兆声波精密微电铸设备及相关工艺研究

兆声波具有高声强、低空化、声流扰动的特点,将其应用于电化学沉积领域有着明显的优势。设计了一种贴片式双向兆声辐照的兆声波反应器,组合其他功能模块,制作了一款集成化的兆声精密电铸设备。以铜基底上镍的电沉积过程为研究对象,考察了不同兆声波作用形式对铸层厚度均匀性及表面形貌的影响,对比了无兆声作用、单侧兆声作用、双侧交替兆声作用下的电铸层厚度均匀性及电铸层表面形貌。电铸完成后,镍铸层的平面度值分别为:无兆声15.03μm、单侧兆声15.36μm、双侧兆声10.91μm。单侧兆声振动产生的驻波条纹及偏向推积现象影响了铸层的厚度均匀性及表面形貌。双侧交替兆声辐照克服了单侧兆声作用存在的偏向推积问题。相对于无兆声作用及单侧兆声作用,双侧兆声辅助电沉积获得了更均匀的电铸层厚度以及更好的沉积层表面形貌。     

基于电化学沉积的高深宽比无源MEMS惯性开关的研制

基于电化学沉积技术在金属基底上制作了一种新型的无源MEMS惯性开关。针对高深宽比、细线宽微电铸用光刻胶模具制作过程中,由于SU-8胶膜严重侧蚀导致的胶膜制作困难、质量低下的问题,进行了紫外光刻试验研究。试验研究了不同曝光剂量和后烘时间对SU-8胶光刻效果的影响,优化了光刻工艺参数。采用降低曝光剂量和延长后烘时间相结合的方法解决了高深宽比、细线宽SU-8胶膜制作困难的问题,制作出高质量的微电铸用光刻胶模具。最后,在上述试验结果基础上制作了一种高深宽比、无源MEMS惯性开关。其外形尺寸为3935μm×3935μm×234μm,其中最细线宽12μm,单层最大深宽比达10∶1,多层最大深宽比达20∶1。     

大高宽比阶梯型铜微柱阵列的制作

基于THB–151N光刻胶的微电铸工艺制作了一种阶梯型铜微柱阵列。针对THB–151N光刻胶显影过程中20μm微盲孔显影困难和底部留膜的问题,提出了一种基于浸没式双向兆声波辅助的显影方法。仿真研究了兆声功率密度和微盲孔深宽比对显影液传质过程的影响。优选了兆声功率密度和微盲孔深宽比,并开展了兆声辅助显影的试验研究。同时,针对THB–151N胶膜因曝光剂量选择不当导致微盲孔侧壁垂直度差的问题,通过光刻试验分析了曝光剂量对微盲孔侧壁垂直度的影响,拟合出曝光剂量与胶膜厚度的经验方程。在上述工艺方法和试验研究的基础上,制作出高度300μm、整体高宽比达15∶1、最小边长20μm、4×6的阶梯型铜微柱阵列。     

基于电化学刻蚀与微电铸工艺的微流控芯片模具制作

为解决微流控芯片模具在微电铸工艺中铸层与基底结合力差的问题,在光刻工艺的基础上,采用掩膜电化学刻蚀和微电铸相结合的方法,制作出了结合力较好的镍基双十字微流控芯片模具。针对掩膜电化学刻蚀的工艺参数进行了试验研究,选定了制作微流控芯片模具的最佳工艺参数,解决了酸洗引起胶膜脱落失效、刻蚀引起侧蚀等问题。使用剪切强度表征界面结合强度,运用剪切法测量了微电铸层与基底的剪切强度,定量分析了酸洗工艺和刻蚀工艺的参数对界面结合强度的影响。试验结果表明,酸洗20s后电铸层与基底的剪切强度相对于直接电铸提高了98.5%,刻蚀5min后剪切强度提高了203.6%。刻蚀5min后的剪切强度相对于酸洗20s后电铸的剪切强度提高了53.0%。本文提出的方法能够有效提高铸层与基底的界面结合强度,延长微流控芯片模具的使用寿命。     

辅助摩擦电铸Ni-Mn合金的力学性能

利用一种新的电铸技术--游离粒子辅助摩擦电铸技术进行Ni-Mn合金的电铸试验.研究了工艺参数对Ni-Mn合金电铸层显微硬度和拉伸性能的影响规律.试验结果表明,游离粒子的辅助摩擦作用和电铸层中的锰元素共同影响着电铸层的力学性能.随着阴极旋转速率的提高,电铸层中锰含量不断增加,且游离粒子对电铸层的摩擦、挤压作用随之加强,电...     

