專利名稱：微細電解加工碳納米管工具電極制備方法及多功能工作槽的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電化學加工領(lǐng)域，涉及微細電解加工碳納米管工具電極制備方法及多功能工作槽。
背景技術(shù)：
隨著科學技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代許多高新技術(shù)產(chǎn)品中都包含著高精密的亞微米或者納米尺寸的結(jié)構(gòu)，這些精密結(jié)構(gòu)往往有著至關(guān)重要的作用。微細電解加工是微細制造領(lǐng)域中一種重要的加工方法。微細電解加工，是指在微細加工范圍內(nèi)，利用金屬在電解液中發(fā)生電化學陽極溶解的原理對材料進行刻蝕成形的加工方法。從加工機理上看，工件陽極上的金屬原子在加工中不斷地失去電子成為離子而從工件上溶解，其材料的減少過程以離子的形式進行，這種離子去除的方式使電解加工具有微細加工的能力。因此，控制加工條件，選取合適的加工參數(shù)，可實現(xiàn)以離子數(shù)量級對材料進行加工，滿足微細制造技術(shù)的需求。由于電解加工過程中工具電極和工件不接觸，并具有加工材料范圍廣，不受材料強度、硬度、韌性的影響，工件表面無加工應力、無變形及熱影響區(qū)、無工具電極損耗，加工表面質(zhì)量好等優(yōu)點。微細電解加工已經(jīng)成功應用于醫(yī)療、電子、航天等領(lǐng)域。但是存在雜散腐蝕、電場和流場的多變性，加工定域性等因素使得電解加工的精度受到一定的限制。其中工具電極的形狀和尺寸對微細電解加工的精度和加工質(zhì)量有很大影響。高精度的微細電解加工需要高精度的工具電極。減小工具電極尺寸，改善工具電極形狀，能夠提高微細電解加工的精度。目前微細電解加工用到的微小工具電極主要是通過電化學刻蝕、電化學沉積、微細電火花線電極磨削、激光切割、離子刻蝕等方法獲得。通過電化學方法，電極尺度一般控制在微米或者亞微米范圍，納米尺度不易獲得且納米尺度的部分長度較短。離子刻蝕是特種加工方法中最精密、最微細的方法之一，而且加工表面質(zhì)量好，一般加工誤差可以控制在幾個納米。美國弗吉尼亞州大學A. L. Trimmer等運用聚焦粒子束銑削技術(shù)加工工具電極，在原有100微米直徑的鎢絲上銑削出圓形建筑和2x2陣列柱狀電極，圓形建筑的縫寬在幾十納米內(nèi)，每個電極的制備都用了 1-3個小時。但是這種加工方法需要有一套復雜的離子束產(chǎn)生設(shè)備，價格昂貴，還存在生產(chǎn)率低等缺陷。碳納米管細長，直徑一般在幾納米到幾十納米，長度一般在微米級，縱橫比高；彈性模量非常高；石墨的片層結(jié)構(gòu)相同，具有良好的導電性。若將碳納米管作為工具電極用于電解加工，加工尺度將達到納米級別。目前為止，科學家們已經(jīng)對碳納米管性能和應用進行了廣泛深入的研究，并將碳納米管粘接在普通掃描探針形成碳納米管掃描探針。常用的方法有導電膠粘接法、化學氣相沉積法、掃描拾取法、電壓制備法等。其中電壓制備法較易實現(xiàn)，首先將碳納米管和鍍金屬膜的硅探針分別與兩個三維移動臺相連，碳納米管一側(cè)接外加電源的正極，負極與普通探針相連。當探針和碳納米管之間很接近，約1-10微米的距離時，在兩者之間施加電壓，在光學顯微鏡下可以看到碳納米管被截斷，同時伴有電弧產(chǎn)生，被截斷的碳納米管部分被粘到普通硅探針上。
