0 前言

近年来，机械制造领域不断向着精密化、小型化及紧凑化方向发展^[1-2]。目前，MEMS 产品在航空航天、生物医疗、精密仪器、机器人及军事等领域得到广泛应用^[3]。而现有的 MEMS 技术仍有一些局限性，如零件形状现仅限于二维，难以满足在一些形状精度要求较高的器件上，比如涉及到一些有曲率、斜率的平面及微尖形阵列、悬臂梁及螺旋线等的空间三维微细结构^[4-7]。为此学者们在不断寻求新的解决办法，试图通过不同的加工工艺使微构件具有更优的性能。

定域性电化学增材制造技术不仅拥有增材制造技术可在多种材料上沉积、精度高和复杂结构成形制造的优势，还能制造宏微观甚至微纳米尺度金属零件的特点，并且这两种方法均无需支撑结构便可以快速成形，所以定域性电化学增材制造一直以来是增材制造领域不可或缺的研究热点^[8-11]。HU 等^[12]使用半月板约束电沉积以直接书写的方式，制作出锯齿形和正弦形的螺旋线三维结构，并且为了改变螺旋线的螺旋角，利用扫描探针的三维电沉积方法制备了新的微管结构。LIN 等^[13]用间歇式 MAGE（即微阳极引导电镀）来定义 LECD（定域性电化学沉积）过程，制作出微米级的铜弹簧。 MURALI 等^[8，14]采用无掩模定域性电化学增材制造技术，根据 CAD 模型制造镍微结构的增材制造 （Additive manufacturing，AM）系统，成功地利用尖锥状微型电极制作出 30 层厚（每层厚度约 10 μm） 的“C”形微结构和一个高度和悬突约 600 μm 的镍质三维自由悬挂构件，另外通过仿真与试验，探索了电沉积过程中工艺参数的变化对输出沉积结构尺寸的影响。由上可知，电化学增材制造的构件多为圆柱体，研究内容为工艺参数对柱体成形质量的影响，尚很少有提高微螺旋构件精度的研究^[15-18]。

本文利用微型尖锥形探针式铂阳极来引导电沉积，通过控制三坐标移动工作台的精确运动，基于定域性电化学增材制造技术，在铜基板上制备微镍螺旋结构，研究了电极间初始极间隙、脉冲占空比和极间电压对微镍螺旋构件微观形貌、体沉积速率和直径的影响，为定域性电化学增材制造三维复杂微构件提供参考。

1 定域性电化学增材制造微螺旋结构的成形原理

定域性电化学增材制造成形原理如图1 所示。

电镀液以射流方式流到阴极表面，阴、阳极与射流电镀液构成电沉积体系。射流而下所形成的流体界面，从外向内分为外围区和中间滞留区，由于电镀液以连续、匀速的方式进行喷射，理论上滞留区中心部分的相对流速为零，反应相对稳定。在射流覆盖区，阳极与阴极基板通过电镀液构成回路，电镀液源源不断流向阴极基板表面，由于电流束内的电场线在阴极基底与阳极尖端正对微区域内产生较大的电流密度，加工电流通过该区域发生电化学反应将电镀液中的金属阳离子（Ni²⁺）通过迁移、扩散、对流作用还原为金属 Ni 单质沉积，而其他部位因没有电流束通过使得电流密度较小，则不会沉积或发生少量沉积。采用三轴联动工作平台连接阳极进行沉积，通过阳极路径与微螺旋结构点对点的精确匹配便形成螺旋结构的沉积。因此，定域性电化学增材制造不仅有较快的液相传质过程，而且具有选择性沉积的优点，这就让电化学增材制造三维微结构成了可能。

定域性电化学增材制造的电沉积与过电位值有一定关系，而过电位值会受极间电压、脉冲占空比、初始极间隙综合作用的影响，因此选择适当的电沉积工艺参数可以增材制造微螺旋结构^[19-20]。

2 试验

2.1 试验平台

定域电沉积增材制造试验平台如图2 所示。

微型阳极通过阳极夹具装配在三坐标工作平台 （三英精控，SYMC-10）上，阴极铜基板固定在电沉积槽中，阴阳极通过导线连接到电流表然后连接到高频智能双脉冲电源（成都星同力，GKD12-5CVC），PMC 步进电机控制器（三英精控， PMC400-3）CNC 软件控制三轴联动工作平台的精确移动。镀液通过蠕动泵带动导流管中的电镀液进行循环，循环系统装有温控搅拌装置保证恒温电镀液的连续进给。

