專(zhuān)利名稱(chēng)：采用平板電極電解轉(zhuǎn)印加工金屬雙極板表面微流道的方法及其平板電極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明采用平板電極電解轉(zhuǎn)印加工金屬雙極板表面微流道的方法，屬電解加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是以氫或凈化重整氣為燃料，空氣或純氧為氧化劑，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。作為氫能的理想轉(zhuǎn)換裝置，PEMFC以其高比功率、高轉(zhuǎn)化效率、低環(huán)境受到了各國(guó)研究機(jī)構(gòu)以及各大汽車(chē)公司的廣泛關(guān)注。自上世紀(jì)90年代以來(lái)，PEMFC技術(shù)發(fā)展迅速，現(xiàn)在正處在商品化的前夜。雙極板是PEMFC的核心部件之一，具有隔離并均勻分配反應(yīng)氣體、收集并導(dǎo)出電流、串聯(lián)各個(gè)單電池等功能。其質(zhì)量占電池組的60%以上，成本占電池組30%-45%。理想的雙極板應(yīng)具有較高的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、耐腐蝕性、低密度、高機(jī)械強(qiáng)度、高阻氣能力，以及低成本、易加工等特點(diǎn)。金屬材料具有良好導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好，而且強(qiáng)度高，資源豐富，可以顯著降低雙極板厚度，是理想的PEMFC雙極板材料，采用金屬材料制備雙極板被認(rèn)為是PEMFC產(chǎn)業(yè)化的必然選擇。金屬雙極板表面的成形微流道是制造金屬雙極板的最主要難點(diǎn)。有效的雙極板表面流道加工技術(shù)是PEMFC商業(yè)化的重要保障。雙極板表面流道通常是由寬度為Imm左右，深度為數(shù)百微米的流道組成，屬于典型的Micro/Meso加工任務(wù)。目前，國(guó)內(nèi)外提出了多種的金屬表面微流道的加工方法，每一種加工方法都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也存在著某些局限性。沖壓成形是制作雙極板的一個(gè)有效快速的手段。SASAWAT等研究人員系統(tǒng)研究了金屬雙極板沖壓成形與液壓成形的成形性和成形表面質(zhì)量，試驗(yàn)結(jié)果表明沖壓和液壓成形在制造具有陣列形微溝槽的薄金屬雙極板方面是可行的，但是金屬雙極板成形過(guò)程中，板料容易引起變形，需要采取先成形再整形的方法解決板料局部變形問(wèn)題。LIU等研究人員研究用橡膠墊軟模成形加工金屬雙極板表面微流道，也取得了較好的效果，但是對(duì)于加工復(fù)雜截面形狀或拔模度較小、圓角較小的溝槽結(jié)構(gòu)時(shí)，該工藝的成形性能以及局部變薄的情況有待進(jìn)一步驗(yàn)證。Hung等研究人員提出采用微細(xì)電火花加工技術(shù)加工金屬雙極板表面的微流道結(jié)構(gòu)，采用該陣列凸起電極在工件上反拷加工出流道結(jié)構(gòu)，由于電火花加工是和激光加工一樣利用熱能蝕除工件，工件受熱易發(fā)生變形，同時(shí)電火花的加工速度慢，工具電極亦存在嚴(yán)重的損耗，使用壽命較短。德國(guó)Schreck等研究人員采用激光技術(shù)在不銹鋼表面加工了不同的流道結(jié)構(gòu)，但激光加工也存在著不足之處，由于激光加工屬于熱作用過(guò)程，被加工材料在激光的高溫作用下達(dá)到氣化溫度后，在高壓蒸汽的作用下，液態(tài)材料被噴出，而殘留在工件材料表面上的熔融物遇冷凝固后形成“翻邊”現(xiàn)象。通常采用特殊光整加工工藝去除“翻邊”再鑄層，常用的方法有磨料氣射流加工技術(shù)和化學(xué)研磨技術(shù)。