專利名稱：大長徑比納米級軸制備裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大長徑比納米級軸制備裝置及方法，屬精密微細(xì)電化學(xué)加工領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著各種精密、微細(xì)技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的發(fā)展，微米級以及納米級細(xì)長軸的制備方法正變得日益重要。大長徑比微米級以及納米級軸可廣泛應(yīng)用于各種微細(xì)加工技術(shù)、微測量技術(shù)、航空宇航技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)等前沿技術(shù)。目前，微米級大長徑比細(xì)長軸的主要制備方法為單晶金剛石微車削技術(shù)、線電極磨削技術(shù)(WEDG)、浸液電化學(xué)加工(ECM)方法、單脈沖放電加工(OPED)和聚焦離子束(FIB)等技術(shù)。而對于納米級細(xì)長軸的制備方法，目前主要以FIB技術(shù)為主，其他方法還很難做到。但是FIB工藝必須在真空環(huán)境下才能正常進(jìn)行，而且其工藝較復(fù)雜，設(shè)備較昂貴，限制了 FIB的廣泛應(yīng)用。如何制備出微米級及納米級大長徑比細(xì)長軸已成為目前的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。納米級細(xì)長軸的成功制備將進(jìn)一步提高目前各種微細(xì)制造技術(shù)的加工精度和微測量技術(shù)的測量精度，并進(jìn)一步促進(jìn)生物醫(yī)學(xué)技術(shù)等維納尺度研究的發(fā)展。電化學(xué)加工技術(shù)是基于陽極溶解原理的減材制造工藝，加工過程以離子的形式進(jìn)行，由于金屬離子的尺寸非常微小，小于納米尺度，因此微細(xì)電化學(xué)加工方法相對于其它很多微細(xì)加工方法在原理上具有優(yōu)勢。利用浸液電化學(xué)加工方法，通過控制制備工藝過程中的各種參數(shù)已成功制備出長徑比達(dá)200的微米級細(xì)長軸。此外，液膜電化學(xué)刻蝕技術(shù)應(yīng)用于制備納米級針尖，最小·針尖直徑可達(dá)幾納米，已成功應(yīng)用于掃描隧道顯微鏡(STM)的掃描探針和納米級結(jié)構(gòu)的電化學(xué)刻蝕。液膜電化學(xué)加工方法是由法國學(xué)者(Sophie Kerfriden, Ayssar H., et al.,Electrochimica Acta, 43, 1939-44 (1998).)提出的，采用一個由0.4mm直徑的鉬絲圈成的圓環(huán)作為陰極，0.25mm直徑的鎢絲作為陽極，堿性溶液作為電解液進(jìn)行STM探針的電化學(xué)刻蝕加工?，F(xiàn)有方法采用設(shè)備比較簡陋，只能加工納米級的針尖(點(diǎn))，無法制備大長徑比的納米級軸。此外，對于陰極圓環(huán)采用的鉬絲價(jià)格較高，不利于成本的降低。目前，對于液膜電化學(xué)刻蝕的方法的研究還處于初級階段，還缺乏系統(tǒng)的研究和專門針對于本工藝方法的裝置、夾具，限制了這種工藝的可重復(fù)性和對其規(guī)律的進(jìn)一步研究。

發(fā)明內(nèi)容
