專(zhuān)利名稱(chēng)：微細(xì)電解加工碳納米管工具電極制備方法及多功能工作槽的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電化學(xué)加工領(lǐng)域，涉及微細(xì)電解加工碳納米管工具電極制備方法及多功能工作槽。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代許多高新技術(shù)產(chǎn)品中都包含著高精密的亞微米或者納米尺寸的結(jié)構(gòu)，這些精密結(jié)構(gòu)往往有著至關(guān)重要的作用。微細(xì)電解加工是微細(xì)制造領(lǐng)域中一種重要的加工方法。微細(xì)電解加工，是指在微細(xì)加工范圍內(nèi)，利用金屬在電解液中發(fā)生電化學(xué)陽(yáng)極溶解的原理對(duì)材料進(jìn)行刻蝕成形的加工方法。從加工機(jī)理上看，工件陽(yáng)極上的金屬原子在加工中不斷地失去電子成為離子而從工件上溶解，其材料的減少過(guò)程以離子的形式進(jìn)行，這種離子去除的方式使電解加工具有微細(xì)加工的能力。因此，控制加工條件，選取合適的加工參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)以離子數(shù)量級(jí)對(duì)材料進(jìn)行加工，滿足微細(xì)制造技術(shù)的需求。由于電解加工過(guò)程中工具電極和工件不接觸，并具有加工材料范圍廣，不受材料強(qiáng)度、硬度、韌性的影響，工件表面無(wú)加工應(yīng)力、無(wú)變形及熱影響區(qū)、無(wú)工具電極損耗，加工表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。微細(xì)電解加工已經(jīng)成功應(yīng)用于醫(yī)療、電子、航天等領(lǐng)域。但是存在雜散腐蝕、電場(chǎng)和流場(chǎng)的多變性，加工定域性等因素使得電解加工的精度受到一定的限制。其中工具電極的形狀和尺寸對(duì)微細(xì)電解加工的精度和加工質(zhì)量有很大影響。高精度的微細(xì)電解加工需要高精度的工具電極。減小工具電極尺寸，改善工具電極形狀，能夠提高微細(xì)電解加工的精度。目前微細(xì)電解加工用到的微小工具電極主要是通過(guò)電化學(xué)刻蝕、電化學(xué)沉積、微細(xì)電火花線電極磨削、激光切割、離子刻蝕等方法獲得。通過(guò)電化學(xué)方法，電極尺度一般控制在微米或者亞微米范圍，納米尺度不易獲得且納米尺度的部分長(zhǎng)度較短。離子刻蝕是特種加工方法中最精密、最微細(xì)的方法之一，而且加工表面質(zhì)量好，一般加工誤差可以控制在幾個(gè)納米。美國(guó)弗吉尼亞州大學(xué)A. L. Trimmer等運(yùn)用聚焦粒子束銑削技術(shù)加工工具電極，在原有100微米直徑的鎢絲上銑削出圓形建筑和2x2陣列柱狀電極，圓形建筑的縫寬在幾十納米內(nèi)，每個(gè)電極的制備都用了 1-3個(gè)小時(shí)。但是這種加工方法需要有一套復(fù)雜的離子束產(chǎn)生設(shè)備，價(jià)格昂貴，還存在生產(chǎn)率低等缺陷。碳納米管細(xì)長(zhǎng)，直徑一般在幾納米到幾十納米，長(zhǎng)度一般在微米級(jí)，縱橫比高；彈性模量非常高；石墨的片層結(jié)構(gòu)相同，具有良好的導(dǎo)電性。若將碳納米管作為工具電極用于電解加工，加工尺度將達(dá)到納米級(jí)別。