磁場作用下微細電鑄技術(shù)試驗研究.pdf

1、微機電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System,MEMS)作為當(dāng)今科技研究的熱點之一,不僅蘊含著巨大的經(jīng)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(lǐng)域。作為MEMS微器件和微結(jié)構(gòu)主要實現(xiàn)手段之一的微細電鑄技術(shù),以其工藝柔性好、復(fù)制精度高、可加工高深寬比3D微結(jié)構(gòu)而受到了業(yè)界普遍歡迎。然而,受制于液相傳質(zhì)困難,微細電鑄件往往會出現(xiàn)針孔、結(jié)瘤、氫脆等缺陷,造成微細電鑄在應(yīng)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(zhì)受限問題已成為國內(nèi)外眾多研究者關(guān)注的焦點之一。
　　在微細電鑄過程中疊加外磁場以解決傳質(zhì)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(nèi)電沉積時的流體狀態(tài)進行了模擬分析,結(jié)果顯示,疊加垂直磁場后,原本幾近停滯的電解液產(chǎn)生了明顯運動,較好實現(xiàn)了與本體溶液的物質(zhì)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(jié)果進行了驗證。

3、>　　本文在國家自然科學(xué)基金項目[50805077]和中國博士后科學(xué)基金特別資助項目[200801373]的資助下,依托我?！熬苤圃旒夹g(shù)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(shù)進行了試驗研究。
　　概述了微細電鑄技術(shù)及其研究現(xiàn)狀,并對磁電化學(xué)沉積技術(shù)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(jié),認為磁流體力學(xué)效應(yīng)(MHD)對增強液相傳質(zhì)起到了重要作用,梯度磁力效應(yīng)在一定程度上改

4、善了傳質(zhì)狀況,而磁化力效應(yīng)對金屬電結(jié)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(shè)計包括有磁場發(fā)生單元設(shè)計、電沉積單元設(shè)計及電解液循環(huán)單元設(shè)計。其中,磁場發(fā)生單元是裝置設(shè)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(shè)計優(yōu)化了永磁體形狀和尺寸參數(shù),設(shè)計中重點對聚磁體的結(jié)構(gòu)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(yīng)強度達0.867T,并且裝置可通過

5、螺栓調(diào)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(yīng)強度為0.82T。為全面評價磁場對宏觀電鑄質(zhì)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(jié)果表明,磁場效應(yīng)減薄了擴散層,增強了液相傳質(zhì),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(zhì)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(jié)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(jié)構(gòu)的鑄層。
　　概述了微細電鑄的工藝基礎(chǔ),在宏觀電鑄試驗和微空間內(nèi)流體模擬分析的基礎(chǔ)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