基于复杂型面薄壁零件成形的电铸试验研究

 在航空、航天领域存在诸如风洞喷管、波导元件和叶片电极等异型薄壁零件,采用常规加工方法对这些薄壁零件进行加工时存在着难加工的问题,利用一种新型的电铸技术——阴极平动式游离粒子辅助磨擦电铸技术对其进行直接成形加工。在电铸过程中,阴阳极之间添加不导电的游离粒子,随着阴极的不断运动,游离粒子能够周期性地对电沉积层产生磨擦、抛光、挤压作用,以此来提高表面质量,强化电铸层。与传统电铸技术所制备的电铸镍层进行了对比试验,试验结果表明：游离粒子辅助磨擦电铸技术能够获得表面光亮、平整电铸层;电铸层（200）晶面的衍射强度明显降低,（111）和（220）晶面的衍射强度显著提高;电铸层的机械性能也得到了明显的改善,显微硬度和抗拉强度比传统电铸工艺提高了一倍左右。以此为基础,成功制备了复杂型面叶片阴极,其显微硬度和表面粗糙度都得到了明显改善。     

一种新的电铸阳极轮廓设计方法

 拉瓦尔喷管的电铸层有一定的均匀性要求.在电铸过程中,电铸阳极的轮廓和位置决定了阴极表面电流密度的分布,并最终影响电铸层的均匀性.为此,设计了一种新的阳极轮廓优化方法,在进行阳极轮廓优化设计时,只需在编制的优化程序中输入阴极轮廓,通过ANSYS软件进行电场分析,程序根据阴极上不同位置电场强度的强弱,自动逐步调整对应点的阳极轮廓,以改善阴极表面的电流密度分布均匀性,即可得到优化后的阳极轮廓.采用该优化方法,可以快速得到所需的阳极轮廓,且通用性强.对某型喷管外壁进行阳极轮廓优化设计后,制得了厚度最大处与最小处比值为1.26的电铸镍层.     

基于微电铸工艺的摩擦接触式微型惯性开关

针对微型惯性开关闭合时间短、接触弹跳问题,设计了增强接触效果的摩擦接触式微型惯性开关。基于MEMS惯性开关工作原理,建立了开关物理模型,研究了不同类型惯性开关的闭合性能,提出了增强接触的摩擦接触方法,设计了摩擦接触式微型惯性开关的结构。为了对比接触性能,基于UV–LIGA叠层光刻和精密微电铸工艺,研制了3种不同类型的惯性开关。最后,进行落锤试验,测试结果显示:施加400g外载加速度时,刚性、柔性、摩擦接触式微型惯性开关的闭合时间分别为10μs、80μs、620μs;在惯性开关中引入摩擦电极,既能延长闭合时间,又能解决弹跳问题。研究结果表明,摩擦接触式微型惯性开关在增强接触效果方面具有很大的优越性。     

精密电铸铜工艺的研究

分析了国内外精密电铸铜发展现状,提出了电流和添加剂对电铸层表面形貌的影响,以及铸液中添加剂的存在对基质金属铜的晶粒有明显的细化作用.使电铸层的显微硬度、耐磨性及抗拉性有明显提高.     

电铸-电解组合法加工双向喇叭孔阵列

为解决双向喇叭形金属微小孔阵列的高效低成本制造难题,提出了一种基于镂空型惰性金属模板的、由电铸加工与掩模电解加工步骤串接而成的组合式加工方法。基于建立的数学模型,在证实该组合加工可行性的基础上,进一步仿真分析与试验研究了惰性金属模板结构参数对被加工孔阵列几何结构形状的影响规律,并进行了参数优选,数值分析与试验结果基本一致。研究结果表明:被加工孔阵列的几何特征参数严重受惰性金属模板结构参数的影响;采用大厚度、大于90°开口角的惰性金属模板有利于获得最小孔径更小且出入口廓形对称性更好的双向喇叭形孔;模板筋宽越小,越易于实现大孔深、高对称性的双向喇叭孔;模板孔径越大,喇叭孔金属层的极限厚度越大,但出入口廓形的对称性越差。此外,在小筋宽、90°开口角的惰性金属模板上更易电解加工生成""形喇叭孔。基于优化的惰性金属模板,能电铸-电解组合加工出出入口廓形对称性好的、最小孔径比被复制模板孔小的、网片厚度大且表面光滑的双向喇叭形金属微小孔阵列,其进出口的对称度、孔径偏差与出口相对于最小孔径的扩口率等分别为88.8%、9.7%和110.1%。     