近幾年，國(guó)內(nèi)外很多專(zhuān)家特別關(guān)注微細(xì)電解加工技術(shù)，期望利用其獨(dú)特的加工原理和特性解決這類(lèi)零件的微制造難題，從原理上來(lái)講，微細(xì)電解加工具有非接觸、與材料硬度強(qiáng)度無(wú)關(guān)、無(wú)切削力等優(yōu)點(diǎn)，從而可以保證加工后工件無(wú)應(yīng)力變形。日本東京農(nóng)業(yè)大學(xué)Wataru Natsu等研究人員采用電射流技術(shù)(Electrolyte JetMachining, EJM)進(jìn)行表面織構(gòu)加工研究，并利用電場(chǎng)仿真研究了電液束到工件表面的電場(chǎng)分布和陽(yáng)極蝕除機(jī)理。該工藝由于陰陽(yáng)極距離較遠(yuǎn)，需采用較高的加工電壓，直接高壓電解液射流沖擊陽(yáng)極工件表面來(lái)完成對(duì)工件材料的溶解。電射流加工技術(shù)可以準(zhǔn)確地在平面和曲面加工各種表面溝槽和微坑結(jié)構(gòu)，但是該工藝屬于單點(diǎn)或單排加工，當(dāng)需要加工群坑或者群縫結(jié)構(gòu)時(shí)，加工效率比較低。提高電解加工陣列微流道的加工效率的有效方法是制作群電極進(jìn)行電解加工。臺(tái)灣LEE等研究人員采用成形群電極進(jìn)行電解加工微流道。該研究小組基于加工間隙內(nèi)的電場(chǎng)模型進(jìn)行數(shù)值分析，模擬了該加工方式下微流道的成型過(guò)程，但是電解加工過(guò)程中，加工間隙內(nèi)的流場(chǎng)分布是影響電解加工穩(wěn)定性和加工精度的主要因素。通常電解加工過(guò)程中，應(yīng)保證電解液在緩變的通道中流過(guò)，保證較好的均勻性，但是采用這種加工方式加工過(guò)程中，當(dāng)電解液在加工通道內(nèi)高速流過(guò)時(shí)，電解液通道截面大小不斷交替突變，從而會(huì)造成加工區(qū)域流場(chǎng)混亂，使加工過(guò)程不穩(wěn)定，甚至?xí)鸲搪返纫馔馇闆r。因此，為提高加工過(guò)程的穩(wěn)定性，國(guó)外有研究學(xué)者提出采用掩模電解加工技術(shù)(Through Mask Electrochemical Micromachining, TMEMM),也被稱(chēng)為照相電解，加工表面微流道。該工藝是基于光刻工藝和微細(xì)電解加工(Electrochemical Micromachining,EMM)中陽(yáng)極電化學(xué)溶解原理，將陽(yáng)極表面經(jīng)光刻處理后進(jìn)行電解加工的一門(mén)特種加工工藝，具有工具電極無(wú)損耗、加工后陽(yáng)極工件表面無(wú)殘余應(yīng)力、無(wú)變形和表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。這種傳統(tǒng)的掩模電解加工技術(shù)在電解加工前工件都需要進(jìn)行光刻工藝處理，電解加工結(jié)束后需進(jìn)行表面的去膠處理，因此，該工藝并不適合大批量生產(chǎn)，當(dāng)上升到工程實(shí)踐環(huán)節(jié)時(shí)會(huì)產(chǎn)生局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)目前電解轉(zhuǎn)印工藝的不足與局限性，提出采用平板電極電解轉(zhuǎn)印加工金屬雙極板表面微流道的方法。所謂平板電極，是指在目前電解轉(zhuǎn)印工藝中使用的鏤空工具陰極基礎(chǔ)上進(jìn)行金屬填充后得到的平板工具陰極。然后，利用平板電極進(jìn)行電解轉(zhuǎn)印，可以將平板電極上填充金屬部分的圖案轉(zhuǎn)移至陽(yáng)極工件表面。一種采用平板電極電解轉(zhuǎn)印加工金屬雙極板表面微流道的方法，其特征在于:步驟如下:
(1)制作平板電極:將帶有微流道形貌的鏤空部分進(jìn)行金屬填充后得到平板陰極；
(2)通過(guò)夾持工具，將平板陰極與工件陽(yáng)極固定并保持微小加工間隙；
(3)工件陽(yáng)極與電源正極連接，工具陰極與電源負(fù)極連接；
(4)向平板工具陰極和工件陽(yáng)極之間的間隙內(nèi)通入電解液；電解液到達(dá)平板工具陰極和工件陽(yáng)極的加工表面；
