锥阵列。
实施例2
一种微锥形阵列结构的分步电解加工方法，包括：
采用201不锈钢作为阳极工件19，利用800#～2000#粒度金相砂纸对阳极覆膜面进行打磨，去除表面划痕后依次放入无水乙醇、去离子水中进行超声清洗，去除表面污垢、油渍后烘干静置；将处理好的工件19放置在如图6所示夹具中的键槽7；采用机械微铣削加工的方法，在工具电极6表面制备与待加工的阵列图形分布一致的微孔；将PVC材料制成的绝缘棒***到微孔中，经过上述步骤，可得到如图4a所示的绝缘棒掩膜，绝缘棒的截面为直径为400μm的圆形；
如图4b及图6所示，绝缘棒***后，上夹具9和下夹具10合紧，绝缘棒和工件19表面紧密接触；工具电极6通过上夹具9中间的M4内六角沉头螺钉5接电源18阴极，工件通过下夹具10中间的M4内六角沉头螺钉5接电源18阳极；刻蚀剂流动方式为侧向流动，刻蚀剂从第一进出水口2流入，从第三出进出水口4流出，此时用活塞封闭第二进出水口3；电解液17通过过滤器13、离心泵输14从第一进出水口2进入，流过加工区域四周设有充液密封装置8，从第三进出水口4流出至工作液槽16；可以通过压力控制阀12、压力表11对管路压力进行控制和监测；在本实例中，选用占空比为50-60％，频率为250-300Hz的脉冲电源，工作液为浓度为1-1.5mol/L的刻蚀剂；在稳流状态下工作，电流密度为15-17A/cm2，通电25-30s，制备了高阵列一致性的微结构阵列；
去除微结构顶端所述掩膜结构后，进行二次电解表面轮廓修整加工；在所述刻蚀剂中掺入添加剂，使得工件表面质量提高，顶端直径减小锐化，形成尖锥形阵列结构；在本实例中，混合工作液组分为1.5mol/L刻蚀剂与2mol/L添加剂；在稳压状态下工作，电压幅值为2-4V，加工时间为10-12s。
上述方法中，去除微结构顶端绝缘棒的方法可以是：利用未加工过的工具电极替换表面加工有微孔的工具电极，进行二次电解加工；被替换的表面有绝缘棒的工具电极可被重复利用。
上述实施例中，绝缘棒截面形状由所述阵列图形决定，包括圆形和多边形；如图5a和5b所示，所述多边形可以是矩形、三角形以及其他任意多边形。
本发明提供了一种微锥形阵列结构的分步电解加工方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (8)
1.一种微锥形阵列结构的分步电解加工方法，其特征在于，包括：在预处理后的工件表面直接或间接制作阵列图形化掩膜；
当所述阵列图形化掩膜制作完成后，将上述工件装入夹具；夹具外接电源，将工具电极接电源阴极，工件接电源阳极，进行一次掩膜电解快速成形加工：设定电源一次电解加工时间，通过供液***使刻蚀剂在阴极和阳极间流过，在所述工件表面进行电解刻蚀，所述工件表面的阵列图形化掩膜为绝缘材料，用于在电解过程中屏蔽电场，并在所述工件表面电解刻蚀出对应阵列图形的微结构；
当所述电源一次电解加工时间结束后，完成所述一次掩膜电解快速成形加工在工件表面形成阵列微结构，去除微结构顶端的阵列图形化掩膜，再进行二次电解轮廓修整加工：将工具电极接电源阴极，工件接电源阳极，设定电源二次电解加工时间，在上述刻蚀剂中掺入添加剂形成混合工作液，通过供液***使混合工作液在阴极和阳极间流过，用于减小锐化一次电解加工后工件表面阵列微结构的顶端直径，形成尖锥形阵列结构。
2.根据权利要求1所述的一种微锥形阵列结构的分步电解加工方法，其特征在于，所述直接制作阵列图形化掩膜的方法为：在工件表面进行覆膜处理，以具有待加工阵列的阵列孔掩膜板作为模板，在所覆膜表面刻画待加工阵列图形，形成阵列图形化掩膜。
3.根据权利要求2所述的一种微锥形阵列结构的分步电解加工方法，其特征在于，所述掩模板上组成阵列的每个孔以筋的形式相连，用于形成具有筋连接的阵列图形化掩膜。
4.根据权利要求3所述的一种微锥形阵列结构的分步电解加工方法，其特征在于，所述筋连接的阵列图形化掩膜能够通过增加连接筋的数目增加自身与待加工工件的接触面积，进而增加一次掩膜电解加工时间，能够获得大高径比、小顶端直径的阵列微结构。
5.根据权利要求1所述的一种微锥形阵列结构的分步电解加工方法，其特征在于，所述间接制作阵列图形化掩膜的方法为：在工具电极表面加工出与待加工阵列结构分布相一致的阵列孔，将绝缘棒***孔内形成具有对应阵列图形的阵列图形化掩膜。
6.根据权利要求5所述的一种微锥形阵列结构的分步电解加工方法，其特征在于，所述绝缘棒截面形状由所述阵列图形决定，包括圆形和多边形。
7.根据权利要求1所述的一种微锥形阵列结构的分步电解加工方法，其特征在于，所述工件加工完成后，微锥顶端曲率半径范围为1-40μm，高径比范围为1-100，形状尺寸可达到微米级、亚微米级。
