基于Ag纳米线的微纳电解加工研究

基于Ag纳米线的微纳电解加工研究
吴修娟;曾永彬;曲宁松;王玉峰;朱荻
【摘要】The scanning tunnel microscope probe,which tip is self-assembled of Ag nanowire,is used as a tool electrode in micro-nano electrochemical machining. It is found that the Ag nanowires occur reaction with electrolyte and dissolve in the machining process. In order to improve the stability of Ag nanowire in micro-nano electrochemical machining, the method of sputtering Au on the surface of Ag nanowire is developed. The research indicates that the nanowire electrode dissolves yet during electrochemical machining when the thickness of the sputtering layer is about 27 nm and 55 nm due to loose sputtering layer,while it is bent because of large internal stress when the thickness of the sputtering layer is about 310 nm and the bent nanowire falls away from the tip of scanning tunnel microscope probe due to decreased adhesion at the juncture. The Ag nanowire is still unchanged in the electrochemical reaction,when the thickness of the sputtering layer is about 150 nm and 240 nm. The nanowire electrode with the thickness of the sputtering layer of about 150 nm is used in micro-nano electrochemical machining. The groove of 110 nm in depth and 1 μm in the entrances width is prepared successfully by using the pulse period of 50 ns,pulse on-time of 6 ns,the voltage of 4 V and 0.1 mol/L H2SO4 electrolyte in the surface of high-temperature alloys workpiece.%采用尖端自组装了Ag纳米线的扫描隧道显微镜探针作为微纳工具电极进行电解加工试验研究。

加工过程中发现Ag纳米线与电
解液发生反应而溶解。

为了使Ag纳米线稳定用于电解加工，对其表面溅射金属Au。

试验结果表明，当溅射层厚度为27 nm和55 nm时，溅射层不够致密，Ag 纳米线仍会发生溶解；当溅射层厚度为310 nm时，过厚的溅射层使Ag纳米线发生弯曲，从而使Ag纳米线与扫描隧道显微镜探针尖端的结合力变小并发生脱落；当溅射层厚度为150 nm和240 nm时，Ag纳米线在电解加工中均能保持稳定。

采用溅射层厚度为150 nm的Ag纳米线进行微纳电解加工。

在0.1 mol/L的
H2SO4电解液中，施加电压4 V、周期50 ns、脉宽6 ns的纳秒脉宽脉冲电流，在高温合金试件表面成功加工出微纳沟槽，沟槽深约110 nm，入口最宽处约
1μm。

【期刊名称】《电加工与模具》
【年(卷),期】2014(000)001
【总页数】4页(P24-27)
【关键词】Ag纳米线;微纳工具电极;微纳电解加工;离子溅射
【作者】吴修娟;曾永彬;曲宁松;王玉峰;朱荻
【作者单位】南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016
【正文语种】中文
【中图分类】TG662
自21世纪以来，由半导体微电子技术引发的微型化革命已进入纳米技术时代。

无论是微系统技术还是纳米技术，其共同的特征是功能结构的尺寸在微米或纳米范围，而实现功能结构微纳米化的基础是先进的微纳加工技术[1]。

目前，微纳加工技术
主要包括微细切削、微细磨削、微细铣削、LIGA/准LIGA、微细电火花、微细电解、飞秒激光等[2-4]。

其中，微细电解加工技术是一种非常有发展潜力的微纳加
工技术，因为工件阳极在电解加工过程中以离子
形式蚀除，具有离子尺度的加工能力。

德国MPG[5-6]采用纳秒级超短脉宽脉冲电流技术，使电化学溶解定域性发生突变，从而实现了数十微米尺度的金属三维复杂型腔的微细加工。

随着对微米级电解加工研究的不断深入，德国MPG的研究人员发现随着脉冲宽度的减小，加工间隙急剧降低。

当采用200 ps脉宽脉冲电流电解加工时，加工出的微纳结构的特征尺寸仅为260 nm，充分展示了微细电解加工技术在微纳制造领域的加工潜力。

实现微纳电解加工的前提是微纳尺度工具电极的制备。

目前，国外微纳电解加工研究一般是采用扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope，STM）针尖
和离子铣削工艺加工的电极作为微纳工具电极[7-9]。

STM针尖呈锥状，限制了其加工复杂结构及高深宽比结构的能力；而离子铣削技术成本昂贵，难以推广应用。

自组装技术是制备微纳米级结构的主要手段之一，由于其组装过程是自动、自发的，不需昂贵的加工设备，因此具有成本低的特点[10]。

纳米线是一种纳米尺度的线，即被定义为一种具有在横向上被限制在100 nm以下、纵向没有限制的一维结构，典型的纳米线的纵横比在1000以上。

目前，将纳米线自组装在AFM或STM探
针尖端的技术发展得相当成熟，特别是自组装了Ag的单晶金属纳米线的STM探针。

该探针纵横比大、导电性好，具有作为微纳电解加工工具电极的潜力。

因此，本文采用尖端自组装Ag金属纳米线的STM探针作为工具电极，并进行微纳电解
加工试验探索。

Ag纳米线工具电极是在针尖尖端自组装一段Ag纳米线的STM探针，其直径约100 nm，长度8～10 μm，电阻率约1×10-7Ω·m。

为了研究Ag纳米线工具电极是否适用于电解加工，进行了如下试验。

试验条件为：电解液为室温条件下的0.1 mol/L的H2SO4溶液，电压为4 V，脉冲周期为50 ns，脉冲脉宽为6 ns。

先将Ag纳米线电极浸入电解液中，浸泡约30 min后取出，其形貌见图1a；再将该Ag纳米线电极浸入电解液，施加脉冲电流，加工约15 min后取出，电极形貌见图1b。

