專利名稱：采用平板電極電解轉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
技術領域：
本發明采用平板電極電解轉印加工金屬雙極板表面微流道的方法，屬電解加工技術領域。
背景技術：
質子交換膜燃料電池(PEMFC)是以氫或凈化重整氣為燃料，空氣或純氧為氧化劑，將化學能直接轉化為電能的發電裝置。作為氫能的理想轉換裝置，PEMFC以其高比功率、高轉化效率、低環境受到了各國研究機構以及各大汽車公司的廣泛關注。自上世紀90年代以來，PEMFC技術發展迅速，現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氣體、收集并導出電流、串聯各個單電池等功能。其質量占電池組的60%以上，成本占電池組30%-45%。理想的雙極板應具有較高的導電導熱性、耐腐蝕性、低密度、高機械強度、高阻氣能力，以及低成本、易加工等特點。金屬材料具有良好導電導熱性能好，而且強度高，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為是PEMFC產業化的必然選擇。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。有效的雙極板表面流道加工技術是PEMFC商業化的重要保障。雙極板表面流道通常是由寬度為Imm左右，深度為數百微米的流道組成，屬于典型的Micro/Meso加工任務。目前，國內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特的優勢，同時也存在著某些局限性。沖壓成形是制作雙極板的一個有效快速的手段。SASAWAT等研究人員系統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量，試驗結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，但是對于加工復雜截面形狀或拔模度較小、圓角較小的溝槽結構時，該工藝的成形性能以及局部變薄的情況有待進一步驗證。Hung等研究人員提出采用微細電火花加工技術加工金屬雙極板表面的微流道結構，采用該陣列凸起電極在工件上反拷加工出流道結構，由于電火花加工是和激光加工一樣利用熱能蝕除工件，工件受熱易發生變形，同時電火花的加工速度慢，工具電極亦存在嚴重的損耗，使用壽命較短。德國Schreck等研究人員采用激光技術在不銹鋼表面加工了不同的流道結構，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程，被加工材料在激光的高溫作用下達到氣化溫度后，在高壓蒸汽的作用下，液態材料被噴出，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和化學研磨技術。近幾年，國內外很多專家特別關注微細電解加工技術，期望利用其獨特的加工原理和特性解決這類零件的微制造難題，從原理上來講，微細電解加工具有非接觸、與材料硬度強度無關、無切削力等優點，從而可以保證加工后工件無應力變形。日本東京農業大學Wataru Natsu等研究人員采用電射流技術(Electrolyte JetMachining, EJM)進行表面織構加工研究，并利用電場仿真研究了電液束到工件表面的電場分布和陽極蝕除機理。該工藝由于陰陽極距離較遠，需采用較高的加工電壓，直接高壓電解液射流沖擊陽極工件表面來完成對工件材料的溶解。電射流加工技術可以準確地在平面和曲面加工各種表面溝槽和微坑結構，但是該工藝屬于單點或單排加工，當需要加工群坑或者群縫結構時，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行電解加工。臺灣LEE等研究人員采用成形群電極進行電解加工微流道。該研究小組基于加工間隙內的電場模型進行數值分析，模擬了該加工方式下微流道的成型過程，但是電解加工過程中，加工間隙內的流場分布是影響電解加工穩定性和加工精度的主要因素。通常電解加工過程中，應保證電解液在緩變的通道中流過，保證較好的均勻性，但是采用這種加工方式加工過程中，當電解液在加工通道內高速流過時，電解液通道截面大小不斷交替突變，從而會造成加工區域流場混亂，使加工過程不穩定，甚至會引起短路等意外情況。因此，為提高加工過程的穩定性，國外有研究學者提出采用掩模電解加工技術(Through Mask Electrochemical Micromachining, TMEMM),也被稱為照相電解，加工表面微流道。該工藝是基于光刻工藝和微細電解加工(Electrochemical Micromachining,EMM)中陽極電化學溶解原理，將陽極表面經光刻處理后進行電解加工的一門特種加工工藝，具有工具電極無損耗、加工后陽極工件表面無殘余應力、無變形和表面質量好等優點。這種傳統的掩模電解加工技術在電解加工前工件都需要進行光刻工藝處理，電解加工結束后需進行表面的去膠處理，因此，該工藝并不適合大批量生產，當上升到工程實踐環節時會產生局限性。

發明內容
本發明的目的是針對目前電解轉印工藝的不足與局限性，提出采用平板電極電解轉印加工金屬雙極板表面微流道的方法。所謂平板電極，是指在目前電解轉印工藝中使用的鏤空工具陰極基礎上進行金屬填充后得到的平板工具陰極。然后，利用平板電極進行電解轉印，可以將平板電極上填充金屬部分的圖案轉移至陽極工件表面。一種采用平板電極電解轉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行金屬填充后得到平板陰極；
(2)通過夾持工具，將平板陰極與工件陽極固定并保持微小加工間隙；
(3)工件陽極與電源正極連接，工具陰極與電源負極連接；
(4)向平板工具陰極和工件陽極之間的間隙內通入電解液；電解液到達平板工具陰極和工件陽極的加工表面；
