 |
Результаты моделирования для маски из коллоидного кристалла
|
|
|
|
Принимая во внимание расположение частиц в маске, будем использовать единичную ячейку с сечением в виде правильного шестиугольника (рис.14).
На первом этапе были проведены расчеты распределения потенциала электрического поля на различных сетках граничных элементов и определены параметры сетки, обеспечивающие независимость результатов расчета от числа узлов сетки. Было установлено, что в зависимости от степени упаковки сферических частиц (безразмерного радиуса сферических частиц R Sph), необходимо использовать сетку, содержащую от 5000 до 20000 граничных элементов (рис. 15). На поверхностях, соответствующих подложке (анод) и внешней границе расчетной области, формировались граничные элементы в виде равносторонних треугольников. На боковых поверхностях расчетной области использовались граничные элементы в виде прямоугольных треугольников, причем для исключения влияния сетки на распределение потенциала высота элементов уменьшалась по мере приближения к обрабатываемой поверхности.
На втором этапе осуществлялось моделирование формирования наноструктурированной поверхности при различной степени упаковки сферических частиц (рис. 16, 17). Из полученных результатов хорошо видно, что при увеличении плотности упаковки высота и горизонтальные размеры наноструктурированных элементов увеличиваются.
Для учета влияния выхода по току на геометрию обработанной поверхности была использована следующая модельная функция:
(10)
где I – безразмерная плотность тока; I S – значение безразмерной плотности, при котором выход по току равен 0.5; dI – полуширина зоны, в которой выход по току изменяетcя от 0 до 1.
Рисунок 14 - Расположение сферических частиц в маске из коллоидного кристалла (а) и единичная ячейка с поперечным сечением в виде правильного шестиугольника (б).
|
|
|
Рисунок 15 - Схема разбиения границы расчетной области на граничные элементы: (а) R Sph=0.1; (б) R Sph=0.25; (в) R Sph=0.5.
Рисунок 16 - Эволюция поверхности в процессе обработки при R Sph=0.25:
(а) t=0; (б) t=0.025; (в) t=0.050; (г) t=0.075; (д) t=0.100; (е) t=0.125.
Рисунок 17 - Эволюция поверхности в процессе обработки при R Sph=0.5:
(а) t=0 (б) t=0.05; (в) t=0.10; (г) t=0.15; (д) t=0.20; (е) t=0.25.
При малых значениях параметра I S выход по току на большей части обрабатываемой поверхности мало отличается от единицы, что приводит к формированию нановыступов с острой вершиной (рис. 18). При I S ≥ 1.0 на участке поверхности, расположенном вблизи точки контакта сферической частицы с обрабатываемой поверхностью выход по току уменьшается практически до нуля, что приводит к формированию выступа, имеющего плоскую верхнюю часть. Таким образом, зависимость выхода по току от плотности тока оказывает заметное влияние на форму и размеры формируемых наноструктур.
Рисунок 18 – Влияние выхода по току на эволюцию обрабатываемой поверхности при плотной упаковке сферических частиц в маске.
Результаты моделирования (рис. 16 – 18) показывают, что форма получаемой поверхности не очень сильно отличается от осесимметричной. Так как решение осесимметричной задачи существенно проще и требует меньших затрат вычислительных ресурсов, то были проведены вычислительные эксперименты процесса электрохимического формообразования в осесимметричном приближении (рис. 19). Кроме того было учтено влияние поляризации анода на форму и размеры формируемых нановыступов.
Рисунок 19 – Влияние поляризации анода на эволюцию обрабатываемой поверхности при различной степени плотности упаковки сферических частиц в маске.
Как видно из полученных результатов (рис. 19) вполне допустимо использование осесимметричного приближения. При этом поляризация анода приводит к уменьшению высоты и увеличению поперечных размеров нановыступов.
|
|
|
На основании проведенных исследований анодного растворения через маску из коллоидного кристалла можно сформулировать следующие общие выводы. В процессе анодного растворения на обрабатываемой поверхности формируются нановыступы, форма которых близка к осесимметричной. Причем при уменьшении степени упаковки сферических частиц (при уменьшении R Sph) отклонение от осесимметричности также уменьшается. Высота нановыступов увеличивается с течением времени до тех пор, пока не будет нарушен контакт между сферической частицей маски и поверхностью подложки. Причем максимальная высота нановыступов зависит от степени упаковки сферических частиц (рис. 16, 17, 19). При дальнейшей обработке принципиально возможно два различных сценария: 1) маска остается в первоначальном положении; 2) маска перемещается для сохранения контакта с обрабатываемой поверхности. В первом случае после потери контакта между маской и обрабатываемой поверхностью высота нановыступов будет уменьшаться. А во втором случае высота нановыступов достигнет установившегося значения, которое в дальнейшем не будет изменяться.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате выполнения первого этапа разработаны математические модели и методы численного моделирования формирования функциональных поверхностей с микро- и нанопараметрами при анодном растворении металлов и сплавов. Проведено теоретическое исследование закономерностей бесконтактного электрохимического формообразования при локализации зоны анодного растворения за счет использования различных типов масок (маски с пробельными участками различных размеров и различной долей активной поверхности; маски с цилиндрическими порами, маски из коллоидных кристаллов и т.д.) и за счет использования непрофилированного электрода-инструмента, перемещающегося вдоль обрабатываемой поверхности по заданной траектории. При моделировании определены формы и размеры единичных ячеек, произведен учет поляризации электродов и зависимости выхода по току от плотности тока, а также возможных топологических изменений обрабатываемой поверхности.
|
|
|
Разработанные алгоритмы и реализующее их программное обеспечение могут быть использованы при проектировании процессов анодного растворения при создании наноструктурированных поверхностей, а также для оптимизации условий проведения процесса.
Задачи первого этапа, сформулированные в техническом задании, выполнены в полном объеме. Полученные при выполнении работы результаты являются новыми и соответствуют мировому уровню, что, в частности, подтверждается наличием публикаций, индексируемых в Web of Science, и включением в программы ряда престижных международных конференций.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Xia Y. Unconventional methods for fabricating and patterning nanostructures / Y. Xia, J.A. Rogers, K.E. Paul, G.M. Whitesides // Chemical Reviews. - 1999. - V.99(7). - P.1823-1848.
2. Huczko A. Template-based synthesis of nanomaterials / A. Huczko // Applied Physics A: Materials Science & Processing. - 2000. - V.70(4). - P.365-376.
3. Xia Y. One-Dimensional Nanostructures: Synthesis, Characterization, and Applications / Y. Xia, P. Yang, Y. Sun, Y. Wu, B. Mayers, B. Gates, Y. Yin, F. Kim, H. Yan // Advanced Materials. - 2003. - V.15(5). - P.353-389.
4. Li X.M. What do we need for a superhydrophobic surface? A review on the recent progress in the preparation of superhydrophobic surfaces / X.M. Li, D. Reinhoudt, M. Crego-Calama // Chemical Society Reviews. - 2007. - V.36(8). - P.1350-1368.
5. Zhang J. Fabrication and use of artificial superhydrophilic surfaces / J. Zhang, S.J. Severtson // Journal of Adhesion Science and Technology. - 2014. -V.28(8-9). - P.751-768.
6. Yao L. Recent progress in antireflection and self-cleaning technology - From surface engineering to functional surfaces / L. Yao, J. He // Progress in Materials Science. - 2014. - V.61. - P.94-143.
7. Datta M. Fundamental aspects and applications of electrochemical microfabrication / M. Datta, D. Landolt // Electrochimica Acta. - 2000. - V.45. -P.2535–2558.
8. Landolt D. Electrochemical micromachining, polishing and surface structuring of metals: fundamental aspects and new developments / D. Landolt, P.-F. Chauvy, O. Zinger // Electrochimica Acta. - 2003. - V.48. - P.3185-3201.
9. Yang S.-M. Nanomachining by Colloidal Lithography / S.-M. Yang, S.G. Jang, D.-G. Choi, S. Kim, H.K. Yu // Small. - 2006. - V.2(4). - P.458-475.
10. Ho A.Y.Y. Controlled Fabrication of Multitiered Three-Dimensional Nanostructures in Porous Alumina / A.Y.Y. Ho, H. Gao, Y.C. Lam, I. Rodriguez // Advanced Functional Materials. - 2008. - V.18. - P.2057-2063.
11. Gao Y.-Y. Preparation of metallic nanopore arrays using template-guided electrochemical etching / Y.-Y. Gao, A.-J. Han, F. Miao, G.-L. Li, H. Li, Z.-S. Zhang, S.-Y. Zhang // Materials Letters. - 2010. - V.64. - P.1028-1030.
12. Levy-Clement C. Applications of colloidal crystal patterning for synthesis of 1D and 3D nanostructured semiconductors / C. Levy-Clement, X. Wang, C. Benoit-Moez, J. Elias, L. Philippe, J. Michler // Phys. Status Solidi A. - 2011. - V.208. - P.1426-1432.
|
|
|
13. Jang H.S. Fabrication of Ordered Silicon Wire Structures via Macropores without Pore Wall by Electrochemical Etching / H.S. Jang, H.-J. Choi, H. Lee, J.H. Kim // Journal of The Electrochemical Society. - 2012. - V.159. - P.D37-D45.
