首先，本次研究的通讯作者为刘嘉 (Jia Liu)，其他作者包括刘彦 (Yan Liu)、张小凡 (Xiaofan Zhang)、朱荻 (Di Zhu)。他们均来自南京航空航天大学机电工程学院 (College of Mechanical & Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics)。这项研究成果发表于2025年11月的the international journal of advanced manufacturing technology期刊。
接下来，本文将对这项关于利用电解质周期换向的脉冲动态电解加工技术制备双极板的研究进行详细介绍。
本研究的科学领域为先进制造技术，具体聚焦于电化学加工（Electrochemical Machining, ECM）工艺。研究的核心驱动在于解决燃料电池核心部件——双极板在制造过程中的精度与表面质量问题。
燃料电池因其高效率、低污染而备受关注。双极板是燃料电池堆的关键部件，其重量占比超过60%，成本占比约40%。双极板的主要功能包括支撑结构、传导电子以及分隔相邻单电池间的气体和氧化剂。其中，平行阵列流道是最常见的双极板结构之一，其流道深度、宽度及筋宽对燃料电池的输出性能具有显著影响。因此，保证双极板的加工精度和表面质量至关重要。
目前，制造流道结构的主要技术包括塑性成形、微铣削、电火花加工和电化学加工。电化学加工以其无机械切削力、无热影响区、无工具阴极磨损、无毛刺和低制造成本等突出优点，成为加工流道结构的优选方法之一。然而，在传统的平行阵列流道复制电解加工中，电解产物会沿着电解液流动方向累积，导致入口区域和出口区域的加工深度不一致。此外，电解液流经阵列流道后，在出口区域汇集会造成流速不均，从而在加工表面产生明显的流痕。这两种缺陷均源于电解产物沿流动方向的累积。尽管已有研究采用脉冲电解液流等技术试图改善，但由于流程长、多股电解液流汇合等原因，仍无法完全保证加工的均匀对称性。
基于此，本研究旨在提出并验证一种电解质周期换向（Electrolyte Periodic Reversal）的新方法，以解决上述缺陷。其具体目标为：通过周期性地切换电解液的入口和出口，均匀化加工间隙内的产物分布与电解液流速，从而改善阵列流道加工的尺寸一致性并减轻表面流痕。
本研究主要包含四个核心环节：理论分析与仿真建模、换向流场模式提出、实验平台搭建与加工验证、以及结果分析与对比。研究未涉及生物或临床样本，其“研究对象”主要为物理模型和加工试件。
1. 多物理场与流场仿真分析 首先，为了从理论上分析传统电解加工的缺陷并预测新方法的效果，研究团队进行了系统的仿真模拟。 * 二维多物理场耦合仿真：选取电解加工模型的横截面，建立了包含电场、流场和温度场的耦合模型。该模型考虑了阴极析氢、电解液温升对电导率的影响，进而影响电流密度分布（即材料去除率）。模型参数依据实际加工条件设定，如初始间隙0.5 mm、工具振幅0.3 mm、振动频率10 Hz、进给速度0.1 mm/min、电压20 V等。仿真模拟了加工初始时刻与最终时刻一个振动周期内，间隙中氢气体积分数、平均温度、平均电导率以及阳极表面电流密度随时间与空间（沿电解液流动方向）的变化。仿真软件及具体算法未在文中特别说明，但物理方程基于拉普拉斯方程、法拉第定律及焦耳热等经典理论建立。 * 三维流场仿真：为了探究双极板阵列流道结构对电解液流动的影响，建立了加工初始状态和最终状态的三维流场模型。模型采用标准k-ε湍流模型，电解液为20%浓度的硝酸钠（NaNO3）水溶液，设定入口压力0.6 MPa，出口压力0.1 MPa。仿真分析了不同加工深度、不同极间间隙（最小、平均、最大）下，加工区域内电解液速度的分布情况，特别关注了入口区域和出口区域的速度均匀性。 * 数据分析流程：仿真结果以云图、曲面图、曲线图等形式呈现。例如，通过提取阳极表面一系列采样点的电流密度数据，并对其在一个振动周期内进行时间积分，得到各点的电荷密度分布，这直接对应了材料去除率的空间分布。同时，通过对比入口和出口附近流线的速度分布曲线，量化评估了流速的不均匀性。
2. 周期性换向流场模式的提出 基于上述仿真结果，研究团队正式提出了电解质周期换向流场模式。 * 工作原理：通过在加工过程中，定时切换夹具上电解液的入口和出口，实现电解液流动方向的周期性反转。 * 预期优势： * 改善尺寸均匀性：当电解液单向流动时，产物积累导致阳极表面电荷密度（材料去除率）从入口到出口递减。换向流动使得产物积累方向相反，从而在周期平均后，使整个阳极表面的材料去除率分布更加均匀。理论计算表明，单向流时电荷密度最大相差范围达0.12–0.13 C/cm²（约占平均值的20-25%），而换向流模式可将此范围缩小至0.07–0.08 C/cm²。 * 减轻表面流痕：单向流时，电解液在流经阵列流道后于出口区域汇集，流速分布极不均匀（仿真显示出口区域速度波动更大），易导致流痕。换向流动使得电解液的汇集区域发生交替变化，原出口区域在换向后变为入口区域，将经历一段流速均匀的过程，从而有望改善该区域的表面质量。 * 换向周期理论预估：基于尺寸精度需控制在±0.05 mm的要求，以及单向流下加工深度偏差理论值（约25%），推算在0.2 mm的稳定加工深度内，单向流动的加工时间应控制在2分钟以内。这为后续实验设定换向周期提供了初步参考。