本文發(fā)明的目的在于提供一種基于液膜電化學(xué)刻蝕加工技術(shù)的大長徑比納米級細(xì)長軸的制備工藝及其裝置，這種工藝方法具有可重復(fù)性強(qiáng)，成功率高而且成本較低的特點(diǎn)。一種大長徑比納米級軸制備裝置，其特征在于:包括PCI運(yùn)動控制卡、計(jì)算機(jī)、電源；還包括主動隔振平臺、安裝于主動隔振平臺的X-Y軸直線精密移動平臺、安裝于X-Y軸直線精密移動平臺的定位件，固定于定位件的陰極夾具，通過陰極夾具夾持的陰極水平圓環(huán)，還包括通過床身安裝于主動隔振平臺的Z軸直線精密移動平臺，安裝于Z軸直線精密移動平臺的旋轉(zhuǎn)主軸夾具，固定于旋轉(zhuǎn)主軸夾具的引電裝置，固定于旋轉(zhuǎn)主軸夾具的旋轉(zhuǎn)主軸，上述電源的正負(fù)級分別與引電裝置和陰極夾具相連。利用所述大長徑比納米級軸制備裝置的大長徑比納米級軸制備方法，其特征在于包括以下過程:
(1)、用吸管將電解液溶液滴于陰極水平圓環(huán)上，在液體表面張力的作用下，溶液附著在陰極水平圓環(huán)上形成液膜；
(2)、將陽極鎢絲固定在旋轉(zhuǎn)主軸下端；
(3)、通過X-Y軸直線精密移動平臺、Z軸直線精密移動平臺的精密移動，使陽極鎢絲伸入到陰極水平圓環(huán)中，且鎢絲軸線位于陰極水平圓環(huán)中心位置；
(4)、在加工過程中，陽極鎢絲與陰極水平圓環(huán)之間施加直流電源，在加工過程中保持電源電壓不變；
(5)、通過控制Z軸直 線精密移動平臺的移動，使陽極鎢絲在軸向上做具有一定幅值和速度的直線往復(fù)運(yùn)動；其中幅值為0.Γ0.4_和速度為0.Γ2μπι/8 ；
(6)、當(dāng)鎢絲的直徑減小到無法承受下端鎢絲重力以及液面張力的合力時，鎢絲會被拉斷掉入工具電極接收裝置中之后，下端鎢絲會自動停止電化學(xué)刻蝕，加工過程自動結(jié)束，下端掉落到工具電極接收裝置中的電極作為所制備的大長徑比納米級軸。針對現(xiàn)有工藝方法的局限性，即只能制備納米級針尖(點(diǎn))，限制了液膜電化學(xué)刻蝕加工方法的應(yīng)用范圍。本專利通過施加的直線往復(fù)運(yùn)動，使陽極鎢絲在運(yùn)動幅值內(nèi)的每一點(diǎn)的加工速度做一定的同種方式的周期性改變，即在一個運(yùn)動周期內(nèi)，運(yùn)動幅值內(nèi)各個點(diǎn)的刻蝕加工基本保持一致，從而加工出長徑比可控的納米級細(xì)長軸；當(dāng)鎢絲直徑減小到一定數(shù)值時，鎢絲由于受到位于水平圓環(huán)下端的部分因重力及液面張力的作用而被拉斷，鎢絲下端掉落到特定的接收裝置中，下端作為所制備的大長徑比納米級軸。下端掉落瞬間，對于下端的電化學(xué)刻蝕加工隨即結(jié)束，防止由于斷電不及時所引起的所制備工具電極由于過度電化學(xué)刻蝕降低所制備工具電極的質(zhì)量，從而在本工藝的實(shí)施中不需要能夠快速響應(yīng)的開關(guān)，大大的簡化了工藝。采用此種工藝方法及裝置能夠加工出具有大長徑比的納米級細(xì)長軸，并且具有可重復(fù)性強(qiáng)，成功率高和成本較低等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是大長徑比納米級細(xì)長軸加工裝置整體結(jié)構(gòu)示意 圖2是液膜法電解加工大長徑比納米級細(xì)長軸的原理示意 圖3是圓環(huán)裝夾工具結(jié)構(gòu)不意 圖中標(biāo)號名稱:1、X-Y軸直線精密移動平臺，2、Z軸直線精密移動平臺，3、旋轉(zhuǎn)主軸，