14. Asoh H. Formation of microstructured silicon surfaces by electrochemical etching using colloidal crystal as mask / H. Asoh, A. Oide, S. Ono // Electrochemistry Communications. - 2006. - V.8. - P.1817-1820.
15. Zhu D. Electrochemical micromachining of microstructures of micro hole and dimple array / D. Zhu, N.S. Qu, H.S. Li, Y.B. Zeng, D.L. Li, S.Q. Qian // CIRP Annals - Manufacturing Technology. - 2009. V.58. P.177-180.
16. Shin H.S. Electrochemical etching using laser masking for multilayered structures on stainless steel / H.S. Shin, M.S. Park, C.N. Chu // CIRP Annals - Manufacturing Technology. - 2010. - V.59. - P.585-588.
17. Hao X. Surface micro-texturing of metallic cylindrical surface with proximity rolling-exposure lithography and electrochemical micromachining / X. Hao, L. Wang, Q. Wang, F. Guo, Y. Tang, Y. Ding, B. Lu // Applied Surface Science. - 2011. - V.257. - P.8906-8911.
18. Qian S. Improving the Localization of Surface Texture by Electrochemical Machining with Auxiliary Anode / S. Qian, F. Ji, N. Qu, H. Li // Materials and Manufacturing Processes. - 2014. - V.29(11-12). - P.1488-1493.
19. Wei H.Y. Edge Effect and Compensation Method Research of the Template Electrochemical Etching / H.Y. Wei, Z.N. Guo, G. Wang // Key Engineering Materials. - 2014. - V.625. - P.559-563.
20. Chen X. Removal of islands from micro-dimple arrays prepared by through-mask electrochemical micromachining / X. Chen, N. Qu, H. Li, Z. Guo // Precision Engineering. - 2015. - V.39. - P.204-211.
21. Qu N.S. Modified microscale pattern transfer without photolithography of substrates / N.S. Qu, X.F. Zhang, X.L. Chen, H.S. Li, D. Zhu // Journal of Materials Processing Technology. - 2015. - V.218. - P.71-79.
22. Zhu D. Micro Wire Electrochemical Cutting by Using In Situ Fabricated Wire Electrode / D. Zhu, K. Wang, N.S. Qu // Annals of the CIRP. - 2007. - V.56(1). - P.241-244.
23. Wang K. Electrochemical Micromachining Using Vibratile Tungsten Wire for High-Aspect-Ratio Microstructures / K. Wang // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. - 2010. - V.46(5). - P.395-399.
24. Wang S. Micro wire electrochemical machining with an axial electrolyte flow / S. Wang, Y. Zeng, Y. Liu, D. Zhu // Int. J. Adv. Manuf. Technol. - 2012. - V.63. -P.25–32.
25. Zeng Y.-B. Enhancement of mass transport in micro wire electrochemical machining / Y.-B. Zeng, Q. Yu, S.-H. Wang, D. Zhu // CIRP Annals - Manufacturing Technology. - 2012. - V.61. - P.195-198.
26. Liu Z. Fabrication of Metal Microtool Applying Wire Electrochemical Machining / Z. Liu, Y. Zeng, W. Zhang // Advances in Mechanical Engineering. - 2014. - Article ID 382105.
27. Qu N.S. Wire electrochemical machining using reciprocated traveling wire / N.S. Qu, H.J. Ji, Y.B. Zeng // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2014. - V.72(5-8). - P.677-683.
28. Sen M. A review of electrochemical macro- to micro-hole drilling processes / M. Sen, H.S. Shan // International Journal of Machine Tools & Manufacture. - 2005. -V.45. - P.137-152.
29. Jo C.H. Micro electrochemical machining for complex internal micro features / C.H. Jo, B.H. Kim, C.N. Chu // CIRP Annals - Manufacturing Technology. - 2009. - V.58. - P.181-184.
30. Fan Z.-W. Electrochemical micro-drilling of deep holes by rotational cathode tools / Z.-W. Fan, L.-W. Hourng // Int. J. Adv. Manuf. Technol. - 2011. - V.52. - P.555-563.
31. Thanigaivelan R. Drilling of micro-holes on copper using electrochemical micromachining / R. Thanigaivelan, R.M. Arunachalam, P. Drukpa // Int. J. Adv. Manuf. Technol. - 2012. - V.61. - P.1185-1190.
32. Sen M. Analysis of hole quality characteristics in the electro jet drilling process / M. Sen, H.S. Shan // International Journal of Machine Tools & Manufacture. - 2005. - V.45. - P.1706-1716.