目前為止，科學(xué)家們已經(jīng)對(duì)碳納米管性能和應(yīng)用進(jìn)行了廣泛深入的研究，并將碳納米管粘接在普通掃描探針形成碳納米管掃描探針。常用的方法有導(dǎo)電膠粘接法、化學(xué)氣相沉積法、掃描拾取法、電壓制備法等。其中電壓制備法較易實(shí)現(xiàn)，首先將碳納米管和鍍金屬膜的硅探針?lè)謩e與兩個(gè)三維移動(dòng)臺(tái)相連，碳納米管一側(cè)接外加電源的正極，負(fù)極與普通探針相連。當(dāng)探針和碳納米管之間很接近，約1-10微米的距離時(shí)，在兩者之間施加電壓，在光學(xué)顯微鏡下可以看到碳納米管被截?cái)?，同時(shí)伴有電弧產(chǎn)生，被截?cái)嗟奶技{米管部分被粘到普通硅探針上。
用于電解加工的電極，不僅要求具有良好的導(dǎo)電性，而且還要具有在液體環(huán)境中的穩(wěn)定性。上述研究一般都是將碳納米管粘結(jié)于硅針尖或者是鍍了層金屬的硅針尖上，常用于氣體環(huán)境中，用于掃描探針顯微鏡上，碳納米管和針尖之間的結(jié)合力約為1. 2-3. 6 μ N。若將其應(yīng)用于電解液環(huán)境中，碳納米管是疏水性材料，在進(jìn)入液體環(huán)境過(guò)程中極易折彎，或者由于粘結(jié)強(qiáng)度不夠而丟失?？茖W(xué)家們通過(guò)往碳納米管探針上沉積、鍍膜等辦法以增強(qiáng)碳納米管與探針的連接強(qiáng)度，為碳納米管探針在溶液環(huán)境中進(jìn)行工作提供可行性。美國(guó)哈弗大學(xué)King等，在試驗(yàn)中使用的碳納米管探針是通過(guò)CVD法制備的，并且在SEM下沉積碳化物，以增強(qiáng)其粘接強(qiáng)度。美國(guó)加拿大納米技術(shù)中心Stevens等，在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)往碳納米管探針上真空蒸鍍乙二胺膜，降低碳納米管的疏水性，增強(qiáng)碳納米管探針的粘接強(qiáng)度，從而使其能夠在液體中穩(wěn)定成像，成功利用鍍膜的碳納米管探針在液體中對(duì)DNA分子進(jìn)行了成像。但是無(wú)論是沉積法，還是鍍膜法都需要昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和苛刻的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，針對(duì)上述問(wèn)題。提出一種方法簡(jiǎn)單、制備質(zhì)量更好的微細(xì)電解加工碳納米管工具電極制備方法及其多功能工作槽及其多功能工作槽。一種微細(xì)電解加工碳納米管工具電極制備方法，其特征在于包括以下過(guò)程步驟1、在工具電極制備槽中，運(yùn)用電化學(xué)刻蝕方法對(duì)原始工具電極鎢 棒進(jìn)行加工，制備多節(jié)針尖狀鎢電極；步驟2、在碳納米管焊接池內(nèi)，在顯微鏡視場(chǎng)下，用電壓法將碳納米管焊接于鎢電極針尖上；步驟3、在薄膜微細(xì)電鑄池中，采用薄膜微細(xì)電鑄的方法將鎢電極與碳納米管連接的部位電鑄一層金屬鎳；上述工具電極的移動(dòng)通過(guò)精密移動(dòng)軸Z軸帶動(dòng)；上述工具電極制備槽、碳納米管焊接池、薄膜微細(xì)電鑄池的移動(dòng)通過(guò)于XY精密位移臺(tái)實(shí)現(xiàn)。