基于厚層模板的微坑陣列微細電解加工技術(shù)研究.pdf

1、具有一定尺寸和分布的微坑陣列在改善摩擦副摩擦性能方面發(fā)揮著重要的作用，它不僅能夠減小摩擦副之間的摩擦系數(shù)，還能夠降低磨損提高摩擦副的使用壽命。例如，航天齒輪泵作為水循環(huán)系統(tǒng)的傳動部件，其齒輪端面和殼體密封端面磨損嚴(yán)重時會嚴(yán)重影響齒輪泵的工作效率和整個水循環(huán)系統(tǒng)的可靠運行。研究表明在齒輪泵殼體密封端面設(shè)計具有一定尺寸和分布的微坑陣列可以有效地改善潤滑狀況，降低齒輪與密封端面的磨損量，從而提高齒輪泵的運行效率和使用壽命。微坑陣列已在摩擦學(xué)、

2、熱能交換以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到重要的應(yīng)用，因此，如何高效、高精度加工微坑陣列成為一個研究的重點。
　　目前，微坑陣列的加工方法主要有機械加工、激光加工、電火花加工、磨粒流加工和電解加工。其中，電解加工技術(shù)因在加工中無熱影響區(qū)、無熱應(yīng)力、電極無損耗、易于實現(xiàn)微細加工等優(yōu)點，成為研究的熱點。易實現(xiàn)大面積微坑陣列一次加工成形的光刻微細電解加工技術(shù)是目前備受關(guān)注的一種微坑陣列電解加工方法。
　　光刻微細電解加工技術(shù)是利用光刻工藝在工

3、件表面制作具有鏤空圖案的模板，從而對工件進行選區(qū)域電解加工的方法。其每個工件都需要經(jīng)過涂膠、前烘、曝光、顯影和后烘等一系列工藝，電解加工之后還需要除去光刻膠，制作過程復(fù)雜，生產(chǎn)流程長。在一次加工大量微坑時存在微坑尺寸不一致，加工精度差的問題。此外，單個微坑的形貌也不規(guī)則，在微坑中心位置容易形成凸起的結(jié)構(gòu)（通常稱之為“孤島”）。針對上述問題，本文探索了提高微坑光刻電解加工的加工精度以及消除“孤島”的方法，并將厚層活動模板引入微坑陣列的電解

4、加工，開展微坑陣列的厚層模板電解加工技術(shù)研究。本文完成的研究內(nèi)容主要包含以下幾個部分：
　　（1）提出采用正電位輔助陽極和厚層模板方法，提高了微坑陣列電解加工的加工精度，消除了微坑電解加工的“孤島”現(xiàn)象。仿真和試驗結(jié)果表明，具有合適正電位的輔助陽極可以有效改善微坑陣列的加工精度，此外使用厚層模板不僅能夠改善微坑陣列的加工精度，而且有效避免了微坑“孤島”現(xiàn)象的產(chǎn)生。
　?。?）發(fā)明一種聚二甲基硅氧烷（PDMS）微孔模板的制作方

5、法。通過改進光刻工藝，并結(jié)合真空輔助模塑法，探索出一種新的PDMS微孔模板的制作方法，并利用該方法成功制備出孔徑為50μm和100μm，厚度250μm的PDMS厚層微通孔模板。由于PDMS具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，在電解加工中可以重復(fù)使用，這可以縮短工藝準(zhǔn)備時間，從而提高微坑陣列的生產(chǎn)效率。
　　（3）優(yōu)選出適合PDMS厚層模板微細電解加工的電解液流動模式。通過對不同的電解液流動模式下電解加工微坑質(zhì)量對比分析，優(yōu)選出一種電解液正向流動

6、模式，并設(shè)計出具有群縫結(jié)構(gòu)的陰極。結(jié)果表明，采用此種流動模式不僅保證了PDMS厚層模板與工件的貼合，還避免了加工中由于柔性模板變形導(dǎo)致的微坑形貌變形，有助于實現(xiàn)高質(zhì)量微坑陣列的微細電解加工。
　?。?）發(fā)現(xiàn)PDMS厚層模板電解加工具有對加工參數(shù)不敏感的優(yōu)點，闡明了該技術(shù)能夠獲得高加工精度的原因。試驗結(jié)果表明，微坑的深度僅隨加工時間改變，而對加工電壓敏感性低。此外，隨加工電壓和時間的變化，微坑的直徑均僅有3～5μm的側(cè)向腐蝕，具有高

7、的加工精度。通過電流效率計算、流場仿真以及CCD在線觀測，指出采用PDMS厚層模板電解加工時，加工區(qū)的電解液始終處于高壓低流速狀態(tài)，此狀態(tài)不僅能夠減小氣泡的體積也減緩了氣泡和不溶性產(chǎn)物的排出，而且大部分氣泡和產(chǎn)物的混合體會聚集在微坑的邊緣，有效降低了微坑電解加工的側(cè)向腐蝕，提高了微坑電解加工的加工精度。
　?。?）開展了微坑陣列的PDMS厚層模板微細電解加工應(yīng)用研究。對不銹鋼密封端面進行微坑陣列的電解加工，使齒輪泵使用壽命提高了一