一种实现材料表面织构化的局部电沉积方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种实现材料表面织构化的局部电沉积方法。
【背景技术】
[0002]John D.Madden 等人于 1996 年首次提出了局部电沉积(local ized electro-de po s i t i on ( LED ))的概念(Madd en J D , Hunter I ff.Three-dimens1nalmicrofabricat1n by localized electrochemical deposit1n[J].Microelectromechanical Systems ,Journal of，1996，5( I): 24-32.)，局部电沉积即一种在电解液中利用极小尺寸的电极尖端近距离在基板上形成局部范围内的电化学沉积(或刻蚀)，方法原理如图1所示。此后，局部电沉积作为一种亚微米级甚至纳米级精细结构构造方法得到了广泛的研究。该方法经济简单，但目前为止，大部分研究重点集中于构造大高径比的圆柱结构及其优化(El-Giar E M , Said R A , Bridges G E，et al.Local izedelectrochemical deposit1n of copper microstructures[J].Journal of theElectrochemical Society，2000，147(2):586-591.Said R A.Shape format1n ofmicrostructures fabricated by localized electrochemical deposit1n[J].Journalof The Electrochemical Society，2003，150(8):C549-C557.Said R A.Localizedelectro-deposit1n(LED): the march toward process development[J].Nanotechnology ,2004,15(10):S649.Lin C S,Lee C YjYang J H，et al.1mprovedcopper microcolumn fabricated by localized electrochemical deposit1n[J].Electrochemical and Solid-State Letters，2005，8(9):C125-C129.Lin J CjChang TKjYang J H，et al.Localized electrochemical deposit1n of micrometer coppercolumns by pulse plating[J].Electrochimica Acta，2010，55(6):1888-1894.PaneS，Panag1topoulou VjFusco S，et al.The effect of saccharine on the localizedelectrochemical deposit1n of Cu-rich Cu-Ni microcolumns[J].ElectrochemistryCommun i cat1ns,2011,13(9):973-976.Tseng Y TjLin J CjC1u Y J,etal.Fabricat1n of a Novel Microsensor Consisting of Electrodeposited ZnONanorod-Coated Crossed Cu MicropiIIars and the Effects of Nanorod CoatingMorphology on the Gas Sensing[J].ACS applied materials&interfaces，2014，6(14):11424-11438.Brant A MjSundaram M MjKamaraj A B.Finite Element Simulat1n ofLocalized Electrochemical Deposit1n for Maskless Electrochemical AdditiveManufacturing[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering，2015，137(I):011018.Hu JjYu M F.Meniscus-confined three-dimens1nal electrodeposit1nfor direct writing of wire bonds[J].Science，2010，329(5989):313-316.)，而本发明则是利用局部电沉积的方法(在三维层次、跨尺度(从微米级图案到毫米级图案))设计构造材料表面织构，以此来提升材料表面的综合性能。
