电化学文献阅读报告2017-10

《电化学腐蚀法加工微圆柱体》期刊阅读报告

一、研究主题：采用电化学腐蚀原理, 电解加工微细钨丝电极。

二、摘要介绍：

基于电化学腐蚀原理加工微机械加工中使用的微圆柱体,对微细圆柱体成形的机理进行详细的分析。通过对腐蚀过程进行理论建模, 利用对电压和腐蚀时间的控制来决定腐蚀后微圆柱体成形的形状以及圆柱体直径尺寸大小。同时对影响微圆柱体成形的试验参数进行详细的分析, 如对电压的控制、电流的变化、电解液浓度的影响、腐蚀时间决定的微圆柱体直径大小等, 最后得出微圆柱体成形的规律。理论模型计算结果与试验结果进行比较, 证明了理论建模的正确性。

三、研究背景：

随着微机电系统的发展以及制造技术向精密、微细方向发展要求的不断提高, 零件的尺寸越来越趋于微小型化, 因此对于微机械加工的研究和应用也越来越受到重视, 尤其在航空航天、精密仪器和生物医学等领域。

微圆柱体类零件是微机械系统的重要部件, 也常用作微细电加工工具电极。工具电极的加工是实现微细电加工的关键环节, 它决定着微加工所能达到的尺寸和精度，然而, 由于微细电极尺寸的限制,使得其加工十分困难。

电解加工以离子的形式去除材料, 决定了其在微细加工中所具有的优势, 并且电解加工无接触力,加工后工件不存在残余应力和变形, 加工表面质量好, 近年来在微机械加工中得到广泛的关注, 如电解小孔加工、微三维型面加工等, 其中, 利用电化学腐蚀法加工微细电极就是其中之一。

四、原理与装置：

试验利用电化学反应原理进行, 试验装置及原理图如图1 所示, 其中阳极

为钨丝, 阴极为不锈钢圆筒, 钨丝装在机床主轴上, 并穿过不锈钢圆筒的中心, 不锈钢筒阴极和阳极钨丝浸入溶液中。在阳极和阴极之间连接电源通电后, 阴极不锈钢板上有气泡( H

) 冒出, 电化学反应开始进行。钨丝在强的碱溶液中发

2

2-离子进入溶液, 从而钨丝被溶解, 阴阳两极发生

生电化学反应, 被氧化成WO

4

的电化学反应如下。

反应阶段分析：

初始阶段：由于钨丝尖端(图l) 电场集中,在外加电场的作用下, 尖端溶解速度相比其他部位快, 因此钨丝形状有逐渐趋于“尖锥”状( 图2 )的趋势；

扩散阶段：钨丝周围溶解的WO

42-离子越来越多, 当WO

4

2-离子产生的速度大于

它向周围溶液扩散的速度时, 在钨丝的周围就会形成一层保护层, 称为扩散层。扩散层会逐渐越来越厚,并且扩散层具有浓度梯度, 这样就阻碍了溶液中OH-离

子穿过扩散层到达钨丝的表面参加反应, 溶解过程受到一定的限制；

最终阶段：由WO

4

2-离子组成的扩散层在重力作用下沿着钨丝向下移动,形成

上小下大的包裹状结构包裹在钨丝的周围, 钨丝下部由于具有较厚的保护层溶

解较慢, 这样钨丝又有溶解成上小下大的“纺锤”状结构的趋势。

经以上分析, 如果对试验参数进行控制, 使钨丝溶解过程中趋于“尖锥”状和趋于“纺锤”状的趋势相互抵消, 并使其达到一种溶解平衡状态, 就可以加工出直径均匀的微圆柱体结构。

分析感想：此实验巧妙地运用了电化学腐蚀的原理，以控制细微电极溶解均匀为目标，分析电解过程的阳极溶解状况，进而考虑要达到目的所可能需要控制的实验参数。

反应参数控制分析：

对试验过程进行控制就是对影响试验的参数,如电压、电流、电解液浓度、温度以及加工时间等进行控制。电流在试验过程中随着反应的进行而不断变化;电解液浓度和温度一般不变, 电压和加工时间是较容易控制的参数。

电化学溶解过程中材料的溶解速度受到材料本身的反应速度和周围离子迁

移速度的影响；而电压决定着材料本身的反应速度和扩散层的形成,扩散层又影响着离子的迁移速度, 从而影响微圆柱体成形的形状, 所以电压的大小对微圆

柱体成形有着重要的影响。试验证明电压过小不容易形成扩散层, 腐蚀呈“尖锥”状; 电压过大扩散层较厚, 腐蚀呈“纺锤”状, 因此电压的控制非常关键。对试验后形成的微圆柱体测量其锥度, 如图2 中的值, 其中刀为钨

丝轴线与腐蚀后钨丝表面之间的夹角。当腐蚀后钨丝为“尖锥”状时, ；

为“纺锤”状时, 。

综合分析：分析出主要控制的电化学参数后就需要建立合理的物理模型进行尺寸控制的计算，从上面分析得出，只要选择合适的电压, 就可以保证腐蚀出的微圆柱体直径均匀。由法拉第定律,电解反应过程中材料的去除量由所施加的电量决定, 而电量的多少由通电时间长短来控制, 故可通过对时间的控制来决定材料去除量, 进而对腐蚀后微圆柱体的直径进行控制。

建模与计算：

电化学反应过程中, 材料蚀除量可由式表达为：

假设钨丝被腐蚀成直径均匀的圆柱体结构, 取材料的横断面作分析, 如图

, a3 所示, 设钨丝浸入溶液的深度为d, 液面以上的部分为h, 钨丝半径为r

0溶解后半径为r 。

由于表面张力的作用, 位于液面以上的钨丝总有一段( 高度h) 被腐蚀, 并且最终腐蚀成抛物面，建立坐标系求得此抛物线方程如下：

；

分析并联立各式得电量与半径的关系式：

由上式看出, 腐蚀后微圆柱体的直径由所施加电荷量的多少决定, 而电荷量的多少可以根据电流的大小来计算。

至此已经得到实验变量与实验目标的关系，再通过对变量的优化分析就可以得到跟精确的结果。

五、参看文献

[1] 王明环，朱获，张朝阳。电化学腐蚀法加工微圆柱体，机械工程学报,第42 卷第6 期。