用于電解加工的電極，不僅要求具有良好的導電性，而且還要具有在液體環(huán)境中的穩(wěn)定性。上述研究一般都是將碳納米管粘結(jié)于硅針尖或者是鍍了層金屬的硅針尖上，常用于氣體環(huán)境中，用于掃描探針顯微鏡上，碳納米管和針尖之間的結(jié)合力約為1. 2-3. 6 μ N。若將其應用于電解液環(huán)境中，碳納米管是疏水性材料，在進入液體環(huán)境過程中極易折彎，或者由于粘結(jié)強度不夠而丟失?？茖W家們通過往碳納米管探針上沉積、鍍膜等辦法以增強碳納米管與探針的連接強度，為碳納米管探針在溶液環(huán)境中進行工作提供可行性。美國哈弗大學King等，在試驗中使用的碳納米管探針是通過CVD法制備的，并且在SEM下沉積碳化物，以增強其粘接強度。美國加拿大納米技術(shù)中心Stevens等，在實驗中通過往碳納米管探針上真空蒸鍍乙二胺膜，降低碳納米管的疏水性，增強碳納米管探針的粘接強度，從而使其能夠在液體中穩(wěn)定成像，成功利用鍍膜的碳納米管探針在液體中對DNA分子進行了成像。但是無論是沉積法，還是鍍膜法都需要昂貴的實驗設(shè)備和苛刻的實驗環(huán)境。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，針對上述問題。提出一種方法簡單、制備質(zhì)量更好的微細電解加工碳納米管工具電極制備方法及其多功能工作槽及其多功能工作槽。一種微細電解加工碳納米管工具電極制備方法，其特征在于包括以下過程步驟1、在工具電極制備槽中，運用電化學刻蝕方法對原始工具電極鎢 棒進行加工，制備多節(jié)針尖狀鎢電極；步驟2、在碳納米管焊接池內(nèi)，在顯微鏡視場下，用電壓法將碳納米管焊接于鎢電極針尖上；步驟3、在薄膜微細電鑄池中，采用薄膜微細電鑄的方法將鎢電極與碳納米管連接的部位電鑄一層金屬鎳；上述工具電極的移動通過精密移動軸Z軸帶動；上述工具電極制備槽、碳納米管焊接池、薄膜微細電鑄池的移動通過于XY精密位移臺實現(xiàn)。上述步驟I具體過程可以如下上述工具電極制備池內(nèi)具有帶工作孔的第一不銹鋼板；電解液浸沒第一不銹鋼板；工作時不銹鋼板與電源負極相連，工具電極與電源正極相連；將原始工具電極鎢棒穿過第一不銹鋼板上的工作孔浸入電解液面下一定深度，開始進行電化學刻蝕；經(jīng)過一段時間的電化學刻蝕后將電極向上提起一段距離，繼續(xù)進行電化學刻蝕，一段時間后再向上提起一段距離，繼續(xù)進行電化學刻蝕，直至刻蝕出所需直徑。上述步驟2具體過程可以如下上述碳納米管焊接池中具有第二不銹鋼板，第二不銹鋼板上用導電膠粘結(jié)有陣列的多壁碳納米管；工作時多壁碳納米管通過第二不銹鋼板與電源正極相連，工具電極與電源負極相連；在顯微鏡放大視場下，找到突出在最前面的一根碳納米管，讓鎢電極靠近突出的碳納米管，當碳納米管和鎢電極之間的距離為1-10微米時，在兩者之間施加8 30V交流或者直流電壓，直至碳納米管被電極端部吸引，再調(diào)節(jié)精密微動臺，使碳納米管的軸線與工具電極軸線的方向一致，然后在兩者之間施加3(T60V交流或者直流電壓，碳納米管與工具電極之間發(fā)生電弧放電，獲得碳納米管工具電極。上述步驟3具體過程可以如下上述薄膜微細電鑄池中懸置一鎳環(huán)；將粘結(jié)好的碳納米管工具電極穿過鎳環(huán)，然后用吸管吸取電鑄液并注入鎳環(huán)，形成一層薄薄的電鑄液液膜；工作時碳納米管與電源陰極相連，鎳環(huán)與電源陽極相連；控制電鑄時間，即可將鎢電極與碳納米管的粘結(jié)的部分電鑄一層金屬鎳；金屬鎳的厚度通過調(diào)節(jié)電鑄的電流密度和時間來控制，電流密度越大，時間越長，鎳層的厚度越厚。