高精度AZ厚胶光刻及在微型射频同轴器制作中的应用

基于正负胶结合的UV-LIGA技术在金属基底上制作了一种新型无源微型射频同轴传输器。针对制作过程中由于胶膜内部曝光剂量分布不均匀导致的正性厚胶AZ50XT光刻图形精度低的问题,在紫外光刻工艺的基础上,采用分次曝光显影的方法,制作了高尺寸精度的电铸胶膜。对不同尺寸的掩膜板图形进行分次曝光显影试验,研究了分次曝光显影法对光刻图形尺寸精度的影响。试验结果表明:分次曝光显影法可以显著提高AZ50XT胶膜图形化精度,并且光刻图形的精度与掩膜板图形尺寸无关。最后,基于上述试验成果,制作了整体尺寸为3000μm×400μm×200μm,单层最大厚度为60μm,侧壁倾角均大于85°的微型射频同轴传输器。     

喷射液束电解-激光复合加工工艺试验研究

喷射液束电解 激光复合加工是一项新探索的加工技术,其特点是既发挥激光加工的高效率,又借助喷射电液束的冷却、冲刷、电解作用而实现在线去除再铸层。基于该加工原理的分析,在对激光电解液中衰减特性研究的基础上,研制了试验系统并对不锈钢片进行了打孔工艺试验。试验结果表明,应用液压1.5 MPa、浓度18%的NaNO₃电解液的喷射液束电解-激光复合加工可实现再铸层减少90%以上。通过对打孔形貌的对比以及加工工艺规律的初步分析,揭示了喷射液束电解-激光复合加工以激光加工为主,电解加工辅助去除再铸层的加工原理,证实了该复合加工工艺的可行性,可望在航空航天领域得到广泛工程应用。     

二次法激光加工小孔技术

为了提高激光加工航空发动机气膜冷却孔质量,介绍了一种采用焦耳级脉冲能量毫秒激光在镍基高温合金上快速加工初始通孔,再采用毫焦耳级脉冲能量纳秒激光扩孔的二次加工小孔方法。通过该方法试图消除毫秒激光加工小孔产生的再铸层以及解决纳秒激光直接加工几乎无再铸层小孔效率低、深度有限的问题,从而实现更高效率加工高质量气膜冷却孔。试验研究结果表明,该方法可以有效去除毫秒激光加工小孔孔壁的再铸层,改善孔壁表面质量,与纳秒激光直接加工小孔比较,在加工1 mm左右深的小孔时可以提高加工效率,但加工2 mm以上深度的小孔时,对提高加工效率的作用不明显。基于试验结果及分析,对二次法加工小孔提出了改进措施。     

基于回转基准面的椭圆振动辅助切削微织构过程仿真研究

仿生研究表明,具有凹坑、沟槽等微结构的表面具有减阻、自清洁等优异性能,微结构表面在航空航天、船舶、光学等领域有广泛的应用,对于节省能源、减阻降噪、降低污染和提升产品性能等具有重要的意义。为了有效预测椭圆振动辅助切削加工微织构的效果,依据椭圆振动装置的共振频率和回转类基准面的转动速率,给出了一种椭圆振动辅助切削微织构的轨迹规划方法,通过对周期振动载荷进行傅里叶级数的转化,在刀具有限元模型上加载了椭圆振动载荷,建立了基于回转面的椭圆振动辅助切削微织构的有限元仿真模型。基于建立的有限元仿真模型,对不同振动参数下的椭圆振动辅助切削微织构加工过程中的瞬时Mises应力分布和切削力进行分析,验证了微织构加工轨迹的正确性,为进一步的微织构加工提供了参考。     

大阻尼高刚度复合材料仪表板的设计结构与工艺研究

设计了一种五层夹芯多层阻尼薄膜嵌入的复合材料仪表板结构,并采用多次热压罐固化成型工艺来制作该大阻尼高刚度复合材料仪表板.它们分别是:上、下蒙皮和中心层的制作,上、下蒙皮和中心层与泡沫塑料的粘接与紧固件的预埋,孔的修正及仪表板的包边加工.通过成形质量检验和加载试验,验证了成形工艺的可行性和合理性.     

