微细电解线切割碳纳米管纤维工具阴极及其制备方法与流程

本发明涉及一种微细电解线切割碳纳米管纤维工具阴极及其制备方法，属于微细电化学加工领域。

背景技术：

微细电解线切割加工技术是一种基于电化学阳极溶解原理的减材制造方法。它以直径为数微米至数十微米的金属丝作为工具线电极，通过结合多轴数控运动，可实现任意形状的平面轮廓结构的制备，特别适合于微缝、微槽和具有大深宽比的金属微结构的加工。与其他微细加工方法相比，微细电解线切割技术具有可加工范围广(不受材料强度和硬度的限制)、效率高、表面无再铸层和微裂纹，以及工具电极无损耗等特点。

线电极是进行微细电解线切割加工的必备条件，其特征尺寸直接影响成型零件的质量，其性能直接影响线切割加工过程的稳定性和效率。当采用线电极去电解加工高深宽比微细结构的时候，由于侧面间隙通常缩小到数微米甚至达到亚微米尺度，加工产物极易蓄积在加工区内，导致加工区局部电解液成分、浓度发生很大程度的改变，从而降低反应速度，甚至造成短路，使加工无法持续进行。据文献报道，研究人员分别提出了环形线电极单向走丝、线电极轴向往复微幅振动和线电极往复运丝等强化传质方法，以提高微细电解线切割的加工质量、效率和稳定性。以上所述方法的共同特点是均利用线电极在轴向上的运动，促使加工间隙内的电解液流动，从而提高间隙内的传质速度。然而，目前常用的线电极都是金属材质，例如钨丝、钼丝、铂丝等。这类电极丝表面相对较光滑，通过其运动所产生的“拖拽力”很难造成间隙内电解液的快速流动，这也是加工效率无法进一步提高的主要因素之一。传统微流体研究中经常重点关注如何降低流动阻力的问题，而在微细电解线切割加工中面临的问题正好相反，需要通过切割工具的运动“带动”尽可能多的电解液产生运动，因此需要增大流体与固态工具壁面间的流动阻力。有研究表明，微纳流道的表面具有亲水性可以有效增强液体与固体之间的流动阻力，抑制固体与液体之间的边界滑移，增加其间的“拖拽力”。由此可见，将具有超亲水表面的微细工具引入微细电解线切割加工中，通过工具的“拉扯”带动更多的电解液运动，从而有望解决加工间隙内的产物快速排出的难题，提高微细电解线切割加工的加工精度和效率。

自1991年，碳纳米管(cnt)被日本电镜专家iijima发现以来，就因其独特结构和优异性能引起了世界范围内不同研究领域专家们的广泛兴趣。2002年清华大学范守善院士团队从碳纳米管阵列中拉出具有连续长度的纤维材料，极大地推动了新型纤维——碳纳米管纤维的发展。研究表明，与天然纤维和传统化学纤维相比，碳纳米管纤维在结构上具有显著的不同，其独特的组装结构特性赋予了纤维丰富的界面结构和优异的表面性能。与同类碳基复合材料相比，碳纳米管纤维具有比目前正在发展的石墨烯纤维更高的导热性和力学强度，还具有碳纤维所不具备的轻量和可编织性，便于加工处理。虽然碳纳米管在结构材料以及功能材料领域有着极好的应用前景，但由于制备过程中碳纳米管容易产生内部缺陷，并且在制作纤维过程中容易混入有机溶剂分子或树脂夹层，目前碳纳米管纤维的导电率与常规铜相比还差2个数量级左右。因此，如何进一步提高碳纳米管纤维的导电性能并拓宽其应用领域范围成为亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明目的在于，针对微细电解线切割的微小加工间隙内产物排出、电解液更新困难及加工稳定性差的难题，提出一种适用于微细电解线切割的碳纳米管纤维工具阴极及其制备方法。

