【摘要】：射流電沉積技術(shù)是一種以高速射流為載體,在陰極基底上進(jìn)行選擇性電沉積的無掩膜加工技術(shù),因沉積速度快、選擇性(定域性)好、自由度高等優(yōu)點(diǎn),在三維微增材制造領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。三維(3D)金屬微結(jié)構(gòu)與零件的高效增材制造,需求旺盛,是金屬增材制造領(lǐng)域的關(guān)注熱點(diǎn)與前沿研究。雖然射流電沉積在等眾多高新技術(shù)領(lǐng)域中承載著微細(xì)、納米級(jí)尺度三維零部件制造方面具有潛在的優(yōu)勢,但因高品質(zhì)射流制備這一核心難題尚未獲得實(shí)質(zhì)性突破,所以,至今幾乎仍無法用于金屬3D微結(jié)構(gòu)與零件的工程化增材制造。雖承載厚望,但心余力絀。因此,開拓出先進(jìn)的適用金屬3D微增材制造技術(shù)實(shí)乃當(dāng)務(wù)之急。本課題組研究發(fā)現(xiàn),基于獨(dú)特的工作機(jī)制、能突破常規(guī)射流制備技術(shù)能力極限的流動(dòng)聚焦技術(shù),可以為制備高品質(zhì)射流(長射程、高射速,小射束、均勻化流場、強(qiáng)定域性)提供很好的借鑒及經(jīng)驗(yàn)。鑒于此,本課題組把流動(dòng)聚焦技術(shù)融合集成到射流電沉積技術(shù)中,用流動(dòng)聚焦技術(shù)形成的高品質(zhì)微細(xì)射流(外層為高速電絕緣流體、內(nèi)核為電解液)代替常規(guī)的開放式射流(單一電解液),形成了一種新的射流電沉積技術(shù)—聚焦射流三維電沉積技術(shù)。本文在國家自然科學(xué)基金(No.51475149)、河南省高校科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃(15IRTSTHN013)和河南理工大學(xué)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(No.T2014-1)的資助下進(jìn)行的,主要研究內(nèi)容包括:(1)研究探討了聚焦發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)和聚焦射流條件參數(shù)與聚焦射流流場特性的關(guān)系,分析了聚焦發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)和聚焦射流條件參數(shù)對(duì)聚焦射流自由射流區(qū)流場分布特性的影響。結(jié)果表明:相比常規(guī)射流,聚焦射流可以獲得射程更長、射速更快,束徑更小、流場更均勻、定域性更高的微細(xì)射流;隨著聚焦孔半徑r的增加,聚焦發(fā)生裝置的聚焦效果越來越好,但聚焦射流穩(wěn)定性越來越差;隨著噴嘴距離聚焦孔高度h的增大,聚焦發(fā)生裝置的聚焦效果越來越好,但聚焦射流的穩(wěn)定性先增加后降低;隨著聚焦孔長度L的增加,聚焦發(fā)生裝置的聚焦效果越來越差,但聚焦射流的穩(wěn)定性先增加后減小。因此,當(dāng)聚焦孔半徑r=1.2R、噴嘴到聚焦孔的距離h=2R、聚焦孔長度L=R時(shí),聚焦發(fā)生裝置的聚焦效果最好,此時(shí)聚焦射流直徑為905.4μm,相對(duì)于常規(guī)射流直徑減小了357.6μm。(2)研究探討了聚焦射流條件參數(shù)與聚焦射流電沉積近滯留區(qū)流場特性的關(guān)系,分析了聚焦射流條件參數(shù)對(duì)聚焦射流電沉積近滯留區(qū)流場分布特性的影響。結(jié)果表明:與射流電沉積相比,聚焦射流電沉積的近滯留區(qū)更小。而且,聚焦射流電沉積壁面射流區(qū)流膜的厚度更小,這可能有利于減小射流外圍的雜散電流;當(dāng)電解液流速v一定時(shí),隨著氣體壓強(qiáng)差ΔP的增大,聚焦射流電沉積的射流直徑和滯留區(qū)域減小,而且壁面射流區(qū)的流膜厚度越來越小。(3)電沉積模式下(流場-電場耦合),研究探討了聚焦射流條件參數(shù)與聚焦射流電沉積電場分布特征的關(guān)系,分析了聚焦射流形成參數(shù)對(duì)聚焦射流電沉積陰極上的電場分布特征的影響。結(jié)果表明:與射流電沉積相比,聚焦射流電沉積的電場作用區(qū)域較小,且在作用范圍內(nèi)電場分布的均勻性更高;此外,噴嘴中心的電流密度有所提高,噴頭外圍雜散電流減小;當(dāng)電解液流速v一定時(shí),隨著氣體壓強(qiáng)差ΔP的增加,聚焦射流電沉積電場的作用區(qū)逐漸減小,且在作用范圍內(nèi)電場分布的均勻性有所提高,而且,隨著氣體壓強(qiáng)差ΔP的增加,噴嘴中心的電流密度越來越大,噴嘴外圍的雜散電流越來越小;當(dāng)氣體壓強(qiáng)差ΔP一定時(shí),隨著電解液流速v的增大,聚焦射流電沉積電場的作用區(qū)逐漸增大,且在作用范圍內(nèi)電場分布的均勻性有所下降,而且,隨著電解液流速的增大,噴嘴中心的電流密度和外圍的雜散電流都越來越大;(4)基于研制的聚焦射流電沉積實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),在優(yōu)化射流的前提下,以電沉積制備高定域性沉積層為目標(biāo),進(jìn)行聚焦射流三維電沉積工藝實(shí)驗(yàn)研究。研究了聚焦射流條件參數(shù)對(duì)沉積層選擇性(限域性)的影響,結(jié)果表明:當(dāng)氣體壓強(qiáng)差ΔP=7500Pa,電解液流速v=7.5m/s時(shí),沉積層的定域性(一致性)最好,實(shí)驗(yàn)與仿真具有較好的一致性;與射流電沉積相比,聚焦射流電沉積制備的沉積層的高度更大,直徑更小,而且沉積層的直徑與噴嘴大小的一致性較好(即聚焦射流電沉積沉積層的選擇性(定域性)較好);當(dāng)電解液流速一定時(shí),隨著氣體壓強(qiáng)差ΔP的增大,聚焦射流電沉積的沉積層高度越來越大,沉積層直徑越來越小。此外,隨著壓強(qiáng)差ΔP的增大,沉積層的錐度越來越大,沉積層的直徑與噴嘴的一致性越來越好,即沉積層的定域性來越好;當(dāng)氣體壓強(qiáng)差ΔP一定時(shí),隨著電解液流速v的增加,聚焦射流電沉積的沉積層高度和直徑都越來越大。此外,隨著電解液流速v的增大,沉積層的錐度越來越大,即沉積層的定域性來越好。
【學(xué)位授予單位】：河南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG174.41
【圖文】：

rough-mask Electroplating)是一種在精金材料進(jìn)而獲得所需幾何形狀特征的圖 1-1 電沉積原理圖1 Schematic diagram of the electrodepositio

沉積圖 1-2 基于 LIGA 技術(shù)在圓鎳軸上制造的高深徑比微結(jié)構(gòu)(高約 300 μm)(a)低放大倍數(shù)微結(jié)構(gòu) (b)高放大倍數(shù)微結(jié)構(gòu)igh aspect ratio microstructures fabricated on round nickel shaft based (a) Low magnification of high aspect ratio microstructures(b) High magnification of high aspect ratio microstructures

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前7條

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本文編號(hào)：2713262