8.一种夹具，所述夹具用于实现一种微锥形阵列结构的分步电解加工方法，其特征在于，所述夹具包括上夹具和下夹具；所述下夹具包括中间用于放置待加工器件的键槽，所述键槽上设有螺钉能够与待加工器件接触并外接电源阳极；所述键槽四周设有充液密封装置；所述上夹具上设有螺钉与工具电极连接，并外接电源阴极；所述上夹具顶部设有两个以上的出入水口。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110817661.3A CN113579378B (zh) | 2021-07-19 | 2021-07-19 | 一种微锥形阵列结构的分步电解加工方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110817661.3A CN113579378B (zh) | 2021-07-19 | 2021-07-19 | 一种微锥形阵列结构的分步电解加工方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113579378A true CN113579378A (zh) | 2021-11-02 |
| CN113579378B CN113579378B (zh) | 2022-05-17 |
Family
ID=78248362
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110817661.3A Active CN113579378B (zh) | 2021-07-19 | 2021-07-19 | 一种微锥形阵列结构的分步电解加工方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113579378B (zh) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103253626A (zh) * | 2013-05-15 | 2013-08-21 | 西北工业大学 | 一种硅材料锥形结构及其制备方法 |
| CN106270853A (zh) * | 2016-09-21 | 2017-01-04 | 河南理工大学 | 一种微结构阵列的加工方法 |
| CN107931753A (zh) * | 2017-11-14 | 2018-04-20 | 深圳大学 | 加工微回转体结构的方法 |
| CN109226973A (zh) * | 2018-10-30 | 2019-01-18 | 江苏大学 | 一种激光-电化学沉积制备仿生超疏水金属表面的***及方法 |
| KR101972665B1 (ko) * | 2017-10-31 | 2019-04-25 | 인하대학교 산학협력단 | 전해가공을 이용한 금속 박판 홀 가공방법 |
| CN111378956A (zh) * | 2020-03-24 | 2020-07-07 | 南京航空航天大学 | 一种有序排布金刚石微纳米锥阵列工具的制备方法 |
| CN111515480A (zh) * | 2020-04-22 | 2020-08-11 | 大连理工大学 | 一种微粒辅助掩膜电解加工的装置及方法 |
| CN112170994A (zh) * | 2020-09-27 | 2021-01-05 | 南京工业大学 | 基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法 |
-
2021
- 2021-07-19 CN CN202110817661.3A patent/CN113579378B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103253626A (zh) * | 2013-05-15 | 2013-08-21 | 西北工业大学 | 一种硅材料锥形结构及其制备方法 |
| CN106270853A (zh) * | 2016-09-21 | 2017-01-04 | 河南理工大学 | 一种微结构阵列的加工方法 |
| KR101972665B1 (ko) * | 2017-10-31 | 2019-04-25 | 인하대학교 산학협력단 | 전해가공을 이용한 금속 박판 홀 가공방법 |
| CN107931753A (zh) * | 2017-11-14 | 2018-04-20 | 深圳大学 | 加工微回转体结构的方法 |
| CN109226973A (zh) * | 2018-10-30 | 2019-01-18 | 江苏大学 | 一种激光-电化学沉积制备仿生超疏水金属表面的***及方法 |
| CN111378956A (zh) * | 2020-03-24 | 2020-07-07 | 南京航空航天大学 | 一种有序排布金刚石微纳米锥阵列工具的制备方法 |
| CN111515480A (zh) * | 2020-04-22 | 2020-08-11 | 大连理工大学 | 一种微粒辅助掩膜电解加工的装置及方法 |
