双极性电泳法的微细中空电极侧壁绝缘层制备装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种双极性电泳法的微细中空电极侧壁绝缘层制备装置及方法，方法包括：S1、供气系统中的高压氮气密封装置在自力式调节阀的控制下向中空电极中通入氮气，以使中空电极内部通畅；S2、计算机向电机驱动器发出控制电机旋转的驱动指令，以使旋转的电机带动中空电极旋转，在双极性电源提供的电场作用下，电解液中的带电胶粒在中空电极表壁沉积成膜；S3、计算机根据预设规则向双极性电源发送极性转换的指令，双极性电源控制所述辅助电极和中空电极的极性转换。上述方法在增加均匀性和致密性的同时，提升了绝缘层的耐久性。

Device and Method for Preparing Side Wall Insulation Layer of Micro Hollow Electrode by Bipolar Electrophoresis

【技术实现步骤摘要】
双极性电泳法的微细中空电极侧壁绝缘层制备装置及方法
本公开涉及电化学加工
，具体涉及一种双极性电泳法的微细中空电极侧壁绝缘层制备装置及方法。
技术介绍
随着科技的高速发展，越来越多的高端精密设备的零部件趋于小/微型化，其中直径100～200μm的微结构部件对于航天航空、生物医疗和精密仪器的综合性能具有重要影响,如航天发动机的气膜冷却孔、高端柴油机微喷孔、微流控芯片模具上的微结构等。电解加工是以离子形式进行蚀除金属材料，这种方式具有微细加工能力，加工过程中工具电极和工件不接触，加工过程中阴阳极之间无机械应力存在，具有工具阴极无损耗，加工材料范围应用广泛、不受材料硬度和韧性的影响，加工成型表面质量好、无残余应力等优点，因此在作用机理上可以达到微/纳米尺度加工。微细电解加工(MicroECM)通过采用钝性电解液、低加工电压、窄脉宽、小加工间隙(数μm至数十μm)等技术手段，提高加工定域性，在微小结构和微细孔加工方向具有潜在优势。在高深宽比的微细孔和微三维结构的电化学加工中，随着孔的深度增加，微细孔锥度、微结构内壁陡度逐渐变大，工件形状和尺寸精度进一步降低。为了提高微细电解加工孔的一致性，采用侧壁绝缘工艺可以有效限制微小间隙内的电场分布，使加工用电场约束在阴极工具端面，随着加工深度的增大，加工间隙内的蚀除只在电极端面进行，侧壁不进行加工，形成的孔径大大减小，入口尺寸和出口尺寸基本一致，从而提高加工定域性。但微细中空电极的尺寸通常在100～200μm，因此对微细电极的侧壁绝缘提出了更高的要求，如绝缘层尽可能薄，厚度在20μm内；绝缘层均匀一致，与电机侧壁有较强的结合、耐化学腐蚀性强；具有较高的电气绝缘性能等。为了抑制电极侧壁面对已加工表面的杂散腐蚀，在电极侧壁面制备绝缘层是一种有效手段。在微细尺度下，侧壁绝缘层须具备绝缘性能良好、壁厚小且均匀和长时间使用可靠等性质。常用的侧壁绝缘方法有气相沉积法、涂层法、氧化膜法和套管法等硅电极侧壁绝缘。飞利浦制造技术中心采用气相沉积法在钼电极上制备出总厚度为13.4μm的SiC-Si3N4-SiC绝缘层的，工具电极的尺寸约为4mm；清华大学采用化学气相沉积法对钨电极(直径约200μm)进行了侧壁绝缘处理，绝缘材料为单层SiC，材料蚀除范围控制在15-20μm左右。首尔国立大学采用滴涂法，采用经过氧杂环戊烷溶解的聚苯乙烯有机溶液涂覆在电极表面，制作绝壁绝缘层，其厚度约为3μm；印度贾达普大学提出了一种在线制作电极侧壁绝缘层的浸泡涂覆法，绝缘层材料为异丙醇稀释的高分子化合物和树脂；清华大学采用旋转甩胶工艺制备了微细电极侧壁绝缘层，利用离心力控制绝缘层的厚度，其精度可达到微米级，绝缘层厚度为5～10μm。Kai和Hiroki等分别在草酸溶液中对金属铝采用阳极氧化技术制备了厚100和500nm的AL2O3阳极薄膜；南京航空航天大学采用毛细套管在钨丝电极表面嵌套，在1mm钢片上开展实验，但毛细管的厚度通常在几十微米至上百微米，尺寸精度上无法满足微细加工。