磁場(chǎng)作用下微細(xì)電鑄技術(shù)試驗(yàn)研究.pdf

1、微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System,MEMS)作為當(dāng)今科技研究的熱點(diǎn)之一,不僅蘊(yùn)含著巨大的經(jīng)濟(jì)效益,而且體現(xiàn)出了在國(guó)家戰(zhàn)略高科技中的重要地位,已逐漸成長(zhǎng)為一個(gè)龐大的領(lǐng)域。作為MEMS微器件和微結(jié)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)手段之一的微細(xì)電鑄技術(shù),以其工藝柔性好、復(fù)制精度高、可加工高深寬比3D微結(jié)構(gòu)而受到了業(yè)界普遍歡迎。然而,受制于液相傳質(zhì)困難,微細(xì)電鑄件往往會(huì)出現(xiàn)針孔、結(jié)瘤、氫脆等缺陷,造成微細(xì)電鑄在應(yīng)用和發(fā)展上受

2、到一定影響,徹底解決微細(xì)電鑄過(guò)程中的傳質(zhì)受限問(wèn)題已成為國(guó)內(nèi)外眾多研究者關(guān)注的焦點(diǎn)之一。
　　在微細(xì)電鑄過(guò)程中疊加外磁場(chǎng)以解決傳質(zhì)受限問(wèn)題是一個(gè)創(chuàng)新性思路。本課題組曾運(yùn)用數(shù)值仿真對(duì)磁場(chǎng)下微空間內(nèi)電沉積時(shí)的流體狀態(tài)進(jìn)行了模擬分析,結(jié)果顯示,疊加垂直磁場(chǎng)后,原本幾近停滯的電解液產(chǎn)生了明顯運(yùn)動(dòng),較好實(shí)現(xiàn)了與本體溶液的物質(zhì)交換。本文首次開(kāi)展了磁場(chǎng)作用下的微細(xì)電鑄試驗(yàn)研究,研究了磁場(chǎng)對(duì)微細(xì)電鑄過(guò)程的作用效果,并對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

3、>　　本文在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目[50805077]和中國(guó)博士后科學(xué)基金特別資助項(xiàng)目[200801373]的資助下,依托我?！熬苤圃旒夹g(shù)與工程河南省高校重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室”的軟硬件資源,對(duì)磁場(chǎng)作用下的微細(xì)電鑄技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。
　　概述了微細(xì)電鑄技術(shù)及其研究現(xiàn)狀,并對(duì)磁電化學(xué)沉積技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。著重對(duì)磁電沉積的作用機(jī)理進(jìn)行了深入分析總結(jié),認(rèn)為磁流體力學(xué)效應(yīng)(MHD)對(duì)增強(qiáng)液相傳質(zhì)起到了重要作用,梯度磁力效應(yīng)在一定程度上改

4、善了傳質(zhì)狀況,而磁化力效應(yīng)對(duì)金屬電結(jié)晶取向過(guò)程有明顯影響。
　　研制了磁場(chǎng)作用下的微細(xì)電鑄試驗(yàn)裝置,裝置設(shè)計(jì)包括有磁場(chǎng)發(fā)生單元設(shè)計(jì)、電沉積單元設(shè)計(jì)及電解液循環(huán)單元設(shè)計(jì)。其中,磁場(chǎng)發(fā)生單元是裝置設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn),本文采用永磁磁源作為磁場(chǎng)發(fā)生單元的場(chǎng)源,利用鏡像法設(shè)計(jì)優(yōu)化了永磁體形狀和尺寸參數(shù),設(shè)計(jì)中重點(diǎn)對(duì)聚磁體的結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。最終研制完成的磁微細(xì)電鑄裝置,工作氣隙在30mm距離時(shí)中心區(qū)磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)0.867T,并且裝置可通過(guò)

5、螺栓調(diào)節(jié)獲得不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)。
　　首次開(kāi)展了磁場(chǎng)作用下的宏觀電鑄試驗(yàn)研究,磁場(chǎng)與電場(chǎng)垂直疊加,磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.82T。為全面評(píng)價(jià)磁場(chǎng)對(duì)宏觀電鑄質(zhì)量的影響,采用了添加潤(rùn)濕劑和無(wú)潤(rùn)濕劑的兩種電鑄基液。采用無(wú)潤(rùn)濕劑電解的試驗(yàn)中,對(duì)比試驗(yàn)研究了磁場(chǎng)對(duì)電鑄鑄層的影響,結(jié)果表明,磁場(chǎng)效應(yīng)減薄了擴(kuò)散層,增強(qiáng)了液相傳質(zhì),提高了極限電流密度,并有效排除了氫氣泡,改善了鑄層形貌質(zhì)量,細(xì)化了晶粒,提高了鑄層致密度和硬度。采用添加潤(rùn)濕劑電解液的試驗(yàn)中,電

6、解液快速循環(huán),在疊加磁場(chǎng)和無(wú)磁場(chǎng)作用下進(jìn)行了電鑄試驗(yàn),結(jié)果顯示,在磁場(chǎng)作用下制備的鑄層晶粒明顯更加細(xì)小、均勻,且在磁場(chǎng)作用下3 A/dm2的電流密度時(shí)可能發(fā)現(xiàn)了非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的鑄層。
　　概述了微細(xì)電鑄的工藝基礎(chǔ),在宏觀電鑄試驗(yàn)和微空間內(nèi)流體模擬分析的基礎(chǔ)上首次開(kāi)展了磁場(chǎng)作用下的微細(xì)電鑄試驗(yàn)研究。采用無(wú)潤(rùn)濕劑的電解液,電解液快速循環(huán),在外加磁場(chǎng)疊加和無(wú)磁場(chǎng)作用下對(duì)比試驗(yàn)研究了筋寬為700μm、高度為1750μm、深寬比為2.5的微細(xì)電