2.2 试验工艺参数

电镀液是以氨基磺酸盐为主要成分的溶液，镀液配方及工艺参数见表1，将配制好的镀液放入 45～50℃的超声槽中水浴加热并搅拌 50 min。 30 mm×10 mm×2 mm 的铜片作为阴极基板，基板的前处理过程为：打磨抛光—除油—水洗—除锈— 水洗—活化。铂丝作为阳极，用砂纸将铂丝顶端打磨成尖锥状，尖端圆角直径小于 15 μm；然后将打磨过后的阳极放入质量分数为 30%的稀盐酸溶液中活化处理，常温下活化时间为 3～5 min；最后在阳极外部加置套筒，套筒壁上连接导通镀液的导流管，阳极尖端应伸出套筒约 200 μm。采用单因素试验法，同一参数下制备 3 个试样。

2.3 检测方法

采用扫描电子显微镜（ZEISS，EVO18）观察微螺旋结构的微观形貌。采用数字显微镜 （OLYMPUS，DSX1000）测量微螺旋结构各截面直径。

测量微螺旋构件底部与微螺旋结合部分直径 （${\stackrel{-}{D}}_1$）、中间微螺旋结构旋转部分直径（${\stackrel{-}{D}}_2$）和微螺旋结构尖端直径（${\stackrel{-}{D}}_3$）三个部分截面直径。微螺旋结构直径（$\stackrel{-}{D}$）计算方法为：将微螺旋结构三个特殊部分均匀取 n 个测量点，各截面直径取平均值，即：

式中，$\stackrel{-}{D}$表示直径；${\stackrel{-}{D}}_i$为任意部分截面的直径；i 取 1、2、3； D_k 为任意截面的直径；n 取 5。

微螺旋结构沉积速率（v）计算方法为：用沉积体积与沉积时间的比值来表示，同一参数条件下制备试样的沉积速率取平均值。其中体积计算方法为：将微螺旋结构平均分成足够多段，基于微元思想应用 MatLab 把测量各截面直径分段体积求和。

式中，v 表示沉积速率；V 表示制备微螺旋结构的体积；t 表示沉积时间。

3 结果与讨论

3.1 定域电沉积微螺旋结构的工艺

定域电沉积微螺旋结构试验采用三轴联动工作平台控制微阳极路径，使其与微螺旋结构点对点地精确匹配，制备高度为 1 mm 的微镍螺旋结构。通过试验探索得到能否成形螺旋结构主要与极间电压、脉冲占空比和初始极间隙这三个工艺参数有关。

初始极间隙与脉冲占空比为定值时，极间电压值低，电流密度小，沉积效率低；极间电压增大，电流密度变大，但同时析氢反应剧烈，产生氢气增多，不能进行有效电沉积；若极间电压与脉冲占空比或极间电压与初始极间隙为定值，初始极间隙或脉冲占空比过大也不能进行电化学成形构件。

极间电压主要影响加工区域的电场、加工过程和加工速度，从而影响加工质量。过低的极间电压难以使微螺旋结构生长，过高的极间电压会引起沉积表面质量低、大量大晶胞凸起。脉冲占空比主要影响加工区域的离子浓度，从而影响加工速度。过低的脉冲占空比使得开启时间过短，主要影响生长速度，过高的脉冲占空比使得开启时间过长，导致生长过程中消耗的离子不能得到及时补充，进而影响沉积质量。初始极间隙主要影响加工区域的电场分布，过大的初始极间隙使得电场分布过于分散，导致沉积质量过差甚至不能沉积成形；过小的初始初始极间隙使得电场分布过于密集导致尖端优势现象明显、沉积过程难以控制。

螺旋形微构件主要分为底部与微螺旋结合部分、中间螺旋旋转部分和螺旋结构尖端三个部分。观察各个螺旋结构底部与螺旋结构结合部分，如图3a 所示，发现工艺参数的不同决定着结合部分过渡的是否平滑，而且底部的沉积趋近于圆锥状，这是因为在光滑平整的基板上进行电沉积，从铂阳极尖端流到阴极基板上的电解液，其电场的分布状态呈尖锥状分布，这就是形状末端的“尖端效应”。观察各个螺旋结构的中间部分，如图3b 所示，发现工艺参数也决定着螺旋结构旋转部分沉积是否产生分支，结构是否紧凑。观察各个微螺旋结构尖端部分，如图3c 所示，发现工艺参数还决定着顶部是否有较大瘤状沉积。因此，只有选择适当的电沉积工艺参数才可以用电化学增材制造成形微螺旋结构。