| CN112170994A (zh) * | 2020-09-27 | 2021-01-05 | 南京工业大学 | 基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113579378B (zh) | 2022-05-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100961282B1 (ko) | 친수성 표면과 소수성 표면을 갖는 멤브레인의 제조방법 | |
| KR101962469B1 (ko) | 결정질 실리콘 태양전지의 텍스쳐 구조의 제조방법 | |
| CN204397104U (zh) | 孔板电极扫描式掩膜电解加工装置 | |
| JP5425111B2 (ja) | 浸漬法を利用した疎水性表面を有する３次元形状構造物の製造方法 | |
| US11992889B2 (en) | Method for preparing a cross-size micro-nano structure array | |
| Chen et al. | Improvement of dimensional uniformity on micro-dimple arrays generated by electrochemical micro-machining with an auxiliary electrode | |
| CN106270853A (zh) | 一种微结构阵列的加工方法 | |
| Qu et al. | Fabrication of PDMS micro through-holes for electrochemical micromachining | |
| CN105328285A (zh) | 一种高回转精度球头柱状电极的在线制备修整装置及方法 | |
| CN104191053A (zh) | 一种微细电解阴极活动模板的制备方法 | |
| CN102699456B (zh) | 微热管内壁非连续微结构微细电解加工装置及加工方法 | |
| CN104499023A (zh) | 含盲孔零件的阳极氧化方法 | |
| CN113579378B (zh) | 一种微锥形阵列结构的分步电解加工方法 | |
| KR101037192B1 (ko) | 극소수성 표면 가공 방법 및 이 방법에 의해 제조된 극소수성 표면을 가지는 고체 기재 | |
| CN108441897A (zh) | 一种加工液滴饼状弹跳超疏水柱状阵列的电铸方法 | |
| Kumar et al. | Surface texturing by electrochemical micromachining: a review | |
| CN105127526B (zh) | 一种盘型扫描电极掩膜微电解放电加工***及加工方法 | |
| CN107999908B (zh) | 一种微坑阵列的制作方法 | |
| CN202684248U (zh) | 微热管内壁非连续微结构微细电解加工装置 | |
| CN104195644A (zh) | 一种单晶硅衬底亚微米金字塔结构激光-化学制备方法 | |
| Park et al. | Microhole machining on precision CFRP components using electrical discharging machining | |
| CN108080782A (zh) | 微小孔电解加工电极的侧壁绝缘方法及应用 | |
| JP3665323B2 (ja) | フラットパネルディスプレイ用ガラス基板及びその製造方法 | |
| CN204366212U (zh) | 一种用于电化学-机械复合加工的线锯绕制工具电极 | |
| Wang et al. | Laser micro structuring on a Si substrate for improving surface hydrophobicity |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20211102 Assignee: Nanjing Yangquan Electronics Co.,Ltd. Assignor: Nanjing Tech University Contract record no.: X2023980054091 Denomination of invention: A stepwise electrochemical machining method for micro conical array structures Granted publication date: 20220517 License type: Common License Record date: 20231227 |
|
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |