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毕业设计 (论文 )外文资料翻译 系 别： 机电信息系 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 姓 名： 学 号： 外文出处： 日本陶瓷学会期 刊 2007年 10期 附 件： 1. 原文 ； 2. 译文 2013年 03月 固体电解加工使用的是涂上一种聚合物电解质的钨微电极 冈西区 元冈 744，九州 工学院 应用化学系 819解加工的金属板采 用一个固体聚合物电解质。 基本的电解系统是由一个金属板 (阳极 )和聚合物电解质钨针 (阴极 )组成 ，在接触的金属聚合物的接口非常小(几微米 )。 金属基质是电化学氧化然后锰离子迁移到聚合物电解质形成的。 比起我们之前的结果使用 由于连续应用直流电压到电池 ,细分辨率微加工 ( 10m)实现室温下操作。此外 ,目前的技术适用于许 多不同种类的金属基板。 2007年 7月 3日收到 ; 2007年 8月 24日接受 关键词 :电化学微加工 ,固 体聚合 物电解质 ,阳极溶解 ,阳极氧化 ,微电极 1、介绍 采用固体表面微加工 ,为制造各种微系统 ,如嶶传感器 ,微反应器 ,微电极阵列。1)信一个更有效、更精细的分辨率加工技术将需要密集的集成的微零件在最先进的微系统上。固体表面微加工的一般进行位置选择性腐蚀的原子 使用机械、物理和化学技术。化学技术包括浸的工件 ,部分覆盖着一层 ,在一个表面掩盖蚀刻溶液 ,经表面接触的解决方案是有选择地解散。根据类型的基质 ,有图案层是解决方案的优先蚀刻。例如 ,部分成品二氧化硅层在硅基质溶解在水高频的解决方案。事实上 ,没有表面变形或压力引起 的加工工件在湿化学过程看作一个明显的优势在机械或物理溅射、激光烧蚀等技术。 作为一个扩展的化学腐蚀、 电化学微加工研究广泛的导电基体金属和半导体等。 4)这个技术中解散的蒙面工件电极是加速通过应用一个电偏压的电解质溶液。相比传统的化学腐蚀，电化学技术可以更快速溶解和控制 ,并且不需要激进的电解质，比如酸。 从电解加工使用了电解 质溶液中 ,屏蔽强制性的位置选择性腐蚀和过程需要多步骤。电解加工后很难控制凹槽的长宽和大小，因为侧面腐蚀的结果使液体渗入到面具的下面。为了克服这些问题 ,坚实的电化学方法提出 ,7) 用固态离子导体作为电解质 ,而不是溶液剂。即 ,电解加工由固态电解质取代了液体电解质。我们的团体有报告， 相关的固态技术包括一个阳极电化学反应在金属基体之间的微触和离子导体。 9)本地的金属基体纳入离子导体在金属离子的形式通过微触直流偏压下。 可以实现嶶加工，由于仅在嶶触点消耗金属。该方法有许多优点比其他常规电解加工技术 :(1)没有液体电解质 ,这是很难处理的 ,而且都是必需的 , (2)直接构建离不开任何预处理，如屏蔽或涂层。 当然 ,传统技术的优点 ,包括简单的装置 ,可调性的腐蚀速率和 /或大小通过对电化学参数进行优 化设计 ,对于固体系统都是有效的。在我们之前的报告中 ,9)个锥体 化铝烧结多晶体被切割、抛光 ,用作离子导体与一个锋利的顶端 . 然而 ,可再生制造的 因为 化铝是很硬的陶瓷材料。因此，固体电解加工的分辨率非常小（ 101仅仅在高温下（ 873k），氧化铝获得高离子电导率，在这个温度范围内嶶加工才能进行。 在这项研究中 ,固体电解加工都使用一个离子导电聚合物 (涂上钨针微电极 )代替 化铝棱锥。 众所周知 ,电解质具有较高的 质子电导率在室温和没有 非均质的热传导。 此外 ,各种金属离子可以 代替质子穿行在电解质中。 