基于微型阳极的铜金属微结构局域电沉积增材制造研究

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增材制造技术由于其明显的技术优势被广泛应用在金属的加工成型上。不过,微尺度三维金属零部件的精密快速成型仍是增材制造领域的难点。电沉积增材制造通过金属离子的还原成型目标结构,在微尺度零部件成型上具有明显的优势。而局域电沉积增材制造技术自由度高,灵活性强,是电沉积增材制造领域最具发展潜力的技术之一。本文在搭建局域电沉积增材制造系统平台的基础上,系统研究了实验中的各影响因素与参数设置,并探究三维结构的成型机理,实现了微尺度金属零部件的局域电沉积增材制造,具体如下:1.了解电化学基本理论和局域电沉积增材制造基本原理,在此基础上完成了系统平台的搭建和初始参数的确定。根据精度要求选购了电动位移台,搭配控制机箱和电源、阻尼隔振台等组成了实验核心装置。同时封装微型阳极,制备阴极基底,与实验装置一起组成了局域电沉积增材制造系统平台。通过初步实验,确定了50μm的极间隙和2.8V-3.2V的电压幅值选择,作为后续实验的初始参数。2.研究了局域电沉积增材制造的影响因素,确定了合理的实验条件。其中电压幅值和浓硫酸的加入会直接影响沉积速率,进而影响沉积结构的形貌质量。选用150g/L Cu SO4·5H2O、0.6mol/L浓硫酸的组分及3.0V电压幅值进行后续实验。聚乙二醇(PEG)的阻化作用使形貌质量明显提升且沉积速率仅略有下降,若施加脉冲电压会进一步减少缺陷,但沉积速率大幅减少。综合考虑形貌质量和速率,在上述条件下加入200mg/L PEG作为后续实验的基础实验条件。3.研究了局域电沉积增材制造三维结构的成型机理,实现了三维零件的增材制造。首先确定了反馈移动的打印模式,在此基础上先进行了无悬伸结构的沉积,根据电场分布情况,采用80μm水平移动间隔,并针对打印缺陷完善了打印方法。而由于电场分布所限,90°悬伸难以快速成型,一定角度内小于90°的悬伸则可以成功制造,并进行了铜-镍双金属沉积实验,为大于90°悬伸结构的制造提供可能。在此基础上制造了复杂三维零件。4.研究了局域电沉积增材制造三维微结构的具体应用,包括柔性电极、微电极阵列及疏水结构表面。其中由于ITO导电玻璃与沉积结构结合力较弱,因此采用该基底配合PDMS,成功制备了简单的柔性电极。在微电极阵列的制备中,确定了190μm的最小间隔,分别利用单电极和双电极微型阳极制备了微电极阵列。最后基于同样的微铜柱阵列制备了疏水结构表面,经修饰后其疏水性有了进一步的提升。
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