用于所述的微細電解加工碳納米管工具電極制備方法的多功能工作槽，其特征在于該多功能工作槽由工具電極制備池、碳納米管焊接池和薄膜微細電鑄池組成；上述工具電極制備池內(nèi)具有U型底座，U型底座上固定著帶工作孔的第一不銹鋼板；上述碳納米管焊接池內(nèi)具有U型底座，U型底座上固定著第二不銹鋼板，第二不銹鋼板上用導電膠粘結(jié)有陣列的多壁碳納米管；上述薄膜微細電鑄池內(nèi)具有L型底座，L型底座上懸置一金屬圓環(huán)；
本發(fā)明具有以下優(yōu)點1.該方法采用在線制備碳納米管工具電極，對于碳納米管工具電極的制備，無需經(jīng)過多次裝夾，減少裝夾誤差和裝夾過程中對碳納米管工具電極的損壞。一般工具電極制備、碳納米管工具電極的焊接，及對其進行的后處理，一般都是在不同的儀器設(shè)備上進行的。本發(fā)明采用的多功能工作槽，分為A、B和C三個工作槽，將工具電極制備、碳納米管焊接及微細電鑄加固集為一體，無需更換工作槽，并在同一個精密機床上制作。采用該方法，不僅減少了裝夾的誤差和次數(shù)，而且還提高了碳納米管工具電極制備的效率。2.采用液膜法對鎢電極與碳納米管連接的部位電鑄一層金屬鎳。碳納米管是疏水性材料，在進入液體環(huán)境過程中極易折彎，或者由于粘結(jié)強度不夠而丟失。在已有的研究中，增加碳納米管與探針粘結(jié)強度的方法中，用到的是在SEM下沉積碳化物、真空蒸鍍乙二胺膜。這些方法都需要昂貴的設(shè)備及苛刻的環(huán)境，乙二胺還是有毒的試劑，在使用時要特別注意安全。若要米用一般電鑄的方法將碳納米管工具電極表面鑄上一層金屬，首先要解決的還是碳納米管電極如何進入電鑄液的問題，這又將問題回歸到了原點。本發(fā)明采用的是液膜微細電鑄的方法，可以解決這一問題，先將粘結(jié)好的碳納米管工具電極穿過鎳環(huán)，然后再將電鑄液用吸管注入鎳環(huán)，即可進行電鑄試驗，該方法簡便可行。3.本發(fā)明采用液膜電鑄法對碳納米管工具電極進行處理，增加了電極與碳納米管之間的粘結(jié)強度和電導率。通過電壓法將碳納米管與電極針尖焊接在一起，其焊接點接觸面積較小且結(jié)合力較弱約為1. 2-3. 6 μ N，通過在其焊接的地方電鑄上一層金屬，變相增加了碳納米管部分與工具電極部分的接觸面積，即增加了其電導率和粘結(jié)強度。


圖1是微細電解加工碳納米管工具電極制備系統(tǒng) 圖2是碳納米管工具電極微細電鑄示意 圖3是多功能工作槽 其標號名稱為1.工控機；2.數(shù)據(jù)采集卡；3.視頻采集卡；4.運動控制卡；5運動主軸Z軸；6.示波器；7.電源；8.多功能工作槽；9.運動主軸Y軸；10.運動主軸X軸；11.隔振平臺；
12.彈簧夾頭；13.工具電極；14. CXD ;15.金屬圓環(huán)；16.陣列碳納米管；17.電鑄液；18. L型底座；19.螺栓；20.導線；21.U型底座；22.導電膠；23.不銹鋼板；24.帶孔不銹鋼板；25.電解液。
具體實施例方式 將原始工具電極鎢棒13夾持于具有納米分 辨率的精密移動軸Z軸5上；多功能工作槽8置于XY精密位移臺上；
