金属微结构阵列的电铸成型

在分析微细电铸的电场与流场特性的基础上,深入研究了铸层厚度的不均匀现象及搅拌方式和电流密度对微细电铸质量的影响.由于高深宽比胶膜的存在,单一搅拌对电铸区域的影响只集中在微区的入口部分,扩散过程成为金属沉积的限制性因素;随着胶膜深宽比的增大,电场等势线弯曲的程度加大,导致电铸微区内金属离子传输能力不均匀.实验表明:微细电铸过程中,搅拌速度提高并不能改善金属沉积的传质条件,辅助超声的复合搅拌在相同条件下能提高金属沉积速度,减少铸层缺陷;最佳电流密度不宜超过0.9～1.0 A/dm2.基于该项技术,实现了高分辨率、侧壁陡直金属微结构的电铸成型.     

活动屏蔽膜板高深宽比微细电铸技术研究

针对金属微结构器件制造难的问题,提出了活动屏蔽膜板高深宽比微细电铸技术,通过屏蔽膜板动态地限制电沉积的区域,可以用低深宽比的膜板图形加工出高深宽比的金属微结构,并且免除了去胶等难题。在对活动屏蔽膜板微细电铸电场及传质进行分析的基础上,开展试验研究,获得了特征尺寸为500μm,深宽比分别为3和5的微静电梳状驱动器梳齿及微圆柱电极阵列。     

活动屏蔽膜板高深宽比微细电铸技术研究

针对金属微结构器件制造难的问题,提出了活动屏蔽膜板高深宽比微细电铸技术,通过屏蔽膜板动态地限制电沉积的区域,可以用低深宽比的膜板图形加工出高深宽比的金属微结构,并且免除了去胶等难题。在对活动屏蔽膜板微细电铸电场及传质进行分析的基础上,开展试验研究,获得了特征尺寸为500μm,深宽比分别为3和5的微静电梳状驱动器梳齿及微圆柱电极阵列。
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超临界CO2流体微细电铸扩散传质过程建模与数值分析

以微结构特征为分析对象,建立金属镍离子和多物质离子扩散传质的数学模型,利用MAT-LAB软件对所建模型进行数值模拟,分析电流密度、深宽比对微结构内部物质离子浓度的影响,同时对超临界CO2流体金属镍铸层的表面形貌和显微硬度进行研究和探讨。结果表明:在一定的深宽比和电流密度条件下,随着时间的推移,镍离子扩散传质过程逐渐趋于稳态;微结构流体的特征是自上而下,氢氧根离子浓度和氢氧化镍离子浓度逐渐递增,而氢离子浓度持续降低,镍离子浓度和硫酸根离子浓度变化不明显;深宽比大的微结构应在小电流密度条件下进行电铸,温度为323K、压力为10MPa、电流密度为5A/dm2时,超临界CO2流体电铸方法制备的镍铸层晶粒细小、组织致密,铸层的显微硬度达到701.2HV,与传统电铸相比有大幅度提高。     

超声微细电铸试验研究

试验研究和分析了电解液施加超声搅拌作用时不同声强对试样形貌质量的影响,优选了工艺参数,在此基础上,进行了超声微结构电铸试验,并制备出多种金属微器件。试验结果表明：超声搅拌声强为12～14W／cm^2时,电铸出的镍微器件积瘤、针孔等缺陷少,塌角、圆边现象明显减少,表面平整。微细电铸时,电解液施加适量大小声强的超声搅拌,能显著改善微细电铸器件形貌质量,提高金属充填能力。     

微电铸中电流-流体耦合的数值分析及实验

研究了LIGA/UV-LIGA的核心技术微电铸的内在规律,对影响铸层生长的阴极电流密度和流体流场进行了数值分析.以微流控芯片微模具上的十字电铸层为研究对象,建立了微电铸的数学模型.给出了描述微电铸体系电流密度和流体流场的偏微分方程,运用有限元法对微电铸体系进行三维数值仿真,得到了电流密度分布和流体流场分布的数值结果.选择十字铸层上的测量点,由该点处电流密度和流体流速仿真数据计算出微电铸4 h的铸层生长高度仿真值,并与相同工艺条件下的微电铸实验铸层生长高度进行对比.结果显示,对应各测量点微电铸生长高度仿真值和实验值的变化趋势接近,绝对偏差小,最大绝对偏差为4.437 μm,最小绝对偏差为0.264 μm.实验表明这种数值仿真方法适用于微电铸工艺设计的辅助分析,可缩短微电铸工艺的开发周期.     

