基于微区电化学沉积的三维合金微纳结构打印装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了基于微区电化学沉积的三维合金微纳结构打印装置及方法，属于电化学领域，其中装置包括用于填充镀液的中空微管，镀液中含有至少一种适于电镀的第一类型金属离子；用于承载可导电的试样的电控位移台，且电控位移台还用于带动试样按照预设的轨迹运动；用于通过导线将中空微管中的镀液以及试样连接成电回路的电压源；用于在电控位移台按照预设的轨迹相对中空微管运动时，控制电压源并使试样上的偏压值处于使至少一种第一类型金属的离子均能够进行沉积的电压范围内的控制器。本发明专利技术通过电源控制器对电压源的控制，使至少一种第一类型金属离子在电镀电压作用下，进行沉积以实现对三维合金微纳结构的打印操作。

【技术实现步骤摘要】
基于微区电化学沉积的三维合金微纳结构打印装置及方法
本专利技术涉及电化学领域，特别涉及基于微区电化学沉积的三维合金微纳结构打印装置及方法。
技术介绍
金属基材的三维打印技术是当前研究的热点。当前主流的已经商业化的金属三维打印技术主要有五种：激光选区烧结、纳米颗粒喷射金属成型、激光选区熔化、激光近净成型和电子束选区熔化技术。这些技术相对来说都属于宏观的金属三维制造技术，其打印精度一般在几十微米甚至百微米量级，无法实现更小尺寸的金属微纳结构打印。而电化学沉积是指在外电场作用下电流通过电解质溶液中正负离子的迁移并在电极上发生得失电子的氧化还原反应而形成镀层的技术。近年来基于中空微管的三维微区电化学沉积技术受到产业界和学术界的广泛关注，可实现各类单质金属三维微纳结构的精准打印，如铜、铂等复杂三维微纳结构的打印。例如公开号为CN111088518A的中国专利技术专利申请，其公开了一种三维微区电化学沉积的闭环控制系统，其能够用于制造具有三维微纳结构的金属单质。但是，合金组分的三维微纳结构的打印仍未实现。其难点在于，不同金属的电化学沉积工艺参数完全不同，简单地将几种不同的金属盐溶液混合并进行三维打印会导致部分金属无法沉积，最终无法制作材质均匀的合金微纳三维结构。并且对于难以进行电镀的金属，则该装置难以进行制造，使用局限性较大。
技术实现思路
针对现有技术存在三维合金微纳结构难以制造的问题，本专利技术的目的在于提供基于微区电化学沉积的三维合金微纳结构打印装置及方法。为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：基于微区电化学沉积的三维合金微纳结构打印装置，包括，中空微管，所述中空微管用于填充镀液，所述镀液中含有至少一种第一类型金属的离子，所述第一类型金属适于电镀；电控位移台，所述电控位移台用于承载可导电的试样，且所述电控位移台还用于带动所述试样按照预设的轨迹运动；电压源，所述电压源用于通过导线将所述中空微管中的镀液以及所述试样连接成电回路；控制器，所述控制器与所述电压源以及所述电控位移台电连接，且所述控制器用于在控制所述电控位移台按照预设的轨迹相对所述中空微管运动时，控制所述电压源并使所述试样上的偏压值处于使所述至少一种第一类型金属的离子均能够进行沉积的电压范围内。进一步的，还包括手动调节台，所述手动调节台与所述电控位移台固定安装。本专利技术还提供一种三维合金微纳结构的制备方法，所述方法基于上述的打印装置，所述三维合金微纳结构在组分上包含至少一种第一类型金属，所述第一类型金属适于电镀，所述方法包括，将包含有至少一种所述第一类型金属的离子的镀液填充到中空微管内；试样靠近中空微管的尖端，直至所述试样的表面与所述镀液接触；通过控制器控制所述电压源，使所述试样上的偏压值处于使所述至少一种第一类型金属的离子均能够进行沉积的电压范围内；通过控制器控制所述电控位移台带动所述试样按照预设的轨迹相对所述中空微管运动，从而在所述试样的表面得到基材；通过沉积工艺在所述基材的表面沉积增层，得到中间体；对所述中间体进行高温热处理，使所述增层部分的或者全部的与所述基材融合，从而得到三维合金微纳结构；其中，所述增层为金属或者非金属。特别的，当所述三维合金微纳结构包含至少两种所述第一类型金属时，在步骤将包含有所述至少两种第一类型金属的离子的镀液填充到中空微管内之前，还包括镀液的配置步骤，根据所述三维合金微纳结构中包含的所述至少两种第一类型金属的种类以及能斯特方程确定电镀电压，所述电镀电压即为所述试样上的偏压值；根据所述三维合金微纳结构中包含的所述至少两种第一类型金属的组分比例关系，预制包含有所述至少两种第一类型金属的离子的镀液；调制所述镀液中各第一类型金属离子的浓度，使所述镀液中的各第一类型金属的离子在所述电镀电压下的沉积速度的比例关系与所述三维合金微纳结构中各第一类型金属的组分比例关系相同。优选的，所述增层包含有至少两层结构，所述至少两层结构通过进行多次所述沉积工艺获得。优选的，所述至少两层结构的材质不同，所述每层结构分别通过与其适配的沉积工艺获得。采用上述技术方案，由于中空微管的设置，使得镀液能够以细微的方式从中流出，从而实现细小的微纳结构；由于电控位移台的设置，使得通过移动试样使镀液中的金属离子在其上沉积出需要的三维造型；由于控制器的设置，使得通过调节电压源实现对试样上偏压值的调节，保证镀液中需要进行沉积的多种金属离子均能够实现有效沉积，从而保证三维合金微纳结构的制造。附图说明图1为本专利技术第一实施例未使用时的示意图；图2为本专利技术第一实施例使用示意图；图3为本专利技术第二实施例的方法流程图；图4为本专利技术第二实施例的方法中增层全部的与基材合金化的示意图；图5为本专利技术第二实施例的方法中增层部分的与基材合金化的示意图；图6为本专利技术第二实施例中镀液的配置方法流程图。图中:1-中空微管、2-镀液、3-电控位移台、4-试样、5-电压源、6-控制器、7-手动调节台、8-电流表、10-基材、20-增层、30-合金层。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本专利技术，但并不构成对本专利技术的限定。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。需要说明的是，在本专利技术的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示对本专利技术结构的说明，仅是为了便于描述本专利技术的简便，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。对于本技术方案中的“第一”和“第二”，仅为对相同或相似结构，或者起相似功能的对应结构的称谓区分，不是对这些结构重要性的排列，也没有排序、或比较大小、或其他含义。另外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个结构内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据本专利技术的总体思路，联系本方案上下文具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。本专利技术提供第一方面的实施例，提供基于微区电化学沉积的三维合金微纳结构打印装置，如图1及图2所示，其具体包括有，中空微管1，中空微管1用于填充镀液2，其中镀液2中含有至少一种第一类型金属的离子，该至少一种第一类型金属均适于电镀；其中，中空微管1可以是各类具有中空结构的管状物，如基于MEMS制造工艺加工而成的微管及微管阵列；或者中空微管1可以是各类毛细管及集束阵列，例如为玻璃毛细管时，其可以采用熔融拉伸工艺获得各种尖端直径的中空微管1。本实施例中，该中空微管1尖端直径从几十纳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于微区电化学沉积的三维合金微纳结构打印装置，其特征在于：包括，/n中空微管，所述中空微管用于填充镀液，所述镀液中含有至少一种第一类型金属的离子，所述第一类型金属适于电镀；/n电控位移台，所述电控位移台用于承载可导电的试样，且所述电控位移台还用于带动所述试样按照预设的轨迹运动；/n电压源，所述电压源用于通过导线将所述中空微管中的镀液以及所述试样连接成电回路；/n控制器，所述控制器与所述电压源以及所述电控位移台电连接，且所述控制器用于在控制所述电控位移台按照预设的轨迹相对所述中空微管运动时，控制所述电压源并使所述试样上的偏压值处于使所述至少一种第一类型金属的离子均能够进行沉积的电压范围内。/n

