电铸技术发展及研究的主要方向.docx

张康智陈万强西安航空学院李祥阳西安 710077王芳摘 要:简述了电铸的基本原理及优点，并介绍了目前电铸技术的主要研究内容及关键技术。关键词:电铸 微电铸 喷射式电铸 快速成型 电铸纳米晶体中图分类号:tg66文献标识码: a文章编号：1000 4998 (2014) 02 0080 03电铸就是将非金属铸模（光刻胶、塑料等）用电沉积的方法对其填充各种金属，然后将金属剥离，从而得 到与非金属结构一致的金属微结构的工艺方法。 美国 电镀和表面精饰学会（aesf）对电铸的定义是“通过在 最终将与镀层分离的基体或者模具上进行电镀， 从而 进行工件复制生产的一种工艺”。 电铸技术诞生后的一 百多年间， 这种精密成型能力突出的工艺主要用于常 规尺寸形状复杂工件的模型复制以及工件表面形貌精 确复制，人们致力于解决镀层太厚（相对于一般电镀而 言）所造成的内应力困难等相关工艺技术问题，使其在 印刷制版、光盘模版制作、精密工件复制、大型工件修 复等方面得到推广应用。电铸技术的基本原理如图 1 所示，电铸过程中，阳 极金属在电压作用下“溶解”（被氧化）成为阳离子，进 入溶液。 溶解的金属离子通过电铸液中的运动到达阴极发生还原反应生成金属原子，在阴极表面沉积。电铸技术的优缺点（1） 尺寸精度高。 芯模加工成所需的尺寸精度后， 电铸可以精确地加以复制， 可以得到尺寸几乎完全相 同的复制品，因此适于生产精度要求很高的工件。（2） 芯模表面的精确复制。 电铸工艺能实现极高 精度的表面细节复制，复制水平可以达到 0.01 m，具 有高度的逼真性，这是其它生产工艺难以媲美的。1（3） 可以生产复杂形状器件。可以将难以加工的 内型面加工转化为外型面加工， 例如特殊型面的波导管、气切割嘴、薄壁回转件的加工。（4） 可以调节沉积层的物理性质。 可以通过改变 电铸条件、铸液成分等方法来调节金属电铸层的硬度、 韧性和拉伸强度等机械力学性能。（5） 加工尺寸范围大。 电铸加工的尺寸范围一般 只受电铸设备的限制， 产品的尺寸可以从微观的毫微 米级到宏观的大器件。（6） 便于批量生产。 在一个电铸工序中，可以同时 加工模具上的多种孔洞，减少了模具制作的循环周期。 芯模和电铸液均可以重复使用， 因此器件加工时具有 较好的重复性。在实际应用中， 微细电铸技术也存在着一些缺陷 是需要克服的。（1） 电铸沉积时间较长。 这个缺点可以通过批量 生产来弥补，或者增加芯模与电铸液间电压，进而增加 电流密度，来获得高的电铸沉积速度。（2） 电铸材料的限制。 从目前的材料性能、工艺以收稿日期：2013 年 7 月曾芬芳. capp 发展现状与发展趋势 j.中国制造业信 息化，2004，6（6）：32-33.仇晓黎基于网络化制造装配 capp 技术的研究d.南京： 东南大学，2002朱永庆继电器装配 capp 系统平台及装配过程模拟研究 4zhang h c，mallur s. an integrated model of processplanning production scheduling j. international journal of computer integrated manufacturing，1994，7（6）：356-364. 张振明. 现代 capp 的应用与发展趋势 j. cad/cam 与 制造业信息化，2004（z1）：30-31.韦朝强基于 web 的装配控制与管理系统研究d西安：西安理工大学，20037859d.福州：福州大学，20016葺（编辑小前）80机械制造 52 卷 第 594 期2014 2旋转阴极 碟片夹具阳极隔板 珠状镍阳极电铸液循环泵图 1 电铸原理现 状趋 势战 略及加工成本等几方面因素综合考虑， 通常只有部分金属能作为电铸材料应用，较为常用的有铁、镍、铜等。（3） 电铸脱模。 目前，电铸脱模主要依靠机械、化 学或者加热的办法， 为了保证电铸层在脱模时不被破 坏，电铸件的结构设计是关键。解液工艺参数，尽可能加大待铸件与阴极间的距离，采用象形阳极， 有效地搅拌及采用辅助阴极等方法来提 高镀层的均匀性。 