电解加工表面织构用柔性阴极制备及其加工实验研究

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微细电解加工(Electrochemical micromachining,ECMM)是基于电化学阳极溶解原理,以离子形式蚀除材料,是一种极具潜力的表面织构加工技术。本文在无掩膜电解加工基础上,提出柔性阴极电解加工方案。通过基于激光直写布线技术,在柔性基体上生成导电图案结构,制备柔性阴极。柔性阴极可一次制作、多次使用。针对不同的被加工件,通过3D打印技术打印合适的工装夹具,可实现在自由曲面上的电解加工。激光直写布线技术是利用激光束的高能量密度,与基底涂层进行光、热反应,在基底表面形成导电结构的一种新型电路板布线技术。结合3D打印技术将电解加工中所需的流道、间隙等一体化成型,再利用电镀铜工艺,最终得到一体化的柔性电极。使用该方法制作柔性阴极具有效率高、成本低等优点,通过3D打印技术将流道和加工间隙直接成型能够设计打印出传统加工方式不易加工的复杂流道,同时保证加工间隙的均匀性和电解液流场分布的合理性,提高电解加工复制精度。本文根据所设计的柔性阴极制备方案,搭建了激光直写平台和电解加工实验平台,并进行柔性阴极电解加工表面织构的实验研究。采用355 nm波长的紫外脉冲激光器,光斑直径约为10μm。电解加工平台由机床主体、脉冲电源、电解液更新系统等构成。针对激光活化化学镀铜与激光直写技术工作原理,研究两种柔性阴极制备工艺:基于分子前驱体方法(MPM),分别以EDTA-Cu和Cu(CH3COO)2H2O作为铜源,通过旋涂的方式制备活性薄膜。采用XPS、XAES、TGA(热比重分析仪)、XRD(X射线衍射分析)等仪器探究前驱体薄膜激光直写机理。实验结果表明,EDTA-Cu在激光活化后,经XPS和XAES表征,证实了活化区域存在Cu+,并在化学镀铜中充当催化核心。结合3D打印技术制备柔性阴性基底,进行验证性电解加工实验,得到沟槽深度约2μm、宽度约200μm。而以Cu(CH3COO)2H2O为铜源的前驱体薄膜在激光的光、热作用下进行热分解,最终生成铜单质,在PI基底表面得到导电结构。利用3D打印技术制备一体化柔性阴极,以缸套类零件内壁为被加工对象开展电解加工表面沟槽实验。选择一组比较合适的电解加工工艺参数,加工出纹路清晰的网状沟槽,沟槽深度约为23μm,沟槽宽度约为1.55 mm。研究结果表明,基于3D打印与激光直写布线技术的柔性阴极,应用于平面与圆柱内壁表面织构电解加工是可行的。
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