4、旋轉(zhuǎn)主軸夾具，5、PCI運(yùn)動控制卡，6、引電裝置，7、陰極水平圓環(huán)，8、定位件，9、陽極鎢絲，10，陰極夾具固定螺釘，11、陰極夾具，12、納米軸接收裝置，13、主動隔振平臺，14、計(jì)算機(jī)，15、電源，16、液膜，17、電流傳感器，18、圓環(huán)裝夾銅棒19、陰極圓環(huán)夾具主體。
具體實(shí)施例方式根據(jù)圖1所示，本發(fā)明的大長徑比納米級細(xì)長軸液膜法電化學(xué)刻蝕加工裝置，如圖1所示，其裝置包括主動隔振平臺13、X-Y軸移動平臺1、ζ軸精密位移平臺2、計(jì)算機(jī)14、PCI運(yùn)動控制卡5、旋轉(zhuǎn)主軸3、引電裝置6、定位件8、直流電源15、陰極水平圓環(huán)7。其特點(diǎn)是所述的工藝過程，裝夾在旋轉(zhuǎn)主軸3上的陽極鎢絲通過Z軸直線精密移動平臺2獲得所需要的在Z軸方向的直線往復(fù)運(yùn)動。陰極水平圓環(huán)7通過陰極夾具11和陰極夾具固定螺釘10固定在定位件8中，保證圓環(huán)面在水平方向。需要說明的是，在圓環(huán)固定在定位件8之前，需要將圓環(huán)放入溶液中以形成所需要的液膜。圖2所示為大長徑比納米級細(xì)長軸制備工藝原理示意圖。首先，將電解液用滴管滴在陰極水平圓環(huán)7中以形成液膜16后固定在定位件中，然后將直徑為200 μ m的鎢絲垂直穿過圓環(huán)，通過X-Y軸直線精密移動平臺I的運(yùn)動，使鎢絲位于陰極水平圓環(huán)7的中心，并通過Z軸精密位移平臺I的運(yùn)動確定鎢絲位于圓環(huán)下部的長度。最后在鎢絲和圓環(huán)之間施加直流電源15。圖3所示的是陰極圓環(huán)的裝夾工具示意圖。用鎢絲圈成的陰極水平圓環(huán)7連接到圓環(huán)裝夾銅棒18中，銅棒可以插入陰極圓環(huán)夾具主體19的孔中。該夾具可以便捷的固定圓環(huán)，并具有很聞的定位精度，便于拆卸、更換。本發(fā)明專利“大長徑比納米級細(xì)長軸制備工藝”原理及過程:采用價(jià)格便宜、耐高溫、硬度高、綜合機(jī)械性能優(yōu)良的鎢絲作為陽極，用鎢絲圈成的陰極水平圓環(huán)作為陰極，電解液為附著在陰極水平圓環(huán)上的液膜。當(dāng)鎢絲和陰極水平圓環(huán)之間施加直流電源時，基于電化學(xué)陽極溶解原理，陽極鎢絲被刻蝕變細(xì)。在加工過程中，陽極鎢絲在Z軸直線精密移動平臺運(yùn)動方向上做直線往復(fù)運(yùn)動。直線往復(fù)運(yùn)動的參數(shù)主要包括:運(yùn)動幅值、運(yùn)動速度和運(yùn)動方向。在這種制備工藝 過程中，電化學(xué)刻蝕區(qū)域不斷地、周期性的變換，此外每一位置的電化學(xué)刻蝕速度也不斷的發(fā)生周期性變化，經(jīng)過若干加工時間后，在加工區(qū)域內(nèi)的鎢絲直徑不斷減小且直徑趨于一致。在加工過程中，通過檢測電流的變化可實(shí)現(xiàn)鎢絲直徑的預(yù)測。當(dāng)直徑減小至一定值時，通過控制Z軸直線精密移動平臺的精密移動，可實(shí)現(xiàn)對所制備大長徑比納米級軸的長徑比的控制。當(dāng)鎢絲的直徑減小到無法承受下端鎢絲重力以及液面張力的合力時，鎢絲會被拉斷掉入下端工具電極接收裝置中。因此，當(dāng)下端掉落后，電化學(xué)刻蝕會立即終止，防止所制備電極的直徑鈍化。
權(quán)利要求
