论疏水材料侧壁绝缘电极微细电解加工

清华大学使用碳化硅和树脂材料、韩国国立首尔大学使用瓷釉，成功制备了可用于微细电解加工的侧壁绝缘电极，初步的加工实验结果验证了侧壁绝缘电极应用于微细电解加工的可行性。关于侧壁绝缘电极在微细尺度下提高微细电解加工的加工精度的工艺规律以及侧壁绝缘膜的材料及制备方法可靠性等方面讨论和研究还有待进一步开展。基于以上分析，为解决绝缘膜在微细电解加工中的应用中的材料选取、制备工艺及加工稳定性等问题，本文在微细电解加工的电场和流场分析的基础上，提出绝缘膜疏水性质在微细电解加工中可以起到提高加工稳定性和加工定域性的作用。并制备了基于硅胶疏水材料的侧壁绝缘膜，进行了微细电解扫描加工实验，实验验证了疏水侧壁绝缘膜在微细电解加工中在提高加工稳定性和加工定域性方面的有效性。

绝缘膜对电解加工过程影响的理论分析

电解加工中工具电极和被加工工件是不接触的，通过电场的作用，使得强极化区域的工件产生电化学反应而被溶解加工，其核心的加工参数是加工间隙。加工间隙的大小、间隙内电解液流动等决定了电解加工的加工精度、加工效果和加工稳定性。本节将分析了微尺度下侧壁绝缘膜的应用如何对加工域和加工间隙内流场运动产生影响。

1.绝缘膜约束加工域的理论分析

根据电化学加工原理，工件上材料的蚀除加工，取决于材料所在位置电场强度大小，电场强度大于某一阈值，则材料在阴阳极的电化学反应中，将被蚀除加工。因此工件和工具之间相互作用而形成的电场分步就成为影响蚀除区域和非蚀除区域，也即加工精度边界的主要因素。微细尺度下的加工原理也是一样，而且有与加工间隙小，只有数微米，因此，电极的侧壁是导致二次加工和杂散腐蚀的主要原因。而侧壁绝缘电极的使用，如图1所示（基于有限体积法的FLUENT软件进行电场仿真效果），电场分布将被约束电极和加工工件之间的电极端部附近，因此，可良好地消除电极侧壁产生的杂散腐蚀。图2所示的是侧壁绝缘电极向下进给加工时，侧壁绝缘膜对加工电极的覆盖程度对微细电解加工边界的电场仿真图。有图可以看出，侧壁绝缘膜的裸露长度L越小，侧面加工间隙越小，加工精度越高。说明侧壁绝缘膜对电极侧壁的覆盖程度对加工结果会产生很大的影响。因此，侧壁绝缘膜的完整性对于提高加工精度和加工稳定性起着重要作用。

2.绝缘膜材料性质对加工过程影响的流场分析

电解过程中，电极和加工工件不接触，绝缘膜会受到电解液冲刷等因素影响而受到破坏，影响加工精度和加工稳定性。微细尺度下，在数百微米的电极丝侧壁形成数微米厚度、薄而均匀的膜的制备技术更加不完善。图3(a)所示是在没有电解液流动的条件下，在绝缘电极和工件之间施加一定电压产生电解反应时，气泡的运动情况，可以看出大量微细电解加工实验中发现厚度仅有约数微米的侧壁绝缘膜更容易受到破坏，尤其是在侧壁绝缘膜的前端与电极的结合处。分析其加工过程，电极的侧壁绝缘膜遭到破坏的原因主要有二，一是电极与绝缘膜结合处受到电解液的流动的冲击；二是结合处受到氢气泡引起的气液两相流动的持续扰动，如图3(b)所示。由于电解液流速一般不快，产生的破坏扰动有限，而电解反应中会持续大量产生的氢气泡。因此由氢气泡所引起的气液两相流动是引起侧壁绝缘膜破坏的主要原因。微尺度下表面力起主导作用，与常规尺度加工相比，绝缘膜材料的亲疏水性质会对氢气泡引起的气液两相流动产生更大的影响。图4所示的是二维情况下氢气泡在两种不同亲疏水性质的绝缘膜与钨丝电极的结合处的停留状态。与如图4（a）所示的亲水高分子树脂侧壁绝缘膜处氢气泡相比，由于受到疏水表面力的影响，如图4（b）所示的疏水的绝缘膜与钨丝电极的结合处的氢气泡具有更大的接触角θ2，氢气泡更贴近绝缘膜一侧，从而使得氢气泡更不易被电解液冲刷走。图5所示的是氢气泡在体积较大时，在静液条件下，在疏水侧壁绝缘膜与钨丝电极的结合处，由于疏水绝缘膜表面和电极表面的亲水角的不同，导致其向疏水膜一侧运动，直至气泡完全运动到疏水膜上方。

综上所述，疏水侧壁绝缘材料不仅可以改变附着于其上的氢气泡的形状，而且可以吸引体积较大的气泡运动到其上。这种对氢气泡的吸附效果在微细电解加工中不仅对绝缘膜与电极紧密结合起着保护作用，而其可以减小侧壁加工间隙，加工域由d0减小到d，提高加工精度，如图6所示。同时可以添补绝缘膜与电极前端结合处的机械缺陷，减小侧面间隙内电解液更新流动的阻力，提高了加工稳定性。

疏水绝缘膜的微细电解分层扫描加工实验

电场及流场仿真分析显示，侧壁绝缘膜在微细电解加工中能起到约束电解加工域的作用，并且疏水性质的绝缘膜能吸附气泡，改善加工精度以及加工间隙电解液的更新条件。为了验证电场分析及流场分析的正确性，选取了两种典型的亲水和疏水绝缘材料，高分子树脂绝缘和704硅胶，制备了相应的侧壁绝缘电极。绝缘膜厚度约为5~20微米，取决于旋涂法制备参数，具体参数见参考文献10[10]。并使用制备的电极进行了相应的加工实验。工具电极的侧壁绝缘膜是利用一种旋转涂胶的工艺方法制备的[4]；该方法原理是将液态绝缘材料滴于工具电极的表面，覆盖电极端面和侧面，然后使电极高速旋转，在离心力的作用下，将多余的胶液甩离电极表面，从而在电极表面涂覆一层均匀的液膜，固化后，再经过超细砂纸对端部打磨处理露出端部。制备的绝缘电极如图7（a,b）所示。一般制备高分子树脂绝缘膜需反复涂覆多次，以减少绝缘膜上的缺陷，固化时间较长，制备效率较低，而制备704-硅胶绝缘膜只需涂覆一次即可。

1.亲水绝缘膜与疏水绝缘膜的对比加工实验

分别使用亲水性质的高分子树脂绝缘电极和疏水性质的704硅胶侧壁绝缘电极进行了方腔直角三角柱结构的微细电解分层扫描加工实验，加工参数如表1所示。图7（a）和图7（b）分别显示了加工前后侧壁涂覆绝缘膜的工具电极的情况及加工的三角柱结构。绝缘膜的完整性方面，实验过程中发现，亲水性质的高分子树脂绝缘膜易受电解液侵蚀破坏，发生撕裂和吸涨现象，造成绝缘性能下降和过切加工现象。加工前后，704硅胶侧壁绝缘膜则相对保存完整，无明显吸涨和剥离现象。加工结果方面，使用高分子树脂侧壁绝缘电极进行分层铣削加工的三角柱边缘与四边形腔体边界的距离为245μm，加工的三角柱结构虽然表面边界比较清晰，但是侧壁的棱边出现锯齿状，说明加工间隙不均匀，说明侧面间隙在加工过程中随着加工深度的增加出现变化。