3. 实验设计与验证 为了验证所提出的周期性换向流场模式的实际效果，研究团队设计并搭建了专门的实验系统。 * 实验设备：核心是一套可快速切换电解液流向的夹具及管路系统。系统采用两个阀组，由可编程逻辑控制器控制。当阀1和阀4开启、阀2和阀3关闭时，电解液沿一个方向流动；反之则反向流动。该设计实现了在加工过程中快速、精确地切换流向。加工系统同时集成了脉冲动态电解加工所需的振动控制、位移传感与电源开关控制模块。 * 加工参数：工件和阴极均采用不锈钢，具体加工参数与仿真设定基本一致，包括电解液浓度（20 g/L NaNO3）、温度（293 K）、入口压力（0.6 MPa）、电压（20 V）、振动幅频（0.3 mm, 10 Hz）等，总进给量为0.8 mm。 * 实验流程： 1. 基准实验：首先采用单向电解液流进行脉冲动态电解加工，获得基准工件。 2. 换向时间探索实验：在单向流加工接近结束时，分别进行最后0.5分钟、1分钟、2分钟的电解液单向换向，旨在观察换向时间对出口（原）和入口（原）区域表面波纹度的影响规律，以确定合适的换向时长。 3. 周期性换向优化实验：在确定换向有益时长（1分钟）的基础上，进一步开展周期性换向实验，分别设定换向周期为1分钟和0.5分钟，以探究更频繁的换向是否带来更好的整体效果。 * 检测与数据分析：对加工完成的工件进行两项主要检测： * 表面形貌检测：在工件左侧（原入口区，文中Region I）和右侧（原出口区，文中Region II）各选取5 mm × 10 mm区域，使用表面轮廓仪测量其最大高度Sz，作为评价流痕严重程度（波纹度）的指标。 * 流道几何尺寸检测：在工件中部选取三个检测区域（文中Region III, IV, V），测量各平行流道的宽度和深度，计算其沿电解液流动方向的变化范围，以评估加工尺寸的一致性。
1. 仿真结果揭示了传统加工的固有缺陷 * 多物理场仿真表明，在单向电解液流下，氢气体积分数、电解液温度沿着流动方向逐渐增加，而电导率则因气泡率升高而下降。这导致阳极表面的电流密度（电荷密度）从入口到出口逐渐降低，材料去除率不均匀。在最终振动周期，入口与出口附近的电荷密度差值达0.13 C/cm²。 * 三维流场仿真清晰地显示，无论加工进行到何种程度，出口区域附近的电解液速度分布波动始终大于入口区域。这从流体力学角度解释了为什么在出口区域更容易形成流痕。
2. 换向时间探索实验结果 * 与单向流加工（Region I: Sz=5.4 μm, Region II: Sz=12.6 μm）相比： * 仅最后0.5分钟换向：Region I波纹度恶化至6.7 μm，Region II改善至10.2 μm。 * 最后1分钟换向：两个区域的波纹度趋于接近（8.8 μm vs 8.0 μm），表面质量相对均衡。 * 最后2分钟换向：Region I波纹度（10.3 μm）反而差于Region II（7.0 μm），说明过长单次换向会过度“损害”原入口区域的质量。 * 结论：1分钟的换向时长是改善表面质量相对均衡的临界点。超过此时长无益。
3. 周期性换向优化实验结果 * 表面质量：周期为1分钟的换向加工，使两个区域的波纹度分别为8.9 μm和6.7 μm。当将换向周期缩短至0.5分钟时，取得了最佳整体表面质量，Region I和Region II的波纹度分别降至6.3 μm和5.9 μm，且两者差异极小。 * 尺寸一致性：将0.5分钟周期换向加工的工件与单向流加工的工件进行几何尺寸对比，效果显著： * 流道宽度均匀性：单向流时，不同流道的宽度沿流向最大变化达109 μm。而采用0.5分钟周期换向后，最大宽度变化降至38 μm，最小变化仅11 μm，均匀性大幅提升。 * 流道深度均匀性：单向流时，深度沿流向最大差异为39 μm。周期换向后，最大深度差异缩小至21 μm，其中一条流道的深度差异甚至仅为7 μm。 * 对称性：周期换向加工的工件，其流道宽度和深度尺寸关于工件中心线呈现更好的对称性。
本研究得出以下核心结论： 1. 传统脉冲动态电解加工双极板时，阳极材料去除率沿电解液流动方向不均，且加工区域存在电解液流速不均的区域，这两个问题共同损害了加工表面的质量。 2. 与单向流场相比，提出的电解质周期换向流场模式有利于提高加工尺寸的一致性，并能有效减轻加工表面的流痕。 3. 缩短换向周期有益于改善加工结果。实验证明，每0.5分钟进行一次电解质流向反转所加工的工件，表现出良好的表面波纹度和均匀的尺寸特征。
本研究的价值体现在： * 科学价值：深入揭示了平行阵列流道电解加工中尺寸不均和表面流痕产生的多物理场耦合机制（电场-流场-温度场-两相流），并提出了一种基于时间对称性（周期性换向）的主动控制策略来抵消空间不对称性（沿流向的产物累积），为电化学加工领域的均匀性控制提供了新的理论思路和方法。 * 应用价值：所提出的电解质周期换向方法原理清晰，实现方案（阀控系统）相对简单，易于集成到现有电解加工设备中，为高性能燃料电池双极板的高质量、高效率量产提供了一种切实可行的工艺解决方案，有助于推动燃料电池制造业的发展。
文中还对双极板的其他加工技术（如塑性成形、微铣削、电火花加工）进行了简要综述和优缺点比较，为读者理解电化学加工在该领域应用的竞争地位提供了背景。此外，仿真部分详细列出了所采用的物理模型和参数，具有可重复性。实验部分对检测区域和指标的界定明确，数据分析对比直观，增强了研究结果的可信度。