本發明涉及微型金屬管材領域，特別是一種金屬微型管材定向電鑄法。

背景技術：

微通道管具有體積小、重量輕、優異的傳熱性和導電性、良好的抗腐蝕能力、良好的回收循環利用價值、良好的表面質量、良好的耐壓性等優點，是高效換熱器的理想材料，已經在汽車熱交換器領域得到廣泛利用，并躋身于商用和工業空調以及制冷領域，航空、航天等高科技產業中具有廣闊的應用前景，特別是冷凝器/氣體冷卻器、蒸發器、油冷器、中冷器、燃油冷卻器、工業冷卻器、水箱、加熱器芯、CO₂制冷劑系統應用等領域。通常，管通道當量直徑在lμm～1000μm的管材稱為微通道管，當量直徑在1mm～3mm的管材稱為小通道管，當量直徑大于3mm的管材為常規管材。

在形成終端產品之前，必須嚴格控制金屬的加工工藝過程及參數，確保微型管材幾何尺寸的高精度化和材料微觀形態的高均勻化，這就對金屬材料的加工技術有著很高的要求。目前，加工金屬管材常用的方法有鉆削、熱擠壓、激光切割等成型方法。然而在上述加工方法中，細徑薄壁微型管材尚難以得到或制得的管材質量較差，不能滿足實際使用要求。

在文獻“Hanada K，Matsuzaki K，Huang X，etal. Fabrication of Mg alloy tubes for biodegradable stent application[J]. Materials Science & Engineering C，2013，33（8）：4746-4750.”中提出了制備鎂合金微型細管的方法，可以制備出外徑為1.5～1.8mm，壁厚為150μm的微型管材。然而，其方法需要經過多道次的拉拔工序，而拉拔工藝比較復雜，對模具精度要求高，小孔徑拉拔模具加工困難甚至無法加工（特別是管外徑小于500μm時，拉拔模具定徑部分無法打磨拋光，表面粗糙），對拉拔潤滑、氧化膜厚度、表面粗糙度和產品性能控制等提出了嚴格要求。因此設計出一種便捷、精密的加工方法對微型金屬管材的制備至關重要。

準LIGA（Lithography，Electroforming，Molding）技術采用便宜的紫外光作光源，可加工出較高精度的微結構產品，且加工溫度較低，使得它在微傳感器、微執行器等微結構產品加工中顯示出突出的優點。準LIGA工藝制成的金屬微結構與Si 結構相比，更具韌性，受溫度影響小，制作方便，設備成本低，適合于中小型工廠制作各種微結構。此外，微電鑄方法制備出的材料晶粒細小，甚至可以達到納米尺度，因此在制備微結構產品方面，微電鑄法具有很大的潛力。

盡管準LIGA在加工微結構中展現很大的優勢，但是光刻膠厚度的限制引起微型管材難以加工獲得，制約了三維微結構的制作。而本發明采用定向電鑄法，可以避免這一問題。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決上述問題，設計了一種金屬微型管材定向電鑄法，該微型金屬管材的橫截面形狀圖形可調，壁厚、長度可控。

實現本發明上述目的采用的技術方案為：一種金屬微型管材定向電鑄法，其包括制備步驟：

步驟1）：在基片上通過一次掩模光刻制備第一光刻膠層；

步驟2）：在第一光刻膠層間隔部分電鑄制備第一微型管材圖形；

步驟3）：在第一光刻膠層上進行二次掩模光刻制備第二光刻膠層；

步驟4）：在第二光刻膠層間隔部分繼續電鑄制備第二微型管材圖形；

步驟5）：在第二微型管材圖形上進行定向電鑄裝置制備加長微型管材。

優選地，步驟1）所述第一光刻膠層厚度與步驟3）所述第二光刻膠層厚度之和大于500μm，所述第二光刻膠層厚度不大于第一光刻膠層的厚度；所述第一光刻膠層厚度與第一微型管材圖形的高度相同，所述第二光刻膠層厚度與第二微型管材圖形的高度相同。