通过对比可发现，在电解液中不施加电源的情况下，Ag纳米线没有发生变化；而施加电源后，Ag纳米线消失了。

这是因为Ag纳米线电极的主要成分为质量分数70%的Ag和30%的Ga。

Ag的化学性质稳定，不与稀盐酸或稀硫酸反应。

Ga是一种弱性金属，熔点为29.78℃，在空气中表现稳定，加热可溶于酸和碱，与沸水反应剧烈。

因此，在室温的稀硫酸电解液中，Ag纳米线基本能保持稳定。

而在施加电源进行加工时，由于微纳级的加工间隙及静液加工，使纳米线周围局部温度升高，从而使低熔点的Ga熔化或与电解液发生如下反应而溶解：
2.1 溅射Au处理
为了防止纳米线电极在微纳电解加工中溶解，必须对其进行表面处理。

Au的化学性质不活泼，只能溶于王水等腐蚀性较强的物质。

故可对Ag纳米线电极进行溅射Au处理，将其表面包裹一层Au，使纳米线不与电解液接触，从而保证纳米线电
极稳定地用于微纳电解加工。

采用BAL-TEC SCD005型号的离子溅射仪进行溅射Au处理，真空度为10-2～
10-1Pa，电流为33 mA。

图2是Au溅射层厚度随溅射时间的变化趋势。

可看出，当溅射时间为40 s时，溅射层厚度约27 nm，纳米线直径约154 nm。

随着溅射时间的增加，溅射层厚度不断增加，纳米线尺寸不断增大。

当溅射时间为240 s 时，溅射层厚度增至310 nm，纳米线直径为720 nm。

溅射后的Ag纳米线电极形貌见图3。

溅射40、80、120、180 s后的纳米线电极尺寸随着溅射时间的增加而不断增大，纳米线形状未发生变化；溅射240 s后的纳米线电极由于过厚的溅射层产生的内应力而发生弯曲。

2.2 溅射处理后的稳定性研究
分别对不同溅射时间处理后的纳米线电极在
电解加工中的稳定性进行研究。

试验条件同上，通电后的纳米线电极形貌见图4。

溅射处理40、80 s后的Ag纳米线电极在通电过程中仍产生溶解（图4a、图
4b）；溅射处理120、180s后的电极在通电后不发生溶解（图4c、图4d）；溅射处理240 s后的纳米线电极通电后，Ag纳米线与STM针尖脱落（图4e），这是因为Ag纳米线的弯曲使其与STM针尖之间的结合力变小，Ag纳米线在进入电解液时受到液面张力的阻碍或在通电时受到化学反应产生的氢气的扰动，导致其与STM针尖发生脱离。

从上述试验可看出溅射层的厚度至关重要。

若溅射层厚度太薄，工具电极表面的Au不够致密，不能完全包裹纳米线，在通电时，纳米线仍会与电解液接触产生反应；但溅射层太厚，纳米线电极的尺寸就会被加大，且过厚的溅射层会产生较大的内应力，使纳米线发生弯曲。

本试验中，Ag纳米线在溅射120、180 s后，在电解加工中均能保持稳定，综合考虑纳米线电极的尺寸，溅射时间以120 s为宜。

微纳电解加工试验平台见图5，主要由运动控制系统、视频采集系统、电流信号监测系统及电源系统等组成。

工具电极通过电极夹具与Z轴相连，试件固定在电解液槽内凸台上，电解液槽放置于XY运动平台上。

运动控制系统由XYZ微纳移动平台和C843运动控制卡组成，XYZ微纳移动平台可实现0.1 μm/step的进给分辨率和0.2 μm的单向运动精度。

视频采集系统由光学镜筒、CCD及视频采集卡组成，通过该系统可直观观测加工区情况。

电流信号监测系统主要由示波器和数据采集卡组成，该系统主要用于监测加工过程中的电流信号，根据电流信号状态作出
相应的控制策略，从而保证加工的稳定性。

脉冲电源采用纳秒级脉冲发生器，可输出峰值电压为±10 V、最小脉宽为5 ns的脉冲电流。

采用溅射处理120 s后的Ag纳米线工具电极进行微纳电解加工试验，电极直径约400 nm。

试件材料为GH4169，电解液为室温下的0.1 mol/L的H2SO4溶液。

施加电压4 V、周期50 ns、脉宽6 ns的纳秒脉冲电流，在试件表面上成功加工出缝深约110 nm、缝宽在顶部约1 μm的微纳沟槽（图6）。

（1）将自组装Ag纳米线的STM探针直接用于微纳电解加工，由于采用静液加工及微纳级的电解加工间隙，使Ag纳米线周围的电解液温度升高，促使纳米线中低熔点金属Ga的熔化或与电解液发生反应而产生溶解。

（2）提出了对Ag纳米线进行表面溅射Au处理的方法来防止纳米线溶解。

对不同溅射时间处理后的纳米线的稳定性进行研究，结果表明溅射处理时间为120 s 的Ag纳米线电极较适于微纳电解加工。

（3）采用加工参数为0.1 mol/L的H2SO4溶液，电压4 V、周期50 ns、脉宽6 ns的脉冲电流，在试件表面成功地加工出微纳沟槽，沟槽深度为110 nm，入口最宽处约1 μm。

本文简要介绍了高低双速走丝的几种现有加工方式，着重介绍了一种新型双速走丝线切割机床的设计方案，该方案的多层绕丝方式是其最突出的2013，64：49-59.
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对该方案的实现原理进行了描述，并对其中的连杆机构的设计原理进行了简单介绍，该套连杆机构的设计已申请了专利。

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