基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法技术

本发明专利技术提供了基于掩膜电场约束电化学沉积‑电解组合加工方法，所述方法包括在工件表面的膜上制作与掩膜板的结构相对应的阵列孔；将夹具外接电源使工具电极作为阳极，将传动滚轮外接电源使工件作为阴极，进行微结构电化学沉积；当电源沉积工作时间结束后，将夹具外接电源使工具电极作为阴极，将传动滚轮外接电源使工件作为阳极进行电解光整，去除工件表面沉积的冗余金属；当电源电解工作时间结束后，取出工件，将工件置于无水乙醇中，利用超声清洗工件表面的膜。本发明专利技术将电化学沉积和电解光整组合在一起进行加工，将电化学沉积后表面冗余金属层去除，保证了电沉积微结构的加工精度，满足了各种微小零件的加工要求。

【技术实现步骤摘要】
基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法
本专利技术涉及特种加工
，尤其涉及一种基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法。
技术介绍
随着科学技术的快速发展，航空航天、国防军工、先进医疗器械等领域越来越多地使用小型化、微型化设备和微小尺寸零件，这些微小零件可达微米级特征尺度，形状结构复杂、成形精度高，表面粗糙度小、无微裂纹及内应力，在酸碱、高温、高压等使用场合，还要求具备特殊的表面性能，因此传统增材制造方法难以达到加工要求。近年来，针对微小尺寸零件的特种加工方法得到了很大发展，如电火花沉积、化学气相沉积、喷射沉积等。电火花沉积虽然能提高零件耐磨性、耐蚀性且可以沉积微小结构，但电火花沉积存在重铸层的问题，增大了表面粗糙度，化学气相沉积的沉积速率低且易生成杂质，喷射沉积对于沉积材料的要求比较局限，这些都是制约其广泛运用的重要因素。基于掩膜电场约束的电化学沉积-电解组合加工利用电化学沉积的高成型精度和复制精度的优点，结合电解加工无重铸层的特点，形成一种针对微小尺寸结构加工的特殊工艺，使其具备加工精度高，表面质量好等优点。2019年12月17日，申请号为CN201910975503.3的中国专利公开了一种电化学预处理-原位电沉积方法，该方法采用表面电化学预处理-原位电沉积技术，先对基体表面进行电化学预处理，然后采用原位技术维持预处理后基体表面状态，直接进入电沉积过程进行电沉积层生长，能显著提高电沉积层与基体的结合强度，其结合强度甚至可以高于基体的抗拉强度。但该方法主要针对于沉积金属薄膜，无法沉积微小结构的阵列。2017年1月25日，申请号为CN201610828397.2的中国专利公开了一种电化学沉积制备图案化有序α#Fe2O3纳米粒子阵列的方法，该方法利用双光束单曝光对电极进行预图案化，制备了大面积图案化有序结构的纳米粒子阵列。在电化学沉积过程中使用阴极电沉积法，设备简单，制备成本低，无需高温加热或退火处理，使用的化学药品无毒无害，所制备的图案化有序α#Fe2O3纳米粒子阵列重现性好，具有良好的稳定性。但该方法操作步骤繁琐，加工效率较低。2018年10月16日，申请号为CN201810658609.6的中国专利公开了一种水平电化学沉积金属的方法及其装置，该方法将半导体器件进行水平移动，同时采用整面接触式或多点接触式使上电极与半导体器件上表面进行接触，半导体器件下方待电化学沉积金属表面与电解液溶液接触，电解质溶液中的金属离子获得电子并沉积在其表面。但该方法沉积的形状与半导体器件形状一致，无法在半导体器件上沉积特定的形状组合。2020年2月11日，申请号为CN201911039489.2的中国专利公开了一种利用光刻、电铸工艺制作微透镜阵列的方法，该方法先将光刻胶板进行光刻，然后将此光刻胶板进行电铸复制，将电铸所得的镍板再进行电铸复制，得到镍工作板；将镍工作板黏贴于玻璃板上，再在具有蜂窝状结构的镍工作板的表面涂覆一薄层紫外固化胶，用抽真空的方法，让紫外固化胶完全充满蜂窝结构的空腔内；每个蜂窝腔内的紫外固化胶的液面就会成为具有曲率半径的球面，将此固化后的紫外固化胶的微透镜阵列镍工作板进行电铸复制，得到镍模板，大批量地复制生产微透镜阵列。但该方法生产出的阵列无法实现本专利提出的在沉积的同时与金属基体表面结合。2006年9月6日，申请号为CN200610039407.0的中国专利公开了一种分层微细电铸加工方法及装置，该方法在掩膜限制下进行电铸产物阴极沉积、对电铸产物涂覆、对涂覆层进行平面化加工使电铸产物底面露出这三个过程交替进行，循环直至制造出整个三维微细零件，最后，去除涂覆材料获得三维微细零件。