更優選地，步驟1）中所述的第一光刻膠層，通過如下步驟制得：

步驟1）：勻膠，通過勻膠機將負性光刻膠甩涂到基片上；

步驟2）：曝光，負性光刻膠甩涂完畢后，利用熱板對負性光刻膠進行前烘熱處理，并在熱板上緩慢冷卻，最后將遮蓋有掩膜版的負性光刻膠基片進行紫外線曝光；

步驟3）：顯影，對紫外線曝光后的負性光刻膠在熱板上進行后烘熱處理，然后通過超聲顯影制得光刻膠微結構，并在熱板上進行固化得到光刻膠層。

所述的第二光刻膠層，通過如下步驟制得：

步驟1）：勻膠，通過勻膠機將負性光刻膠甩涂到第一光刻膠層上；

步驟2）：曝光，負性光刻膠甩涂完畢后，利用熱板對負性光刻膠進行前烘熱處理，并在熱板上緩慢冷卻，最后將遮蓋有掩膜版的負性光刻膠基片再次進行紫外線曝光；

步驟3）：顯影，對紫外線曝光后的負性光刻膠在熱板上進行后烘熱處理，然后通過超聲顯影制得光刻膠微結構，并在熱板上進行固化得到第二光刻膠層。

其中，在一次掩模光刻制備光刻膠層的步驟中，所述勻膠機的甩膠轉速為700～1000rpm、甩膠時間為30s；所述的前烘熱處理的條件為95～110℃、90s～200min；所述的后烘熱處理的條件為90～120℃、60s～40min；而在二次掩模光刻制備光刻膠層的步驟中，所述勻膠機的甩膠轉速為1000～1100rpm、甩膠時間為30s；所述的前烘熱處理的條件為95～110℃、90s～90min；所述的后烘熱處理的條件為90～120℃、60s～30min。

進一步優選地，步驟5）中所述的定向電鑄裝置，包括渡槽和電源，所述渡槽內設有金屬鍍液，所述鍍液內設有陽極，所述鍍液上方設有陰極，所述陰極上方設有步進電機，所述電源負極通過導線與陰極相連接，所述電源正極通過導線與陽極相連接。

其中，所述步進電機，其提拉速度優選為0.4μm/min～1.7μm/min；提拉時間優選為2014min～6823min。

進一步優選地，步驟5）中所述加長微型管材，管材壁厚為5μm～1000μm，長度為3mm～10mm，管材材料選自銅、鎳、鈦、鐵中的任意一種。

進一步優選地，所述第一微型管材圖形和第二微型管材圖形，其截面為三角形、四邊形、圓形、異形中的一種或幾種。

特別地，本發明所述基片，其材質選自304不銹鋼、45號鋼、鋁中的任意一種。

特別地，本發明所述負性光刻膠選自Su 875、AZ 10XT、AZ PLP60、AZ P4903系列光刻膠中的任意一種。

與現有微型金屬管材加工技術相比，本發明的技術優點在于：

1）本發明提供的方法可以在基片上直接電鑄成型出無縫薄壁微細管，管材橫截面圖形、壁厚取決于可控的掩膜版圖案設計的尺寸，管材的最小壁厚可以控制到幾微米，管材的橫截面最小內切圓直徑在lμm～1000μm之間，管材的長度取決于可控的電鑄時間。

2）本發明提供的管材橫截面和管壁尺寸更加細小，精度高，本發明方法制備出超細管材綜合力學性能良好，強度高，塑性好。

3）本發明提供了一種微型金屬管材制備的新方法，克服了現有微型金屬管材加工技術中工藝復雜、模具加工困難、定徑帶處表面形狀不規則、表面粗糙、易產生拉拔劃痕等缺陷、多道次拉拔所需的真空退火（設備、生產周期）、塑性差、易出現偏心和褶皺、需要多次拉拔、易產生合金應變腐蝕和裂紋根源的拉拔殘余應力等不足，可一次成形出多種尺寸的微型金屬管材，符合工業上大批量生產要求，成本低。

4）本發明方法經過二次掩模光刻和二次電鑄后，再經定向電鑄裝置，可制備出加長微型管材，通過可控的電鑄時間制得所需長度的微型管材，避免了光刻膠厚度的限制，本發明制備方法簡單、可控。同時，本發明通過二次掩模光刻和二次電鑄后，管材初始長度不低于500μm，避免了因管材初始長度過短而產生的定向電鑄時初始管材夾持不穩導致管材形狀不均勻的問題。

