三维微电极叠层拟合制备及其质量控制与成形磨削

本项目提出采用线切割结合真空压力热扩散焊制备三维微电极并将其应用于微细电火花加工，以此减小电极损耗并提高三维微结构的加工效率。通过线切割对铜箔进行切割从而获得多层二维微结构，通过真空压力热扩散焊将多层二维微结构进行连接从而叠加拟合出三维微电极。与通过具有简单截面形状的微细电极进行逐层扫描放电加工从而获得三维微结构的加工方式相比，三维微电极只需进行上下往返式加工便可获得三维微结构，加工效率高且电极损耗低。本项目的主要研究成果如下： （1）在脉冲宽度10μs，脉冲间隔40μs，线切割电流0.42A，电压80V，热扩散温度850℃，热扩散时间10h，压力100N的工艺参数下，使用100μm厚的铜箔制备了表面质量良好的三维微电极。在电压80V，脉冲频率0.2MHZ，脉冲宽度400ns，脉冲间隔4600ns的作用下，使用三维微电极对304不锈钢材料进行微细电火花加工，获得了表面粗糙度Ra=0.48μm的三维微结构。微细电火花加工获得的三维微结构与设计模型基本相符。 （2）为了研究三维微电极的损耗，将三维微电极进行离散化处理。离散后的三维微电极由α类电极、β类电极和γ类电极组成。通过对这三类电极的损耗进行研究发现：α类电极、β类电极和γ类电极的损耗与其所经历的加工深度呈线性关系；α类电极的拟合斜率k=-0.24071，损耗最大；β类电极的拟合斜率k=-0.21524，损耗次之；γ类电极的拟合斜率k=-0.19767，损耗最小。 （3）台阶效应是三维微电极的原理误差，本项目通过电火花成形磨削对三维微电极的台阶效应进行磨削。通过实验发现：台阶效应对三维微电极加工结果的影响与成形磨削次数正相关，成形磨削次数越多，台阶效应对加工结果的影响越小。 （4）为了消除微型腔表面的接缝放电痕，本项目制备Cu/Sn/Cu三维复合微电极。使用锡膜厚度为1μm的铜箔（50μm厚）为原材料，在900℃热扩散焊温度，15h热扩散焊时间和100N压力的作用下，制备了具有良好放电加工性能的三维复合微电极。将三维复合微电极用于微细电火花加工，微型腔表面的接缝放电痕已基本消失。 2100433B

本项目首次提出一种用于微细电火花加工的三维微电极制备方法。该方法通过线切割分别完成多层铜箔二维微结构的加工，再利用热扩散焊将多层铜箔二维微结构叠加拟合成三维微电极。与目前主流的微细电极逐层扫描放电加工三维微型腔的工作方式相比，三维微电极只需进行上下往返式加工，工作效率高且损耗低，可完成大深宽比三维微型腔的电火花加工。.针对台阶效应和热扩散焊质量分别是影响叠层微电极制备精度和加工微型腔产生接缝放电痕缺陷的关键因素，提出通过电火花成形磨削来消减三维叠层微电极台阶效应和在铜箔上下表面溅射锡膜以大幅提高热扩散焊质量。针对上述关键科学问题，本项目将聚焦研究电火花成形磨削过程中台阶损耗规律的定量表征和热扩散焊后锡相与铜锡合金化合物沿铜箔厚度方向的分布规律及其对放电加工性能的影响，从而可以从根本上提高三维叠层微电极的制备精度和质量。本项目的研究将开拓一种全新的电火花三维微电极制备方法和研究领域。

功能薄膜是指微型电化学储能器件阴、阳两电极上具备储能特性的化学活性物质，它是决定微电极储能性质的关键因素，因而要获得性能指标好的微型超级电容器，首先必须制备容量大、内阻低、性能稳定、结构强度高的电极功能薄膜材料. 功能薄膜材料的制备方法很多， 其中电化学沉积工艺具有工艺简单. 过程易控、兼容性好等优点，易于制备三维微电极. 氧化钌材料相对于其他超电容材料，具有内阻小、容量大等特点.采用电化学阴极恒流电沉积方法在三维微柱阵列的金属集流体上沉积氧化钌功能薄膜，具体制备工艺如下：①清洗三维微柱，烘干待用；②配制电沉积溶液， 用去离子水配制RuCl3 ·3H2O和NaNO3的混合溶液， 浓度分别为5×10-3 mol/L和200×10-3 mol/L；③调节pH值至2.0；④电沉积功能薄膜，采用CHI660B电化学工作站（上海辰华仪器公司），以三维微柱为工作电极（阴极），Pt电极（铂片4 mm×4 mm）为对电极（阳极），取适量电沉积溶液，选择合适的电流和时间进行恒流电沉积；⑤清洗和干燥，使用SEM观察微电极的表面形貌 。

微电极结构采用 ICP 技术制备。将硅片清洗干净并放入烘箱烘 10 min，溅射 200 nm，铝膜作为刻蚀的掩膜，用 AZ1500 光刻胶转印图案，曝光、显影，腐蚀铝膜，露出刻蚀窗口进行 ICP 刻蚀。 刻蚀工艺参数如下： 腔室温度 40 ℃，硅片温度 25 ℃，射频功率 600 W，电压 300 V，总刻蚀时间 80 min。刻蚀过程中 SF6流量为 150 mL/min，O2流量为 12 mL/min，直流偏置电压为 120 V，功率为20 W，腔内气压 2.67 Pa。淀积过程中的 C4F8 流量为85 mL/min，腔内气压 5.33 Pa 。

本项目首次提出一种微型化金属箔叠层成形方法，简称Micro-DLOM工艺。Micro-DLOM可应用于制作强度高、材质与基体一致的三维微结构型腔，无深宽比限制，且工艺过程简单、成本低。 本项目在研究过程中构建了飞秒激光切割与微细电阻滑焊组合工艺平台，飞秒激光的切割精度可达±1μm，而微细电阻滑焊的叠层成形精度最高可达±0.5μm。针对金属箔叠层成形过程中出现的“沉积效应”现象，分别以铜和钨为滑焊电极材料，采用数值模拟结合实验分析的方法，研究电热物理场的耦合作用、围绕沉积相和沉积相布局沿高度方向的“波浪形变化”规律，从根本上揭示了滑焊沉积效应机理。 作为拓展研究，本项目还构建了电火花线切割与真空压力热扩散焊组合工艺平台，将Micro-DLOM工艺用于三维微电极的叠层成形，并将三维叠层微电极应用于微细电火花加工从而获得高性能的整体式三维微模具。 通过本项目的研究，可以解决三维微结构型腔模具的制作问题，形成微型腔金属箔叠层成形的完整方法体系。 2100433B