一种微细电解线切割碳纳米管纤维工具阴极，其特征在于：

包括阴极线电极夹具、两端通过导电紧固螺钉固定于阴极线电极夹具的碳纳米管纤维；碳纳米管纤维在阴极线电极夹具的缺口结构处为加工段，其余部分为非加工段；

上述碳纳米管纤维表面形貌呈螺旋状，直径为5～30μm；

上述碳纳米管纤维的非加工段电镀有10～15μm的金属镀层，该金属镀层材质为银或镍或铜。

上述一种微细电解线切割碳纳米管纤维工具阴极的制备方法，其特征在于包括以下过程：

步骤1.将碳纳米管纤维通过导电紧固螺钉安装在线电极夹具上；其中阴极线电极夹具的缺口结构处的碳纳米管纤维上安装一个绝缘套管；

步骤2.将工具阴极浸入装有电镀液的电镀槽中，对碳纳米管纤维非加工段进行微细电镀，使其表面形成均匀的金属镀层，电镀的电流密度为10～20a/dm²，时间为10～20min。

一种微细电解线切割碳纳米管纤维工具阴极，其特征在于：

包括阴极线电极夹具、两端通过导电紧固螺钉固定于阴极线电极夹具的碳纳米管纤维；

上述碳纳米管纤维表面形貌呈螺旋状，直径为5～30μm；

上述碳纳米管纤维电镀有1～4μm的金属镀层，该金属镀层材质为银或镍或铜。

上述一种微细电解线切割碳纳米管纤维工具阴极的制备方法，其特征在于包括以下过程：

步骤1.将碳纳米管纤维通过导电紧固螺钉安装在线电极夹具上；

步骤2.将工具阴极浸入装有电镀液的电镀槽中，对碳纳米管纤维进行微细电镀，使其整个表面形成均匀的金属镀层，电镀的电流密度为3～8a/dm²，时间为1～5min。

本发明的有益效果在于：

1.本发明提出一种适用于微细电解线切割的碳纳米管纤维工具阴极及其制备方法，首先在原始碳纳米管纤维的基础上，通过微细电镀的方法进行导电性能的优化，以满足微细电解线切割加工的要求；然后利用碳纳米管纤维优异的表面亲水性能和其在垂直于进给方向上的往复振动，加快微小加工间隙内的传质速率，提高线切割加工的稳定性和效率。

2.一般而言，金属性的碳纳米管与金属电极之间会产生欧姆接触，而半导体性的碳纳米管与金属电极之间产生肖特基接触。肖特基接触会因为金属电极材料功函数的差异形成不同高度的肖特基势垒，使得碳纳米管与金属电极之间产生较大的接触电阻。因而，本专利中的碳纳米管纤维与导电紧固螺钉之间会形成较大的接触电阻。另外，碳纳米管纤维内部通常存在微观缺陷和有机树脂夹层，降低起电导率。

本发明提出的金属镀层在碳纳米管纤维表面起到了“电桥”的作用，可以有效提高其整体导电性能，对直径5～30μm的碳纳米管纤维均适用，且微细电镀工艺连贯性好，控制简便，效率高，成本低，可实施性强。

当进行局部电镀时，碳纳米管纤维的加工段保持原貌，非加工段表面的金属镀层较厚，厚度一般为10～20μm，可以有效降低碳纳米管纤维与导电紧固螺钉之间的接触电阻，并在碳纳米管纤维非加工段表面形成“电桥”，可以有效提高其导电性能；

当进行整体电镀时，薄薄的金属镀层覆盖在碳纳米管纤维表面形成整体“电桥”，厚度一般为1～4μm，可以有效弥补碳纳米管纤维因内部缺陷和有机树脂夹层而引起的整体导电性能降低，但金属镀层不影响碳纳米管纤维的整体表面形貌和亲水性能。

附图说明

图1是碳纳米管纤维工具阴极表面进行微细电镀示意图。

图2是碳纳米管纤维工具阴极表面经过局部电镀后的示意图。

图3是碳纳米管纤维工具阴极表面经过整体电镀后的示意图。

图4是碳纳米管纤维工具阴极用于微细电解线切割加工示意图。

图5碳纳米管纤维工具阴极非加工段表面经过局部电镀后的电镜照片，其中螺旋状碳纳米管纤维直径为10μm，电镀的电流密度为20a/dm²，时间为20min，电镀层厚度15μm。

