本发明专利技术公开了一种二维材料增强的自润滑镍模仁的超声电铸加工方法。具体工艺方法为:硫化镍珠作为阳极材料，硅片作为阴极沉积基底，二维材料作为增强相，十二烷基硫酸钠作为表面活性剂；首先将水般二维材料与表面活性剂搅拌混合，随后将其与电铸液搅拌混合，最后进行电铸工艺。在电铸期间，电铸液进行机械和超声复合搅拌，镍离子和二维材料通过氧化还原和吸附的方式共沉积到阴极表面，最后将沉积层从基底上剥离下来得到二维材料复合镍模仁。该发明专利技术使用成本低廉，工艺简单的电铸加工方法可以得到永久自润滑的镍基复合模仁，对于解决聚合物微纳米结构微注塑成型过程中聚合物与模仁表面接触摩擦粘连导致聚合物变形、微结构损坏等问题具有重要的意义。等问题具有重要的意义。等问题具有重要的意义。
【技术实现步骤摘要】
一种二维材料增强的自润滑镍模仁的超声电铸加工方法
[0001]本专利技术涉及电铸加工模仁
，具体涉及二维材料增强的自润滑镍模仁的超声电铸加工方法。
技术介绍
[0002]随着微电子微工程技术的快速发展，许多元件越来越趋于微小型，特别是一些微流体和光学领域的塑料器件。通常这些塑料器件具有微米甚至纳米结构，在某些特殊的应用条件下这些微纳米结构要求高深宽比特征，这些塑料器件一般通过微注塑成型的方式加工得到。当进行高深宽比微结构的微注塑时，一方面塑料件对模仁的表面微结构特征的复制能力显著降低，进而导致成型的塑料件尺寸误差显著增大，另一方面由于塑料件表面与模仁微结构之间存在机械摩擦、化学粘连、物理吸附等结合力的原因，导致聚合物微纳结构产生变形甚至损坏。脱模后聚合物黏粘在模仁微结构表面、侧壁，严重影响微纳结构的再次充填。长期黏粘的聚合物使得模仁表面被污染，经过周期性的微注塑工艺，聚合物与模仁表面的黏粘将会引起模仁表面特征的磨损，影响模仁的尺寸精度及光洁度。因此，降低微注塑工艺中模仁与聚合物之间的摩擦磨损是保证聚合物微纳米结构高精度成型的重要手段，开发一种自润滑的模仁是一个重要的策略。目前，一些研究者使用物理镀膜、化学镀膜技术在模仁表面溅射、蒸镀一层自润滑涂层(石墨烯、聚四氟乙烯、立方氮化硼、氮化钨等)来降低模仁表面摩擦系数来解决上述讨论的问题，但是这种技术存在一些棘手的技术问题，比如涂层与模仁表面的结合力问题、涂层寿命短，溅射均匀性引起模仁精度保真性问题，陡直侧壁的镀膜不均匀，更重要的是这种技术的成本极其高昂，对高端设备的依赖性较大，不具有普适性，以上问题导致涂层技术不能被广泛使用。在这种情形下，纳米材料复合电沉积技术是一种很有潜力的技术用来解决聚合物微纳结构损坏，模仁摩擦磨损、寿命不足等问题。
[0003]二维材料，由于其二维特殊的层状结构和材料特性，一直备受研究者关注。二维材料拥有杰出的热导率、高的机械强度、自润滑特性，将二维材料与精密电铸技术结合开发自润滑模仁将是一个很好的策略。二维材料，如氧化石墨烯、石墨烯、二硫化钼、二硫化钨、立方氮化硼，被认为是一种有前景的纳米材料，有望大规模用于金属基复合电沉积功能性涂层。因此，通过将二维材料与金属离子共沉积的方法均匀性弥散到模仁中将会把高性能模仁的开发推向新的高度。
[0004]目前，在纳米材料电沉积技术中，纳米材料在复合镀层中的均匀性分散主要是以机械搅拌为主，纳米材料复合电解液仅仅是在电沉积前超声分散处理，纳米复合电沉积过程中没有使用超声辅助分散，可能的原因是长时间的超声电沉积将会产生很高的热量，使得电镀液温度远超出理想电沉积要求的温度，将会对镀层性能造成很大的影响，如果将超声产生的热能控制在合理的区间将会对纳米颗粒在镀层中的均匀性分散起到很大作用。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供二维材料增强的自润滑镍模仁的超
声电铸加工方法，二维材料在电铸模仁中能够均匀分布，电铸模仁表面微观组织结构致密结实，晶粒细小，硬度大，摩擦系数低，表面能显著降低，具有良好的润滑效果。