上述步驟I具體過(guò)程可以如下上述工具電極制備池內(nèi)具有帶工作孔的第一不銹鋼板；電解液浸沒(méi)第一不銹鋼板；工作時(shí)不銹鋼板與電源負(fù)極相連，工具電極與電源正極相連；將原始工具電極鎢棒穿過(guò)第一不銹鋼板上的工作孔浸入電解液面下一定深度，開(kāi)始進(jìn)行電化學(xué)刻蝕；經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的電化學(xué)刻蝕后將電極向上提起一段距離，繼續(xù)進(jìn)行電化學(xué)刻蝕，一段時(shí)間后再向上提起一段距離，繼續(xù)進(jìn)行電化學(xué)刻蝕，直至刻蝕出所需直徑。上述步驟2具體過(guò)程可以如下上述碳納米管焊接池中具有第二不銹鋼板，第二不銹鋼板上用導(dǎo)電膠粘結(jié)有陣列的多壁碳納米管；工作時(shí)多壁碳納米管通過(guò)第二不銹鋼板與電源正極相連，工具電極與電源負(fù)極相連；在顯微鏡放大視場(chǎng)下，找到突出在最前面的一根碳納米管，讓鎢電極靠近突出的碳納米管，當(dāng)碳納米管和鎢電極之間的距離為1-10微米時(shí)，在兩者之間施加8 30V交流或者直流電壓，直至碳納米管被電極端部吸引，再調(diào)節(jié)精密微動(dòng)臺(tái)，使碳納米管的軸線與工具電極軸線的方向一致，然后在兩者之間施加3(T60V交流或者直流電壓，碳納米管與工具電極之間發(fā)生電弧放電，獲得碳納米管工具電極。上述步驟3具體過(guò)程可以如下上述薄膜微細(xì)電鑄池中懸置一鎳環(huán)；將粘結(jié)好的碳納米管工具電極穿過(guò)鎳環(huán)，然后用吸管吸取電鑄液并注入鎳環(huán)，形成一層薄薄的電鑄液液膜；工作時(shí)碳納米管與電源陰極相連，鎳環(huán)與電源陽(yáng)極相連；控制電鑄時(shí)間，即可將鎢電極與碳納米管的粘結(jié)的部分電鑄一層金屬鎳；金屬鎳的厚度通過(guò)調(diào)節(jié)電鑄的電流密度和時(shí)間來(lái)控制，電流密度越大，時(shí)間越長(zhǎng)，鎳層的厚度越厚。用于所述的微細(xì)電解加工碳納米管工具電極制備方法的多功能工作槽，其特征在于該多功能工作槽由工具電極制備池、碳納米管焊接池和薄膜微細(xì)電鑄池組成；上述工具電極制備池內(nèi)具有U型底座，U型底座上固定著帶工作孔的第一不銹鋼板；上述碳納米管焊接池內(nèi)具有U型底座，U型底座上固定著第二不銹鋼板，第二不銹鋼板上用導(dǎo)電膠粘結(jié)有陣列的多壁碳納米管；上述薄膜微細(xì)電鑄池內(nèi)具有L型底座，L型底座上懸置一金屬圓環(huán)；
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1.該方法采用在線制備碳納米管工具電極，對(duì)于碳納米管工具電極的制備，無(wú)需經(jīng)過(guò)多次裝夾，減少裝夾誤差和裝夾過(guò)程中對(duì)碳納米管工具電極的損壞。一般工具電極制備、碳納米管工具電極的焊接，及對(duì)其進(jìn)行的后處理，一般都是在不同的儀器設(shè)備上進(jìn)行的。本發(fā)明采用的多功能工作槽，分為A、B和C三個(gè)工作槽，將工具電極制備、碳納米管焊接及微細(xì)電鑄加固集為一體，無(wú)需更換工作槽，并在同一個(gè)精密機(jī)床上制作。采用該方法，不僅減少了裝夾的誤差和次數(shù)，而且還提高了碳納米管工具電極制備的效率。2.采用液膜法對(duì)鎢電極與碳納米管連接的部位電鑄一層金屬鎳。碳納米管是疏水性材料，在進(jìn)入液體環(huán)境過(guò)程中極易折彎，或者由于粘結(jié)強(qiáng)度不夠而丟失。在已有的研究中，增加碳納米管與探針粘結(jié)強(qiáng)度的方法中，用到的是在SEM下沉積碳化物、真空蒸鍍乙二胺膜。