多场复合作用下纳米晶微型构件的微细电铸技术研究

针对目前国内外微细加工技术的现状及发展趋势，以制造出性能更加突出、具有纳米晶组织结构的微机械基础构件（微齿轮、微衬套、微探针、微凸轮、微弹簧、微轴等）为目标，在微细电铸过程中把超声波技术、高频脉冲电沉积技术、外加强磁场技术与微尺度流场控制技术进行有机结合，并充分发挥各种技术的特点、效应与作用。主要研究在微区域内进行纳米晶（Ni、Fe、Cu、Ni-Fe等）微型构件的微电铸过程中，在超声波、高频脉冲电流、外加强磁场及微尺度强对流流场的复合作用下，高深宽比掩模腔内微区域多场复合作用机理，微电铸电极反应动力学特征，镀液传质过程特征，沉积体纳米晶组织结构的形成机制，定域性沉积、微细电沉积速率和质量的控制方法，纳米晶微观组织结构的观察、分析、表征，纳米晶微型构件宏观性能的测试与分析，微细电铸加工的质量、成本与效率分析。本项目的完成可满足生产实际的特殊需求，进一步拓展微细电化学加工的研究与应用范围。

针对目前国内外微细加工技术的现状及发展趋势，结合微机电系统(MEMS)制造要求和微电铸工艺的特点，以制造出性能更加突出、具有纳（微）米晶组织结构的微机械基础构件（微齿轮、微环套、微垫圈、微轴等）为目标，在微细电铸过程中把超声波技术、高频脉冲电沉积技术、外加强磁场技术与微尺度流场控制技术进行有机结合，并充分发挥各种技术的特点、效应与作用。.本项目主要研究了在微区域内进行纳（微）米Ni晶微型构件的微电铸过程中:1)在超声波、高频脉冲电流、外加强磁场及微尺度强对流流场的复合作用下，高深宽比掩模腔内微区域多场复合作用机理，微电铸电极反应动力学特征，镀液传质过程特征；2)沉积体纳（微）米晶组织结构的形成机制，定域性沉积、微细电沉积速率和质量的控制方法；3)Ni基纳（微）米晶微观组织结构的观察、分析、表征，微型构件宏观性能（硬度）的测试与分析。.经过三年的工作，基本完成了计划书中设定的主要研究工作内容，实现了设定的主要研究目标并取得了如下研究成果：1）确定出合理的镀液体系构成，研制了专用的电化学精微电铸加工（监控）装置。2）阐明了微区域内多场复合作用对微电铸电极反应动力学的作用机理及特征。3）掌握多场复合作用对减少或消除微电铸件宏观缺陷、改善微尺度流场液相传质过程、加快晶粒成核、细化基质金属晶粒、改变材料磁性能、提高晶粒生长取向性和生长速度及沉积速率的作用及其规律。（4）建立了相关的数学模型，并进行了数值求解及试验验证。5）采用优化的工艺参数，获得了均匀致密纳米（微米）镍晶组织结构，加工出的纳（微）米镍晶三维微型构件，其硬度值与常规金属材料零件相比有一定幅度的提高。6）在国内外发表学术论文12篇、录用待发表论文3篇，申请国家发明专利1项。.本项目成果可实现以超细晶金属材料取代微型机械及其构件目前所用的常规金属材料，使之具有更加突出的机械特性。不仅可以满足生产实际需要，而且会进一步拓展微细电化学加工技术的发展与应用。