[0006]实现本专利技术的技术解决方案为：二维材料增强的自润滑镍模仁的超声电铸加工方法，具体步骤包括为：
[0007](a)首先将水般二维材料与表面活性剂机械搅拌混合制得混合液；
[0008](b)将混合液混合到配置好的电铸液中得到复合电铸液，并进行机械与超声混合搅拌处理；
[0009](c)进行电铸工艺，在此工艺过程中对复合电铸液进行机械和超声复合搅拌，电铸液中金属镍离子和二维材料通过氧化还原和吸附的方式共沉积到阴极表面；
[0010](d)将电铸层从阴极上剥离下来得到二维材料复合镍模仁。
[0011]更进一步地，步骤(a)中所述的水般二维材料与表面活性剂混合搅拌方法为：将1.2g/L十二烷基硫酸钠表面活性剂混合到去离子水中搅拌5min充分浸润；然后水般二维材料被逐滴滴入到表面活性剂中，此滴定过程在超声清洗池中进行并持续超声处理30min，防止水般二维材料团聚；所述二维材料的添加量为0.1～0.4g/L；超声处理完毕后，对二维材料/表面活性剂混合液进行20h的磁力搅拌，使得二维材料表面被充分改性处理获得同种电荷，在同性电荷库伦排斥力的作用下，团聚的水般二维材料颗粒被分散。
[0012]更进一步地，步骤(b)中，混合液中经过表面活性剂处理的水般二维材料与电铸液混合搅拌方式为机械(360r/min)与超声搅拌(50W)，搅拌时长为30min。
[0013]更进一步地，步骤(c)中所述的在金属镍离子和二维材料复合电铸期间，对二维材料复合电铸液进行机械(360r/min)与超声复合搅拌(50W)。
[0014]更进一步地，所述步骤(c)电铸工艺将在电铸装置(6)中进行。电铸装置(6)基本组成单元为：电铸槽(10)、电铸槽盖(9)、阳极(18)、阴极(11)和直流电源(1)；所述阳极(18)与阴极(11)放置在电铸槽(10)内，所述阳极(18)与直流电源(1)的正极输出端相连，所述阴极(11)与直流电源(1)的负极相连，所述阳极(18)为装有硫化镍珠的钛篮夹具，钛篮夹具的外围包裹着尼纶材质的阳极袋；所述阴极(11)为装夹有以硅片(15)为基底的夹具；所述阴极(11)夹具与阳极(18)夹具平行放置且被固定到电铸槽盖(9)相对应的限位卡槽内，所述阴极(11)与阳极(18)靠近电铸盖(9)上末端留有引线孔(19)。
[0015]所述电铸装置的辅助单元包括温控装置、电铸液机械搅拌装置；所述温控装置由热电偶(8)和温度控制仪(35)组成；所述热电偶(8)耦合有温度检测传感器并通过嵌入式固定在电铸槽盖(9)上，热电偶(8)一端延伸至电铸液内，另一端与温控仪(35)的其中一个输出端子互连；所述机械搅拌装置由电机控制器(3)、机械旋转电机(5)、搅拌叶片(12)、叶片中心轴(7)、支撑架(4)组成，所述机械旋转电机(5)被固连到支撑架(4)的一端，叶片中心轴(7)一端连接到机械旋转电机(5)的输出端，叶片中心轴(7)的另一端连接搅拌叶片(12)；搅拌叶片(12)被浸入到电铸液内，在电机控制器(3)和旋转电机(5)的驱动下，搅拌叶片(12)对电铸液进行机械搅拌，电铸槽盖(9)上端中心位置开有孔使得叶片中心轴(7)能够自由的旋转。
[0016]更进一步地，所述阴极(11)夹具由PEEK材质的后板(17)、PEEK材质的前板(13)、黄铜材质的导电环(14)、黄铜材质的弹簧接触顶针(25)、顶针限位孔(24)、螺纹孔(26)、塑料螺丝(16)、内O型密封圈(23)、外O型密封圈(21)、内O型密封槽(22)、外O型密封槽(20)组成；