這些方法都需要昂貴的設(shè)備及苛刻的環(huán)境，乙二胺還是有毒的試劑，在使用時(shí)要特別注意安全。若要米用一般電鑄的方法將碳納米管工具電極表面鑄上一層金屬，首先要解決的還是碳納米管電極如何進(jìn)入電鑄液的問(wèn)題，這又將問(wèn)題回歸到了原點(diǎn)。本發(fā)明采用的是液膜微細(xì)電鑄的方法，可以解決這一問(wèn)題，先將粘結(jié)好的碳納米管工具電極穿過(guò)鎳環(huán)，然后再將電鑄液用吸管注入鎳環(huán)，即可進(jìn)行電鑄試驗(yàn)，該方法簡(jiǎn)便可行。3.本發(fā)明采用液膜電鑄法對(duì)碳納米管工具電極進(jìn)行處理，增加了電極與碳納米管之間的粘結(jié)強(qiáng)度和電導(dǎo)率。通過(guò)電壓法將碳納米管與電極針尖焊接在一起，其焊接點(diǎn)接觸面積較小且結(jié)合力較弱約為1. 2-3. 6 μ N，通過(guò)在其焊接的地方電鑄上一層金屬，變相增加了碳納米管部分與工具電極部分的接觸面積，即增加了其電導(dǎo)率和粘結(jié)強(qiáng)度。


圖1是微細(xì)電解加工碳納米管工具電極制備系統(tǒng) 圖2是碳納米管工具電極微細(xì)電鑄示意 圖3是多功能工作槽 其標(biāo)號(hào)名稱(chēng)為1.工控機(jī)；2.數(shù)據(jù)采集卡；3.視頻采集卡；4.運(yùn)動(dòng)控制卡；5運(yùn)動(dòng)主軸Z軸；6.示波器；7.電源；8.多功能工作槽；9.運(yùn)動(dòng)主軸Y軸；10.運(yùn)動(dòng)主軸X軸；11.隔振平臺(tái)；
12.彈簧夾頭；13.工具電極；14. CXD ;15.金屬圓環(huán)；16.陣列碳納米管；17.電鑄液；18. L型底座；19.螺栓；20.導(dǎo)線；21.U型底座；22.導(dǎo)電膠；23.不銹鋼板；24.帶孔不銹鋼板；25.電解液。
具體實(shí)施例方式 將原始工具電極鎢棒13夾持于具有納米分 辨率的精密移動(dòng)軸Z軸5上；多功能工作槽8置于XY精密位移臺(tái)上；
在多功能工作槽A中，運(yùn)用電化學(xué)刻蝕制備多節(jié)針尖狀電極。將厚度為1.8-2mm的帶孔的不銹鋼板24固定在A池中U型底座21上，不銹鋼上孔直徑為4-5mm，并將不銹鋼板作為陰極與電源負(fù)極相連；采用2mol/L的氫氧化鉀作為電解液,原始鶴電極直徑為300 μ m,鎢電極接電源正極?？刂七\(yùn)動(dòng)主軸Z軸5將原始鎢電極浸入電解液面下一定深度，開(kāi)始進(jìn)行電化學(xué)刻蝕，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的電化學(xué)刻蝕后，向上提起一段距離，繼續(xù)進(jìn)行電化學(xué)刻蝕，一段時(shí)間后再向上提起一段距離，繼續(xù)進(jìn)行電化學(xué)刻蝕，直至刻蝕出所需直徑后停止加工。制備好電極后，移動(dòng)運(yùn)動(dòng)主軸X軸10將在多功能工作槽B移至電極的正下方。在B中，將陣列的多壁碳納米管16用導(dǎo)電膠22粘結(jié)于固定在底座21上的不銹鋼板23上，碳納米管通過(guò)不銹鋼板連接電源的正極，此時(shí)電極接電源負(fù)極。在顯微鏡14放大倍數(shù)為1000倍的視場(chǎng)下，找到突出在最前面的一根碳納米管，并移動(dòng)三維工作臺(tái)，讓鎢電極靠近突出的碳納米管。當(dāng)碳納米管和鎢電極之間的距離很近的時(shí)候，約1-10微米時(shí)，在兩者之間施加8^30V交流或者直流電壓，直至碳納米管被電極端部吸引，再調(diào)節(jié)精密微動(dòng)臺(tái)，使碳納米管的軸線與工具電極軸線的方向一致，然后在兩者之間施加3(T60V交流或者直流電壓，碳納米管與工具電極之間發(fā)生電弧放電，獲得碳納米管工具電極；