3.2 极间电压对镍微螺旋结构形貌、直径及沉积速率的影响

不同极间电压下电化学增材制造微螺旋结构的光学图像如图4 所示。工艺条件为脉冲占空比 60%、初始极间隙 5 μm，极间电压分别为 4.0、4.2、4.4、 4.6 V。

在极间电压 4.0V 时，沉积构件如图4a 所示，其表面质量最好，形状规整，但是对比极间电压为 4.2～4.6 V 的沉积过程，在其他微螺旋结构已经开始成形旋转结构时，极间电压为 4.0 V 下的微螺旋结构才刚刚成形，并且表现为正态分布状的基底，致使在此电压下沉积微螺旋结构需要更长的沉积时间。当极间电压为 4.2 V 时，如图4b 所示，其表面质量良好且结构紧密，均匀致密且旋转部分圆滑，顶部无较大瘤状沉积。当极间电压增加到 4.4 V 时，如图4c 所示，开始出现少量较大瘤状沉积，使得螺旋结构的直径变化有所波动。当极间电压大到 4.6 V 时，如图4d 所示，出现大量不规则的瘤状沉积使得其表面不平整，这使得螺旋结构的直径波动变大，由于过大的极间电压导致沉积定域性变差，致使螺旋结构出现形状不规则和部分结构粗大的现象。

极间电压与微螺旋结构平均直径、沉积速率的关系分别如图5、6 所示。当极间电压在 4.0～4.2 V 时，平均直径变化明显，而在 4.2～4.4 V 时变化趋于平缓，平均直径由 77 μm 增长至 153 μm； 当极间电压在 4.0～4.6 V 时，体沉积速率趋于线性增长，体沉积速率由 210 μm ³ / s 增长至 5 728 μm ³ / s。

对极间电压对微螺旋结构形貌和成形的影响，分析认为，极间电压较低时，电流密度小，电场分布较为均匀，体沉积速率相对较低，所以扩散到微区域的 Ni²⁺能完全满足还原反应所消耗的离子，因此沉积的微螺旋结构表面质量良好，结构趋于紧密，尖端部分光滑，形状规整。随着极间电压的增大，电流密度随之增大，电场强度也随之增强，尖端效应开始变得明显，沉积容易在中间部分进行反应而屏蔽两边，使得微螺旋结构有从下至上直径逐渐变小的趋势，并且开始出现少量瘤状结构。在沉积过程中，由于沉积不断进行，锥状微型阳极与阴极基板不断远离，但与沉积微螺旋结构的距离始终不变，使得阳极与阴极之间的电场线分布范围随着极间电压的增大而不断变得更大，所以微螺旋结构的直径也随之变大。当极间电压值持续增大到 4.6 V 时，脉冲电源工作阶段消耗的 Ni²⁺难以从电解液中得到充分的补充，不能及时扩散到沉积微区域，另外在沉积过程中还会发生析氢反应。氢气从阴极中分离出来后，在电解液内部形成一些气泡，这些气泡总是附着在阴极表面，会阻碍镍离子在该位置的沉积。由于施加的电位与电流成正比，当电位增大时，沉积微螺旋结构表面形貌粗糙，结构粗大。此时螺旋结构表面瘤状沉积明显，已经接近电沉积的极限极间电压，当极间电压超过 4.6 V 时，将不会再沉积出形状规则的螺旋结构。

3.3 脉冲占空比对镍微螺旋结构形貌、直径及沉积速率的影响

不同脉冲占空比下电化学增材制造微镍螺旋结构的光学图像如图7 所示。工艺条件为：在极间电压为 4.2 V、初始极间隙为 5 μm，脉冲占空比分别为 50%、60%、70%、80%。

可以看出，当脉冲占空比在 50%～60%时，螺旋结构形状规整、直径均匀。当脉冲占空比增至 70% 时，如图7c 所示，螺旋结构顶端开始出现较大的瘤状晶胞，表面比较粗糙；当脉冲占空比增至 80%时，如图7d 所示，螺旋结构直径不均匀，表面更为粗糙，顶端出现大量瘤状沉积，且旋转部分有出现横向生长的趋势。

脉冲占空比对微螺旋结构平均直径和体沉积速率影响，分别如图8 和图9 所示。由图可知，螺旋结构平均直径呈增大趋势，当脉冲占空比在 50%～70%时，螺旋结构直径随着脉冲占空比的增大而增大，当脉冲占空比增至 70%及以上时，螺旋结构直径增大趋势开始变得缓慢，当脉冲占空比从 50 %增大到 80%时，平均直径由 116 μm 增长至 152 μm。螺旋结构体沉积速率趋于线性增大，当脉冲占空比达到 80%时，螺旋结构体沉积速率趋于平缓不再增大，达到 2 774 μm ³ / s；当脉冲占空比为 50%时体沉积速率最低为 629 μm ³ / s。