气相沉积法和涂层法均可以将绝缘材料SiC、SiO2、有机脂类等以分子形式成型于电极表面，形成相对致密绝缘膜。其中，化学气相沉积主要应用于硅基材料，由于电极金属与绝缘膜材料之间的膨胀系数差距较大，耐久性难以保证。涂层法制备的膜层与电极结合强度较低，在微小间隙内高温侵蚀下耐久性受限。氧化膜法制备的绝缘层应用于微细电解加工时，高压和多流场耦合作用于阴阳极接触表面时，溶液中的H+离子溶液其溶解破坏。毛细管的尺寸无法满足200μm孔径下的加工。电泳法制备的膜层结合强度较低，致密性不足，无法用于加工。综上所述，虽然侧壁绝缘工艺多种多样，但绝缘层的厚度、耐久性、尺寸精度难以达到精密实验要求。因此，如何进一步提高侧壁绝缘层的耐久性的同时，保证绝缘层的均匀性和致密性，是微细电解加工过程中仍需解决的一个关键技术问题。因此需要提出一种双极性电泳法的微细中空电极侧壁绝缘层制备工艺。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本申请实施例中提供了一种双极性电泳法的微细中空电极侧壁绝缘层制备装置及方法，该方法在增加均匀性和致密性的同时，提升了绝缘层的耐久性。第一方面，本申请提供了一种双极性电泳法的微细中空电极侧壁绝缘层制备装置，包括：电源及驱动装置A、旋转装置B、供气系统C和电解装置D；其中，电源及驱动装置A包括：双极性电源1、计算机2、电机驱动器3；所述计算机2控制所述双极性电源1的输出参数，所述计算机2向所述电机驱动器3发出用于驱动电机4旋转的驱动指令；旋转装置B包括：电机4和中空电极5；所述电机4在所述电机驱动器3的控制下带动所述中空电极5旋转；供气系统C包括：自力式调节阀6和高压氮气密封装置7；所述自力式调节阀6调节高压氮气密封装置7中氮气管路中的氮气量，所述高压氮气密封装置7的氮气管路与所述中空电极5的气体腔连通，为旋转的中空电极5提供气体；电解装置D包括：盛放有电解液的电解槽8和辅助电极10；所述辅助电极10和所述中空电极5均与所述双极性电源1电连接，并根据所述双极性电源1的输出参数进行调整；所述辅助电极10和所述中空电极5均悬置在所述电解槽8的电解液中。可选地，所述所述电解液9为去离子水、丙烯酸环氧树脂、N,N-二甲基苄胺体积比为5:1:0.02，中空电极5完全浸没在电解液中。可选地，所述中空电极5与电机4同轴固定，中空电极5和旋转装置B的同轴度误差小于2.5μm；高压氮气密封装置7和自力式调节阀6密封连接；所述自力式调节阀6与中空电极5密封连接。第二方面，本专利技术提供一种基于上述任一所述的微细中空电极侧壁绝缘层制备装置的制备方法，包括：S1、供气系统C中的高压氮气密封装置7在自力式调节阀6的控制下向中空电极5中通入氮气，以使中空电极5内部通畅；S2、计算机2向电机驱动器3发出控制电机4旋转的驱动指令，以使旋转的电机带动中空电极5旋转，在双极性电源1提供的电场作用下，电解液中的带电胶粒在中空电极5表壁沉积成膜；S3、计算机根据预设规则向双极性电源1发送极性转换的指令，双极性电源控制所述辅助电极10和中空电极5的极性转换。可选地，所述步骤S3包括：双极性电源1有两个状态:TP_on和TN_on两个状态,TP_on为正电泳镀膜阶段，此时电解液中胶粒在中空电极5表面附着成膜；TN_on为逆电泳疏松区剥离阶段，中空电极5上绝缘层的非致密点和损伤点在电场、氧气、旋转的离心力作用下从绝缘层上剥离，留下致密的侧壁绝缘层，再进入下一个TP_on阶段进行镀膜，循环往复；TP_on阶段时间是TN_on阶段时间的三倍。