(5)接通電源進(jìn)行電解加工。進(jìn)一步地，所述步驟I)中平板電極的制作工藝如下:所述平板工具電極作為電解加工中的工具陰極，由三部分組成，依次是光刻基底金屬，光刻膠和填充金屬；所述光刻基底金屬為光刻膠的載體，在光刻基底金屬的表面涂有光刻膠，經(jīng)過(guò)光刻顯影以后，所述光刻膠上刻有鏤空流道，然后經(jīng)過(guò)電鑄工藝，將所述鏤空流道內(nèi)充滿(mǎn)填充金屬。進(jìn)一步地，所述步驟2)為通過(guò)夾持工具，將平板工具電極與工件陽(yáng)極角對(duì)角平行放置于電解液槽中，保持微小間隙0.02mm-0.04mm后，固定平板工具電極與工件陽(yáng)極的相對(duì)位置。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):利用本發(fā)明方法不僅可以顯著提高電解加工的定域性和微細(xì)尺度加工能力，而且能在加工過(guò)程中保證電解產(chǎn)物的及時(shí)排出。該加工方法和目前的電解轉(zhuǎn)印工藝相比，采用平板工具電極進(jìn)行電解轉(zhuǎn)印的明顯優(yōu)勢(shì)有:(I)鏤空工具電極經(jīng)過(guò)金屬填充后，增強(qiáng)了絕緣層和基底的結(jié)合力。電解加工過(guò)程中在高速電解液的沖刷下，保證絕緣層與金屬基底的緊密結(jié)合，提高工具電極的使用率；(2)采用平板電極，當(dāng)電解液在加工通道內(nèi)高速流過(guò)時(shí)，電解液通道截面大小不變，保證加工區(qū)域流場(chǎng)平穩(wěn)，電解產(chǎn)物在電解液的沖刷下迅速流出加工區(qū)域，保證加工區(qū)域電解液的及時(shí)更新；(3)鏤空工具陰極經(jīng)過(guò)金屬填充后，縮短了加工區(qū)域陰極與陽(yáng)極的加工間隙，可以有效提高電解加工的定域性。


圖1是采用平板電極電解轉(zhuǎn)印加工金屬雙極板表面微流道方法示意圖。圖2是平板工具電極結(jié)構(gòu)示意圖。圖2 (a)和圖2 (b)分別是平板電極主視圖和平板電極截面剖視圖。圖3是平板工具電極制作過(guò)程示意圖。圖3 (a)是金屬基底板涂覆光刻膠并進(jìn)行光刻示意圖；圖3 (b)是顯影后帶光刻膠的金屬基底板示意圖；圖3 (c)是光刻膠鏤空部分填充金屬后得到的平板工具陰極示意圖。圖4 (a)是光刻膠流道內(nèi)未填充金屬時(shí)，經(jīng)電解液沖刷一段時(shí)間后，部分光刻膠脫
離金屬基底。圖4 (b)是光刻膠鏤空?qǐng)D案中填充金屬后，電解液沖刷相同時(shí)間后，光刻膠未脫離
金屬基底。圖1中1.金屬基底，2.光刻膠，3.填充金屬，4.平板電極，5.電解液，6.工件陽(yáng)極，7.電源。圖3中8.曝光光源，9.掩模板。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合圖1、圖2和圖3具體說(shuō)明實(shí)施本發(fā)明:
1)采用平板電極電解轉(zhuǎn)印加工金屬雙極板表面微流道的方法中使用的平板工具電極
(4)，其特征是:所述平板工具電極作為電解加工中的工具陰極，由三部分組成，依次是光刻基底金屬(I )，光刻膠(2)和填充金屬(3);所述光刻基底金屬(I)為光刻膠的載體，在光刻基底金屬(I)的表面涂有光刻膠(2 )，曝光光源(9 )透過(guò)掩膜版(9 )對(duì)光刻膠照射后進(jìn)行顯影，所述光刻膠上刻有鏤空流道，然后經(jīng)過(guò)電鑄工藝，將所述鏤空流道內(nèi)充滿(mǎn)填充金屬(3 );
2)通過(guò)夾持工具，將平板工具電極(4)與工件陽(yáng)極(6)角對(duì)角平行放置于電解液槽中，保持微小間隙(0.02mm-0.04mm)后固定平板工具電極(4)與工件陽(yáng)極(6)的相對(duì)位置；
3)分別將工件陽(yáng)極(6)、平板工具陰極(4)與電源(7)的正負(fù)極相連接；
4)在平板工具陰極(4)和工件陽(yáng)極(6)之間的微小間隙內(nèi)通入電解液(5)，電解液(5)到達(dá)平板工具陰極(4)和工件陽(yáng)極(6)的加工表面；
