多孔质模板电极微细电解加工微沟槽技术研究

Micro-groove array on metallic component has a broad application prospect in tribology, heat and mass transfer, and biomedicine etc. The manufacture of micro-groove array with high quality and efficiency has become a research focus. Through-mask electrochemical micromachining (TMEMM) is an appropriate method for machining massive micro grooves at one time. However, there are some weaknesses in TMEMM, such as micro convex ridge phenomenon, serious undercutting, and poor dimensional uniformity along the length. This project proposed a method of electrochemical micromachining with porous-masked cathode to solve these problems. In this method, a porous metal inserted with PDMS mask is employed as integrated masked cathode, and it is pressed against workpiece to form a closed electric field and independent flow field for each groove machining area, which could improve the distribution of electric field and flow field significantly. All of these are beneficial for improving the machining accuracy. This project will thoroughly explore the transport characteristics of electrolyte and the electric field distribution through porous metal, the forecasting and control of machining dimension in multi-field coupling condition. Moreover, this project will focus on the key techniques such as the fabrication of integrated masked cathode, high machining localization in EMM and high aspect ratio micro groove. Finally, this project will achieve precision electrochemical machining of micro-groove array.

金属微沟槽结构在摩擦学、传热传质和生物医学等领域具有广阔的应用前景，其精密、高效加工技术已成为国内外研究的热点。掩膜微细电解加工技术能实现大面积微沟槽结构的一次加工成形，是目前微沟槽加工的主要方法之一。项目针对掩膜微细电解加工微沟槽存在定域性差、“凸脊”现象及截面尺寸沿长度方向一致性差等问题，提出多孔质模板电极微细电解加工微沟槽的方法。采用端部嵌有PDMS缝状模板的多孔质金属作为模板电极，并与工件贴合使各微沟槽加工区形成封闭电场和独立流场，显著改善微沟槽加工单元的电场和流场分布，提高微沟槽电解加工精度。本项目重点研究多孔质模板电极作用下单元域传质过程与电场分布特性、多物理/化学场耦合作用下微沟槽加工尺寸预测与控制等科学问题，突破一体化多孔质模板电极制备、高定域性微沟槽电解加工及截面尺寸一致性研究、高深宽比微沟槽电解加工等关键技术，解决微沟槽精密制造难题。

项目针对掩膜微细电解加工微沟槽存在定域性差、“凸脊”现象及截面尺寸沿长度方向一致性差等问题，系统开展了多孔质模板电极微细电解加工微沟槽技术研究。搭建了微沟槽电解加工实验平台，并制备出不同模板性质的多孔质模板电极；建立多孔质模板电极微细电解加工微沟槽的电场、流场、温度场、反应物传输等多场耦合物理模型，探明了多场耦合作用下不同电解液流动模式对加工区传质过程和电流密度分布的影响规律。理论和试验研究表明往复式射流供液模式能够强化传质过程，降低焦耳热和气泡等副产物对材料溶解过程的影响，提升微沟槽加工尺寸的一致性。在此基础上，项目提出了采用往复式射流供液模式进行微沟槽的电解加工。研究了不同加工参数对微沟槽尺寸一致性及表面粗糙度的影响；同时，为提升微沟槽电解加工的定域性，项目探究了不同性质模板（绝缘模板和金属导电模板）对加工表面电场的影响规律，仿真结果表明金属导电模板的引入减弱了微沟槽边缘的电场强度，可以减小微沟槽的侧向腐蚀，为金属导电模板提升微沟槽电解加工定域性提供了理论依据。试验结果也表明，采用相同的模板缝宽（200μm），在相同的加工深度下（35μm），绝缘模板电解加工的微沟槽宽度为316μm，而金属导电模板微沟槽宽度仅为211.5μm，微沟槽加工定域性显著提升。在项目研究的过程中，申请人又提出一种模板射流扫描电解加工微沟槽的方法，采用带有单排微通孔结构的模板喷嘴作为工具，加工过程中保持模板与工件表面接触，通过控制喷嘴与工件之间的相对运动便可由点到线扫描加工出微沟槽结构。开展了模板射流扫描电解加工微沟槽成形过程动态数值模拟与试验研究，研究不同参数对微沟槽形貌的影响规律，实现了10条宽度302±3.53μm，深度95.9±1.34μm（深宽比＞0.2），长度60mm的高深宽比微沟槽的一次加工成型，加工过程稳定，尺寸一致性高。本项目的开展对燃料电池双极板和微型换热器隔板等关键零部件的加工提供强有力的科学和技术支撑，具有重要的科学意义和应用价值。