在多功能工作槽A中，運用電化學刻蝕制備多節(jié)針尖狀電極。將厚度為1.8-2mm的帶孔的不銹鋼板24固定在A池中U型底座21上，不銹鋼上孔直徑為4-5mm，并將不銹鋼板作為陰極與電源負極相連；采用2mol/L的氫氧化鉀作為電解液,原始鶴電極直徑為300 μ m,鎢電極接電源正極?？刂七\動主軸Z軸5將原始鎢電極浸入電解液面下一定深度，開始進行電化學刻蝕，經(jīng)過一段時間的電化學刻蝕后，向上提起一段距離，繼續(xù)進行電化學刻蝕，一段時間后再向上提起一段距離，繼續(xù)進行電化學刻蝕，直至刻蝕出所需直徑后停止加工。制備好電極后，移動運動主軸X軸10將在多功能工作槽B移至電極的正下方。在B中，將陣列的多壁碳納米管16用導電膠22粘結(jié)于固定在底座21上的不銹鋼板23上，碳納米管通過不銹鋼板連接電源的正極，此時電極接電源負極。在顯微鏡14放大倍數(shù)為1000倍的視場下，找到突出在最前面的一根碳納米管，并移動三維工作臺，讓鎢電極靠近突出的碳納米管。當碳納米管和鎢電極之間的距離很近的時候，約1-10微米時，在兩者之間施加8^30V交流或者直流電壓，直至碳納米管被電極端部吸引，再調(diào)節(jié)精密微動臺，使碳納米管的軸線與工具電極軸線的方向一致，然后在兩者之間施加3(T60V交流或者直流電壓，碳納米管與工具電極之間發(fā)生電弧放電，獲得碳納米管工具電極；
獲得碳納米管工具電極后，移動運動主軸X軸10將在多功能工作槽C移至工具電極的正下方。金屬圓環(huán)15被固定在L型底座18上，圓環(huán)一段懸空,金屬圓環(huán)15直徑為4_5mm,是用直徑為200 μ m的鎳絲彎曲而成的。此時先將將粘結(jié)好的碳納米管工具電極穿過鎳環(huán)，然后用吸管吸取電鑄液并注入鎳環(huán)，形成一層薄薄的電鑄液液膜。碳納米管工具連接電源陰極，鎳環(huán)連接電源陽極，控制電鑄 時間，即可將鎢電極與碳納米管的粘結(jié)的部分電鑄一層金屬鎳。金屬鎳的厚度可通過調(diào)節(jié)電鑄的電流密度和時間來控制。
權(quán)利要求
1.一種微細電解加工碳納米管工具電極制備方法，其特征在于包括以下過程 步驟1、在工具電極制備槽(A)中，運用電化學刻蝕方法對原始工具電極鎢棒(13)進行加工，制備多節(jié)針尖狀鎢電極； 步驟2、在碳納米管焊接池(B)內(nèi)，在顯微鏡(14)視場下，用電壓法將碳納米管焊接于鶴電極針尖上； 步驟3、在薄膜微細電鑄池(C)中，采用薄膜微細電鑄的方法將鎢電極與碳納米管連接的部位電鑄一層金屬鎳； 上述工具電極的移動通過精密移動軸Z軸(5)帶動；上述工具電極制備槽(A)、碳納米管焊接池(B)、薄膜微細電鑄池(C)的移動通過于XY精密位移臺(9、10)實現(xiàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微細電解加工碳納米管工具電極制備方法，其特征在于 上述步驟I具體過程如下上述工具電極制備池(A)內(nèi)具有帶工作孔的第一不銹鋼板(24);電解液浸沒第一不銹鋼板(24);工作時不銹鋼板(24)與電源負極相連，工具電極與電源正極相連；將原始工具電極鎢棒(13)穿過第一不銹鋼板(24)上的工作孔浸入電解液面下一定深度，開始進行電化學刻蝕；經(jīng)過一段時間的電化學刻蝕后將電極向上提起一段距離，繼續(xù)進行電化學刻蝕，一段時間后再向上提起一段距離，繼續(xù)進行電化學刻蝕，直至刻蝕出所需直徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微細電解加工碳納米管工具電極制備方法，其特征在于 