5)接通電源，進(jìn)行電解加工。采用平板電極電解加工微流道的明顯優(yōu)勢(shì)有:(1)鏤空工具電極經(jīng)過(guò)金屬填充后，增強(qiáng)了光刻膠絕緣層和金屬基底的結(jié)合力。電解加工過(guò)程中在高速電解液的沖刷下，保證絕緣層與金屬基底的緊密結(jié)合，提高工具電極的使用率，圖4 (a)是光刻膠流道內(nèi)未填充金屬時(shí)，經(jīng)電解液沖刷一段時(shí)間后，部分光刻膠脫離金屬基底，圖4 (b)是光刻膠鏤空?qǐng)D案中填充金屬后，電解液沖刷相同時(shí)間后，光刻膠未脫離金屬基底；通過(guò)圖片對(duì)比可以直觀地看到圖4 (b)的效果優(yōu)于圖4 (a)。(2)采用平板電極，當(dāng)電解液在加工通道內(nèi)高速流過(guò)時(shí)，電解液通道截面大小不變，保證加工區(qū)域流場(chǎng)平穩(wěn)，電解產(chǎn)物在電解液的沖刷下迅速流出加工區(qū)域，保證加工區(qū)域電解液的及時(shí)更新；(3)鏤空工具陰極經(jīng)過(guò)金屬填充后，縮短了加工區(qū)域陰極與陽(yáng)極的加工間隙，可以有效提高電解加工的定域性。
權(quán)利要求
1.一種采用平板電極電解轉(zhuǎn)印加工金屬雙極板表面微流道的方法，其特征在于包括下列步驟: (1)制作平板電極:將帶有微流道形貌的鏤空部分進(jìn)行金屬填充后得到平板陰極； (2)通過(guò)夾持工具，將平板陰極與工件陽(yáng)極固定并保持微小加工間隙； (3)工件陽(yáng)極與電源正極連接，工具陰極與電源負(fù)極連接； (4)向平板工具陰極和工件陽(yáng)極之間的間隙內(nèi)通入電解液；電解液(5)到達(dá)平板工具陰極(4)和工件陽(yáng)極(6)的加工表面； (5)接通電源進(jìn)行電解加工。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用平板電極電解轉(zhuǎn)印加工金屬雙極板表面微流道的方法，其特征在于:所述步驟I)中平板電極的制作工藝如下:所述平板工具電極作為電解加工中的工具陰極，由三部分組成，依次是光刻基底金屬(1)，光刻膠(2)和填充金屬(3)；所述光刻基底金屬(I)為光刻膠的載體，在光刻基底金屬(I)的表面涂有光刻膠(2)，經(jīng)過(guò)光刻顯影以后，所述光刻膠上刻有鏤空流道，然后經(jīng)過(guò)電鑄工藝，將所述鏤空流道內(nèi)充滿(mǎn)填充金屬(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用平板電極電解轉(zhuǎn)印加工金屬雙極板表面微流道的方法，其特征在于:所述步驟2)為通過(guò)夾持工具，將平板工具電極(4)與工件陽(yáng)極(6)角對(duì)角平行放置于電解液槽中，保持微小間隙0.02mm-0.04mm后，固定平板工具電極(4)與工件陽(yáng)極(6)的相對(duì)位置。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種采用平板電極電解轉(zhuǎn)印加工金屬雙極板表面微流道的方法，屬于電解加工領(lǐng)域。該方法的特征在于包括以下步驟(a)用金屬填充鏤空光刻膠流道，制作平板工具陰極(4)；(b)將平板工具陰極(4)與工件陽(yáng)極(6)固定并保持微量間隙；(c)工具陰極(4)和工件陽(yáng)極(6)分別與電源(7)正負(fù)極連接；(d)在工具陰極(4)和工件陽(yáng)極(6)之間通入電解液(5)；(e)接通電源(7)進(jìn)行電解加工。利用本發(fā)明可以增強(qiáng)了絕緣層和基底的結(jié)合力，保證絕緣層與金屬基底的緊密結(jié)合，提高工具電極的使用率，同時(shí)，采用平板電極可以保證加工區(qū)域電解液的及時(shí)更新，有效提高電解加工的定域性。
文檔編號(hào)B23H3/00GK103182573SQ20121040587
公開(kāi)日2013年7月3日 申請(qǐng)日期2012年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月23日
發(fā)明者錢(qián)雙慶, 周一丹, 倪紅軍, 黃明宇 申請(qǐng)人:南通大學(xué)