磁場作用下微細電鑄技術試驗研究.pdf

1、微機電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System,MEMS)作為當今科技研究的熱點之一,不僅蘊含著巨大的經濟效益,而且體現(xiàn)出了在國家戰(zhàn)略高科技中的重要地位,已逐漸成長為一個龐大的領域。作為MEMS微器件和微結構主要實現(xiàn)手段之一的微細電鑄技術,以其工藝柔性好、復制精度高、可加工高深寬比3D微結構而受到了業(yè)界普遍歡迎。然而,受制于液相傳質困難,微細電鑄件往往會出現(xiàn)針孔、結瘤、氫脆等缺陷,造成微細電鑄在應用和發(fā)展上受

2、到一定影響,徹底解決微細電鑄過程中的傳質受限問題已成為國內外眾多研究者關注的焦點之一。
　　在微細電鑄過程中疊加外磁場以解決傳質受限問題是一個創(chuàng)新性思路。本課題組曾運用數(shù)值仿真對磁場下微空間內電沉積時的流體狀態(tài)進行了模擬分析,結果顯示,疊加垂直磁場后,原本幾近停滯的電解液產生了明顯運動,較好實現(xiàn)了與本體溶液的物質交換。本文首次開展了磁場作用下的微細電鑄試驗研究,研究了磁場對微細電鑄過程的作用效果,并對數(shù)值模擬結果進行了驗證。

3、>　　本文在國家自然科學基金項目[50805077]和中國博士后科學基金特別資助項目[200801373]的資助下,依托我?！熬苤圃旒夹g與工程河南省高校重點開放實驗室”的軟硬件資源,對磁場作用下的微細電鑄技術進行了試驗研究。
　　概述了微細電鑄技術及其研究現(xiàn)狀,并對磁電化學沉積技術的研究進展進行了綜述。著重對磁電沉積的作用機理進行了深入分析總結,認為磁流體力學效應(MHD)對增強液相傳質起到了重要作用,梯度磁力效應在一定程度上改

4、善了傳質狀況,而磁化力效應對金屬電結晶取向過程有明顯影響。
　　研制了磁場作用下的微細電鑄試驗裝置,裝置設計包括有磁場發(fā)生單元設計、電沉積單元設計及電解液循環(huán)單元設計。其中,磁場發(fā)生單元是裝置設計的重點和難點,本文采用永磁磁源作為磁場發(fā)生單元的場源,利用鏡像法設計優(yōu)化了永磁體形狀和尺寸參數(shù),設計中重點對聚磁體的結構和尺寸進行了優(yōu)化。最終研制完成的磁微細電鑄裝置,工作氣隙在30mm距離時中心區(qū)磁感應強度達0.867T,并且裝置可通過

5、螺栓調節(jié)獲得不同強度的磁場。
　　首次開展了磁場作用下的宏觀電鑄試驗研究,磁場與電場垂直疊加,磁感應強度為0.82T。為全面評價磁場對宏觀電鑄質量的影響,采用了添加潤濕劑和無潤濕劑的兩種電鑄基液。采用無潤濕劑電解的試驗中,對比試驗研究了磁場對電鑄鑄層的影響,結果表明,磁場效應減薄了擴散層,增強了液相傳質,提高了極限電流密度,并有效排除了氫氣泡,改善了鑄層形貌質量,細化了晶粒,提高了鑄層致密度和硬度。采用添加潤濕劑電解液的試驗中,電

6、解液快速循環(huán),在疊加磁場和無磁場作用下進行了電鑄試驗,結果顯示,在磁場作用下制備的鑄層晶粒明顯更加細小、均勻,且在磁場作用下3 A/dm2的電流密度時可能發(fā)現(xiàn)了非晶態(tài)結構的鑄層。
　　概述了微細電鑄的工藝基礎,在宏觀電鑄試驗和微空間內流體模擬分析的基礎上首次開展了磁場作用下的微細電鑄試驗研究。采用無潤濕劑的電解液,電解液快速循環(huán),在外加磁場疊加和無磁場作用下對比試驗研究了筋寬為700μm、高度為1750μm、深寬比為2.5的微細電