总之，采用合理的方法，有效的措施， 获得电场分布均匀、尺寸精度高、力学性能佳的微细电 铸新工艺（如超临界微细电铸、超声波复合电铸等），将 是今后研究的重点，从而提高微电铸层的均匀性。 2.2喷射式电铸现有电铸技术存在的一个显著问题是单位面积电 沉积速率低， 喷射式电铸就是为了提高电铸的电沉积 速率而提出的一种新的工艺方法。 喷射式电铸是利用 口径极小的喷嘴将电 解液以极高的速率喷向阴极表 面， 此时速度极高的电解液不但起到了强烈搅拌的作 用，而且大大降低了浓差极化，因此极限电流密度有较 大增加，从而可以使电铸的电沉积速率大为提高。 电铸 液的喷射流量与电流密度和电铸速率之间基本上呈线 性关系，随着流量的增大，电铸电流密度逐渐增大，电 铸速率随着流量的增加也逐渐提高。 其原因是随着电 铸液流量的提高，参与电沉积的离子数量随之增加，因 此，电铸的电沉积速率也有所提高。2.3电铸技术在模具快速成型中的应用现在，产品更新换代的速度越来越快，要求设计人 员对市场需求迅速作出反应，这样，利用电子计算机进 行设计和原型加工的技术也就应运而生， 这就是计算 机 辅 助 设 计 cad （computer aided design） 和 计 算 机 辅助制造 cam （computer aided manufacturing）技术。 尤其是 cam 技术的出现，使设计从概念到成型的速度 大为提高，而这种快速成型技术的制品，也是很好的电 铸原型， 从而提高了电铸加工对市场的响应能力。 同 时，许多概念车型、手机外型等产品样件在采用快速成 型加工后，都需要进行包括装饰性电镀的表面精饰。传统的铸模制造是一个复杂的过程， 而采用快速 成型和电铸法，则可以大大提高制模的效率，其具体步 骤如下。（1） 进行模具的三维设计。 应用 cad 软件建立电 铸模具原型的三维模型图， 然后转换成快速成型机可 以识别的 stl 文件。（2） 快速制造原型。 采用 lom （laminated object manufacturing） 分层实体制造技术在快速成型机上根 据输入的图型文件指令快速制出纸基原型芯模。（3） 原型的表面金属化。 对于成型后的纸型，需要 进行表面金属化处理后，才可以进行电铸加工，这是此 新工艺的技术关键之一。 由于纸型的耐酸、碱性能差， 如果采用化学法进行金属化处理， 事先要对纸原型进 行塑料化处理，即在原型表面喷涂极薄的树脂，类似于 罩光清漆处理，最好是 abs 树脂涂料。 如果对表面尺寸精度有较高要求， 则可以采用真空镀膜 （通常是镀（4） 内应力。大多数的电铸沉积都会带有压应力 或者拉应力， 内应力的存在容易造成沉积层的裂纹和起皮。 电铸过程中，通常加入减低应力添加剂、电化学 反馈系统或者采用脉冲电源来减小内应力。（5） 厚度的不均匀性。 目前，获得均匀电铸层的方 法有很多种， 辅助阴极就是通过改变局部沉积速度的 方法来获得均匀的电铸层。2电铸研究的主要内容2.1微电铸工艺微电铸工艺是在传统电铸工艺的基础上建立起来 的新概念，具有微小结构成型、复杂结构成型、高精度 和批量生产等突出优点 。 微 电 铸 工 艺 是 liga/ uv- liga 技术的核心内容，在 mems 技术和微、纳米制造 领域中有着良好的应用前景。 作为一种先进的制造技 术，微电铸工艺主要用于制作各种精密、异型、复杂、微 细等难以用传统加工方 法制得或加工成本很高的结 构，适用于航空、航天、核工业、仪器仪表、微型机械等 高新技术领域，已受到日益广泛的关注。 然而，微电铸 工艺存在的铸层厚度均匀性差、制作周期长、残留内应 力大、 铸层易出现缺陷及硬度低等不足也严重制约着 其应用与发展，因此有必要对其进行深入研究，解决存 在的问题，这对于提高微电铸的工艺水平、推动其发展 具有非常重要的现实意义。 针对原有工艺存在的缺陷， 研究人员进行了大量理论分析和理论建模， 并在改善 铸层均匀性、提高电铸速率、消除内应力以及优化沉积 层性能等方面做了很多有益的探索和尝试。