一种微电解放电加工工作液及微电解放电加工方法

摘要

本发明公开一种微电解放电加工工作液，其中包括有纳米颗粒；所述纳米颗粒的粒径为5-100nm；所述纳米颗粒占工作液总质量10-30％。一种微电解放电加工方法将设置掩膜的工件置于所述微电解放电加工工作液中，将工件与工具电极与电源连接，电源外加电场100-1000V。本发明的有益效果是：使得电火花加工间隙增大，从而加大了电火花加工的尺寸范围，可在大间隙情况下进行放电加工；提高加工精度，降低损耗。

说明书

【技术领域】

本发明涉及电加工技术领域，具体是一种纳米颗粒电场作用下自组装集聚、流变效应下的微电解放电加工工作液及微电解放电加工方法。

【背景技术】

随着微电子技术、纳米技术、微纳加工技术、激光技术、微化学技术、新材料新工艺等技术的进步，微机械系统(MEMS)技术得到不断提升和发展。微流控芯片在生物、化学和医学等领域具有极大潜力。聚合物材料由于具有成本低、性能良好、选择范围广等优点，通过模具易于实现微流控芯片的快速、低成本、大批量生产，正日益成为制作微流控芯片的主要材料(见：刘莹.基于微流控芯片的微结构制品注塑成型工艺技术研究.大连：大连理工大学，2012)。

聚合物微流控芯片一般采用热压成型法、模塑法、注塑成型法、激光烧蚀法等加工方法成型(见：常宏玲.注塑成型PMMA微流控芯片热压键合研究[D].大连：大连理工大学，2012)。前三种方法利用模具制造微流控芯片，成本低、周期短、自动化程度高，是目前最常用的微流控芯片成型方法。所以，研究一种高效制备优质的金属表面大面积微结构模具的方法和工艺是关键。

微流控芯片微通道的特征尺寸一般为：高50～100μm、宽30～200μm，表面质量和尺寸精度要求严格，在金属模具上表现为凸起的结构，用传统机械加工很难满足加工要求(见：宋满仓，于超，张建磊等.聚合物微流控芯片模具制造关键技术研究进展[J].模具工业，2012，(02)：1-6)。聚合物微流控芯片模具的制造技术主要有：LIGA技术、UV-LIGA技术、微铣削技术、激光微加工、化学蚀刻、电火花加工技术等技术。其中与本发明最相似的方法是：化学蚀刻技术和电火花加工技术。

光刻技术(Lithography)采用X射线或紫外线为曝光源，经过曝光显影等工序，将掩膜板上设计好的图案转移至附着在基底材料的光刻胶上，形成凹凸的图案(见：陈大鹏，叶甜春.现代光刻技术[J].核技术，2004，27(2)：81-86)。首先在基底上涂覆一层抗蚀光刻胶，固化后用曝光技术通过掩膜板在透射区将抗蚀层曝光，曝光的光刻胶发生变质，再通过显影液清洗后，去除变质的光刻胶(正性胶)或未变质的光刻胶(负性胶)，露出基底材料，形成与掩膜板上相同的图案。

电解电火花复合加工技术(ECDM)，选择合适电导率的工作液，该溶液具有出一定的介电性能，可以产生电火花放电，同时还具有一定的导电性能产生电化学作用(见：尹青峰，王宝瑞，张勇斌等.弱电解质溶液EDM/ECM复合加工机理研究[J].机械设计与制造，2014，(5)：85-88)。工具电极接负极，工具接正极，接通电源后首先产生阳极电解作用，产生金属离子在电场作用下向工具电极运动。在合适电压下，当工具电极与工件的间隙进给到火花放电的临界值时，产生电火花放电，放电产生瞬间高温将工件材料去除，实现工件材料的加工。工具电极也会伴有一定程度的瞬间高温蚀除，而吸附在工具电极附近的金属离子得到电子还原反应，沉积在工具电极表面会补偿电极损耗。