(5)接通電源進行電解加工。進一步地，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，經過光刻顯影以后，所述光刻膠上刻有鏤空流道，然后經過電鑄工藝，將所述鏤空流道內充滿填充金屬。進一步地，所述步驟2)為通過夾持工具，將平板工具電極與工件陽極角對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極的相對位置。本發明的優點:利用本發明方法不僅可以顯著提高電解加工的定域性和微細尺度加工能力，而且能在加工過程中保證電解產物的及時排出。該加工方法和目前的電解轉印工藝相比，采用平板工具電極進行電解轉印的明顯優勢有:(I)鏤空工具電極經過金屬填充后，增強了絕緣層和基底的結合力。電解加工過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合，提高工具電極的使用率；(2)采用平板電極，當電解液在加工通道內高速流過時，電解液通道截面大小不變，保證加工區域流場平穩，電解產物在電解液的沖刷下迅速流出加工區域，保證加工區域電解液的及時更新；(3)鏤空工具陰極經過金屬填充后，縮短了加工區域陰極與陽極的加工間隙，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是平板工具電極結構示意圖。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程示意圖。圖3 (a)是金屬基底板涂覆光刻膠并進行光刻示意圖；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)是光刻膠流道內未填充金屬時，經電解液沖刷一段時間后，部分光刻膠脫
離金屬基底。圖4 (b)是光刻膠鏤空圖案中填充金屬后，電解液沖刷相同時間后，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.工件陽極，7.電源。圖3中8.曝光光源，9.掩模板。
具體實施例方式下面結合圖1、圖2和圖3具體說明實施本發明:
1)采用平板電極電解轉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 )透過掩膜版(9 )對光刻膠照射后進行顯影，所述光刻膠上刻有鏤空流道，然后經過電鑄工藝，將所述鏤空流道內充滿填充金屬(3 );
2)通過夾持工具，將平板工具電極(4)與工件陽極(6)角對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)與工件陽極(6)的相對位置；
3)分別將工件陽極(6)、平板工具陰極(4)與電源(7)的正負極相連接；
4)在平板工具陰極(4)和工件陽極(6)之間的微小間隙內通入電解液(5)，電解液(5)到達平板工具陰極(4)和工件陽極(6)的加工表面；
5)接通電源，進行電解加工。采用平板電極電解加工微流道的明顯優勢有:(1)鏤空工具電極經過金屬填充后，增強了光刻膠絕緣層和金屬基底的結合力。電解加工過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合，提高工具電極的使用率，圖4 (a)是光刻膠流道內未填充金屬時，經電解液沖刷一段時間后，部分光刻膠脫離金屬基底，圖4 (b)是光刻膠鏤空圖案中填充金屬后，電解液沖刷相同時間后，光刻膠未脫離金屬基底；通過圖片對比可以直觀地看到圖4 (b)的效果優于圖4 (a)。(2)采用平板電極，當電解液在加工通道內高速流過時，電解液通道截面大小不變，保證加工區域流場平穩，電解產物在電解液的沖刷下迅速流出加工區域，保證加工區域電解液的及時更新；(3)鏤空工具陰極經過金屬填充后，縮短了加工區域陰極與陽極的加工間隙，可以有效提高電解加工的定域性。
權利要求
1.一種采用平板電極電解轉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行金屬填充后得到平板陰極； (2)通過夾持工具，將平板陰極與工件陽極固定并保持微小加工間隙； (3)工件陽極與電源正極連接，工具陰極與電源負極連接； (4)向平板工具陰極和工件陽極之間的間隙內通入電解液；電解液(5)到達平板工具陰極(4)和工件陽極(6)的加工表面； (5)接通電源進行電解加工。
2.根據權利要求1所述的一種采用平板電極電解轉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)，經過光刻顯影以后，所述光刻膠上刻有鏤空流道，然后經過電鑄工藝，將所述鏤空流道內充滿填充金屬(3)。
3.根據權利要求1所述的一種采用平板電極電解轉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)為通過夾持工具，將平板工具電極(4)與工件陽極(6)角對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)與工件陽極(6)的相對位置。
全文摘要
本發明公開了一種采用平板電極電解轉印加工金屬雙極板表面微流道的方法，屬于電解加工領域。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)與工件陽極(6)固定并保持微量間隙；(c)工具陰極(4)和工件陽極(6)分別與電源(7)正負極連接；(d)在工具陰極(4)和工件陽極(6)之間通入電解液(5)；(e)接通電源(7)進行電解加工。利用本發明可以增強了絕緣層和基底的結合力，保證絕緣層與金屬基底的緊密結合，提高工具電極的使用率，同時，采用平板電極可以保證加工區域電解液的及時更新，有效提高電解加工的定域性。
文檔編號B23H3/00GK103182573SQ20121040587
公開日2013年7月3日 申請日期2012年10月23日 優先權日2012年10月23日
發明者錢雙慶, 周一丹, 倪紅軍, 黃明宇 申請人:南通大學