变截面多线螺旋电极微细电解展成加工技术研究

摘要

在内壁具有粗糙肋的、连续或者非连续微结构的管件，传热效率有显著地提高，降低能耗，有效地提高电子器件的散热性能，延长其使用寿命，管内微结构对提高热管总体传热性能有重要影响，相比于连续微结构，非连续微结构更有利于冷凝液表面张力发挥作用和液体的沸腾，促进冷凝膜内部的对流换热、沸腾泡核的成倍增长和气泡的大量发生和蒸发。非连续微结构内壁是在管件内表面上拥有非连续的微米级沟槽，沿着内壁形成大面积的规则图案。但目前在小管径的管内壁加工出非连续微结构是该项技术的关键所在，电解加工技术作为一种高效、低成本的加工方式，以离子去除的方式进行阳极溶解，因此在微纳加工领域有巨大的应用前景。
　　本文结合管内壁非连续微结构的加工工艺要求，制定了紫外光固化技术、微细电解加工技术相结合的工艺方法，围绕着管内壁非连续微结构沟槽的电解深度和电解宽度两个指标进行微细电解展成加工工艺的探索。
　　结合管内壁非连续微结构加工的工艺特点，设计了基于LabVIEW图形化控制系统对管内壁进行微细电解展成加工的试验平台。该试验台包括本体结构设计、控制系统设计和电解液循环系统设计三大部分，并采用高频脉冲电流实现管内壁微结构的微细电解展成加工。选用变截面多线螺旋电极的制作方法，并对电极锥度的大小、加工电压、NaNO3电解液浓度与电场分布的联系进行仿真分析，设计掩膜层图案，改进制作工艺，采用紫外光固化技术对含有锥度的阴极进行多头螺旋线掩膜。
　　采用电解电源提供稳定的脉冲电流，通过对人机界面进行精确控制加工。研究发现加工电压、NaNO3浓度、占空比、脉冲频率四种因素对电解深度和电解宽度有显著性影响。随着加工电压和NaNO3浓度的不断增大，电解深度先增大后减小，电解宽度不断增大。随着占空比和脉冲频率的不断增加，电解深度呈现不断增加的趋势，前者的电解宽度先增加后趋于平缓，后者的电解宽度则不断减小。
　　通过对光滑内壁、连续微结构内壁、非连续微结构内壁三类管进行恒壁温条件下水平管内流体强制对流传热试验，结果表明具有非连续微结构管内壁的铜管传热效果最好。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 微细电解加工的研究现状

1．2．1 微细电解线切割加工技术

1．2．2 脉冲电流微细电解加工技术

1．2．3 微细电液流电解加工技术

1．2．4 微细掩膜电解加工技术

1．3 管内壁微结构加工技术的研究现状

1．4 本课题的研究概述

1．4．1 研究的目的和意义

1．4．2 课题来源

1．4．3 课题的研究内容及目标

第二章 管内壁微细电解加工理论基础

2．1 电解加工的理论基础

2．1．1 电解加工基本原理

2．1．2 法拉第定律

2．1．3 阳极极化

2．2 影响电解加工的参数特性

2．2．1 加工电压

2．2．2 电解液

2．2．3 脉冲电流

2．3 本章小结

第三章 管内壁展成加工试验平台设计

3．1 管内壁微细电解展成加工试验平台

3．1．1 管内壁微细电解展成加工试验平台的整体设计

3．2 展成加工方案设计

3．2．1 电解液流动方式设计

3．2．2 加工方法设计

3．2．3 导电杆的设计

3．2．4 制备多线螺旋电极的方法选择

3．3 基于变截面多线螺旋电极的电解电场研究

3．3．1 变截面多线螺旋电极加工区域电场模型的建立

3．3．2 加工间隙内电场分布的数学模型

3．3．3 加工间隙内一次电流密度的仿真模拟

3．4 变截面多线螺旋电极的制备

3．4．1 变截面多线螺旋电极的掩膜设计

3．4．2 制作流程

3．5 本章小结

第四章 管内壁非连续微结构加工工艺研究

4．1 加工电压对电解深度和电解宽度的影响

4．1．1 加工电压对电解深度的影响

4．1．2 加工电压对电解宽度的影响

4．2 NANO3浓度对电解深度和侧蚀量的影响

4．2．1 NaNO3浓度对电解深度的影响

4．2．2 NaNO3浓度对电解宽度的影响

4．3 占空比对电解深度和电解宽度的影响

4．3．1 占空比对电解深度的影响

4．3．2 占空比对电解宽度的影响

4．4 脉冲频率对电解深度和电解深度的影响

4．4．1 脉冲频率对电解深度的影响

4．4．2 脉冲频率对电解宽度的影响

4．5 管内壁非连续微结构正交试验

4．5．1 试验参数的选定

4．5．2 试验结果的分析

4．5．3 验证试验及结果

4．6 本章小结

第五章 传热试验分析

5．1 测试管的制备

5．2 水平管传热测试

5．3 传热试验测试系统的设计

5．3．1 水平管测试装置

5．3．2 数据采集系统

5．3．3 恒温水循环系统

5．4 数据采集过程及结果分析

5．4．1 数据采集过程

5．4．2 结果分析

5．5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表论文和申请专利

声明

致谢