基于約束電解的不銹鋼表面微凹坑陣列加工技術研究??

夏道朋 賴磊捷 吳建民

(上海工程技術大學機械工程學院，上海201620)

當前,機械制造業越來越向微細化、精密化、集約化、智能化方向發展,特別是以微電子和微機電系統為代表的微納米技術的迅速發展,促使微納米制造技術成為了新的研究熱點[1].傳統的微納米制造技術主要有超精密機械加工技術、光刻技術、納米壓印技術和高能束加工技術等,但這些技術在加工大面積表面微結構陣列時都存在各自的缺點和不足[2].電化學加工由于具有材料適用范圍廣、無切削力和殘余應力、工作條件溫和、加工成本低等優點[3],在大面積微結構陣列的加工中受到越來越廣泛的關注.

在適用于大面積表面微結構陣列的微細電解加工技術中,Landolt等研究了結合光刻技術和電化學技術的掩膜微細電解加工技術[4],利用涂敷于工件表面的光刻膠作為阻擋層加工出所需結構.在此基礎上,朱荻等提出了活動模板電解加工技術[5]和將屏蔽膜依附于工具陰極的電解轉印加工技術[6].另外,Grzybowski等人提出了用于微納米制造的反應化學濕印章技術[7],該技術是利用浸泡有化學刻蝕溶液的瓊脂糖凝膠模板作為軟印章,通過局部化學反應腐蝕的原理來加工金屬表面的微結構.Zhang L等在此基礎上提出了電化學濕印章技術[8],該技術以存儲有電解液的圖案化瓊脂糖凝膠為軟印章,被加工基底為陽極,運用電化學陽極溶解的原理得到與軟印章互補的微結構.

本文采用了一種新型的基于聚丙烯酰胺等固態聚合物電解質的約束電解微加工技術,首先分析了影響聚丙烯酰胺凝膠彈性模量的因素,進而制備了高性能的凝膠模板,最后使用該模板在不銹鋼表面上加工出微凹坑陣列圖案.約束電解微加工技術突出的優點是從原理上解決了大面積微細電解加工中微間隙的電解液更新和產物輸運困難等問題,有效克服了刻蝕結果的區域性差異.

1 約束電解微加工原理

約束電解微加工技術是在傳統電解加工的基礎上,以固態電解質取代常用的液態電解質,以實現模板和基底微接觸區域內的局部腐蝕加工.圖1為約束電解微加工技術的加工原理示意圖.加工時,工件陽極接電源正極,工具陰極接電源負極,并在工件上施加一恒微力,使工件相對于凝膠模板不斷進給,以保證加工的持續順利進行.加工微接觸區域內電解液的補充更新和電解產物的輸運排放,均是通過固態聚合物凝膠模板的微小孔隙來完成.

約束電解微加工技術的整個加工流程如圖2所示.首先采用激光加工技術在不銹鋼表面得到具有微凹坑陣列的母模板,然后將攪拌均勻、還未固化的聚丙烯酰胺凝膠水溶液澆筑到該模板上,待凝固脫模后得到翻印有微結構的聚丙烯酰胺凝膠.以此凝膠為模板,選擇合適的工藝參數,對基底進行微接觸區域的刻蝕加工,最終獲得與母模板表面微結構相同的加工結果.

2 實驗過程

2.1 試劑

丙烯酰胺(Acr,上海生工生物工程股份有限公司,分析純).

N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺(Bis,上海生工生物工程股份有限公司,分析純).

過硫酸銨(APS,上海生工生物工程股份有限公司,分析純).

N,N,N’,N’-四甲基乙二胺(TEMED,上海生工生物工程股份有限公司,分析純).

硫酸鈉(Na2SO4,國藥集團化學試劑有限公司,分析純).

磷酸(H3PO3,國藥集團化學試劑有限公司,分析純).

丙三醇(C3H8O3,國藥集團化學試劑有限公司,分析純).

酒石酸(C4H6O6,國藥集團化學試劑有限公司,分析純).

2.2 聚丙烯酰胺凝膠模板的制備

以配制質量比例為16%Acr(單體)、0.6%Bis(交聯劑)、0.5%APS(引發劑)和0.05%TEMED(催化劑)的聚丙烯酰胺凝膠為例.先分別稱取8 g Acr、0.3 g Bis以及0.25 g APS置于燒杯中,再往燒杯中添加去離子水到50 g為止,充分攪拌至完全溶解,抽氧后加入0.025 g TEMED,攪拌均勻后迅速澆筑于經過超聲波清洗后的母模板上,室溫下自由聚合2 h(圖3a),待完全聚合凝固后脫模,用刀片切出凝膠模板(圖3b),將凝膠模板置于電解液中浸泡,備用.圖4所示為凝膠模板表面微點陣列結構局部顯微鏡照片.