1.一種大長徑比納米級軸制備裝置，其特征在于包括PCI運(yùn)動控制卡(5)、計(jì)算機(jī)(14)、電源(15);還包括主動隔振平臺(13)、安裝于主動隔振平臺(13)的X-Y軸移動平臺(I)、安裝于X-Y軸移動平臺(I)的定位件(8)，固定于定位件(8)的陰極夾具(11)，通過陰極夾具(11)夾持的陰極水平圓環(huán)(7)，還包括通過床身安裝于主動隔振平臺(13)的Z軸精密位移平臺(2)，安裝于Z軸精密位移平臺(2)的旋轉(zhuǎn)主軸夾具(4)，固定于旋轉(zhuǎn)主軸夾具(4)的引電裝置(6)，固定于旋轉(zhuǎn)主軸夾具(4)的旋轉(zhuǎn)主軸(3)，上述電源(15)正負(fù)級分別與引電裝置(6)和陰極夾具(11)相連；上述定位件(8)上安裝有納米軸接收裝置(12)，納米軸接收裝置(12)位于陰極水平圓環(huán)(7)的下方。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大長徑比納米級軸制備裝置，其特征在于上述定位件(8)為電解槽。
3.利用權(quán)利要求I所述大長徑比納米級軸制備裝置的大長徑比納米級軸制備方法，其特征在于包括以下過程 (1)、用吸管將電解液溶液滴于陰極水平圓環(huán)(7)上，在液體表面張力的作用下，溶液附著在陰極水平圓環(huán)(7)上形成液膜(16)； (2)、將陽極鎢絲(9)固定在旋轉(zhuǎn)主軸(3)下端； (3)、通過X-Y軸移動平臺(1)、Z軸精密位移平臺(2)的精密移動，使陽極鎢絲(9)伸入到陰極水平圓環(huán)(7)中，且位于陰極水平圓環(huán)(7)中心位置； (4)、在加工過程中，陽極鎢絲(9)與陰極水平圓環(huán)(7)之間施加直流電源，在加工過程中保持電源電壓不變； (5)、通過控制Z軸精密位移平臺(2)的移動，使陽極鎢絲在軸向上做具有一定幅值和速度的直線往復(fù)運(yùn)動；其中幅值為O. Γ0. 4mm和速度為O. Γ2 μ m/s ； (6)、當(dāng)鎢絲的直徑減小到無法承受下端鎢絲重力以及液面張力的合力時，鎢絲會被拉斷掉入納米軸接收裝置(12)中之后，下端鎢絲會自動停止電化學(xué)刻蝕，加工過程自動結(jié)束，下端掉落到納米軸接收裝置(12)中的納米軸作為所制備的大長徑比納米級軸。
全文摘要
一種大長徑比納米級軸制備裝置及方法,屬精密微細(xì)電化學(xué)加工領(lǐng)域。該裝置包括安裝于X-Y軸移動平臺(1)的定位件(8)，固定于定位件(8)的陰極夾具(11)，通過陰極夾具(11)夾持的陰極水平圓環(huán)(7)，還包括安裝于Z軸精密位移平臺(2)的旋轉(zhuǎn)主軸夾具(4)，固定于旋轉(zhuǎn)主軸夾具(4)的引電裝置(6)，固定于旋轉(zhuǎn)主軸夾具(4)的旋轉(zhuǎn)主軸(3)，上述電源(15)正負(fù)級分別與引電裝置(6)和陰極夾具(11)相連。本發(fā)明方法及裝置能夠加工出具有大長徑比的納米級細(xì)長軸，并且具有可重復(fù)性強(qiáng)，成功率高和成本較低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號B23H3/00GK103252541SQ201310162230
公開日2013年8月21日 申請日期2013年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月6日
發(fā)明者曾永彬, 王玉峰, 曲寧松, 朱荻 申請人:南京航空航天大學(xué)