图6碳纳米管纤维工具阴极非加工段表面经过局部电镀后的电镜照片，其中螺旋状碳纳米管纤维直径为10μm，电镀的电流密度为10a/dm²，时间为10min，电镀层厚度10μm。

图7碳纳米管纤维工具阴极非加工段表面经过局部电镀后的电镜照片，其中螺旋状碳纳米管纤维直径为10μm，电镀的电流密度为25a/dm²，时间为30min，电镀层厚度25μm。

图8碳纳米管纤维工具阴极非加工段表面经过局部电镀后的电镜照片，其中螺旋状碳纳米管纤维直径为10μm，电镀的电流密度为9a/dm²，时间为9min，电镀层厚度7μm。

图9碳纳米管纤维工具阴极整体表面电镀后的电镜照片，其中螺旋状碳纳米管纤维直径为10μm，电镀的电流密度为8a/dm²，时间为5min，电镀层厚度4μm。

图10碳纳米管纤维工具阴极整体表面电镀后的电镜照片，其中螺旋状碳纳米管纤维直径为10μm，电镀的电流密度为3a/dm²，时间为1min，电镀层厚度1μm。

图11碳纳米管纤维工具阴极整体表面电镀后的电镜照片，其中螺旋状碳纳米管纤维直径为10μm，电镀的电流密度为9a/dm²，时间为7min，电镀层厚度6μm。

其标号名称为：1、导电紧固螺钉；2、线电极夹具；3、碳纳米管纤维；4、绝缘套管；5、缺口结构；6、电镀液；7、电镀槽；8、直流电源正极；9、金属板；10、直流电源负极；11、金属镀层；12、加工区无镀层碳纳米管纤维；13、表面薄镀层的碳纳米管纤维；14、工件；15、工件夹具；16、电解液；17、电解槽；18、气浮平台；19、ccd显微镜；20、示波器；21、脉冲电源；22、工控机；23、运动控制卡；24、z运动控制轴；25、y运动控制轴；26、x运动控制轴；27、机床本体。

具体实施方式

三维运动控制轴x轴26、y轴25、z轴24安装在机床本体27上，机床本体27固定在气浮平台18上。三维运动控制轴由工控机22通过运动控制卡23进行运动控制。

(1)将碳纳米管纤维3安装在线电极夹具2上，浸入装有电镀液6的电镀槽7中。碳纳米管纤维3由阵列碳纳米管通过“纺丝”法制备而成，表面形貌呈螺旋状，直径为5～100μm；金属板9可以是银或者镍或者铜，电镀液6是含有与金属板9相同金属元素离子的混合溶液。

(2)将金属板9接直流电源正极8，碳纳米管纤维3接直流电源负极10，对碳纳米管纤维3表面进行微细电镀，使其表面形成均匀的金属镀层11，以提高其导电性能。当对碳纳米管纤维3进行局部电镀时，可以在线电极夹具缺口结构5处的碳纳米管纤维上安装一个绝缘套管4，使得加工段的碳纳米管纤维在电镀完成后依旧保持原始形貌；电镀的电流密度可以是10～20a/dm²，时间可以是10～20min，非加工段的碳纳米管纤维表面的金属镀层11厚度为10～20μm。当对碳纳米管纤维3进行整体电镀制备表面薄镀层的碳纳米管纤维13时，碳纳米管纤维整个表面在电镀完成后都会覆盖一层薄薄的金属镀层11，电镀的电流密度可有为3～8a/dm²，时间为1～5min，金属镀层11厚度为1～4μm；金属镀层11不影响原始碳纳米管纤维3的整体表面形貌和亲水性能。

(5)将制备完成的碳纳米管纤维3作为工具线电极通过线电极夹具2安装到微细电解线切割机床的z运动控制轴24上，工件14安装在夹具15上，并将电解液16倒入电解槽17中。电解液根据不同的工件材料可以选择合适浓度的酸性、中性、碱性溶液。