电铸工艺对工具电极材料抗电蚀性能的影响研究

提升基于准LIGA工艺制作的微细电火花加工工具电极材料的耐电蚀能力,是准LIGAMicroEDM组合加工高深宽比三维微结构可靠实现的重要研究内容。论述了该组合加工的技术优势及其工艺路线,理论分析了电铸电极材料电蚀性的影响因素,试验研究了电沉积工艺参数和操作条件如添加剂种类及其添加量、电流密度、温度等对电铸铜工具电极电蚀能力的影响。结果表明,组合添加适量明胶和Cl-,在适当的电流密度和温度等工作条件下,电铸出的铜工具电极在微细电火花加工中表现出超强的耐电蚀能力,重量相对损耗为0.3%。     

微细电铸Over-plating成型过程的数值模拟与实验研究

微细电铸的Over-plating过程对电铸成型金属器件的质量有直接影响。通过有限元方法对微细电铸过程的电场进行建模分析,利用迭代边界法对Over-plating动态过程的阴极电流密度分布进行数值模拟;通过对直径300μm、深100μm微孔结构的电铸实验,得到了不同时间下Over-plating过程的电铸层形貌;实验结果与数值模拟有着很好的一致性,表明基于有限元的迭代边界分析方法是合理的,也为后续对微细电铸Over-plating成型过程的定量分析提供了参考。     

微电铸中电流-流体耦合场数值分析及实验

微电铸是LIGA/UV-LIGA的核心技术,在微机电系统和微纳米制造领域有着很好的应用前景。为了探究微电铸的内在规律,需要对影响铸层生长的阴极电流密度和流体流场进行数值仿真研究。以微流控芯片的微模具为研究对象,在建立微电铸的数学模型的基础上,分别给出描述电流密度和流体流场的偏微分方程。运用有限元法对微电铸体系进行三维数值仿真,得到电流密度分布和流体流场分布的数值结果。选择十字铸层上的测量点,由测量点处电流密度和流体流速仿真数据计算出微电铸4小时的铸层生长高度仿真值,与相同工艺条件的微电铸实验铸层生长高度进行对比。结果表明,对应各测量点微电铸生长高度仿真值和实验值的变化趋势接近,绝对偏差小,最大绝对偏差为4.437μm,最小绝对偏差为0.264μm。这种数值仿真方法能够用于微电铸工艺和设计的辅助分析,缩短微电铸工艺的开发周期。     

用SU-8胶加工微结构的试验研究

以正交实验设计为研究方法,对采用负性光刻胶（SU-8）加工高分辨率和高深宽比微结构进行了工艺研究,得出：前烘温度与前烘时间对光刻质量影响最大,对120~340μm厚的光刻胶,前烘温度取90℃,前烘时间50~120min时图形质量最佳。分析了高深宽比微结构电铸的特点,实验表明传质是微细电铸的限制性环节。实现了光刻、电铸加工微结构的工艺参数优化。     

Abrasive-assisted Nickel Electroforming Process with Moving Cathode

In traditional electroforming process for revolving parts with complex profiles, the drawbacks on surface of deposits, such as pinholes and nodules, will lead to varying physical and mechanical properties on different parts of electroformed components. To solve the problem, compositely moving cathode is employed in abrasive-assisted electroforming of revolving parts with complicated profiles. The cathode translates and rotates simultaneously to achieve uniform friction effect on deposits without drawbacks. The influences of current density and translation speed on the microstructure and properties of the electroformed nickel layers are investigated. It is found that abrasive-assisted electroforming with compound cathode motion can effectively remove the pinholes and nodules, positively affect the crystal nucleation, and refine the grains of layer. The increase of current density will lead to coarse microstructure and lower micro hardness, from 325 HV down to 189 HV. While, faster translational linear speed produces better surface quality and higher micro hardness, from 236 HV up to 283 HV. The weld-ability of the electroformed layers are also studied through the metallurgical analysis of welded joints between nickel layer and 304 stainless steel. The electrodeposited nickel layer shows fine performance in welding. The novel compound motion of cathode promotes the mechanical properties and refines the microstructure of deposited layer.     

镍-氧化镧纳米颗粒复合电铸的研究

采用复合电铸工艺制取了含La2 O3 纳米颗粒的镍基复合电铸层 ,研究了La2 O3 纳米颗粒共沉积量对复合电铸层微观组织及显微硬度的影响。结果表明 ,随着La2 O3 纳米颗粒共沉积量的增大 ,复合电铸层表面更加平整、组织也更加细致均匀 ,基质金属镍的晶粒得到进一步细化 ,因而复合电铸层的显微硬度也随之升高。     

基于快速成型技术的射流电铸试验研究

介绍了自行研制的射流电铸快速成型设备的系统组成与原理 ,对射流电铸工艺特点进行了实验研究。结果表明 ,在其他工艺参数一定时 ,射流电铸的电流密度和电铸速度随电铸电压增大而增大 ,实验中可用电流密度高达380A/dm2 ,远高于传统电铸电流密度。喷嘴口径一定时 ,喷射距离近、电流密度低 ,射流电铸的定域性好。电流密度对铸层表面形态有较大的影响。用射流电铸快速成型设备制备了一组具有一定形状的金属铜零件。     

