超临界微细电铸过程数值模拟及实验研究

论文摘要

将超临界特性与电沉积技术有机结合,采用超临界CO2电沉积方法制备高性能纳米晶粒沉积层,是制备纳米材料(铸层)的一种新方法,为微细特种加工领域提供新的技术途径。本文在国家自然科学基金项目(50875116)和江苏省自然科学基金项目(BK2006043)的资助下,围绕超临界CO2流体微细电铸技术制备金属薄膜的工艺过程进行数值模拟与实验研究。主要开展:(1)针对超临界CO2条件下压力和温度两工艺参数对微细电铸体系乳化液电阻特性的影响,借助Eviews软件建立其优化数学模型,利用Matlab软件最优化工具箱和anoval2方差分析函数进行数值求解和影响程度分析,并通过实验进行验证。研究表明,模型优化值与分析值基本吻合;在优化条件下,体系乳化液的电阻分散状态最佳,铸层的显微硬度提高约30%;同等条件下压力参数对乳化液电阻的影响更显著,而温度参数对其影响弱一些,说明采用Matlab软件分析超临界流体电铸溶液特性是行之有效的方法,可为开发微细电铸新工艺提供科学依据。(2)利用Matlab软件模拟分析超临界CO2流体微细电铸过程中的电场和流场分布情况。研究表明,深宽比对微结构的入口处电场电力线弯曲程度和稠密度有影响,而对底部阴极表面的电力线无明显影响,从而导致入口处的电流密度分布不均,即铸层表面均匀度不高;具有高深宽比结构的微器件,单纯依靠搅拌的方式是难以改善离子的传质过程,可借助辅助超声搅拌、超临界流体等方式改善离子的扩散传质能力,并添加表面活性剂以提高微细电铸的沉积效果,降低铸层的表面不均匀性。(3)借助Matlab软件偏微分pdetool工具箱对超临界CO2环境下具有深宽比结构的单一镍离子和多物质离子扩散传质过程进行模拟分析与讨论,探讨单一离子扩散传质作用下,不同电流密度和微结构深度对阴极镍离子浓度的影响规律;同时模拟分析多离子扩散传质过程伴随微结构深宽比大小的变化规律。研究表明,随着工作时间不断变长,镍离子扩散传质过程逐渐趋于稳态。较深的微结构应使用较小的电流密度实施微细电铸,而较浅的应加载较大的电流密度实施电铸;多物质离子传质过程表明,单纯依靠扩散作用完成微细电铸的传质任务是不能实现的。(4)采用非离子表面活性剂进行超临界CO2流体微细电铸的实验研究,对微细电铸原理、工艺路线、铸层质量标志及特性评价进行了简单概述,并对超临界流体微细电铸的实验原理、工艺条件及实验流程进行详细介绍,主要讨论分析电流密度对超临界流体微细电铸层的表面形貌、显微硬度、阴极电流效率、沉积速率、铸层厚度的影响规律。研究表明,随着阴极表面电流密度逐渐增加,电流效率快速下降,镍铸层的显微硬度、沉积速率、铸层厚度均不断增大,在压力为10MPa,温度为323K条件下,电流密度为5A/dm2时,镍铸层的显微硬度、厚度、阴极电流效率、沉积速率分别为701.2HV、39μm、94.51%、51.85mg/(cm2·h),与传统电铸相比,超临界CO2微细电铸方法制备的镍铸层微观表面平整、致密,为优化超临界CO2流体微细电铸的工艺条件及性能研究提供可靠依据。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 国内外微细电铸的研究进展
• 1.2.1 精密电铸与微细电铸
• 1.2.2 微细电铸国内外研究进展
• 1.3 MEMS微器件电沉积层均匀性的研究进展
• 1.4 超临界流体电沉积技术的研究进展
• 1.4.1 表面活性剂对电沉积过程的影响
• 2体积分数对乳化液电化学性能的影响'>1.4.2 CO₂体积分数对乳化液电化学性能的影响
• 1.4.3 超临界流体电沉积层的应用研究
• 1.5 课题研究目的、意义及内容
• 1.5.1 课题研究目的和意义
• 1.5.2 课题研究内容
• 2 超临界流体电铸镍溶液特性的数值分析
• 2.1 电铸镍基本理论
• 2.1.1 镍的特性
• 2.1.2 镍电解液
• 2.1.3 电解现象
• 2.1.4 超临界微细电铸镍过程
• 2.1.5 电流回路
• 2.2 基本数学理论
• 2.2.1 数据处理
• 2.2.2 建立模型
• 2.2.3 数值求解
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 压力和温度参数对乳化液电阻的影响
• 2.3.2 影响程度分析
• 2.4 本章小结
• 3 超临界流体微细电铸层均匀性的研究
• 3.1 超临界流体微细电铸电场模拟分析
• 3.1.1 电场实体建模
• 3.1.2 边界条件及求解
• 3.1.3 结果分析
• 3.2 超临界流体微细电铸流场模拟分析
• 3.2.1 流场基本理论
• 3.2.2 深宽比对流场分布的影响
• 3.3 本章小结
• 4 超临界流体微细电铸传质过程的数值模拟
• 4.1 液相传质理论
• 4.1.1 扩散
• 4.1.2 对流
• 4.1.3 电迁移
• 4.2 超临界流体微细电铸单一镍离子扩散传质过程数值分析
• 4.2.1 镍离子扩散传质模型
• 4.2.2 镍离子扩散传质过程数值分析
• 4.3 超临界流体微细电铸多物质离子传质过程数值模拟
• 4.3.1 数学模型及理论
• 4.3.2 数值模拟分析
• 4.4 本章小结
• 5 超临界流体微细电铸的实验研究
• 5.1 微细电铸基本理论及工艺特性
• 5.1.1 微细电铸原理
• 5.1.2 微细电铸工艺路线
• 5.1.3 微细电铸层质量标志
• 5.1.4 微细电铸层性能评价
• 5.2 超临界流体微细电铸的实验研究
• 5.2.1 实验工艺流程
• 5.2.2 实验仪器及材料
• 5.2.3 实验原理及装置
• 5.3 超临界流体微细电铸实验结果分析
• 5.3.1 电流密度对镍铸层表面形貌的影响
• 5.3.2 电流密度对阴极电流效率的影响
• 5.3.3 电流密度对电铸层厚度的影响
• 5.3.4 电流密度对沉积速率的影响
• 5.3.5 电流密度对镍铸层显微硬度的影响
• 5.4 超临界流体微细电铸的其他研究
• 5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间研究成果
• 致谢