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主要作者与研究机构及发表信息
这篇研究由吴明（Ming Wu）、刘江文（Jiangwen Liu）、何俊峰（Junfeng He）、陈晓蕾（Xiaolei Chen）和郭忠宁（Zhongning Guo）等人完成，其中通讯作者为郭忠宁（Z. Guo）。研究团队隶属于广东工业大学机电工程学院以及广州市非传统加工与装备重点实验室。该研究发表在《International Journal of Machine Tools & Manufacture》期刊上，于2019年10月18日在线发布，并在2020年第148卷中正式出版。
学术背景
本研究属于微纳制造领域，特别是电化学微加工（Electrochemical Micromachining, ECM）技术的改进与应用研究。近年来，表面微结构（surface microstructures）因其独特的摩擦学和润湿性能受到广泛关注。然而，传统的ECM方法如喷射电化学加工（Jet-ECM）和掩模电化学加工（Through-Mask Electrochemical Micromachining, TMEMM）存在一些局限性。例如，Jet-ECM需要逐点加工，效率较低；而TMEMM由于电解液流动方向垂直于掩模孔，容易形成涡流，导致加工精度和一致性下降。为解决这些问题，研究团队提出了一种新型电化学加工技术——掩模电解喷射加工（Mask Electrolyte Jet Machining, MEJM），结合了Jet-ECM的可控流场和TMEMM的高通量优势，旨在实现高效、精确的表面微结构批量制造。
研究工作流程
本研究的工作流程分为以下几个步骤：
理论建模与数值模拟
研究首先构建了一个多离子传输与反应模型（Multi-Ion Transport and Reaction Model, MITReM），用于分析移动喷嘴对电解液流场的影响。模型假设包括：喷嘴低速移动（800–2400 μm/s）时，电解液喷射柱形状保持不变；电解液压力极低（0.031 MPa），避免液压跳跃现象；并假设电解液薄膜厚度恒定为1130 μm。通过水平集方法（Level Set Method）计算电解液喷射形状，并使用COMSOL Multiphysics软件进行数值模拟。模拟考虑了不同喷嘴移动速度（v1=800 μm/s, v2=2400 μm/s, v3=4800 μm/s）对电解液流场和电流密度分布的影响。
实验设计与实施
实验装置包括机械系统、电源控制系统和电解液喷射系统。工件材料为SUS304不锈钢，电解液为1 mol/L的硝酸钠溶液。光刻工艺制备图案化光刻胶（Shipley 1818），其参数包括涂覆转速5000 rev/min、曝光能量150 mJ/cm³等。实验条件包括不同的施加电压（50 V至200 V，步长50 V）和喷嘴移动速度（800 μm/s至4000 μm/s）。实验目标是评估MEJM在微凹坑（microdimples）和微凸起（microprotrusions）加工中的精度和重复性。
数据分析与处理
数据分析包括统计学方法计算标准偏差（Standard Deviation, SD）和极端偏差（Extreme Deviation, ED），以量化加工尺寸和形状的一致性。此外，还通过法拉第定律计算了每个加工过程中的电荷量，用于解释尺寸变化的原因。
主要结果
1. 电解液流场分析
数值模拟结果显示，随着喷嘴移动，电解液流场的速度矢量发生显著变化。特别是在喷嘴经过掩模孔时，电解液在孔内形成涡流，涡核位置随时间变化，从而促进了反应产物、热量和气体的排出。这种动态流场有助于减少加工过程中的非均匀性。
电流密度分布
模拟和实验结果表明，MEJM的电流密度分布比TMEMM更加均匀。在TMEMM中，电流密度呈现明显的不对称性，导致加工深度在上游侧更大；而在MEJM中，这种不对称性被显著降低，尤其是在喷嘴高速移动时。
加工精度与重复性
实验数据显示，MEJM能够以高精度和一致性加工微结构。例如，在施加电压为150 V时，微凹坑的直径和深度的标准偏差分别仅为0.992 μm和0.439 μm，且蚀刻因子（Etch Factor, EF）达到最大值后趋于稳定。与优化后的TMEMM相比，MEJM在宽度和深度的标准偏差方面表现更优，尺寸偏差比率（SD Ratio）仅为0.29%至1.84%。
理论分析验证实验结果
通过理论分析发现，喷嘴移动速度越快，加工过程中电流密度曲线的变化越小，从而导致尺寸偏差的减小。这一结论与实验结果高度一致。
研究结论与意义
本研究表明，MEJM是一种高效、精确的表面微结构批量制造技术，具有以下优点：
1. 结合了Jet-ECM和TMEMM的优势，解决了传统方法的局限性；
2. 加工精度高，尺寸偏差小，适用于微米级特征的批量制造；
3. 具有良好的重复性和可靠性，适合工业应用。
研究亮点
1. 提出了一种新型电化学加工技术MEJM，显著提高了加工精度和一致性；
2. 首次将多离子传输与反应模型应用于MEJM的数值模拟，揭示了电解液流场的动态特性；
3. 实验与理论分析相结合，全面验证了MEJM的可行性和优越性。
其他有价值内容
研究团队指出，未来的研究方向包括开发喷嘴速度控制策略，以进一步提高加工一致性。此外，MEJM技术有望应用于更多金属材料的微结构加工，为微纳制造领域提供新的解决方案。