Study of ion transportation and electrodeposition under hybrid agitation for electroforming of variable aspect ratios micro structures

Microstructural replication accuracy in precision micro electroforming process is related to ions transportation inside the micro structure and microstructural feature width and aspect ratio. In this study, a novel star pattern having a varying feature width of 20–320 μm with a corresponding aspect ratio of 5–0.3125 is proposed to characterize ion transportation and electrodeposition for electroforming of micro structures under a hybrid agitation of cathode rotation and jetting. Using designed patterns, simulations and electroforming experiments are conducted to systematically investigate the effect of flow fields on the diffusion layer thickness and current density on the microstructural filling precision. The results demonstrate that a hybrid flow combining cathode rotation and jetting can significantly enhance mass transfer with a ~33% reduction of diffusion layer thickness inside the micro structure with a high aspect ratio of 5, compared to individual rotating or jetting flow. The diffusion-based mass transfer is dominated inside the micro structure with an aspect ratio is greater than 1, where maximum relative replication error of depth is up to ~21.5% with an aspect ratio of 5. With the aspect ratio less than 1, the convection-dominated mass transfer can be significantly enhanced, where the minimum relative replication error of depth decreases to ~0.1%. The hybrid agitation is proved to be effective to supply ions for electrodeposition of micro structures. Additionally, the results also indicate that a low current density of 18 A/m² should be used for defect-free electroforming of high-aspect-ratio micro structures based on hybrid agitation.     

Two-dimensional simulations of ion concentration distribution in microstructural electroforming

A theoretical model is constructed to predict the metal ion concentration distribution during the electroforming of high-aspect-ratio microstructures. Two-dimensional numerical simulations are then performed using COMSOL Multiphysics^TM software to investigate the effect of the processing conditions and the microstructure geometry on the electroforming results. The electroforming outcome is significantly dependent upon the current density and the microstructure aspect ratio, respectively. The simulation results for the electroforming of microstructural posts with an aspect ratio of 10:1 are found to be in good agreement with the analytical solutions.     

A study of cathode agitation in ultrasonic-aided microelectroforming

In this study, a composite processing technique that combines ultrasonic vibration and electroforming process was utilised to investigate the machining performance of copper electroforming. Supersonic agitation mechanisms were mounted on a cathode and electrolyte separately to evaluate the processing performance of electroforming. Results revealed that a copper deposit speed can be raised by cathode agitation of ultrasonic-aided electroforming. Processed copper surface of cathode agitation is better than no agitation. An array multi-mould microstructure is fabricated by cathode agitation of ultrasonic-aided copper electroforming .     

脉冲电铸镍-氧化钕纳米复合沉积层的工艺研究

电化学沉积层的制备是电铸技术的关键环节。本文采用脉冲电铸技术制备N i-Nd2O3纳米复合沉积层,考察了镀液中Nd2O3纳米颗粒添加量、平均电流密度、占空比、脉冲频率对纳米复合沉积层中Nd2O3含量及纳米复合沉积层显微硬度的影响,并对纳米复合沉积层的表面形貌进行了分析。结果表明,在镀液中Nd2O3纳米颗粒添加量20 g/L~30 g/L、脉冲平均电流密度2 A/dm2~4 A/dm2、占空比0.2~0.4和脉冲频率1000 Hz的条件下,可获得Nd2O3含量大的高硬度复合沉积层,并且沉积层表面平整、光滑,晶粒细小,组织均匀致密。     

纳米晶精密电铸层微观结构的测试与研究

采用高速冲液电铸装置、高频脉冲电流等方法，制备出金属镍纳米晶粒电铸沉积层。运用TEM、SEM和XRD等现代分析手段对纳米晶沉积层微观结构进行了分析研究。结果表明，沉积电流密度对细化沉积层晶粒有着重要影响。随着沉积层晶粒细化，横断面上晶粒生长从树枝状晶向细小等轴～柱状晶方式转变，在(200)晶面存在着明显择优生长取向。分析了细化晶粒对沉积层内应力的影响。     

研究UV-LIGA微电铸电极过程的交流阻抗法

在给定的电铸液组分和工艺路线下,运用交流阻抗法研究了微电铸镍结构的电极过程动力学特性。建立了微电铸体系的等效电路,根据实验获得的交流阻抗图和电阻电抗频率响应,分析了搅拌、整平剂对微电铸体系交流阻抗的影响,计算了电极过程的交换电流密度。结果表明,加入十二烷基硫酸钠整平剂数量存在一个使交流阻抗最小的最佳值,大小为3 g/L,在有搅拌、加入最佳量的整平剂时,体系电极过程的交换电流密度为0.171 A/dm²。在微电铸过程中有搅拌、加入适量整平剂使电铸液交流阻抗下降,阴极电流效率提高,可以改善微电铸镍结构的表面性能、致密度和高度均匀性。