化学蚀刻技术(见：ZhangC，RentschR，BrinksmeieE.Advancesinmicroultrasonicassistedlappingofmicrostructuresinhard-brittlematerials：abriefreviewandoutlook[J].nternationalJournalofMachineTools&Manufacture，2005，(45)：881-890)是利用被加工材料在特定腐蚀溶液或气体中发生化学反应而溶解或腐蚀的原理去除加工区的材料，由于工件表面利用光刻技术制作了一定图案的防蚀层，蚀刻形成具有相似图案的凹凸结构或镂空效果。化学蚀刻包括干法蚀刻和湿法蚀刻两种，微米级尺寸结构一般较多采用湿法蚀刻技术。湿法化学蚀刻的缺点是：腐蚀液对机床及相关零部件抗腐蚀能力要求比较高，加工过程常常因产生化学雾气和有毒性气体而不利于环保，化学蚀刻原理上的侧腐蚀现象会导致加工尺寸不易精确控制、微通道侧壁垂直性不好和截面形状难以控制。

电火花加工技术是利用电极和工件之间高压脉冲产生火花放电时的电蚀作用去除材料的加工方法，加工微流控芯片模具可以采用微细电火花铣削法和电火花仿形加工法。电火花仿形加工法需要预先制作微流控芯片母模作为工具电极，通过纵向进给加工出所需深度的微流控芯片模具。电火花加工技术加工表面微结构的方法有微细电火花铣削法和电火花仿形加工法，与本发明相近的是电火花仿形加工法，其缺点是：由于工具电极损耗严重，会影响成形精度和使用寿命，并且加工存在热影响区，使工件表面产生变质层，微细结构易产生热变形。

上述现有技术均存在通孔部位加工不足、加工深度不均匀的问题，由于采用中间开通孔的圆柱状电极作为工具阴极，加工中电极不作平动，通孔位置对应的工件表面某一区域电场微弱，这一区域因加工量极少而产生的微结构深度很浅，表现出加工深度不均匀。并且该方法只能加工小面积范围内的微结构，对于更大面积微结构的加工不适用。因为如果只是增加电极底面积，又会带来加工电流过大或流场分布不均匀的问题。

目前电解电火花复合加工技术在掩膜工件加工微结构方面未见报道。采用微小电极进行电解电火花加工，对于大面积微通道凸起结构的加工效率很低。仿形电火花加工技术也可以大面积加工，但需要预先制作互补的模具并且电极损耗严重，而该方法只需要制作工件掩膜，具有成本低、周期短和工具损耗率低的优势。湿法化学蚀刻，也使用了光刻掩膜的手段，但是蚀刻的微结构侧壁垂直性很差，不能满足微通道的垂直性要求。

另外，现有电解放电加工还存在电极与工件的击穿临界电压比较高，电能损耗比较大；能够加工间隙小，限制了电火花加工的尺寸范围，只能在较小的加工间隙下进行，对于加工过程的观测，短路的检测与机床精度的要求均较高。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种降低电极与工件之间击穿临界电压，加大电火花加工尺寸范围且可以加工出纳米级形貌的微电解放电加工工作液。

本发明的第二目的是提供一直降低电极与工件之间击穿临界电压，加大电火花加工尺寸范围且可以加工出纳米级形貌的纳米颗粒电场作用下自组装集聚、流变效应下的微电解放电加工方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种微电解放电加工工作液，其中包括有纳米颗粒。

上述工作液的运动粘度提高至30-50mm²/S。

所述纳米颗粒的粒径为5-100nm。

所述纳米颗粒占工作液总质量的10-30％。

优选的，所述纳米颗粒占工作液总质量20％。

所述纳米颗粒可以是金属纳米粉，包括80nm的铟粉，50nm的铁粉，50nm的铝粉，40nm的钼粉，20nm的银粉和10nm的钯粉等。

所述纳米颗粒可以是非金属纳米粉，包括35nm的硅粉，35nm的石墨粉和40nm的碳粉等。

本发明在现有微电解放电加工工作液中添加上述比例的纳米颗粒，在外加电场作用下，将可以使工作液区间产生流变效应，工作液的粘度与剪切度增大；使溶液的剪切屈服应力提高至100Pa，运动粘度提高至30-50mm²/S(普通的电火花工作液为1-3mm²/S)。