由于采用独立式掩膜板，使得分层微细电铸的流场状况大为改善，丰富了电铸材料种类，提高了电铸速度。但该方法电铸出的零件存在重铸层，表面质量差的问题。随着航空航天、武器装备等领域的核心部件向微型化、轻型化、智能化发展，对零件体积、加工精度、加工质量、表面性能的要求越来越苛刻，特别是实现复杂微细零件高成形精度、高表面质量、优异性能的微米级增材制造已成为尖端科技领域发展的关键。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的问题，本专利技术提出一种应用于微细零件加工方法，采用掩膜电场约束电化学沉积-电解组合的加工方式，既保证了加工精度，又实现微细零件无重铸层的加工要求。第一方面，本专利技术公开了基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法，所述方法包括：在所述工件表面贴膜，由光刻机根据掩膜板的结构对所述膜曝光，经过显影去除未曝光区域，得到与所述掩膜板的结构相对应的阵列孔；当所述阵列孔制作完成后，将所述工件的一端装入整个夹具中，另一端装入两个传动滚轮间，通过所述传动滚轮将工件传动至加工区域，将所述夹具外接电源使工具电极作为阳极，将所述传动滚轮外接电源使工件作为阴极，进行微结构电化学沉积：设定电源沉积工作时间，并将电化学沉积工作液流入所述加工区域，所述夹具的螺杆带动工具电极作往复扫描运动，在所述工件表面进行逐层沉积，所述工件表面的膜为绝缘材料，用于在沉积过程中约束电场，并在所述工件表面的阵列孔中沉积相应的微结构；当所述电源沉积工作时间结束后，完成所述微结构电化学沉积，将所述夹具外接电源使工具电极作为阴极，将所述传动滚轮外接电源使工件作为阳极进行电解光整：设定电源电解工作时间，改变所述传动滚轮的转向，并将电解光整工作液流入所述加工区域，以所述工件为阳极去除工件表面沉积的冗余金属；当所述电源电解工作时间结束后，完成所述电解光整，取出所述工件，将所述工件置于无水乙醇中，利用超声清洗所述工件表面的膜。进一步地，在一种实现方式中，所述膜由光刻膜、光刻胶或绝缘板中任一种材料制成；其中，所述光刻膜的材料为光敏有机材料；所述光刻胶的材料适用于光刻机光刻，所述光刻胶的材料为SU-8；所述绝缘板材料适用于重复利用阵列孔，所述绝缘板材料为树脂、塑料和高分子聚合物。进一步地，在一种实现方式中，所述方法包括：将所述膜粘合在工件表面进行加工；或者，将所述膜与工件上方的工具电极粘合在一起进行加工；或者，通过制作专用的模板代替膜，所述模板不与工件粘合。进一步地，在一种实现方式中，所述电化学沉积的微结构包括圆柱形、三角形、正方形及其他异形结构中任意一种结构的阵列组合；或者，所述电化学沉积的微结构为任意多种结构的阵列组合。进一步地，在一种实现方式中，所述电化学沉积和电解光整的夹具的加工区域密闭且使工具电极与工件之间的间隙可调，所述间隙的调整范围为0.1-3mm。进一步地，在一种实现方式中，制作所述阵列孔的掩膜板的加工方式包括光刻、机械微铣削和激光加工。进一步地，在一种实现方式中，所述电化学沉积采用的电压幅值范围为20-60V，所述电解光整采用的电压幅值范围为5-40V。进一步地，在一种实现方式中，所述电化学沉积工作液和电解光整工作液采用相同的工作液时，所述工作液为根据不同金属材料微结构的制作需求选用不同的金属剂和添加剂的混合溶液，所述添加本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法，其特征在于，所述方法包括：在所述工件表面贴膜，由光刻机根据掩膜板的结构对所述膜曝光，经过显影去除未曝光区域，得到与所述掩膜板的结构相对应的阵列孔；/n当所述阵列孔制作完成后，将所述工件的一端装入整个夹具中，另一端装入两个传动滚轮间，通过所述传动滚轮将工件传动至加工区域，将所述夹具外接电源使工具电极作为阳极，将所述传动滚轮外接电源使工件作为阴极，进行微结构电化学沉积：设定电源沉积工作时间，并将电化学沉积工作液流入所述加工区域，所述夹具的螺杆带动工具电极作往复扫描运动，在所述工件表面进行逐层沉积，所述工件表面的膜为绝缘材料，用于在沉积过程中约束电场，并在所述工件表面的阵列孔中沉积相应的微结构；/n当所述电源沉积工作时间结束后，完成所述微结构电化学沉积，将所述夹具外接电源使工具电极作为阴极，将所述传动滚轮外接电源使工件作为阳极进行电解光整：设定电源电解工作时间，改变所述传动滚轮的转向，并将电解光整工作液流入所述加工区域，以所述工件为阳极去除工件表面沉积的冗余金属；/n当所述电源电解工作时间结束后，完成所述电解光整，取出所述工件，将所述工件置于无水乙醇中，利用超声清洗所述工件表面的膜。/n...

