柔性阴极无掩膜电解加工表面织构关键技术研究

Put forward a new method suitable for maskless electrochemical free-form surface texturing,to break through the bottleneck problem for the present electrochemical texturing which applies only for plan or simple cylinder.A kind of modified soft polymer with active catalyst is used, then excitated by laser radiation and copper plating,the conductive texture geometry is make up on the soft polymer material surface. Rapid preparation of the flexible electrode for electrochemical texturing is realized by copying and backing process.The surface flattening algorithm is developed for curved surface texture mapping to plane,to reduce the complexity of electrode making,and to meet with the requirement of diversity of surface texture.Pulse electrochemical machining is adopted to complete surface texture transfer process from elecrode surface to workpiece.The effects of laser processing parameters on the material surface coarsening, micro melting are studied.The influence of the material surface microstructure, roughness, the form of activation center exposed on copper plating speed, bonding strength, uniformity is analysed, in order to optimize laser energy parameters.Research effort is focused on how to solve the problem of the constantness of intrinsic geometric before and after surface flattening.Through nanocrystallization of catalytic additive, the effect of particle size of additives on the quality of the plating is analyzed. Experimental research is carried out to investigate the characteristic of the electrochemical texturing process.Through this project, research work is done to solve the key problems of electrochemical texturing for free-form surface.

提出一种适用于无掩膜电解加工自由曲面表面织构的新方法,突破目前无掩膜电解加工表面织构仅适用于平面或简单柱面的瓶颈问题。采用掺杂了活性催化剂的软性聚合物，通过激光活化和后续的化学镀铜工艺在软性聚合物材料表面上制作导电织构图形，再通过反拷与背衬处理，快速制备电解加工曲面表面织构的柔性电极；通过曲面展平技术，把曲面织构图形映射到平面模板，降低电极制造的复杂程度，适应曲面表面织构的多样性需求；采用脉冲电解加工，实现曲面表面织构的转印过程。研究分析激光加工参数对材料表面粗化、微融效果；分析材料表面微观形貌、粗糙度、活化中心暴露形态对化学镀速度、镀层结合力、均匀性的影响，优化激光能量参数；研究解决曲面展平时的内蕴几何保持性问题；通过活性催化添加剂纳米化，研究分析添加剂粒径对镀层质量的影响；试验分析电解加工表面织构的特殊工艺规律。通过本项目，研究解决无掩膜电解加工曲面表面织构的关键问题。

首先采用商业化铜盐对PU进行掺杂改性，通过激光活化、化学镀铜工艺优化实验研究，实现了在改性PU材料表面制作导电图案的目的。自主研制了EDTA-Cu粉体，替代商业化铜盐对PU材料掺杂改性，得到的化学镀铜线边缘更加精细。提出了表面改性的新思路，研究开发了一组溶剂型活性剂。将活性溶液旋涂于柔性基底上，干燥后使用紫外/红外激光扫描，冲洗后化学镀铜。通过优化活性溶液浓度、旋涂转速、激光参数等，经过化学镀铜，获得宽度20以内、边缘清晰的铜线，实现了在柔性材料表面直接构造导电织构图案。把改进的溶剂型活性剂旋涂在聚酰亚胺薄膜上，经激光扫描诱导直接沉积出导电性良好的电路图案。对溶剂型活性剂的配方做进一步改进，以乙酸铜为铜源，乙二醇为还原剂，异丙醇为溶剂，并加入了制成悬浊液的粘结剂（PVP等），旋涂于PU表面，干燥后使用波长355nm的纳秒紫外激光诱导原位反应。经XRD表征，证实了PU表面直写出铜层的效果。. 采用了测地极坐标参数化方法对目标网络局部化，解决了大曲率表面映射过程中的较大变形问题。进一步地，研究解决了基于旋转不变量的改进拉普拉斯变形，借鉴了LIPMAN等提出的旋转不变量方法，能够更加精确地求解变形后的拉普拉斯坐标，降低变形后的扭曲程度。.尝试了多种反拷制作柔性阴极的措施：1）通过加环氧树脂被衬的室温固化方法；2）采用磁力吸合使柔性阴极与工件加工表面贴合的方法；3）采用3D打印仿形阴极的制作方法。不同的制作方法适用于不同的加工对象。如较大面积、比较平整的自由曲面，采用柔性磁铁条吸合比较合适；对于内表面，应用3D打印仿形阴极具有较好的加工效果。. 采用溶剂型添加剂对PU材料表面改性，替代粉体掺杂改性是本课题研究工作的重点突破：采用溶剂型添加剂，亟待解决的添加粉料颗粒细化难题不攻自破；通过表面旋涂活性剂，解决了混料改性使基体材料变脆的问题。开发了3D打印柔性仿形阴极，提供了柔性阴极表面导电织构制作电解液流道设计的一体化解决方案，为电解加工用阴极方法提供了值得借鉴的研究成果。