獲得碳納米管工具電極后，移動(dòng)運(yùn)動(dòng)主軸X軸10將在多功能工作槽C移至工具電極的正下方。金屬圓環(huán)15被固定在L型底座18上，圓環(huán)一段懸空,金屬圓環(huán)15直徑為4_5mm,是用直徑為200 μ m的鎳絲彎曲而成的。此時(shí)先將將粘結(jié)好的碳納米管工具電極穿過(guò)鎳環(huán)，然后用吸管吸取電鑄液并注入鎳環(huán)，形成一層薄薄的電鑄液液膜。碳納米管工具連接電源陰極，鎳環(huán)連接電源陽(yáng)極，控制電鑄 時(shí)間，即可將鎢電極與碳納米管的粘結(jié)的部分電鑄一層金屬鎳。金屬鎳的厚度可通過(guò)調(diào)節(jié)電鑄的電流密度和時(shí)間來(lái)控制。
權(quán)利要求
1.一種微細(xì)電解加工碳納米管工具電極制備方法，其特征在于包括以下過(guò)程 步驟1、在工具電極制備槽(A)中，運(yùn)用電化學(xué)刻蝕方法對(duì)原始工具電極鎢棒(13)進(jìn)行加工，制備多節(jié)針尖狀鎢電極； 步驟2、在碳納米管焊接池(B)內(nèi)，在顯微鏡(14)視場(chǎng)下，用電壓法將碳納米管焊接于鶴電極針尖上； 步驟3、在薄膜微細(xì)電鑄池(C)中，采用薄膜微細(xì)電鑄的方法將鎢電極與碳納米管連接的部位電鑄一層金屬鎳； 上述工具電極的移動(dòng)通過(guò)精密移動(dòng)軸Z軸(5)帶動(dòng)；上述工具電極制備槽(A)、碳納米管焊接池(B)、薄膜微細(xì)電鑄池(C)的移動(dòng)通過(guò)于XY精密位移臺(tái)(9、10)實(shí)現(xiàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微細(xì)電解加工碳納米管工具電極制備方法，其特征在于 上述步驟I具體過(guò)程如下上述工具電極制備池(A)內(nèi)具有帶工作孔的第一不銹鋼板(24);電解液浸沒(méi)第一不銹鋼板(24);工作時(shí)不銹鋼板(24)與電源負(fù)極相連，工具電極與電源正極相連；將原始工具電極鎢棒(13)穿過(guò)第一不銹鋼板(24)上的工作孔浸入電解液面下一定深度，開(kāi)始進(jìn)行電化學(xué)刻蝕；經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的電化學(xué)刻蝕后將電極向上提起一段距離，繼續(xù)進(jìn)行電化學(xué)刻蝕，一段時(shí)間后再向上提起一段距離，繼續(xù)進(jìn)行電化學(xué)刻蝕，直至刻蝕出所需直徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微細(xì)電解加工碳納米管工具電極制備方法，其特征在于 上述步驟2具體過(guò)程如下上述碳納米管焊接池(B)中具有第二不銹鋼板(23)，第二不銹鋼板(23)上用導(dǎo)電膠(22)粘結(jié)有陣列的多壁碳納米管(16);工作時(shí)多壁碳納米管(16)通過(guò)第二不銹鋼板(23)與電源正極相連，工具電極與電源負(fù)極相連；在顯微鏡(14)放大視場(chǎng)下，找到突出在最前面的一根碳納米管，讓鎢電極靠近突出的碳納米管，當(dāng)碳納米管和鎢電極之間的距離為1-10微米時(shí)，在兩者之間施加8 