微电铸工艺随着 mems 工艺的发展而产生，在继 承传统电铸工艺特点的同时， 有机地结合了集成电路 制造工艺， 已成为 liga/ uv-liga 工艺的基 础 和 核 心， 成为微加工技术领域中一个不可或缺的重要组成 部分。 然而， 微电铸工艺也是一个十分复杂的工艺体 系，影响沉积层微观结构和性能的因素有很多，还有许 多问题尚待解决，如在沉积速率的提高、应力的控制、 电铸液配方的改进和沉积层性能的优化等方面， 对微 电铸工艺都需要进一步深入研究。 其中，提高沉积层性 能，如:硬度、强度、耐腐蚀性和耐磨性等，尤其具有重 要的实用意义。 可以预见，微电铸工艺的发展将会对微 加工技术的应用与推广起到积极的促进作用。微电铸工艺中， 铸层均匀性直接影响到所制作微器件的质量和性能，可通过选择适当的添加剂，优化电机械制造 52 卷 第 594 期2014 281现 状趋 势战 略银）的方法让其表面金属化。 当然，如果步骤（2）采用的是 sl（光固化）技术，则原型就是光固化树脂，以方便 采用化学法进行表面金属化处理。（4） 电铸。 完成表面金属化的原型经检验合格后， 即可以进入电铸流程。高的复制精度，因此在激光防伪商标模板、精密模具、微机械构件等方面得到了一定的应用。 但电铸技术也 存在一些制约其广泛应用的缺点， 因此如何利用其优 点， 克服其缺点， 成了近年来人们研究的一个热门课题，其中包括电铸与其它工艺的结合，如图 2 所示。电铸纳米晶体材料的研究纳米晶体材料结构上的特殊性使其具有优于粗晶 材料的特殊性能，成为国际材料研究的热点之一。 在诸 多的制备方法中，电沉积法由于容易控制合金的比例， 能制备出高质量的块体纳米纯金属及合金， 引起人们 的强烈关注。 采用纳米晶体材料是提高电铸层性能的 一条重要途径， 同时也使纳米技术通过电铸工艺应用 于实际生产。电铸纳米晶体材料的优势是：（1） 电铸层具有独特的高密度和低孔隙 率 特 征 ， 结晶组织取决于电沉积参数，晶粒尺寸分布窄。2.43结束语电铸技术发明至今已有 170 多年， 电铸技术已经 从简单的铜、 镍、 铁金属电铸发展为现在高强合金电 铸、纳米电铸以及复合材料电铸等许多新型材料电铸; 从早期最主要的应用印刷版的制取， 发展到无论是高 科技精密制造还是传统制造业， 电铸技术都有着重要 的应用方向。 随着物理化学、材料学、机械工程、电工 学、环境科学等学科的不断发展，必将扩大电铸技术的 应用，进一步促进电铸技术的发展。参 考 文 献（2） 工艺上易通过改变电解参数、电解液成分等1吕益艳，王帮峰，吴安德，等.发展中的电铸技术j.电加工与模具，2000（4）:44-46.王 文 忠.电铸技术及其 应 用 j.电 镀 与 涂 饰 ，1998，17（3）: 36-39.约翰 j伯 克，沃 克威 斯，著. 王燕文，张永昌，周宝群，译. 超细晶粒金属m.北京:国防工业出版社，1982.欧阳鑫，朱金南，寿伯春，等.电镀工艺学m.北京:科学普及出版社，1984:19-20.条件来控制材料的化学成分、结晶组织和晶粒大小。（3） 容易大量制备纳米晶体纯金属、 合金及复合 材料，室温下即可形成合金。（4） 有很好的经济性和较高的生产率。（5） 所需的设备是常规的， 将该技术从实验室转 向工业应用需克服的技术障碍相对较小，初始投资低。 纳米晶体材料具有普通材料所无法比拟的优势 ，234出， 电铸制备的纳米晶体材料种类比较有限， 仅局 限 于 某些可电铸的金属 。 因此， 今后需要加强对可 电 铸 材料的研究和开发 ， 进而制备更多的纳米晶体 材料。2.5电 铸 与 其 它 工 艺 的 结合由于电铸技术具有极保护，1997（3）:3-5.朱增伟，朱荻.硬质粒子摩擦法电铸新技术的研究j.中国 机械工程，2006（1）:60-63.蒋军涛，朱荻，雷卫宁.基于稀 土 lacl3 电 铸 工 艺 研 究 j. 机械制造与研究，2005（3）:22-26.薛玉君， 朱荻， 赵飞. 镍-氧化镧纳米颗粒复合电铸的研 究j.机械科学与技术，2004（12）:1410-1413.雷卫宁，朱荻，徐惠宁，等.纳