阴极超声振动电铸微棱锥阵列粗糙度研究

【作者】 杨光； 叶飞； 刘中生； 皮钧；

【机构】 集美大学机械与能源工程学院；

【摘要】 微棱锥型反光膜是利用光学原理,把光线逆反射回光源处的一种特殊光学材料,常见的微棱锥尺寸在几十个微米。反光膜的压印工作模是通过电铸原始模方法得到的,要求粗糙度值低于20nm,这种微细结构电铸的难点在于微纳米尺度表面粗糙度的要求。超声振动增加对流强度,从而保证阴极金属离子浓度,其作用直接影响微棱结构电沉积的均匀性和微棱镜阵列的反光效果。本实验通过机械结构连接,将超声变幅杆在节面位置通过法兰固定在架子上,超声振动直接作用在电化学系统中带有微棱锥阵列结构的阴极板上,沉积获得微棱锥型反光膜的工作模板,阴、阳极均为镍板,基于光学结构要求,主要研究铸层表面质量。采用超声振动(功率为500 W,频率为40 kHz)及普通机械搅拌,电沉积时间为5h。每间隔1h测量沉积层的质量,获得机械搅拌和阴极超声振动下的电沉积效率。结果表明,随着时间的增加,两种电沉积效率均呈现首先增加,然后趋于平缓的趋势。并且,阴极超声振动下的电沉积效率明显高于普通机械搅拌电沉积效率:当沉积时间为1h,阴极超声振动下的电沉积效率为0.34 g/h/dm~2,比普通机械搅拌电沉积效率0.20 g/h/dm~2提高了66.4‰当沉积时间为4h,阴极超声振动下的电沉积效率为0.48 g/h/m~2,比普通机械搅拌电沉积效率0.24 g/h/dm~2提高了99.1%。从三维显微镜观察到的点铸层显微形貌可看出:机械搅拌沉积表面不平,含有较多的气孔;直接阴极超声振动沉积层表面均匀,棱锥表面没有气孔等缺陷。另外,计算机械搅拌和直接阴极超声电沉积层XRD半峰宽及晶面距离,对比(111)峰、(200)峰和(220)峰的半峰宽,表明,直接阴极超声结果明显比机械搅拌电沉积数值更大。XRD表征结果同时说明了直接阴极超声振动可以减小电铸层的晶粒尺寸。逆反射系数和粗糙度测试结果均表明,超声功率为500W时,获得最好的表面质量,超声功率从低到高,表面质量先变好,经过拐点(500W)之后,表面质量变差,说明超声功率并不是越大越好,可以解释为,振动作用的增强使得很多已经在原有阴极上形成的晶核被打碎,致使晶粒形核速度小于晶粒长大速度。本实验中,在40 kHz和500 W直接阴极超声作用下,镍铸层的表面质量最好。更多还原