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CN106319614A - 一种加工微结构阵列的方法 - Google Patents

一种加工微结构阵列的方法 Download PDF

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CN106319614A
CN106319614A CN201610837264.1A CN201610837264A CN106319614A CN 106319614 A CN106319614 A CN 106319614A CN 201610837264 A CN201610837264 A CN 201610837264A CN 106319614 A CN106319614 A CN 106319614A
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micro structure
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秦歌
王冠
王东升
程丹佛
周奎
赵西梅
李润清
明平美
刘伟
银燕毅
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Henan University of Technology
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Henan University of Technology
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    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25F—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC REMOVAL OF MATERIALS FROM OBJECTS; APPARATUS THEREFOR
    • C25F3/00—Electrolytic etching or polishing
    • C25F3/02—Etching
    • C25F3/14—Etching locally
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23F—NON-MECHANICAL REMOVAL OF METALLIC MATERIAL FROM SURFACE; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL; MULTI-STEP PROCESSES FOR SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL INVOLVING AT LEAST ONE PROCESS PROVIDED FOR IN CLASS C23 AND AT LEAST ONE PROCESS COVERED BY SUBCLASS C21D OR C22F OR CLASS C25
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Abstract

本发明涉及一种加工微结构阵列的方法。所述方法包括以下几个步骤：（a）对待加工工件的表面进行疏水性处理；（b）在待加工工件固液界面上生成纳米气泡；（c）将化学腐蚀液或电解液通入待加工工件所处的水中，以纳米气泡作为掩膜进行化学或电化学腐蚀加工；（d）达到微结构加工要求后，停止化学或电化学腐蚀加工，取出工件，清洗、干燥。采用本发明所述的一种加工微结构阵列的方法，可以实现在大平面、三维曲面的工件表面上一次性获得大面积微结构阵列，加工工艺成本低，效率高，加工时间短。