(6)碳纳米管纤维线电极3通过导电紧固螺钉1接脉冲电源21负极，工件14接脉冲电源21正极，进行微细电解线切割加工。通过运动控制轴z轴24带动线电极夹具2和碳纳米管纤维线电极3上下往复振动，从而提高加工间隙内的传质效率，其中振动幅值50～300μm，频率0.5～10hz。脉冲电源21的加工电压范围可选3～20v、脉宽20～200ns、周期0.5～10μs，加工速度范围可选0.1～5μm/s。加工过程中，通过示波器20可以实时检测脉冲电源21输出的电压脉冲信号，同时反馈加工电流信号。ccd显微镜19可以实时观察并记录线电极与工件之间的相对位置关系，以及加工区域产生的气泡和其他产物的状态。

微细电解线切割加工中的线电极在一定张力下装夹在线电极夹具上，通常情况下，微细电解线切割加工中的线电极电导率需达到1x10⁵s/cm以上，而原始碳纳管纤维的电导率一般为1x10³s/cm～8x10³s/cm。本发明提出的电镀法优化参数区间，对直径5～30μm的碳纳米管纤维线电极均适用。

图5碳纳米管纤维工具阴极非加工段表面经过局部电镀后的电镜照片，其中螺旋状碳纳米管纤维直径为10μm，电镀的电流密度为20a/dm²，时间为20min，电镀层厚度15μm，电导率9x10⁶s/cm，表面平整光滑，无裂纹，质量好，达到电解加工线电极的要求。

图6碳纳米管纤维工具阴极非加工段表面经过局部电镀后的电镜照片，其中螺旋状碳纳米管纤维直径为10μm，电镀的电流密度为10a/dm²，时间为10min，电镀层厚度10μm，电导率4x10⁶s/cm，表面平整，无裂纹，质量较好，达到电解加工线电极的要求。

图7碳纳米管纤维工具阴极非加工段表面经过局部电镀后的电镜照片，其中螺旋状碳纳米管纤维直径为10μm，电镀的电流密度为25a/dm²，时间为30min，电镀层厚度25μm，电导率8x10⁶s/cm，虽然电导率明显提升，但是镀层不致密，表面粗糙不均匀，易形成空隙、积瘤和枝状结晶，影响整体力学性能，不能满足要求。

图8碳纳米管纤维工具阴极非加工段表面经过局部电镀后的电镜照片，其中螺旋状碳纳米管纤维直径为10μm，电镀的电流密度为9a/dm²，时间为9min，电镀层厚度7μm，电导率仅有9x10⁴s/cm，镀层不致密，表面易形成裂纹和缺陷，不能满足要求。

图9碳纳米管纤维工具阴极整体表面电镀后的电镜照片，其中螺旋状碳纳米管纤维直径为10μm，电镀的电流密度为8a/dm²，时间为5min，电镀层厚度4μm，电导率5x10⁵s/cm，金属镀层不影响碳纳米管纤维的整体表面形貌，达到电解加工线电极的要求。

图10碳纳米管纤维工具阴极整体表面电镀后的电镜照片，其中螺旋状碳纳米管纤维直径为10μm，电镀的电流密度为3a/dm²，时间为1min，电镀层厚度1μm，电导率2x10⁵s/cm，金属镀层不影响碳纳米管纤维的整体表面形貌，达到电解加工线电极的要求。该实例是本发明提出对碳纳米管纤维进行整体电镀的最小参数，若参数进一步减小，即电流密度小于3a/dm²，时间小于1min，镀层通常不足1μm，因而电镀层过薄不易观测，且不能明显提高原始碳纳米管纤维的电导率，实施意义不大，因而参数进一步减小的电镀结果不能满足要求。

图11碳纳米管纤维工具阴极整体表面电镀后的电镜照片，其中螺旋状碳纳米管纤维直径为10μm，电镀的电流密度为9a/dm²，时间为7min，电镀层厚度6μm，电导率仅有7x10⁴s/cm，金属镀层改变了碳纳米管纤维的整体形貌，不能满足要求。