对脉冲占空比对微螺旋结构形貌和成形的影响，分析认为，脉冲占空比越小时，脉冲关断时间越长，电镀液中的金属 Ni²⁺可以扩散到电沉积微区域内及时补充消耗。因此，当脉冲占空比不大于 70%时，沉积的螺旋结构表面光滑、形状规整。当脉冲占空比大于 70%时，脉冲关断时间较短，金属 Ni²⁺难以及时扩散到沉积微区以补充消耗；同时，平均电流密度随着脉冲占空比的增大而增大，高的电流密度会促进氢气析出，从而导致沉积螺旋结构直径不均匀、形貌粗糙，结构粗大。当脉冲占空比在 50%～70%时，随着脉冲占空比的增大，单位沉积区域内平均电流密度随之增大且脉冲电流作用时间更长，所以体沉积速率增大；但当占空比大于 70%时，脉冲关断时间短，容易产生浓差极化现象，降低法拉第电流效率，同时较短的关断时间会使析氢作用产生的氢气不能及时排出，降低电镀液的导电能力，造成体沉积速率下降。

3.4 初始极间隙对镍微螺旋结构形貌、直径及沉积速率的影响

初始极间隙不同时，电化学增材制造微镍螺旋结构的光学图像如图10 所示。工艺参数为：极间电压 4.2 V、占空比 60%，初始极间隙分别为 5、10、 15、20 μm。

当初始极间隙δ（δ ≤10 μm）较小时，沉积的微螺旋结构整体形状均匀、直径无大突变；当初始极间隙δ 较大（10 μm＜δ ≤20 μm）时，螺旋结构体开始出现较多瘤状晶胞。当初始极间隙 δ 增至 20 μm 及以上时，不能形成螺旋结构。

初始极间隙与沉积成形微螺旋构件的平均直径和体沉积速率的关系，如图11、12 所示。当初始极间隙δ 为 5～20 μm 时，随着初始极间隙的增大，螺旋结构的平均直径增大，体沉积速率减小，其平均直径由 128 μm 增大至 163 μm，体沉积速率由 1 323 μm ³ / s 减小至 1 089 μm ³ / s。

对初始极间隙对微螺旋结构形貌和体沉积速率、平均直径的影响，分析认为，当初始极间隙δ 较小（≤10 μm）时，在沉积微区域的极间电场线分布集中且均匀，沉积状态相对稳定，所以螺旋结构整体形状均匀、直径无较大突变。当初始极间距δ 较大（10 μm＜δ ≤20 μm）时，极间电场线分布相对发散，能够维持电沉积的电场线分布范围广，阳极尖端对应的电化学沉积微区域扩大，所以电沉积螺旋结构的底部直径较大。随着沉积进行，尖端效应越来越明显，使得尖端单位区域内电流密度逐渐增加，电场线分布趋于集中，所以沉积螺旋结构的直径会逐渐变小。初始极间隙增大时，极间电场线发散且电场强度减弱，两极间的工作电阻变大，会降低单位区域内的电流密度，造成体沉积速率下降。

4 结论

合理控制阳极运动轨迹，基于电沉积增材制造技术制备三维微螺旋构件，探究了不同工艺参数（极间电压、脉冲占空比、初始极间隙）对微螺旋结构的影响规律，可得出如下结论：

（1）极间电压为 4.0～4.4 V 时，可以制备出形状规整、直径较为均匀的微螺旋结构，但电压继续增大到 4.6 V 后，成形质量较差。随极间电压增加，微螺旋结构的沉积速率和直径随之增大。

（2）初始极间隙δ≤10 μm 时，沉积微螺旋结构直径趋于均匀，表面光滑；当初始极间隙为 10 μm＜ δ≤20 μm 时，随着初始极间隙增大，微螺旋结构的沉积速率减小，直径明显增大。

（3）脉冲占空比在 50%～60%时，螺旋结构形状规整、直径均匀。当脉冲占空比增至 70～80%时，螺旋结构出现较大的瘤状沉积。

所得结果可为三维微螺旋构件的制备提供一定的技术支持。后续将继续对所制备的三维微螺旋结构的力学性能进行探究，完善工艺参数对三维微螺旋构件影响规律的探究。

参考文献