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CN107999908B - 一种微坑阵列的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种微坑阵列的制作方法，包括以下几个步骤：（1）制备磁性胶体粒子悬浮液。（2）在工件表面制备磁性胶体粒子膜。（3）以工件为阳极，在电解槽的阴极和阳极外侧加平行于电极的磁极，磁性胶体粒子在所加磁极产生的磁场作用力下被牢固地压在工件表面上，以表面覆有磁性胶体粒子的工件为阳极，以工件表面上的磁性胶体粒子为掩膜，在磁性胶体粒子之间的间隙中对工件进行电解腐蚀加工。（4）去除磁性胶体粒子，得到微坑结构。本发明利用磁场力对磁性胶体粒子的作用，有效解决了粒子掩膜电解过程中作为掩膜的胶体粒子和基底之间黏附力不足的问题，其掩膜固定方式简单、操作简单，可保证掩膜电解加工微坑阵列工艺地顺利进行。

Description

一种微坑阵列的制作方法
技术领域
本发明涉及一种微坑阵列的制造方法，属于微纳加工领域。
背景技术
近年来，表面微坑结构因其良好耐摩擦性、润湿性、超疏水性及生物相容性等性能而成为研究的热点，被广泛应用于高速超高速摩擦件、抗油疏水件、生物器件以及微器件的表面制备中。
目前常用的微坑阵列加工方法有：微机械加工、自激振动加工方法、电火花加工、激光束加工、掩膜刻蚀和掩膜电解加工方法等。其中的光刻技术是微纳制造中常用工艺，但其加工成本较高、不适用于大面积结构、三维复杂微结构、特别是曲面结构的加工制备。虽然灰阶掩膜技术和数字灰度光刻技术的发展使得光刻的方法能够初步应用于三维连续浮雕微结构表面的制备，但其光刻精度仍受到最小光刻线宽的影响且所能制备三维面形的复杂程度有限、面形可控性低。
近年来，胶体粒子开始被用作模板结合电化学工艺制造各种微纳米结构阵列，该方法因其简便、经济等优点而成为当前的研究热点。在实际加工中只需改变胶体粒子的粒径,便可制备不同尺寸的大面积周期阵列结构。但胶体粒子在制造工艺中可能因为和基底之间的粘附力不足，在电化学加工过程中从基底脱落，导致制备的微结构出现较多空位和浅坑缺陷甚至工艺失败的现象。在现有的研究中，磁场辅助电化学工艺在电极间引入外加磁场，改变金属离子的运动轨迹与速度，从而改变电化学加工的某些特性已成为一种成熟技术。
发明内容
本发明的内容在于解决现有纳米胶体粒子掩膜制备微坑工艺中胶体粒子和基底的黏附力不足的问题，利用作为掩膜的磁性胶体粒子在磁场中受磁场力的作用被压在工件表面的性质，提出一种微坑制造方法，有效解决胶体粒子在基底的黏附力不足问题，可有效实现微坑结构阵列制造。
本发明的技术方案为：
一种微坑阵列的制造方法，包括以下步骤。
（1）制备磁性胶体粒子悬浮液。取适量的磁性胶体粒子放入水中，加入表面活化剂、在超声振荡器中振荡一定时间获得磁性胶体粒子悬浮液。
（2）制备磁性胶体粒子膜。将待加工工件表面进行抛光、除油、除锈、亲水处理，干燥备用。在工件表面滴涂磁性胶体粒子悬浮液，将其置入超声振荡器中的干燥容器中，在超声振动的作用下使磁性胶体粒子悬浮液在工件表面均匀分散开，干燥后在工件表面上得到均匀分布的磁性胶体粒子的单层膜。
（3）电解腐蚀微坑。以工件为阳极，在电解槽的阴极和阳极外侧加平行于电极的磁极，磁性胶体粒子在所加磁极产生的磁场作用力下被牢固地压在工件表面上，以工件表面上的磁性胶体粒子为掩膜，在磁性胶体粒子之间的间隙中对工件进行电解加工。
（4）去除磁性胶体粒子，得到微坑结构。达到加工要求后，停止电解，取出工件，放入有机溶剂中超声振荡清洗，去除磁性胶体粒子，得到微坑阵列。
在电解过程中，电解产物会对胶体粒子掩膜产生一定的冲击作用。胶体粒子掩膜与基底的黏附性好坏以及掩膜是否能在基底上保持到电解工艺结束，是能否成功加工微坑阵列的关键。本发明中，在电解槽的阴阳两极外侧所加磁极提供的磁场力可以把磁性胶体粒子牢固地压在工件表面上，使其即使在电解产物冲击力的作用下仍保持原来位置，使掩膜电解过程顺利进行。
本发明与现有技术相比有以下优点：与现有磁场辅助电化学工艺的不同之处在于，本发明在电解工艺中阴阳两极外侧所加磁场的主要作用是为加工表面上的磁性胶体粒子提供压力—将磁性胶体粒子牢固地压在被加工工件表面、实现胶体粒子在电解工艺中的掩膜作用，其掩膜固定方式简单、可靠性高、操作简单，解决了微坑阵列制备中掩模粒子因固定力不足而导致的提前脱离的问题，保证微坑阵列电解加工工艺地顺利进行。
附图说明
图1是工件表面制备的单层磁性胶体粒子膜的示意图。
图2是在磁场作用下的微坑阵列的掩膜电解加工工艺的装置原理图。
图3是掩膜电解加工得到的微坑结构阵列的示意图。
图中标号名称：1.磁性胶体粒子，2.工件，3.电解槽的阴极，4.磁极，5.微坑。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明进行具体描述。
本实例的一种微坑制造技术的加工方法，包括以下步骤。
（1）制备磁性胶体粒子悬浮液。取适量的磁性胶体粒子1放入水中，加入表面活化剂、在超声振荡器中振荡一定时间获得磁性胶体粒子1悬浮液。
作为优选，表面活化剂可选用聚乙二醇。
作为优选，磁性胶体粒子的材料为强磁性材料，如铁、钴、镍以及它们的合金。
作为优选，所述的磁性胶体粒子直径大小均匀，根据所需微坑阵列的尺寸选择，本发明优选直径为300nm~100μm的磁性胶体粒子。
（2）制备磁性胶体粒子膜。将工件2表面进行抛光、除油、除锈、亲水处理，干燥备用。在工件2表面滴涂磁性胶体粒子1悬浮液，将其置入超声振荡器中的干燥容器中，在超声振动的作用下使磁性胶体粒子1悬浮液在工件2表面均匀分散开，干燥后在工件2表面上得到均匀分布的磁性胶体粒子1的单层膜。
作为优选，工件应选择导电良好、电解腐蚀性良好的材料，本实例所选的工件材料为镍、铜、铝。
作为优选，在超声振荡器内超声振动时间为15~30min。
（3）电解腐蚀微坑。以工件2为阳极，在电解槽的阴极3和阳极两侧加平行磁极4，磁性胶体粒子在所加磁极4产生的磁场作用力下被牢固地压在工件2表面上，以工件2表面上的磁性胶体粒子1为掩膜，在磁性胶体粒子1之间的间隙中对工件1进行电解加工。
作为优选，电解液可选择氯化钠、硝酸钠溶液，本实例选质量分数为25%的氯化钠溶液。
作为优选，所加的磁极提供的磁场力必须保证可以把磁性胶体粒子固定在基底上，本实例所选磁场强度为10T的磁场。
（4）去除磁性胶体粒子，得到微坑结构。达到加工要求后，停止电解，取出工件2，放入有机溶剂中超声振荡清洗，去除磁性胶体粒子1，得到微坑5阵列。
作为优选，有机溶剂可以选用乙醇、丙酮。