一种微电解放电加工方法，将覆盖掩膜的工件置于所述微电解放电加工工作液中，将工件与工具电极与电源连接，电源外加电场100-1000V。

在外加电场时，所述微电解放电加工工作液的剪切屈服应力提高至100Pa，运动粘度提高至30-50mm²/S。

工作温度20-27℃，电解液进液压力5-10Mpa，处理效果最佳。

本方法是对传统电火花加工的一次突破性创新可大幅度提高加工间隙，利于加工过程中短路的检测，对于特殊特征(如超大深径比的微孔)，传统电火花加工由于电极尺寸与损耗问题，难以甚至无法加工。此外，电火花工作液的流动虽然有利于加工产物的排出与加工间隙内工作液的更新，但在纳米级的加工中，流场的不稳定会造成加工表面的区域性差别，最终影响加工的表面精度。本方法可使工作液在外加电场时硬化(运动粘度与剪切屈服应力提高到普通工作液的10-30倍)，使加工时间隙内的流场较为稳定，而去除电场之后运动粘度与剪切屈服应力又可恢复至水溶液的水平，低于普通的工作液，更有利于间隙内的工作液更新与加工产物的排出。

总的来说，现有技术相比，本发明的有益效果是：使得电火花加工间隙增大，从而加大了电火花加工的尺寸范围，可在大间隙情况下进行放电加工；提高加工精度，降低损耗。

【具体实施方式】

以下结合具体实施例对本发明进行详细的说明。

一种微电解放电加工工作液，其中包括水和纳米颗粒，其中所述纳米颗粒的粒径为100nm以内，优选的，所述纳米颗粒的粒径为10-80nm。更有选的，所述纳米颗粒的粒径为30-50nm。其中，所述纳米颗粒占工作液总质量15-25％。最优选的，所述纳米颗粒占工作液总质量20％。其中，所述纳米颗粒可以是金属纳米粉，包括80nm的铟粉，50nm的铁粉，50nm的铝粉，40nm的钼粉，20nm的银粉以及10nm的钯粉。所述纳米颗粒可以是非金属纳米粉，包括35nm的硅粉，35nm的石墨粉以及40nm的碳粉。本发明在现有微电解放电加工工作液中添加上述比例的纳米颗粒，在外加电场作用下，将可以使工作液区间产生流变效应，工作液的粘度与剪切度增大；使溶液的剪切屈服应力提高至100Pa，运动粘度提高至30-50mm²/S(普通的电火花工作液为1-3mm²/S)。

实施例1

一种微电解放电加工工作液，由50nm的铁粉、50nm的铝粉、40nm的钼粉、20nm的银粉和10nm的钯粉各1重量份，与25重量份的去离子水放入容器中充分混合制成。

实施例2

一种微电解放电加工工作液，由35nm的硅粉、35nm的石墨粉、40nm碳粉各1重量份，与12重量份的去离子水放入容器中充分混合制成。

实施例3

一种微电解放电加工工作液，50nm的铁粉、50nm的铝粉、40nm的钼粉、20nm的银粉、10nm的硅粉、35nm的石墨粉、40nm碳粉各1重量份，与30重量份的去离子水放入容器中充分混合制成。

一种微电解放电加工方法，将设置掩膜的工件置于所述微电解放电加工工作液中，将工件与工具电极与电源连接，电源外加电场100-1000V。

在外加电场时，所述微电解放电加工工作液的剪切屈服应力提高至100Pa，运动粘度提高至30-50mm²/S。优选的，所述工作温度25℃，电解液进液压力7Mpa，处理效果最佳。

在掩膜空间内，工作液中的纳米颗粒在电场作用下自组装聚集，纳米颗粒在上述浓度下因外加电场而使工作液区间产生流变效应，工作液的粘度与剪切度增大；导电的纳米颗粒因集聚与流变效应使得纳米颗粒团等效为大块导体；从而使工具电极与工件的击穿临界电压降低；并且由于电极间始终沿最短路径进行放电，因此存在纳米颗粒对工件进行放电加工，从而可进行纳米级的材料去除，加工纳米级的形貌。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例，应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明构思在现有技术基础上通过逻辑分析、推理或者根据有限的实验可以得到的技术方案，均应该在由本权利要求书所确定的保护范围之中。