【技术特征摘要】
1.基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法，其特征在于，所述方法包括：在所述工件表面贴膜，由光刻机根据掩膜板的结构对所述膜曝光，经过显影去除未曝光区域，得到与所述掩膜板的结构相对应的阵列孔；
当所述阵列孔制作完成后，将所述工件的一端装入整个夹具中，另一端装入两个传动滚轮间，通过所述传动滚轮将工件传动至加工区域，将所述夹具外接电源使工具电极作为阳极，将所述传动滚轮外接电源使工件作为阴极，进行微结构电化学沉积：设定电源沉积工作时间，并将电化学沉积工作液流入所述加工区域，所述夹具的螺杆带动工具电极作往复扫描运动，在所述工件表面进行逐层沉积，所述工件表面的膜为绝缘材料，用于在沉积过程中约束电场，并在所述工件表面的阵列孔中沉积相应的微结构；
当所述电源沉积工作时间结束后，完成所述微结构电化学沉积，将所述夹具外接电源使工具电极作为阴极，将所述传动滚轮外接电源使工件作为阳极进行电解光整：设定电源电解工作时间，改变所述传动滚轮的转向，并将电解光整工作液流入所述加工区域，以所述工件为阳极去除工件表面沉积的冗余金属；
当所述电源电解工作时间结束后，完成所述电解光整，取出所述工件，将所述工件置于无水乙醇中，利用超声清洗所述工件表面的膜。


2.根据权利要求1所述的基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法，其特征在于，所述膜由光刻膜、光刻胶或绝缘板中任一种材料制成；
其中，所述光刻膜的材料为光敏有机材料；所述光刻胶的材料适用于光刻机光刻，所述光刻胶的材料为SU-8；所述绝缘板材料适用于重复利用阵列孔，所述绝缘板材料为树脂、塑料和高分子聚合物。


3.根据权利要求1所述的基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法，其特征在于，所述方法包括：将所述膜粘合在工件表面进行加工；
或者，将所述膜与工件上方的工具电极粘合在一起进行加工；
或者，通过制作专用的模板代替膜，所述模板不与工件粘合。


4.根据权利要求1所述的基于掩膜电场约束电化学沉积-电解组合加工方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：张彦，吴传冬，王国乾，唐健，杨炆縚，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32