附圖說明

圖1是本發明所述一種金屬微型管材定向電鑄法的制備流程圖。

圖2是本發明電鑄法中光刻制備過程流程圖。

圖3是本發明所述一種金屬微型管材定向電鑄法的裝置示意圖。

圖4是本發明所述一種金屬微型管材定向電鑄法的進行電鑄的示意圖。

圖5是本發明電鑄法制備三角形銅管材的掩膜版示意圖。

圖6是本發明電鑄法制備正方形鎳管材的掩膜版示意圖。

圖7是本發明電鑄法制備圓形鈦管材的掩膜版示意圖。

圖8是本發明電鑄法制備異形鐵管材1類微通道管示意圖。

圖9是本發明電鑄法制備異形鐵管材2類微通道管示意圖。

圖10是本發明電鑄法制備異形鐵管材的掩膜版示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明進行具體描述。

如圖1-4所示，本發明一種金屬微型管材定向電鑄法，其包括制備步驟：

步驟1）：在基片上通過一次掩模光刻制備第一光刻膠層；

步驟2）：在第一光刻膠層間隔部分電鑄制備第一微型管材圖形；

步驟3）：在第一光刻膠層上進行二次掩模光刻制備第二光刻膠層；

步驟4）：在第二光刻膠層間隔部分繼續電鑄制備第二微型管材圖形；

步驟5）：在第二微型管材圖形上進行定向電鑄裝置制備加長微型管材。

其中，所述第一光刻膠層厚度與第二光刻膠層厚度之和大于500μm，即本發明管材初始長度不低于500μm，所述第二光刻膠層厚度不大于第一光刻膠層的厚度；所述第一光刻膠層厚度與第一微型管材圖形的高度相同，所述第二光刻膠層厚度與第二微型管材圖形的高度相同。

本發明提供的方法可以在基片上直接電鑄成型出無縫薄壁微細管，管材橫截面圖形、壁厚取決于可控的掩膜版圖案設計的尺寸，且管材的最小壁厚可以控制到幾微米，橫截面最小內切圓直徑在lμm至1000μm之間，長度取決于可控的電鑄時間。

與現有微型金屬管材加工技術相比，此發明提供的管材橫截面和管壁尺寸更加細小，精度高，本發明專利提供的方法制備出超細管材綜合力學性能良好，強度高，塑性好，本發明提供了一種微型金屬管材制備的新方法，克服了現有微型金屬管材加工技術中工藝復雜、模具加工困難、定徑帶處表面形狀不規則、表面粗糙、易產生拉拔劃痕等缺陷、多道次拉拔所需的真空退火（設備、生產周期）、塑性差、易出現偏心和褶皺、需要多次拉拔、易產生合金應變腐蝕和裂紋根源的拉拔殘余應力等不足，可一次成形出多種尺寸的微型金屬管材，符合工業上大批量生產要求，成本低。

實施例1

如圖5所示，電鑄制備微型銅管材，管材橫截面為等邊三角形。電鑄出四種尺寸的管材：管材1內截面邊長8mm、壁厚1mm，長度4mm；管材2內截面邊長2 mm、壁厚0.5mm，長度4mm；管材3內截面邊長0.5mm、壁厚5μm，長度4mm；管材4內截面邊長20μm、壁厚100μm，長度4mm。

具體制備步驟為：

步驟1）：通過一次掩模光刻在304不銹鋼基片上制備第一光刻膠層。對基片在25℃，20min進行超聲波清洗；在基片表面涂SU 875膠，條件為：甩膠轉速800rpm、甩膠時間30s；利用熱板對SU 875膠進行前烘處理，在熱板上緩慢冷卻，條件為：95℃、90min；在紫外光刻機上進行接觸式曝光，曝光時間為250s；對曝光后的SU 875膠在熱板上進行后烘熱處理，條件為：95℃、40min；超聲顯影，得到第一光刻膠層，顯影時間為：30min；將SU 875膠微結構在150℃下在熱板上進行固化，固化時間為：35min。

步驟2）：對基片上第一光刻膠層的間隔部分電鑄出第一微型管材圖形的高度與步驟1）中的第一光刻膠層厚度相同。采用電鑄方法對基片電鑄一層銅金屬；電鑄液為70g/L硫酸銅，12%濃硫酸，60PPm鹽酸，3ml/L添加劑，15ml/L整平劑。電鑄陽極為黃銅板，陰陽極距離為9cm，電鑄溫度28℃，電流密度8A/dm²，電鑄時間172min。

