[发明专利]微细电解线切割碳纳米管纤维工具阴极的制备方法

说明书

本发明涉及一种微细电解线切割碳纳米管纤维工具阴极的制备方法，属于微细电化学加工领域。该方法的特征在于：首先，将碳纳米管纤维通过导电紧固螺钉安装在线电极夹具上；然后，通过微细电镀的方法，在原始碳纳米管纤维的局部表面或者整体表面镀上一层金属，提高其整体导电性，以满足微细电解线切割加工的要求；最后，利用碳纳米管纤维优异的表面亲水性能和其在垂直于进给方向的往复振动，加快微小加工间隙内的传质速率，提高微细电解线切割加工的稳定性和效率。

技术领域

本发明涉及一种微细电解线切割碳纳米管纤维工具阴极的制备方法，属于微细电化学加工领域。

背景技术

微细电解线切割加工技术是一种基于电化学阳极溶解原理的减材制造方法。它以直径为数微米至数十微米的金属丝作为工具线电极，通过结合多轴数控运动，可实现任意形状的平面轮廓结构的制备，特别适合于微缝、微槽和具有大深宽比的金属微结构的加工。与其他微细加工方法相比，微细电解线切割技术具有可加工范围广(不受材料强度和硬度的限制)、效率高、表面无再铸层和微裂纹，以及工具电极无损耗等特点。

线电极是进行微细电解线切割加工的必备条件，其特征尺寸直接影响成型零件的质量，其性能直接影响线切割加工过程的稳定性和效率。当采用线电极去电解加工高深宽比微细结构的时候，由于侧面间隙通常缩小到数微米甚至达到亚微米尺度，加工产物极易蓄积在加工区内，导致加工区局部电解液成分、浓度发生很大程度的改变，从而降低反应速度，甚至造成短路，使加工无法持续进行。据文献报道，研究人员分别提出了环形线电极单向走丝、线电极轴向往复微幅振动和线电极往复运丝等强化传质方法，以提高微细电解线切割的加工质量、效率和稳定性。以上所述方法的共同特点是均利用线电极在轴向上的运动，促使加工间隙内的电解液流动，从而提高间隙内的传质速度。然而，目前常用的线电极都是金属材质，例如钨丝、钼丝、铂丝等。这类电极丝表面相对较光滑，通过其运动所产生的“拖拽力”很难造成间隙内电解液的快速流动，这也是加工效率无法进一步提高的主要因素之一。传统微流体研究中经常重点关注如何降低流动阻力的问题，而在微细电解线切割加工中面临的问题正好相反，需要通过切割工具的运动“带动”尽可能多的电解液产生运动，因此需要增大流体与固态工具壁面间的流动阻力。有研究表明，微纳流道的表面具有亲水性可以有效增强液体与固体之间的流动阻力，抑制固体与液体之间的边界滑移，增加其间的“拖拽力”。由此可见，将具有超亲水表面的微细工具引入微细电解线切割加工中，通过工具的“拉扯”带动更多的电解液运动，从而有望解决加工间隙内的产物快速排出的难题，提高微细电解线切割加工的加工精度和效率。

自1991年，碳纳米管(CNT)被日本电镜专家Iijima发现以来，就因其独特结构和优异性能引起了世界范围内不同研究领域专家们的广泛兴趣。2002年清华大学范守善院士团队从碳纳米管阵列中拉出具有连续长度的纤维材料，极大地推动了新型纤维——碳纳米管纤维的发展。研究表明，与天然纤维和传统化学纤维相比，碳纳米管纤维在结构上具有显著的不同，其独特的组装结构特性赋予了纤维丰富的界面结构和优异的表面性能。与同类碳基复合材料相比，碳纳米管纤维具有比目前正在发展的石墨烯纤维更高的导热性和力学强度，还具有碳纤维所不具备的轻量和可编织性，便于加工处理。虽然碳纳米管在结构材料以及功能材料领域有着极好的应用前景，但由于制备过程中碳纳米管容易产生内部缺陷，并且在制作纤维过程中容易混入有机溶剂分子或树脂夹层，目前碳纳米管纤维的导电率与常规铜相比还差2个数量级左右。因此，如何进一步提高碳纳米管纤维的导电性能并拓宽其应用领域范围成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明目的在于，针对微细电解线切割的微小加工间隙内产物排出、电解液更新困难及加工稳定性差的难题，提出一种适用于微细电解线切割的碳纳米管纤维工具阴极的制备方法。