【技术特征摘要】
1.基于微区电化学沉积的三维合金微纳结构打印装置，其特征在于：包括，
中空微管，所述中空微管用于填充镀液，所述镀液中含有至少一种第一类型金属的离子，所述第一类型金属适于电镀；
电控位移台，所述电控位移台用于承载可导电的试样，且所述电控位移台还用于带动所述试样按照预设的轨迹运动；
电压源，所述电压源用于通过导线将所述中空微管中的镀液以及所述试样连接成电回路；
控制器，所述控制器与所述电压源以及所述电控位移台电连接，且所述控制器用于在控制所述电控位移台按照预设的轨迹相对所述中空微管运动时，控制所述电压源并使所述试样上的偏压值处于使所述至少一种第一类型金属的离子均能够进行沉积的电压范围内。


2.根据权利要求1所述的基于微区电化学沉积的三维合金微纳结构打印装置，其特征在于：还包括手动调节台，所述手动调节台与所述电控位移台固定安装。


3.一种三维合金微纳结构的制备方法，其特征在于：所述方法基于权利要求1-2任一项所述的打印装置，所述三维合金微纳结构在组分上包含至少一种第一类型金属，所述第一类型金属适于电镀，所述方法包括，
将包含有至少一种所述第一类型金属的离子的镀液填充到中空微管内；
试样靠近中空微管的尖端，直至所述试样的表面与所述镀液接触；
通过控制器控制所述电压源，使所述试样上的偏压值处于使所述至少一种第一类型金属的离子均能够进行沉积的电压范围内；
通过控制器控制所述电控位...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶鑫，张杰，孙雨晴，
申请(专利权)人：橙河微系统科技上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31