基于弹性导电芯模的离子液体微电铸成形机理研究

Short-flow preparation of molds, the uniformity and defects control of microparts are the main challenges for microelectroforming. To solve these problems, a novel microelectroforming technique is developed for producing metallic microparts, combining the advantages of both soft lithography and electrodeposition from ionic liquid electrolytes. Conductive polymer composite molds are replicated by soft lithography. Then the metallic microparts are produced by microelectroforming from ionic liquid electrolytes, which can avoid the defects resulted from hydrogen evolution in water-based electrolytes. The microstructure and conductive properties of the composite molds are studied. The relationship between the elastic deformations which happen during demolding and the conductive stability of the composite molds is discussed. Based on these results, the composite molds with controllable properties could be reliably prepared. The effects of microelectroforming conditions on the defects and uniformity of the microparts are studied. The effects of the composite molds and microelectroforming conditions on the nucleation and growth of metals are investigated. Effective methods for inhibiting hydrogen evolution are proposed. The electrocrystallization mechanism and uniformity control of the metal microparts are revealed. The results can provide theoretical and technological supports for the reliable mass production of metallic microparts by microelectroforming.

针对微电铸中芯模的短流程制备与微型零件的均匀性及析氢缺陷控制问题，本项目结合软刻蚀与离子液体微电铸工艺的优点，发展基于弹性导电芯模的离子液体微电铸新技术，即首先用软刻蚀技术制备弹性导电芯模，然后在离子液体电解液中沉积金属微型零件。通过研究弹性芯模的微观结构对其导电性的作用机制，分析脱模中芯模弹性变形与导电稳定性的内在关系，确立弹性导电芯模的可控制备技术。通过研究离子液体电沉积工艺对微型零件缺陷产生和均匀性的影响规律，分析芯模特性与微电铸条件对金属晶体成核和生长的作用机制，阐明微型零件析氢缺陷的抑制成因，揭示基于弹性导电芯模的离子液体微电铸微型零件的电结晶和均匀性控制机理。本项目实施取得的创新性成果，可以为微电铸微型零件的可靠、批量化成形和广泛应用提供理论基础与技术支撑。

本项目提出了基于弹性导电芯模的新型微电铸技术，并研究了微电铸金属微型零件的均匀性与缺陷控制、弹性导电芯模表面金属的形核与生长机理等关键科学问题。主要研究结果包括：（1）采用软刻蚀技术制备弹性导电芯模具有制备工艺简单、成本低等显著优点，与基于传统微电铸芯模的微电铸技术相比，基于弹性导电芯模的微电铸技术可制备单独、复杂形状的金属微型零件。（2）发展了基于表面导电层可修复弹性芯模的微电铸技术，通过在聚二甲基硅氧烷（PDMS）芯模表面引入聚多巴胺种子层，采用化学镀在PDMS模具表面制备银导电层，脱模后受损的银导电层可通过再次化学镀进行修复，提高了芯模的使用寿命。（3）通过紫外光照和低温热处理实现了表面化学镀银PDMS芯模表面润湿性的可逆调控，发现表面亲水性的芯模可有效增强微型腔中的液相传质并及时补充芯模表面消耗的金属离子，从而可制备高质量、高深宽比的微型零件。（4）提出了基于Ag/PDMS弹性导电复合材料芯模的微电铸技术，使用微米银颗粒作为导电填料，使用软刻蚀技术制备了“三明治”结构的Ag/PDMS芯模，其具有结构便于设计、制备工艺简单、成本低、可重复使用等优点。在电沉积初期，Ag/PDMS芯模表面银颗粒形成间断的放电区域，金属离子在电场作用下迁移到芯模表面围绕银颗粒形核生长。芯模表面银颗粒的电力线相互叠加，可有效避免电力线的边缘集中效应，铸层沿着银颗粒外延生长。（5）以Ni75Fe25合金微型零件为例，对微电铸和微浇注进行了综合比较，发现退火处理可有效消除微电铸微型零件中的残余应力，相比于微浇注Ni75Fe25微型零件，微电铸Ni75Fe25微型零件具有更高的成形精度、更小的表面粗糙度、更大的显微硬度和更高的饱和磁化强度。（6）由于氯化胆碱/乙二醇低共熔溶剂体系的强极性，导致微电铸过程中表面化学镀银的芯模会发生银层脱落，此种芯模无法在该离子液体体系中微电铸成形金属微型零件，而使用Ag/PDMS芯模虽然可在该离子液体体系中微电铸成形金属微型零件，但是其中存在大量裂纹、杂质等缺陷。