【摘 要】
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微型铜管(通常指内径尺寸小于2mm且壁厚不足350μm的管材)本身优异的导热和导电能力,决定了它在电子学、热学方面所表现出良好的功能特性,使之有望应用于微型天线、太赫兹频率波导以及微系统中的热交换器。然而,无论是从技术角度还是从制造成本来看,微型铜管都无法像常规尺寸管材那样进行规模化生产。本文基于电铸成型技术,提出了一种基于ABS塑料芯模的微型铜管电铸制备方法;搭建了微型铜管电铸成型实验装置,探索
【基金项目】
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国家自然科学基金(No.51675283);
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微型铜管(通常指内径尺寸小于2mm且壁厚不足350μm的管材)本身优异的导热和导电能力,决定了它在电子学、热学方面所表现出良好的功能特性,使之有望应用于微型天线、太赫兹频率波导以及微系统中的热交换器。然而,无论是从技术角度还是从制造成本来看,微型铜管都无法像常规尺寸管材那样进行规模化生产。本文基于电铸成型技术,提出了一种基于ABS塑料芯模的微型铜管电铸制备方法;搭建了微型铜管电铸成型实验装置,探索了电铸制备微型铜管的可行性;基于有限元方法对影响微型铜管均匀性的阴极电流密度以及电导率等电铸参数进行了数值分析,得到了不同电铸工艺下阴极附近的电流密度分布情况并预测了电铸层的生长情况及其均匀性;借助显微组织分析和电化学分析等手段,研究了电铸工艺参数对微型铜管的微观结构演变;通过单向拉伸实验对电铸微型铜管的力学性能进行表征。主要结论如下:(1)成功制造出壁厚35-350μm,截面边长小于2mm的方形铜微管;借助离心分离技术实现了室温下电铸层与ABS芯模的快速、无损分离;微型铜管内壁粗糙度Ra最低可达~0.8μm,符合波导级微型管件的要求。(2)数值模拟与电铸实验结果均表明:当电铸溶液的电导率较低时,电铸层截面容易形成“两高中低”的马鞍型结构;高电导率下电铸层截面容易产生“两低中高”的帽型结构;增大电流密度会使得电铸层棱角区生长加速,从而形成马鞍型结构;阴阳极距离对电铸层厚度均匀性影响较小。(3)施加脉冲电源以及使用添加剂都可在适当条件下进一步提高电铸微型铜管的厚度均匀性,其作用效果与电铸溶液的电导率即Cu2+浓度密切相关。当电铸液中Cu2+浓度较高时,明胶和商业添加剂的加入可以改善微型铜管的厚度均匀性;当Cu2+浓度较低时,采用脉冲电源极大地提高了电铸层的厚度均匀性。综合考虑时间成本、工艺复杂程度以及电铸层厚度均匀性,在本实验条件下,最佳电铸工艺为脉冲占空比30%,脉冲频率1000Hz,铜离子浓度0.1M,阴极电流密度2A/dm~2,阴阳极距离2cm且电铸溶液中不含任何添加剂。该工艺下,微型铜管厚度均匀性好,其CV~3.8%。(4)微型铜管的微观结构受电流波形、添加剂种类以及Cu2+浓度的影响。当电铸溶液中不含添加剂时,改变电流波形可以获得具有<110>织构和<111>织构的柱状晶组织;加入明胶后,柱状晶内部发现分布着垂直于生长方向的细密孪晶;加入商用添加剂后,原本粗大的柱状晶被具有随机取向的等轴晶所取代。当电铸液中Cu2+浓度较低且不含添加剂时,采用高频脉冲制备得到微型铜管同样具有<111>织构柱状纳米孪晶结构,并且孪晶的含量随脉冲频率的提高而增加。(5)基于实验观察结果,采用高频脉冲所制备的柱状纳米孪晶铜具有螺型位错生长机理的典型形貌以及周期性的(111)孪晶结构,推测柱状纳米孪晶铜的生长机制是螺型位错生长。Cu原子绕螺型位错中心以螺旋堆垛的方式沉积在最密排面(111)上,在最低表面能原理和低的堆垛层错能的共同影响下,堆垛层错进而演变成<111>方向上周期性的孪晶以降低系统总能量。其中,螺型位错生长过程中所形成的孪晶界面能够提供可重复存在的重入角或二维成核位置,这对于孪晶结构的周期性连续至关重要。(6)电流波形、添加剂种类、Cu2+浓度之间的相互作用影响着微型铜管的力学性能。单向拉伸结果表明,相比于不含添加剂的样品,商用添加剂的加入显著提高了样品的强度。此外,微型铜管的强度还与织构、孪晶的含量密切相关。其中,具有柱纳米孪晶结构的样品表现出良好的强塑性匹配能力,样品的加工硬化能力与柱状晶尺寸密切相关,柱状晶尺寸较小,加工硬化能力较弱,表现为均匀延伸率的降低。
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