SiCp/Al复合材料低损伤表面切削加工研究与进展

SiC_p/Al复合材料属于典型的难加工材料,其SiC颗粒增强相的存在使得切削加工时材料已加工表面极易出现基体撕裂、微裂纹、微空穴等缺陷。为了实现SiC_p/Al复合材料的高效低损伤加工,从切屑形成机制、表面完整性和刀具磨损等方面总结SiC_p/Al复合材料切削加工性能及其影响因素,研究表明,该材料增强相颗粒去除方式和去除机理对表面形成过程影响显著;探讨了SiC_p/Al复合材料塑性域加工机理和塑脆转换临界条件获取方面的研究进展,综述了表征SiC_p/Al动态力学性能的宏微观建模方法,分析了多尺度多相耦合切削加工有限元仿真的热点和难点问题;指出了低温微切削、超声辅助微切削、激光辅助微切削等是实现SiC_p/Al复合材料协调变形和塑性域加工工艺条件的发展方向。     

时钟模型辅助的惯性/卫星紧组合导航算法研究

针对卫星信号受到遮挡或者干扰、卫星接收机收星数不足的问题,提出了一种时钟模型辅助的惯性/卫星紧组合导航算法。通过正常紧组合状态下的钟差、钟漂估计值建立钟差和钟漂的数学模型,在可见卫星少于4颗时,用时钟模型计算得到的钟差和钟漂作为系统钟差、钟漂的真实值引入观测信息中,并省去状态变量中的钟差和钟漂项,增加了系统的可观测性。最后,通过采集跑车试验数据进行了离线数据仿真试验。试验结果表明,提出的时钟模型辅助的惯性/卫星紧组合导航算法在可见卫星不足的情况下取得了良好的效果。     

时钟模型辅助的惯性/卫星紧组合导航算法研究

针对卫星信号受到遮挡或者干扰、卫星接收机收星数不足的问题,提出了一种时钟模型辅助的惯性/卫星紧组合导航算法。通过正常紧组合状态下的钟差、钟漂估计值建立钟差和钟漂的数学模型,在可见卫星少于4颗时,用时钟模型计算得到的钟差和钟漂作为系统钟差、钟漂的真实值引入观测信息中,并省去状态变量中的钟差和钟漂项,增加了系统的可观测性。最后,通过采集跑车试验数据进行了离线数据仿真试验。试验结果表明,提出的时钟模型辅助的惯性/卫星紧组合导航算法在可见卫星不足的情况下取得了良好的效果。     

无氧铜微铣削加工中尺寸效应对出口毛刺的影响研究

为预测出口毛刺的形成高度,本文根据微铣削加工中未变形切屑厚度理论,构建出口毛刺几何模型。采用有限元仿真方法,分析微铣削加工无氧铜时尺寸效应对出口毛刺尺寸的影响,发现当未变形切屑厚度与刀尖钝圆半径比值为1时毛刺尺寸达到最小值。分析工艺条件对切削力的影响,发现未变形切屑厚度的改变对切向力的变化有显著影响,切削速度的改变对切削力基本无影响。     

石英谐振加速度传感器芯片设计与仿真

分体式石英谐振加速度传感器在性能提升上受到装配误差等因素的影响较大,故提出一种全石英谐振加速度计芯片结构,包括下层的硅结构和上层的石英结构。下层的硅基底仅作为支撑结构进行加工制作,敏感单元为全石英材料,硅结构与石英结构键合到一起,结构加工完成后去除硅材料,以释放石英敏感单元。整体结构为中心对称,包括质量块、音叉结构、微杠杆结构和应力分配梁,芯片通过微杠杆结构来增大传感器的灵敏度,并通过应力分配梁使石英音叉两根振梁上的内应力均匀一致。通过仿真验证了设计的有效性,仿真的差动灵敏度为35Hz/g。