步驟3）：進行二次掩模光刻，在第一光刻膠層上進行二次掩模光刻制備第二光刻膠層。在第一光刻膠層表面涂SU 875膠，條件為：甩膠轉速1100rpm、甩膠時間30s；利用熱板對SU 875膠進行前烘處理，在熱板上緩慢冷卻，條件為：95℃、90min；在紫外光刻機上進行接觸式曝光，曝光時間為150s；對曝光后的SU 875膠在熱板上進行后烘熱處理，條件為：95℃、30min；超聲顯影，得到光刻膠層，顯影時間為：20min；將SU 875膠微結構在150℃下在熱板上進行固化，固化時間為：25min。

步驟4）：在第二光刻膠層間隔部分電鑄出微型管材圖形的高度與步驟3）中的光刻膠層厚度相同。電鑄參數與步驟2相同，電鑄時間為115min。

步驟5）：定向電鑄加長微型管材。步動電機以1.7μm/min往上拉，時間2014min。

步驟6）：電鑄好之后除去光刻膠，得到4mm長的微型銅管材。

步驟7）：先把樣品在抗氧化劑中浸泡4min，再用去離子水超聲波振蕩清洗5min，吹干得到表面質量良好的微型銅管材，管材材料的抗拉強度為570MPa。

實施例2

如圖6所示，電鑄制備微型鎳管材，管材橫截面為正方形。電鑄出三種尺寸的管材：管材1內截面邊長5mm、壁厚1mm，長度5mm；管材2內截面邊長1mm、壁厚0.5mm，長度5mm；管材3內截面邊長0.5mm、壁厚5μm，長度5mm。

具體制備步驟為：

步驟1）：通過一次掩模光刻在45號鋼基片上制備第一光刻膠層。對基片進行25℃，20min超聲波清洗；在基片表面涂AZ 10XT（500cP）膠，條件為：甩膠轉速700rpm、甩膠時間30s；利用熱板對AZ 10XT（500cP）膠進行前烘處理，在熱板上緩慢冷卻，條件為：100℃、90s；在紫外光刻機上進行接觸式曝光，曝光時間為4s；對曝光后的AZ 10XT（500cP）膠在熱板上進行后烘熱處理，條件為：120℃、60s；超聲顯影，得到光刻膠層，顯影時間為：60s；將AZ 10XT（500cP）膠微結構在120℃下在熱板上進行固化，固化時間為：40s。

步驟2）：對基片上第一光刻膠層的間隔部分電鑄出第一微型管材圖形的高度與步驟1）中的第一光刻膠層厚度相同。采用電鑄方法對基片電鑄一層鎳金屬；電鑄液為300g/L 氨基磺酸鎳，15g/L 氯化鎳，20g/L硼酸，0.4g/L 潤濕劑十二烷基 。電鑄陽極為純鎳板，陰陽極距離為10cm，電鑄溫度40℃， 電流密度6A/dm²， 電鑄時間12min。

步驟3）：進行二次掩模光刻，在第一光刻膠層上進行二次掩模光刻制備第二光刻膠層。在第一光刻膠層表面涂AZ 10XT（500cP）膠，條件為：甩膠轉速1000rpm、甩膠時間30s；利用熱板對AZ 10XT（500cP）膠進行前烘處理，在熱板上緩慢冷卻，條件為：110℃、90s；在紫外光刻機上進行接觸式曝光，曝光時間為5s；對曝光后的AZ 10XT（500cP）膠在熱板上進行后烘熱處理，條件為：90℃、90s；超聲顯影，得到光刻膠層，顯影時間為：120s；將AZ 10XT（500cP）膠微結構在 90℃下在熱板上進行固化，固化時間為：90s。

步驟4）：在第二光刻膠層間隔部分電鑄出微型管材圖形的高度與步驟3）中的光刻膠層厚度相同。電鑄參數與步驟2相同，電鑄時間為14min。

步驟5）：定向電鑄加長微型管材。步動電機以1.2μm/min往上拉，時間為3810min。

步驟6）：電鑄好之后除去光刻膠，得到5mm長的微型鎳管材。

步驟7）：用去離子水超聲波振蕩清洗5min，后用無水乙醉中用超聲波振蕩清洗樣品5min，得到表面質量良好的微型鎳管材，管材材料的抗拉強度為804MPa。

實施例3

如圖7所示，電鑄制備微型鈦管材，管材橫截面為圓形。電鑄出四種尺寸的管材：管材1內徑5mm、壁厚1mm，長度3mm；管材2內徑1mm、壁厚0.5mm，長度3mm；管材3內徑0.5mm、壁厚5μm，長度3mm；管材4內徑10μm、壁厚0.3mm，長度3mm。