Description

一种加工微结构阵列的方法
技术领域
本发明涉及一种加工微结构阵列的方法，属电化学加工领域。
背景技术
近年来，随着微纳加工技术的迅速发展，表面微结构化成为改善材料润湿性、减摩耐磨性、以及生物相容性的重要手段。研究表明，固体表面的微纳米结构可以显著提高其表面疏水性；摩擦副表面合理的微结构可以储存润滑液，从而有效地减小摩擦与磨损；此外，生物植入物表面微结构化可以使细胞在识别材料表面特征时，响应微米和纳米尺度的表面拓扑结构，产生“接触引导”现象。
由于表面微结构化的应用越来越广泛，各种加工微结构的方法陆续的被提出并应用于生产中。目前的微结构加工技术主要包括激光刻蚀法、微细电火花加工、电液束加工、自激振动加工方法、掩膜化学刻蚀法以及掩膜电解加工。掩膜化学刻蚀法和掩膜电解加工在加工过程中材料的去除过程是以离子尺度进行的，形成的微结构具有表面无裂纹、无微变形和无残余应力等优点。
掩膜化学刻蚀法和掩膜电解加工广泛应用的关键是制备适应性强、成本较低的掩膜。目前光刻胶是最常用的掩膜材料，但需要经过涂胶、前烘、曝光、后烘、显影等一系列复杂工序，且在三维曲面上进行上述步骤难以实现；此外，也有首先在工件表面形成一层钝化膜，再用激光刻蚀出图形，未被去除的钝化膜作为掩膜来使用的方法，但上述工艺只能用于加工特殊金属材料，在普通金属材料上难以推广应用，且图形的尺寸受激光光斑影响较大。因此，有必要探索一种操作简单、高效、低成本的利用掩膜来加工微结构的方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有微结构掩膜刻蚀加工过程中掩膜制备复杂、工艺成本高、应用范围窄的不足，提供一种加工微结构阵列的方法，利用固液面纳米气泡作为化学刻蚀或电解腐蚀的掩膜，实现在大平面、三维曲面的工件表面上一次性获得大面积微结构阵列。
本发明的技术方案为：
一种加工微结构阵列的方法，其特征是，包括下列步骤：
（a）对待加工工件的表面进行疏水性处理；
（b）在待加工工件固液界面上生成纳米气泡；
（c）将化学腐蚀液或电解液通入待加工工件所处的水中，以纳米气泡作为掩膜进行化学或电化学腐蚀加工；
（d）达到微结构加工要求后，停止化学或电化学腐蚀加工，取出工件，清洗、干燥。
上述步骤（a）中的待加工工件可以是金属材料，也可以是非金属材料。
上述步骤（b）中的纳米气泡，实验研究结果表明它可以稳定存在几小时甚至几天，足以充当掩膜来进行化学或电化学腐蚀。
上述步骤（b）中的纳米气泡尺寸可通过工艺参数进行调节。
上述步骤（c）中的化学腐蚀液要根据待加工工件的材质来选定。化学腐蚀液应选择在与工件反应时不产生气体的溶液。电化学腐蚀加工只适用于待加工工件为金属材料时，电解液应选择活化电解液，如质量分数为10~25%的氯化钠溶液。电化学腐蚀加工时活化电解液在阳极不易产生氧气，以免破坏纳米气泡掩膜层。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
（1）掩膜制备简单，易于实现，且不受待加工工件材料限制，可以在复杂、大面积表面上加工微结构。
（2）纳米气泡大小、密度可调，可以控制微结构的间距、大小。
附图说明
图1是纳米气泡在待加工工件固液面的示意图。
图2是待加工工件表面被腐蚀后形成微结构的示意图。
图3是待加工工件最终形成的微结构示意图。
图中标号名称：1、待加工工件，2、纳米气泡。
具体实施方式
下面结合图1、图2、图3对本发明的具体实施过程作进一步说明。
实施实例一
（a）对待加工工件1的表面进行疏水性处理。
对经过抛光、除油、除锈等处理的铜片进行疏水性处理。
作为优选，疏水性处理的方法为溶液侵泡法、电化学腐蚀法或刻蚀法。本实例采用的是电化学腐蚀法。
（b）在待加工工件1固液界面上生成纳米气泡2。
将经过疏水性处理的铜片先浸入乙醇，然后用水替换乙醇，乙醇优先润湿疏水基底，因而铜片表面上的乙醇不易被替换，但是乙醇与水混溶而浸入水相，由于水中气体的溶解度较低，当乙醇与水混合，气体分子就会扩散出来，乙醇完全被水替换后，溶解在乙醇中的气体将被“沉积”在铜片表面，生成纳米气泡，如图1所示。
（c）将化学腐蚀液或电解液通入待加工工件1所处的水中，以纳米气泡2作为掩膜进行化学或电化学腐蚀加工。
将等质量的质量分数为20%的氯化钠电解液通入到铜片Ⅰ所处的水中，轻微搅拌，形成10%的氯化钠电解液。以铜片Ⅰ为阳极，以另一铜片Ⅱ为阴极，通入电流密度为10A/cm2的直流电10s进行电化学腐蚀，无纳米气泡掩盖的区域被腐蚀出微结构，如图2所示。
（d）达到加工要求后，停止化学或电化学腐蚀加工，取出工件，清洗、干燥。
加工结束后，取出铜片Ⅰ，清洗、干燥，获得最终的微结构，如图3所示。
实施实例二
实施实例二中的步骤（a）（b）与实施实例一的步骤（a）（b）相同。其余步骤为：
（c）将化学腐蚀液或电解液通入待加工工件1所处的水中，以纳米气泡2作为掩膜进行化学或电化学腐蚀加工。
将等质量的质量分数为10%的氯化铁溶液通入到铜片Ⅰ所处的水中，轻微搅拌，形成5%的氯化铁溶液，进行化学腐蚀。此时，无纳米气泡掩盖的区域被腐蚀出微结构，如图2所示。
（d）达到加工要求后，停止化学或电化学腐蚀加工，取出工件，清洗、干燥。
加工结束后，取出铜片Ⅰ，清洗、干燥，获得最终的微结构，如图3所示。

Claims (5)

1.一种加工微结构阵列的方法，其特征是，包括下列步骤：
（a）对待加工工件的表面进行疏水性处理；
（b）在待加工工件固液界面上生成纳米气泡；
（c）将化学腐蚀液或电解液通入待加工工件所处的水中，以纳米气泡作为掩膜进行化学或电化学腐蚀加工；
（d）达到微结构加工要求后，停止化学或电化学腐蚀加工，取出工件，清洗、干燥。
2.根据权利要求1所述的一种加工微结构阵列的方法，其特征是：所述的待加工工件可以是金属材料，也可以是非金属材料。
3.根据权利要求1所述的一种加工微结构阵列的方法，其特征是：所述的纳米气泡尺寸可通过工艺参数进行调节。
4.根据权利要求1所述的一种加工微结构阵列的方法，其特征是：所述的电化学腐蚀加工工件发生反应时，工件表面不能产生气体。
5.根据权利要求1所述的一种加工微结构阵列的方法，其特征是：所述的化学腐蚀加工工件发生反应时，工件表面不能产生气体。
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