2.3 影響聚丙烯酰胺凝膠彈性模量的因素分析

彈性模量是聚丙烯酰胺凝膠非常重要的力學性能,它直接關系到凝膠受力后的形變大小,從而影響到凝膠模板表面的微結構以及加工結果的精確度和保真度,因此需要對影響凝膠彈性模量的因素進行分析,以制備性能更好的聚丙烯酰胺凝膠模板.

2.3.1 含水率對彈性模量的影響

將浸泡在電解液中的聚丙烯酰胺凝膠每隔1 h取出一次,用濾紙拭去表面水分后稱其質量為GK(k＝1,2,3,…),然后將凝膠置于材料拉壓試驗機上,以0.5 mm/s的速度對試樣進行勻速加載,同時記錄加載壓力F與相應的位移ΔL,重復以上過程直到凝膠質量不再變化為止,此時凝膠達到完全溶脹平衡狀態.恒重后將凝膠完全烘干,稱其質量為G0.各個時刻凝膠的含水率R和彈性模量E可分別用公式表示為R＝(GK-G0)/GK,E＝δ/ε＝FL/(AΔL),δ為正應力,ε為應變,A、L分別為凝膠的橫截面積和初始厚度.

圖5所示為凝膠彈性模量隨含水率的變化散點圖.由圖可知,在凝膠吸水溶脹的過程中,彈性模量會隨著含水率的增加而減小,并且凝膠達到溶脹平衡后的彈性模量比初始時低了約60 kPa,可見含水率是影響凝膠彈性模量的一個重要因素.

2.3.2 單體和交聯劑對彈性模量的影響

配制5組不同質量比(單體/交聯劑)的凝膠,當它們的含水率相同時,測得如圖6所示彈性模量隨質量比的變化散點圖.由圖可知,當質量比增加時,凝膠的彈性模量成倍數式增長,對比含水率對彈性模量的影響可知,單體和交聯劑的質量比例對凝膠彈性模量的影響要大的多,也是影響凝膠彈性模量的主要因素.彈性模量適當增大,有利于凝膠模板抵抗外力變形,保護微結構圖案不受破壞；但彈性模量過大的凝膠會變的硬而脆,不僅使脫模困難,而且初始含水率低,溶脹系數高,吸水膨脹后會破壞模板表面的微結構,降低復制加工的精確度和保真度.因此需要合理選擇單體與交聯劑的質量比例來制備聚丙烯酰胺凝膠模板.

2.4 對不銹鋼的約束電解加工

通過對凝膠彈性模量的分析,本實驗選擇質量配比為16%Acr+0.6%Bis的凝膠作為電解刻蝕用的模板,溶脹平衡后的彈性模量為395 kPa左右.電解液選擇質量比例為10%的硫酸鈉、5%的磷酸、1%的丙三醇和1%的酒石酸的混合溶液.

將凝膠模板置于盛有電解液的電解槽中,再將砂紙打磨過的不銹鋼工件置于其上,用導線將其與電源的正極相連.工具陰極選擇鉑(Pt)絲,將其一端置于電解液中,另一端通過導線連接電源的負極.采用高頻窄脈沖加工方式[9],電源為高頻脈沖電源,電壓選擇為5 V,脈沖寬度為1 ms,占空比為1/3,加工時間30 min.

3 加工結果分析

將不銹鋼上加工出的微凹坑陣列放在顯微鏡下觀察,結果如圖7a所示.可見加工出的微凹坑直徑在212 μm左右,與母模板上相應部位的微凹坑陣列(圖7b)比較,兩者的相對誤差僅為(212-200)/200＝6%,可知精確度和保真度較好.在同樣放大倍數的條件下,加工得到的微凹坑尺寸普遍比不銹鋼模板上凹坑的尺寸大12 μm左右,原因是加工微接觸區域內電解液的側向鋪展腐蝕造成的.

4 結語

聚丙烯酰胺凝膠的彈性模量大小主要取決于單體和交聯劑的質量比例,此外含水率也是重要的影響因素.利用約束電解微加工技術在不銹鋼表面上加工出的微凹坑直徑在212 μm左右,與母模板上的微凹坑相比,加工誤差僅為6%.除了不銹鋼外,本加工方法還適用于對銅、鋁、砷化鎵等金屬和半導體材料的電解加工.