可选地，所述步骤S3包括：[t0,t1]时刻:此时为TP_on阶段正电泳镀膜过程，此时辅助电极10与中空电极5的极间电压为正，在电场的作用下，电解液中的OH—向处于阳极的辅助电极10移动，在阳极失去电子产生O2；电解液中的H+向处于阴极的中空电极5方向移动，在阴极得到电子产生H2，带电的丙烯酸环氧树脂胶粒移动方向与H+移动方向一致，在中空电极5的表面上沉积成膜；由于中空电极5表面处H2的逸出，所沉积膜层的松散区域会被气体撕裂，形成非致密点和损伤点；[t1,t2]时刻:此时为TN_on阶段逆电泳疏松区剥离过程，此时辅助电极10与中空电极5的极间电压为负本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双极性电泳法的微细中空电极侧壁绝缘层制备装置，其特征在于，包括：电源及驱动装置(A)、旋转装置(B)、供气系统(C)和电解装置(D)；其中，电源及驱动装置(A)包括：双极性电源(1)、计算机(2)、电机驱动器(3)；所述计算机(2)控制所述双极性电源(1)的输出参数，所述计算机(2)向所述电机驱动器(3)发出用于驱动电机(4)旋转的驱动指令；旋转装置(B)包括：电机(4)和中空电极(5)；所述电机(4)在所述电机驱动器(3)的控制下带动所述中空电极(5)旋转；供气系统(C)包括：自力式调节阀(6)和高压氮气密封装置(7)；所述自力式调节阀(6)调节高压氮气密封装置(7)中氮气管路中的氮气量，所述高压氮气密封装置(7)的氮气管路与所述中空电极(5)的气体腔连通，为旋转的中空电极(5)提供气体；电解装置(D)包括：盛放有电解液的电解槽(8)和辅助电极(10)；所述辅助电极(10)和所述中空电极(5)均与所述双极性电源(1)电连接，并根据所述双极性电源(1)的输出参数进行调整；所述辅助电极(10)和所述中空电极(5)均悬置在所述电解槽(8)的电解液中。

【技术特征摘要】
1.一种双极性电泳法的微细中空电极侧壁绝缘层制备装置，其特征在于，包括：电源及驱动装置(A)、旋转装置(B)、供气系统(C)和电解装置(D)；其中，电源及驱动装置(A)包括：双极性电源(1)、计算机(2)、电机驱动器(3)；所述计算机(2)控制所述双极性电源(1)的输出参数，所述计算机(2)向所述电机驱动器(3)发出用于驱动电机(4)旋转的驱动指令；旋转装置(B)包括：电机(4)和中空电极(5)；所述电机(4)在所述电机驱动器(3)的控制下带动所述中空电极(5)旋转；供气系统(C)包括：自力式调节阀(6)和高压氮气密封装置(7)；所述自力式调节阀(6)调节高压氮气密封装置(7)中氮气管路中的氮气量，所述高压氮气密封装置(7)的氮气管路与所述中空电极(5)的气体腔连通，为旋转的中空电极(5)提供气体；电解装置(D)包括：盛放有电解液的电解槽(8)和辅助电极(10)；所述辅助电极(10)和所述中空电极(5)均与所述双极性电源(1)电连接，并根据所述双极性电源(1)的输出参数进行调整；所述辅助电极(10)和所述中空电极(5)均悬置在所述电解槽(8)的电解液中。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电解液(9)为去离子水、丙烯酸环氧树脂、N,N-二甲基苄胺体积比为5:1:0.02，中空电极(5)完全浸没在电解液中。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中空电极(5)与电机(4)同轴固定，中空电极(5)和旋转装置(B)的同轴度误差小于2.5μm；高压氮气密封装置(7)和自力式调节阀(6)密封连接；所述自力式调节阀(6)与中空电极(5)密封连接。4.一种基于上述权利要求1至3任一所述的微细中空电极侧壁绝缘层制备装置的制备方法，其特征在于，包括：S1、供气系统(C)中的高压氮气密封装置(7)在自力式调节阀(6)的控制下向中空电极(5)中通入氮气，以使中空电极(5)内部通畅；S2、计算机(2)向电机驱动器(3)发出控制电机(4)旋转的驱动指令，以使旋转的电机带动中空电极(5)旋转，在双极性电源(1)提供的电场作用下，电解液中的带电胶粒在中空电极(5)表壁沉积成膜；S3、计算机根据预设规则向双极性电源(1)发送极性转换的指令，双...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔全存，牛献礼，温杰超，田元波，刘桂礼，祝福莉，范宝，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11