上述步驟2具體過程如下上述碳納米管焊接池(B)中具有第二不銹鋼板(23)，第二不銹鋼板(23)上用導電膠(22)粘結(jié)有陣列的多壁碳納米管(16);工作時多壁碳納米管(16)通過第二不銹鋼板(23)與電源正極相連，工具電極與電源負極相連；在顯微鏡(14)放大視場下，找到突出在最前面的一根碳納米管，讓鎢電極靠近突出的碳納米管，當碳納米管和鎢電極之間的距離為1-10微米時，在兩者之間施加8 30V交流或者直流電壓，直至碳納米管被電極端部吸引，再調(diào)節(jié)精密微動臺，使碳納米管的軸線與工具電極軸線的方向一致，然后在兩者之間施加3(T60V交流或者直流電壓，碳納米管與工具電極之間發(fā)生電弧放電，獲得碳納米管工具電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微細電解加工碳納米管工具電極制備方法，其特征在于 上述步驟3具體過程如下上述薄膜微細電鑄池(C)中懸置一鎳環(huán)(15);將粘結(jié)好的碳納米管工具電極穿過鎳環(huán)，然后用吸管吸取電鑄液并注入鎳環(huán)，形成一層薄薄的電鑄液液膜；工作時碳納米管與電源陰極相連，鎳環(huán)與電源陽極相連；控制電鑄時間，即可將鎢電極與碳納米管的粘結(jié)的部分電鑄一層金屬鎳；金屬鎳的厚度通過調(diào)節(jié)電鑄的電流密度和時間來控制，電流密度越大，時間越長，鎳層的厚度越厚。
5.用于權(quán)利要求1所述的微細電解加工碳納米管工具電極制備方法的多功能工作槽，其特征在于該多功能工作槽(8)由工具電極制備池(Α)、碳納米管焊接池(B)和薄膜微細電鑄池(C)組成； 上述工具電極制備池(A)內(nèi)具有U型底座(21)，U型底座(21)上固定著帶工作孔的第一不銹鋼板(24)； 上述碳納米管焊接池(B)內(nèi)具有U型底座(21)，U型底座(21)上固定著第二不銹鋼板(23)，第二不銹鋼板(23)上用導電膠(22)粘結(jié)有陣列的多壁碳納米管(16)； 上述薄膜微細電鑄池(C)內(nèi)具有L型底座(18)，L型底座(18)上懸置一金屬圓環(huán)(15);根據(jù)權(quán)利要求5所述的多功能工作槽，其特征在于上述工具電極制備池(A)中的第一不銹鋼板(24)厚度為1. 8-2mm，所述工作孔直徑為4_5mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多功能工作槽，其特征在于上述薄膜微細電鑄池(C)中的金屬圓環(huán)(15)直徑為4-5_，使用直徑為200 μ m的鎳絲彎曲而成。
全文摘要
本發(fā)明涉及適用于電解加工的碳納米管工具電極的制備，屬于電化學加工領(lǐng)域。該方法包括以下步驟1.將原始工具電極鎢棒(13)夾持于具有納米分辨率的精密移動軸Z軸(5)上；2.將多功能工作槽(8)置于XY精密位移臺(9)(10)上；3.在多功能工作槽(8)A中，運用電化學腐蝕的方法在線制備鎢電極；4.在多功能工作槽(8)B中，在顯微鏡(14)視場下，用電壓法將碳納米管焊接于鎢電極上；5.在多功能工作槽(8)C中，采用薄膜微細電鑄的方法將鎢電極與碳納米管連接的部位電鑄一層金屬鎳。本發(fā)明的方法增加了鎢電極與碳納米管的粘結(jié)強度，及整個碳納米管工具電極的電導率，為其在電解液環(huán)境中進行納米電解加工提供保證。
文檔編號C25D1/00GK103056463SQ20121054446
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月17日
發(fā)明者朱荻, 曾永彬, 吳修娟, 曲寧松 申請人:南京航空航天大學