所述PEEK材质的后板(17)与PEEK材质的前板(13)通过塑料螺丝(16)与螺纹孔(26)配合紧固连接；所述外O型密封圈(21)放置在外O型密封槽(20)内，通过PEEK材质的后板(17)与PEEK材质的前板(13)紧固作用下实现密封，防止电铸液进入影响电连接；所述黄铜材质的弹簧本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种二维材料增强的自润滑镍模仁的超声电铸加工方法，其特征在于，工艺步骤为：(a)首先将水般二维材料与表面活性剂机械搅拌混合制得混合液；(b)将混合液混合到配置好的电铸液中得到复合电铸液，并进行机械与超声混合搅拌处理；(c)进行电铸工艺，在此工艺过程中对复合电铸液进行机械和超声复合搅拌，电铸液中金属镍离子和二维材料通过氧化还原和吸附的方式共沉积到阴极基底表面；(d)将电铸层从阴极基底上剥离下来得到二维材料复合镍模仁。2.根据权利要求1所述的二维材料增强的自润滑镍模仁的超声电铸加工方法，其特征在于，步骤(a)中所述的水般二维材料与表面活性剂混合搅拌方法为：将1.2g/L十二烷基硫酸钠表面活性剂混合到去离子水中搅拌5min充分浸润；然后水般二维材料被逐滴滴入到表面活性剂中，此逐滴滴入的滴定过程在超声清洗池中进行并持续超声处理30min，防止水般二维材料团聚；所述二维材料的添加量为0.1～0.4g/L；超声处理完毕后，对二维材料/表面活性剂混合液进行20h的磁力搅拌，使得二维材料表面被充分改性处理获得同种电荷，在同性电荷库伦排斥力的作用下，团聚的水般二维材料颗粒被分散。3.根据权利要求1所述的二维材料增强的自润滑镍模仁的超声电铸加工方法，其特征在于，步骤(b)中，混合液中经过表面活性剂处理的水般二维材料与电铸液混合搅拌方式为机械(360r/min)与超声搅拌(50W)，搅拌时长为30min。4.根据权利要求1所述的二维材料增强的自润滑镍模仁的超声电铸加工方法，其特征在于，步骤(c)中所述的在金属镍离子和二维材料复合电铸期间，对二维材料复合电铸液进行机械(360r/min)与超声复合搅拌(50W)。5.根据权利要求1或4所述的二维材料增强的自润滑镍模仁的超声电铸加工方法，其特征在于，所述步骤(c)电铸工艺将在电铸装置(6)中进行。电铸装置(6)基本组成单元为：电铸槽(10)、电铸槽盖(9)、阳极(18)、阴极(11)和直流电源(1)；所述阳极(18)与阴极(11)放置在电铸槽(10)内，所述阳极(18)与直流电源(1)的正极输出端相连，所述阴极(11)与直流电源(1)的负极相连，所述阳极(18)为装有硫化镍珠的钛篮夹具，钛篮夹具的外围包裹着尼纶材质的阳极袋；所述阴极(11)为装夹有以硅片(15)为基底的夹具；所述阳极夹具与阴极夹具平行放置且被固定到电铸槽盖(9)相对应的限位卡槽内，所述阳极(18)与阴极(11)靠近电铸盖(9)上末端留有引线孔(19)。6.所述电铸装置的辅助单元包括温控装置、电铸液机械搅拌装置；所述温控装置由热电偶(8)和温度控制仪(35)组成；所述热电偶(8)耦合有温度检测传感器并通过嵌入式固定在电铸槽盖(9)上，热电偶(8)一端延伸至电铸液内，另一端与温控仪(35)的其中一个输出端子互连；所述机械搅拌装置由电机控制器(3)、机械旋转电机(5)、搅拌叶片(12)、叶片中心轴(7)、支撑架(4)组成，所述机械旋转电机(5)被固连到支撑架(4)的一端，叶片中心轴(7)一端连接到机械旋转电机(5)的输出端，叶片中心轴(7)的另一端连接搅拌叶片(12)；搅拌叶片(12)被浸入到电铸液内，在电机控制器(3)和旋转电机(5)的驱动下，搅拌叶片(12)对电铸液进行机械搅拌，电铸槽盖(9)上端中心位置开有孔使得叶片中心轴(7)能够自由的旋转。7.根据权利要求5所述的二维材料增强的自润滑镍模仁的超声电铸加工方法，其特征在于，所述阴极夹具由PEEK材质的后板(17)、PEEK材质的前板(13)、黄铜...
【专利技术属性】
技术研发人员：张宏刚，刘海滨，赵永娟，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：
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