【摘 要】
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微机电系统在国防军事、汽车、医疗设备等领域具有广泛的应用前景,微零件是微机电系统不可或缺的重要组成部分。采用微模具制造微零件是一种高效经济的制造方法,但微模具的精度和寿命对产品质量和生产效率有着显著影响。因此,如何提高微模具的制造精度和使用寿命成为微模具制造领域的研究热点。众所周知,微模具材料及其制造工艺对微模具的整体性能起着非常关键的作用,因而选用性能更佳的材料和应用更好的加工方法能够显著地改善
【基金项目】
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军委装发部微纳结构加工技术（xxx）；
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微机电系统在国防军事、汽车、医疗设备等领域具有广泛的应用前景,微零件是微机电系统不可或缺的重要组成部分。采用微模具制造微零件是一种高效经济的制造方法,但微模具的精度和寿命对产品质量和生产效率有着显著影响。因此,如何提高微模具的制造精度和使用寿命成为微模具制造领域的研究热点。众所周知,微模具材料及其制造工艺对微模具的整体性能起着非常关键的作用,因而选用性能更佳的材料和应用更好的加工方法能够显著地改善微模具的质量。微细电铸技术是基于金属离子沉积原理,制备金属单质、合金以及复合材料零件的一种制造方法,具有加工精度高、材料性能可控等优点,非常适合制造微型零件。镍钴合金及其碳化硅复合材料具有硬度高、耐磨性好等优异机械性能,是制备微模具的重要材料。微细电铸加工技术是制备微模具行之有效的方法,如何获得高性能的镍钴合金及其碳化硅复合沉积层成为应用微细电铸制造高精度、长寿命微模具的技术关键。为此,本文将超重力场引入到微细电铸中,分析超重力场对气泡和粒子运动的影响,试验研究超重力场对电铸镍钴合金及其碳化硅复合沉积层性能的影响规律,制备具有高硬度和高耐磨性的镍钴合金和镍钴纳米碳化硅复合材料微模具。本文的主要研究内容包含以下几个部分:（1）将超重力场应用于微细电铸加工中,探究了超重力场电铸中气泡的受力情况。研究表明,超重力场中气泡受到向心浮力、径向压差阻力、离心力、浮力、粘滞阻力和粘结力的综合作用,采用合适的超重力系数,气泡更容易从基体表面逸出。（2）探明了超重力场下多加工参数对镍钴合金沉积层形貌、择优取向、显微硬度和耐磨性的影响。试验研究表明,与自然重力场相比,采用超重力场能够实现以低钴浓度的电铸液制备钴含量高、硬度大、耐磨性好的镍钴合金沉积层;采用合适的加工参数,沉积层的表面形貌明显改善,晶粒显著细化;采用转速700 r/min,电流密度1 A/dm~2,钴浓度40 g/L的优选参数,制备出显微硬度高达660 HV,钴含量40.56 wt.%,晶粒尺寸约为15 nm的镍钴合金沉积层。（3）开展了超重力场电铸镍钴纳米碳化硅复合沉积层的试验研究,分析了纳米碳化硅颗粒在超重力场中的受力情况,明晰了超重力系数、电流密度和碳化硅浓度对复合沉积层性能的影响规律。研究表明,碳化硅颗粒受离心力、重力、粘滞阻力、向心浮力和浮力的共同作用,以离心力和浮力为主。在离心力比向心浮力大的情况下,碳化硅颗粒受到的合力指向基体,此时碳化硅颗粒向基体表面运动,因而更容易嵌入到基体中;当离心力比向心浮力小时,此时向心浮力占主导地位,碳化硅受到的合力指向旋转运动的圆心方向一侧,碳化硅颗粒具有背离基体运动的趋势,此时碳化硅颗粒更难嵌入基体中。试验结果表明,采用超重力场电铸技术可以实现以低碳化硅浓度的电铸液制备碳化硅含量高、显微硬度大、耐磨性优良和耐腐蚀性好的镍钴纳米碳化硅复合沉积层;采用优选参数,制备出碳化硅含量高达10.7 wt.%,显微硬度为690HV的镍钴纳米碳化硅复合沉积层。（4）分析了超重力系数对镍钴纳米碳化硅复合沉积层耐腐蚀性的影响,结果表明,超重力系数对沉积过程中碳化硅的复合量影响较大,从而影响沉积层的耐腐蚀性;当超重力系数在0～35.81范围内时,耐腐蚀性随超重力系数增大而显著得到改善;而当超重力系数大于35.81时,耐腐蚀性急剧下降,但始终优于在自然重力场下制备的复合沉积层的耐腐蚀性。（5）采用了超重力电铸加工技术进行微棱镜、微凹坑和微沟槽等微模具的制备工艺研究,采用转速600 r/min,电流密度1 A/dm~2工艺参数获得了表面平整、复制精度高的微棱镜模板;采用电流密度4 A/dm~2,转速400 r/min,碳化硅浓度1.5 g/L工艺参数,获得了表面形貌优良、耐用性高的微凹坑和微沟槽模具。
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