[0003]研究表明，材料表面微织构调控设计可显著改善其摩檫磨损性能。表面织构在不同条件下分别起到充当微小流体动压润滑轴承、增强动压效应而提高承载能力、润滑剂储存器提供持续润滑及捕获磨损粒子而减小犁沟等作用:当处于干摩擦的状态时，两个表面直接接触，由于剧烈的摩擦，摩擦副表面很容易产生微小的磨粒，而表面织构可以起到存储这些凹坑的作用，从而降低由微小磨粒带来的磨损；当处于边界润滑的状态时，两个表面之间的间隙非常小，一部分通过润滑油膜支撑，一部分通过摩擦副表面的微小凸起来支撑，而表面织构可以起到存储润滑油的作用，这时的减摩机理是“二次润滑”作用，即摩擦副表面之间的润滑可以通过表面织构存储的润滑油进行一定量的供给；当处于流体润滑状态时，两个表面完全被润滑油膜隔开，摩擦副表面不存在直接的接触，摩擦力和磨损都非常小，是一种理想的润滑状态，此时的机理为:由表面织构形成的负压区的空化现象抑制了负压，从而产生了额外的承载力，并且能够更迅速的形成流体动压润滑油膜。
[0004]目前，实现材料表面织构化的加工技术主要有反应离子刻蚀、表面喷丸处理、LIGA技术、脉冲电弧加工技术(PAAT)、电子束和光刻技术、乳压、微机械蚀刻、化学刻蚀以及激光加工技术等。其中，反应离子刻蚀对装置和环境要求较高;表面喷丸处理控制困难且污染环境;LIGA技术是一种基于X射线光刻技术的三维结构加工技术，主要包括X光深度同步辐射光刻、电铸成型和注塑成型3个工艺步骤，加工过程复杂；电子束和光刻技术工艺复杂且成本较高;激光加工技术能在大气环境中进行且对环境无污染，但受限于加工材料本身的性能，且和上述大部分方法一样都缺乏几何多功能性。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种实现材料表面织构化的局部电沉积方法，解决材料表面织构构造方法中所存在的工艺复杂、成本高、织构几何结构单一等问题，提出了用局部电沉积的方法构造材料表面复杂织构的新方法。该方法操作简单，过程可控，成本低廉，同时，表面织构的几何形貌的设计性更高，丰富了材料表面处理方法，特别是表面织构构造方法的多样性。
[0006]为了实现材料表面织构的局部电沉积方法构造，本发明利用精确步进电动平移台以及运动控制器软件来调节电沉积过程中阳极针尖的移动。阳极针尖为直径10-1000μπι不等的外包环氧树脂绝缘层的Pt丝，阴极材料、涂层种类及电解液成分则由实际情况决定。本发明通过搭建局部电沉积的操作平台，利用计算机运动控制软件编程控制阳极针尖的移动轨迹，在电解槽中实现在阴极基板上以局部电沉积的方式电沉积形成图案化的表面织构。
[0007]本发明通过下述具体技术方案予以实现:
[0008]本发明提供一种实现材料表面织构化的局部电沉积方法，所述方法包括如下步骤:
[0009]阳极针尖制备:将Pt丝的外表面进行绝缘包覆，打磨露出Pt丝截面，即得阳极针
[0010]尖;阴极板的处理:对阴极板待沉积面进行打磨，然后进行除油处理、冲洗备用；
[0011]沉积装置安装:将所述阴极板浸没于电解液中并在合适高度固定，保持其待沉积面与所述阳极针尖运动的Z方向垂直;将所述阳极针尖一端固定在电动平移台，另一端伸入电解液中、悬于所述阴极板带沉积面上方，调节初始位置、高度;将所述阴极板和所述阳极针尖分别连接电源的阴、阳极，设定输出电流或电压波形；
[0012]设计运动轨迹:在运动控制器软件平台中编程设计所述阳极针尖的运动轨迹；
[0013]启动轨迹沉积:启动所述电动平移台、电解电源，使所述阳极针尖在所述阴极板上按所述运动轨迹移动，完成沉积图案化金属镀层，即可。
[0014]优选地，所述方法还包括取出沉积后的阴极板，水洗后吹干的步骤;进一步地，所述水为去离子水，所述吹干具体为冷风吹干。
[0015]优选地，阳极针尖制备的步骤中，所述Pt丝的直径为10-1000μηι;
[0016]优选地，阳极针尖制备的步骤中，所述绝缘包覆具体是用环氧树脂对所述Pt丝进行均匀包覆;所述打磨具体采用水磨砂纸;Pt丝截面周边经抛光处理后，漏出Pt丝针尖。
[0017]优选地，所述包覆后阳极针尖的外径为1-5mm。
[0018]所述包覆的具体步骤为:将所述Pt丝竖直插入圆管状模具的中心，注入环氧树脂，待环氧树脂凝固，即完成Pt丝外面均匀包覆环氧树脂绝缘层;抛光打磨后露出Pt丝截面，得到阳极针尖。
[0019]优选地，阴极板处理的步骤中，所述打磨具体指将阴极板待沉积面经表面机械研磨抛光处理，表面粗糙度〈0.3μπι;所述除油处理具体指将表面打磨后阴极板置于除油液中70°C恒温lOmin，除去残余油脂，所述除油液为含30g/L NaOH、35g/L Na2CO3、40g/L Na3PO4的水溶液;所述冲洗具体采用水。
[0020]优选地，沉积装置安装的步骤中，所述电解液的组分是可以根据实际情况改变的:根据实际沉积的电镀金属涂层选择电解液成分，不同的金属沉积涂层会有各自不同的电解液配方，本方法强调的是对沉积表面形貌的控制，对不同的沉积金属均适用，故对电解液的成分无具体要求;所述阴极板为导电材料，具体材质根据实际情况可人为调整，其待沉积面应平整无污，且电镀过程中应保持与阳极上下运动的方向垂直。
[0021]优选地，设计沉积轨