11)这允许固体电解加工在温和条件下 (室温 )加工各类金属下。 图 1显示了固体电解加工系统原理图在前面的论文 7),8) (a)的和目前的研究 (b)报告过的。 巴德和同事记录过选择性腐蚀的金属板 (铜、银、金 )涂上一种聚合物电解质膜 (图 1(a)。 然而 ,蚀刻大小将取决于电 位分布产生的薄膜。侵蚀的分辨率似乎较低（ 102在尖端和聚合物电解质膜之间的点接触，而且长宽比的控制是困难的。 相比之下 ,目前的研究使用 了一个钨 (W)微电极涂上 一层聚合物电解质，同图 1(b)中描述的一样。离子导体的顶端的形状 可以直接转移到金属表面，因为固体电化学反应收益仅在固相固相微触的聚合物和目标的金属板上。 换句话说 ,长宽比的加工表面可能更容易有聚合物层的尖端外形设计。 在目前的研究中通过使用各种金属作为目标，研究了可行性和电流效率的固体电化学微加工各类金属。它已经证明了许多不同种类的金属基板可以加工 ,而且在室温下亚微米分辨率可以完成。 图 1，固体电解加工原理系统图使用聚合物电解质 (a)别的团队提出的和 （ b）现在的研究 图 2。 微电极 (a)和 (b)后全氟磺酸涂料。 量色散谱 ( 2、 实验过程 实验模型在图 1(b)中表示。一个外面覆盖 全氟磺酸 的 W(电解质 W) 微电极制 备了电泳沉积的电解质顶端 , 在 8大规模溶胶溶液的电解质 ,制备了稀释 20质量解决方案 (杜邦 酸容量 : g)与乙醇。因为电解质具有负面电荷，根据动电位的测量值一个正偏置应用 于 2显示了 微电极在 (a)和 (b)后全氟磺酸涂层。 各种金属板(银、铜、锌、 镁、铁、铝、钛、厚度 : )作为目标的固体电化学微加工。 这个电解质 附属于一个三维的机械手， ,联系与水平放置的金属板。典型的金属 |电解质接触直径 几微米。这个值稍微改变电解质层的尖端外形和接触压力 固体电解加工是由施加恒定电流或电压在室温和环境湿度 (297 对湿度 :25 - 55%)下进行的。这个轻微的转变温度和湿 度不影响实验结果。 在微加工 ,金属表面 元素分布在电解质层测量了能量色散谱 ( 3、 结果与讨论 解加工期间， 图 1(b)系统化表示 离子迁移的机理过程在固体电解加工使用全氟磺酸 所周知 ,电解质由疏水性 氟碳链矩阵和亲水性质子传导渠道包含子迁移的传导渠道可以通过格罗图斯和 /或车辆机制。当一个直流电场应用于单元，当地局部的金属阳极在嶶触点是电化学氧化锰，进而 图 3 (a)极化曲线 (阳 极 )解质 )阴极 )(扫描速率 :)。 (b)的典型变化电池电压在恒定电流电解 被 注入到全氟磺酸通过固相固相界面。作为锰在一个连续的电场 ,金属阳极正逐渐消耗。 考虑到小接触尺寸的金属电解 质界面 (订单上几微米 ),位置选择性溶蚀发生在微触 ,因此固体电化学微加工完成。 在阴极接口的全氟磺酸、质子或锰离子分别被分解成 。 图 4，在 1表面轮廓沿虚线估算通过激光显微镜显示在 30分钟 . 银 固体电解加工的一个 行。图 3(a)显示了极化曲线的 电解质 |s)。 当前的非常小的低电压和迅速增长高于 。应用每分钟 1 鉴于低过电压 的钨阴极 产生 实际的电场在 解质 )接口也许是微不足道的由于电阻压降在电解质层 。 7)相比之下，一个凹槽成型于嶶触点由于阳极电化学反应在每分钟 5这些结果符合极化行为显示 在图 3(a)。 另一方面 ,应用程序的一个大型恒流 ( 1A)引起了全氟磺酸层爆炸通过在阴极 (电解质 |W)接口产生气 这种情况下 ,电流密度在 解质界面估计从圆接触 (直径 :5 m)是 它被认为是这样的一个高电 流密度可能会导致温度上升在微触和分解的电解质。 