33. Natsu W. Generating complicated surface with electrolyte jet machining / W. Natsu, T. Ikeda, M. Kunieda // Precision Engineering. - 2007. - V.31. - P.33-39.
34. Natsu W. Research on generation of three-dimensional surface with microelectrolyte jet machining / W. Natsu, S. Ooshiro, M. Kunieda // CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. - 2008. - V.1. - P.27-34.
35. Hackert-Oschatzchen M. Micro machining with continuous electrolytic free jet / M. Hackert-Oschatzchen, G. Meichsner, M. Zinecker, A. Martin, A. Schubert // Precision Engineering. - 2012. - V.36. - P.612-619.
|
|
|
36. Kawanaka T. Selective Surface Texturing Using Electrolyte Jet Machining / T. Kawanaka, S. Kato, M. Kunieda, J.W. Murray, A.T. Clare // Procedia CIRP. - 2014. - V.13. - P.345-349.
37. Kim B.H. Micro Electrochemical Milling / B.H. Kim, S.H. Ryu, D.K. Choi, C.N. Chu // Journal of Micromechanics and Microengineering. - 2005. - V.5. - P.124–129.
38. Kurita T., A study of three-dimensional shape machining with an ECmM system / T. Kurita, K. Chikamori, S. Kubota, M. Hattori // International Journal of Machine Tools & Manufacture. - 2006. - V.46. - P.1311–1318.
39. Liu Y. Experimental Investigation on Complex Structures Machining by Electrochemical Micromachining Technology / Y. Liu, D. Zhu, Y. Zeng, S. Huang, H. Yu // Chinese Journal of Aeronautics. - 2010. - V.23. - P.578-584.
40. Liu Y. Micro electrochemical milling of complex structures by using in situ fabricated cylindrical electrode / Y. Liu, D. Zhu, L. Zhu // Int. J. Adv. Manuf. Technol. - 2012. - V.60. - P.977–984.
41. El-Taweel T.A. Study on the wire electrochemical groove turning process / T.A. El-Taweel, S.A. Gouda // J. Appl. Electrochem. - 2011. - V.41. - P.161-171.
42. Chiou Y.-C. Fabrication of high aspect ratio micro-rod using a novel electrochemical micro-machining method / Y.-C. Chiou, R.-T. Lee, T.-J. Chen, J.-M. Chiou // Precision Engineering. - 2012. - V.36. - P.193-202.
43. Davydov A. Modeling of Wire Electrochemical Machining / A. Davydov, T. Kabanova, V. Volgin // Chemical Engineering Transactions. - 2014. - V.41. - P.85-90.
44. Volgin V.M. Metal Dissolution through a Mask with Cylindrical Pores / V.M. Volgin, V.V. Lyubimov, A.D. Davydov // 65th Annual Meeting of ISE: abstracts / International Society of Electrochemistry. - Lausanne, 2014. - P.ISE140764.
45. Волгин В.М. Моделирование анодного растворения металла через маску с цилиндрическими порами / В.М. Волгин, А.Д. Давыдов // Известия ТулГУ. Технические науки. - 2014. - Вып. 11. - Ч.2. - С.13-21.
46. Волгин В.М. Моделирование электрохимического наноструктурирования поверхности через маску с цилиндрическими порами / В.М. Волгин, И.В. Гнидина, Т.Б. Кабанова, А.Д. Давыдов // II-я Региональная НТК "Высокие и критические электро- и нанотехнологии": cб. тр. / Тульский государственный университет. - Тула, 2014. - С.13-21.
47. Volgin V.M. Modeling of Formation of Nanostructured Metal Surfaces by Electrochemical Dissolution through a Colloidal Crystal Mask / V.M. Volgin, V.V. Lyubimov, A.D. Davydov // Elecnano-6 (Electrochemistry at the nanoscale from basic aspect to applications): proc. / French Chemical Society. - Paris, 2014. - P.193.
48. Волгин В.М. Моделирование анодного растворения металла через маску из коллоидного кристалла / В.М. Волгин, В.В. Любимов, А.Д. Давыдов // Известия ТулГУ. Технические науки. - 2014. - Вып. 11. - Ч.2. - С.3-12.
49. Волгин В.М. Моделирование электрохимического наноструктурирования поверхности через маску из коллоидного кристалла / В.М. Волгин, В.В. Любимов, А.Д. Давыдов // II-я Региональная НТК "Высокие и критические электро- и нанотехнологии": cб. тр. / Тульский государственный университет. - Тула, 2014. - С.3-12.
50. Volgin V. Modeling of Wire Electrochemical Machining / V. Volgin, D. Do, A. Davydov // Chemical Engineering Transactions. - 2014. - V.41. - P.91-96.
|
|
|