具體制備步驟為：

步驟1）：通過一次掩模光刻在鋁基片上制備第一光刻膠層。對基片進行25℃，20min超聲波清洗；在基片表面涂AZ PLP60膠，條件為：甩膠轉速1000rpm、甩膠時間30s；利用熱板對AZ PLP60膠進行前烘處理，在熱板上緩慢冷卻，條件為：110℃、90s；在紫外光刻機上進行接觸式曝光，曝光時間為5s；對曝光后的AZ PLP60膠在熱板上進行后烘熱處理，條件為：90℃、90s；超聲顯影，得到光刻膠層，顯影時間為：120s；將AZ PLP60膠微結構在90℃下在熱板上進行固化，固化時間為：60s。

步驟2）：對基片上第一光刻膠層的間隔部分電鑄出第一微型管材圖形的高度與步驟1）中的第一光刻膠層厚度相同。采用電鑄方法對基片電鑄一層鈦金屬；電鑄液為65g/L偏鈦酸鈉，28g/L氫氧化鈉（游離），28g/L乙酸鈉溶液，并配有少量檸檬酸和過氧化氫。陰陽極距離為5.5cm，電鑄溫度50℃，電流密度2A/dm²，電鑄時間41 min。

步驟3）：進行二次掩模光刻，在第一光刻膠層上進行二次掩模光刻制備第二光刻膠層。光刻參數與步驟1）相同。

步驟4）：在第二光刻膠層間隔部分電鑄出微型管材圖形的高度與步驟3）中的光刻膠層厚度相同。電鑄參數與步驟2）相同。

步驟5）：定向電鑄加長微型管材。步動電機以0.4μm/min往上拉，時間6823min。

步驟6）：電鑄好之后除去光刻膠，得到3mm長的微型鈦管材。

步驟7）：樣品經過69%的濃HNO₃溶液酸洗處理，再用去離子水超聲波振蕩清洗5min，后用無水乙醉中用超聲波振蕩清洗5min。得到表面質量良好的鈦微型管材，管材材料的抗拉強度為608 MPa。

實施例4

如圖8-10所示，電鑄制備鐵微通道管，管材橫截面為異形。電鑄出兩種管材，通道管最小截面尺寸如圖8和9所示，管材長度為10mm。

具體制備步驟為：

步驟1）：通過一次掩模光刻在304不銹鋼基片上制備第一光刻膠層。對基片進行25℃，20min超聲波清洗；在基片表面涂AZ P4903膠，條件為：甩膠轉速1000rpm、甩膠時間30s；利用熱板對AZ P4903膠進行前烘處理，在熱板上緩慢冷卻，條件為：100℃、90s；在紫外光刻機上進行接觸式曝光，曝光時間為6s；對曝光后的AZ P4903膠在熱板上進行后烘熱處理，條件為：120℃、60s；超聲顯影，得到光刻膠層，顯影時間為：60s。

步驟2）：對基片上第一光刻膠層的間隔部分電鑄出第一微型管材圖形的高度與步驟1）中的第一光刻膠層厚度相同。采用電鑄方法對基片電鑄一層鐵金屬；電鑄液為450g/L硫酸亞鐵，180g/L硫酸鉀，2g/L硫酸錳，2g/L草酸。陰陽極距離為9cm，電鑄溫度75℃，電流密度7A/dm²，電鑄時間20min。

步驟3）：進行二次掩模光刻，在第一光刻膠層上進行二次掩模光刻制備第二光刻膠層。光刻參數與步驟1）相同。

步驟4）：在第二光刻膠層間隔部分電鑄出微型管材圖形的高度與步驟3）中的光刻膠層厚度相同。電鑄參數與步驟2）相同。

步驟5）：定向電鑄加長微通道管。步動電機以1.5μm/min往上拉，時間3906min。

步驟6）：電鑄好之后除去光刻膠，得到10mm長的微通道管。

步驟7）：先把樣品在抗氧化劑中浸泡4min，再用去離子水超聲波振蕩清洗5min，吹干得到表面質量良好的微通道管，通道管材料的抗拉強度為459MPa。

上述技術方案僅體現了本發明技術方案的優選技術方案，本技術領域的技術人員對其中某些部分所可能做出的一些變動均體現了本發明的原理，屬于本發明的保護范圍之內。