30V交流或者直流電壓，直至碳納米管被電極端部吸引，再調(diào)節(jié)精密微動(dòng)臺(tái)，使碳納米管的軸線與工具電極軸線的方向一致，然后在兩者之間施加3(T60V交流或者直流電壓，碳納米管與工具電極之間發(fā)生電弧放電，獲得碳納米管工具電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微細(xì)電解加工碳納米管工具電極制備方法，其特征在于 上述步驟3具體過(guò)程如下上述薄膜微細(xì)電鑄池(C)中懸置一鎳環(huán)(15);將粘結(jié)好的碳納米管工具電極穿過(guò)鎳環(huán)，然后用吸管吸取電鑄液并注入鎳環(huán)，形成一層薄薄的電鑄液液膜；工作時(shí)碳納米管與電源陰極相連，鎳環(huán)與電源陽(yáng)極相連；控制電鑄時(shí)間，即可將鎢電極與碳納米管的粘結(jié)的部分電鑄一層金屬鎳；金屬鎳的厚度通過(guò)調(diào)節(jié)電鑄的電流密度和時(shí)間來(lái)控制，電流密度越大，時(shí)間越長(zhǎng)，鎳層的厚度越厚。
5.用于權(quán)利要求1所述的微細(xì)電解加工碳納米管工具電極制備方法的多功能工作槽，其特征在于該多功能工作槽(8)由工具電極制備池(Α)、碳納米管焊接池(B)和薄膜微細(xì)電鑄池(C)組成； 上述工具電極制備池(A)內(nèi)具有U型底座(21)，U型底座(21)上固定著帶工作孔的第一不銹鋼板(24)； 上述碳納米管焊接池(B)內(nèi)具有U型底座(21)，U型底座(21)上固定著第二不銹鋼板(23)，第二不銹鋼板(23)上用導(dǎo)電膠(22)粘結(jié)有陣列的多壁碳納米管(16)； 上述薄膜微細(xì)電鑄池(C)內(nèi)具有L型底座(18)，L型底座(18)上懸置一金屬圓環(huán)(15);根據(jù)權(quán)利要求5所述的多功能工作槽，其特征在于上述工具電極制備池(A)中的第一不銹鋼板(24)厚度為1. 8-2mm，所述工作孔直徑為4_5mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多功能工作槽，其特征在于上述薄膜微細(xì)電鑄池(C)中的金屬圓環(huán)(15)直徑為4-5_，使用直徑為200 μ m的鎳絲彎曲而成。
全文摘要
本發(fā)明涉及適用于電解加工的碳納米管工具電極的制備，屬于電化學(xué)加工領(lǐng)域。該方法包括以下步驟1.將原始工具電極鎢棒(13)夾持于具有納米分辨率的精密移動(dòng)軸Z軸(5)上；2.將多功能工作槽(8)置于XY精密位移臺(tái)(9)(10)上；3.在多功能工作槽(8)A中，運(yùn)用電化學(xué)腐蝕的方法在線制備鎢電極；4.在多功能工作槽(8)B中，在顯微鏡(14)視場(chǎng)下，用電壓法將碳納米管焊接于鎢電極上；5.在多功能工作槽(8)C中，采用薄膜微細(xì)電鑄的方法將鎢電極與碳納米管連接的部位電鑄一層金屬鎳。本發(fā)明的方法增加了鎢電極與碳納米管的粘結(jié)強(qiáng)度，及整個(gè)碳納米管工具電極的電導(dǎo)率，為其在電解液環(huán)境中進(jìn)行納米電解加工提供保證。
文檔編號(hào)C25D1/00GK103056463SQ20121054446
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月17日
發(fā)明者朱荻, 曾永彬, 吳修娟, 曲寧松 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)