Claims (8)

1.一种微坑阵列的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）制备磁性胶体粒子悬浮液：取适量的磁性胶体粒子放入水中，加入表面活化剂、在超声振荡器中振荡一定时间获得磁性胶体粒子悬浮液；
（2）制备磁性胶体粒子膜：将待加工工件表面进行抛光、除油、除锈、亲水处理，干燥备用；在工件表面滴涂磁性胶体粒子悬浮液，将其置入超声振荡器中的干燥容器中，在超声振动的作用下使磁性胶体粒子悬浮液在工件表面均匀分散开，干燥后在工件表面上得到均匀分布的磁性胶体粒子的单层膜；
（3）电解腐蚀微坑：以工件为阳极，在电解槽的阴极和阳极外侧加平行于电极的磁极，磁性胶体粒子在所加磁极产生的磁场作用力下被牢固地压在工件表面上，以工件表面上的磁性胶体粒子为掩膜，在磁性胶体粒子之间的间隙中对工件进行电解加工；
（4）去除磁性胶体粒子，得到微坑结构阵列：达到加工要求后，停止电解，取出工件，放入有机溶剂中超声振荡清洗，去除磁性胶体粒子，得到微坑阵列。
2.根据权利要求1所述的一种微坑阵列的制作方法，其特征在于，所述的磁性胶体粒子的材料为强磁性材料。
3.根据权利要求1所述的一种微坑阵列的制作方法，其特征在于，所述的磁性胶体粒子直径大小均匀，根据所需微坑阵列的尺寸选择磁性胶体粒子直径。
4.根据权利要求1所述的一种微坑阵列的制作方法，其特征在于，所述的工件应选择导电良好、电解腐蚀性良好的材料。
5.根据权利要求1所述的一种微坑阵列的制作方法，其特征在于，所述的磁极提供的磁场力必须保证可以把磁性胶体粒子固定在基底上。
6.根据权利要求2所述的一种微坑阵列的制作方法，其特征在于，强磁性材料为铁、钴、镍或它们的合金。
7.根据权利要求4所述的一种微坑阵列的制作方法，其特征在于，导电良好、电解腐蚀性良好的材料为镍、铜或铝。
8.根据权利要求5所述的一种微坑阵列的制作方法，其特征在于，所选磁场强度为10T的磁场。
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