因此 ,一个最大的几十 在以下部分中 ,所有的实验 条件下进行了恒电流 ,以确定当前的效率很容易。 图 3(b)显示的时间演化电池电压在 情况。电池电压迅速增加到 10 1分钟 )，接触面随着时间的推移明显增加由于在 即 减少电流密度 )正嵌入电解质会减少过电压。图 4显示了 有的 0坡度对垂直电子束轴。该中心的显微图对应于 解质微触。 机械应力引起的微电极可以忽视电解质 图 4表明 地蚀刻根据先端形式的电解质层 ,即 ,一个准半球不到 10毫米直径。微小的预测出现在表面可能是由于不均匀分布的亲水通道在疏水基质中。事实上尖锐的边缘时清晰可见的，表 明固体电化学反应发生仅在 解质微触。因此 ,没有侧腐蚀发生在微加工 ,这是目前技术的一个优点。自然地 , 直径的准半球随电解时间增加。 图 5(a)显示了一个 1 0分钟 ),那里的虚线表示这个位置的 （ a）存在于图 5（ b）中。 了来自电解质的 表明电化学扩散的 g+板到电解质引起直流偏压。因此，在电解中离子迁移原理提出了以上正确的过程。 X 射线强度的特点，显示 离的增 加而增加嶶触。（ abcde） 这个 散通过电解质层是减少和累积在阴极电解质 10)在 针之间的短路形成通过 图 5（ a）电解质层在 1加工 30 分钟的 像，（ b） 谱的点显示在（ a）中 作用沉积 在电解质层或者用薄的电解质。总之，这证明涂上 W 的电解质微电极使固体电化 学嶶加工成为可能，在相对温和的室温条件下而且有较好的精度（ 10m） 化铝。在前面的图 a（ 1）中描述金属沉淀产生在聚合物顶端，阴极界面增加了刻蚀的尺寸。在目前的研究中 ,没有 扩张 的加工尺寸是观察使用电解质 w 微电极 ,先端配置的电解质层直接转移到工件的表面。即，加工精度和长宽比只取决于电解质层的尖端大小。 加工尺寸似乎可调的通过调整应用电流，这与恒电流条件下的电解时间有关。电解时间演化的加工尺寸是研究在 1 6（ a）显示了加工量的时间依赖性，预计通过激光显微镜获得表面轮廓的依据。凹陷是假定为球面的一部分，然后，他们的容量是计算出直径和深度。电流效率估计从工量，应用电流和银的密度使用法拉第定律也绘制在图 6（ a）中。随着时间的进展凹陷的体积不断增加。 因此 ,加工尺寸可以很容易控制在大约 100 102 m 3通过改变电化学参数如电解时间和 /或电流。当前，效率也提高了电解时间，达到了每分钟68%。预计的泄漏电流消耗质子传导在电解质层中。在图 6（ b）中所述，电解水在空气中可能引起产生 H+，在初始阶段通过三相边界。在长时间的电 解后，电解质层嵌入在 且 此，溶解 且电流效率增强。最大的电流效率在目前的研究中比使用 化铝（大约 40%）更高。这是电解质 温和条件下。 图 6（ a）电解时间依赖于 b）变化的主要载体在电解质层。 、锌、镁和铁的固体电解加工 电解质是一个独特的材料 ,因为许多类型的金属离子可以被纳入亲水性传导渠道而不是质子。即 ,各种不同种类的金属基 板可以大概被用作工件 。因此，固体电解加工对各类金属板进行了尝试。一般来说，金属可以很容易的在有氧、高温条件下被氧化，即一个厚的氧化膜在表面形成。对于嶶加工在高温下使用 成的氧化膜阻止了阳极溶解金属，而且惰性气体也能防止表面氧化。同时，金属有低熔点温度不能作为嶶加工的目标。 由于高离子电导率的电解质即使在室温下 ,各种金属可以用来作为目标而且没有上面提到的限制。图 7显示固体电解加工后铜、锌、镁板表面的 些图像显示凹槽通过电解制造用相似的方式到 解后每个金属元素在电解质层中存在。因此 ,固体 电解加工这些金属可能也是可能的。图 7所示表面凹槽是粗糙的比 报道，交换电流在 子溶入电解质和铜板表面变得粗糙之间。 7)在电池电压变化对于铜、锌、镁和铁很不同于在 且随着时间的增长而增加。根据 属的表面发现少量的氧。 氧化物 (氢氧化物、水合氧化物 )表面形成了联合阳极。表 1总结了固体电解加工给定恒流值的结果。铜和铁被认为分别以 解。 15)铜，锌，镁和铁当前的效率比 报道，在电解质中替换了少量的金属离子 ( 30%)对于质子 不妨碍离子传导。 11)因此表面氧化物将作为屏障阻止阳极溶解。这被认为是低效率的主要 图 7，在不同条件下金属表面腐蚀 60分钟的 原因。表 1中还表明，使用一个更大的恒流降低效率，因此 ,一个较小的电流更适合有效的微加工。 表 1，固体电解加工 60分钟的加工量和电流效率 目标 I/工体积 /流效率（ %） u g l 1 3 1 3 10 20 5 20 5 260 8， 0分钟 20微电极 对于 有本地阳极溶解被发现，在他们表面形成了一层氧化层。图 8是一个在 200分钟后采取附近 然，金属表面在嶶触点周围已经升起。 8所示，沿着嶶触点的周围在电解质和 此，氧化物生长在三相边界被促进。它被证实， 以在电介质膜中交换，通过浸在水中的 目前的研究中没有证据表明阳极能溶解 i。 对于铝、钛、金属离子迁移 通过氧化膜的反应很容易与水和诱导生长的厚被动层。尽管， 似于i，固体电解加工是成功的，见图 7所示。众所周知， 密的）氧化膜的阳极处理，因为金属氧化物的体积比比单一的更小。部分溶解的 能继续通过在被动氧化层的缺陷。 中性到酸性的溶解剂中高的溶解度也可能的原因之一是当使用电解质 时部分溶解的 此，金属形成了一个浓密的、化学稳定的氧化层通过现在的技术很难被嶶加工。然而，使用电解质 过观察电解质 固体电解加工只发生在 固相固相界面之间的电解质和金属基体之间。因此，嶶加工使金属表面图案的制造成为可能，如果在电解时电解质 凹槽的 解质 个 1m)被用来实现高分辨率。图 9是 微电极（ 50nm/s）在 1如预期的那样，一个轨道沿着微电极的途径被制造。 因此 ,扫描的电解质 轨迹在亚微米规模下（宽度： 度： 此外 ,这是确定的 ,那就是增加了恒流扩大了线 ,宽度在任何给定的电流是成反比的扫描速率成正比。即 ,轨道的大小依赖在当 前应用的单位时间单位面积。基本嶶加工原理同固定的微电极时一样的，各种金属基板可以通过操作离子导体形成图形。自从电解质 种模式，不仅包含单一的线或点，页有更多复杂的结构，通过设 计准则能被制造。 图 9， 1扫描后电解质 10m/s）的 4、结论 目前的研究表明，使用一个涂上钨电解质的微电极在高分辨率的环境条件下使固体电解加工金属基板成为可能。金属基板被溶解的局部和阳极体在嶶触点始终以离子导体电解质。嶶加工的精度提高比我们先前报道的使用的 化铝，而且在室温操作下能完成。 目前的技术被应用于各种金属基板 (银、铜、锌等 )。通过给电解质涂上一层 解质层的尖端可直接转移到金属层没有任何可检测侧腐蚀和膨胀的加工尺寸。 形成表面氧化物引起了 电流的损失 ,这表明 ,较低的应用电流或电场更适合高效微加工。电化学蚀刻在亚微米规模已经通过固体和液体系统完成。因此，控制电解质 化学技术使没有任何机械应力和变形的嶶加工基板成为可能。因此，该工艺可有效的局部稀释 不久的将来 ,目前的技 术预计将成长为一个新应用程序的许多高分子固体电解质 ,比如作动器和传感器。 感谢 目前的工作是部分支持朝日玻璃基金会、日本和补助金为青年科学家 (A)第 17685022,在点领域 39)第 17041014号从教育部、文化、体育、科学、技术、日本。 参考文献 1 J. 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