面向生物医疗器件制造的硅电极三维微细电解加工机理与工艺研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51775302
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0509.加工制造
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2021-12-31

项目摘要

For biomedical devices manufacturing, a novel servo scanning micro electrochemical machining (ECM) process with silicon electrodes is presented to machine 3D micro structures, to meet the requirements of high machining accuracy and surface quality on alloy steel materials. Compounds and metallographic structures of different alloy steels are researched and electrochemical reaction characteristics of each alloy phase in steels are tested. Then the dissolving mechanism and rules of alloy steel with multiple alloy phases are studied in micro ECM. Considering the metallographic structures as physical model, material removing simulation for alloy steel machining is employed to get the quantitative rules between the material removal rate and machining parameters. In order to remove different alloy phases in the alloy steel body controllably, uniformly and quickly, electrochemical polarization resistance is researched on the interface of alloy steel and inactive electrolyte. Resistance and capacitance parameters in the equivalent circuit are analyzed by electrochemical impedance spectra (EIS) method and material removing process is analyzed with different alloys and different electrolyte. Aiming at the manufacturing object, the electrolyte constituent is optimized for good machining accuracy and efficiency. In order to shape 3D structures precisely, a novel sidewall insulation layer preparation method for micro electrode is presented. Monocrystal silicon material is used as electrode body. A thin and uniform silicon dioxide layer is deposited on its sidewall surfaces, which adheres the electrode body quite firmly. In addition, an inter-electrode gap detecting and controlling strategy are used in ECM experiments. By optimizing the motion trail of workpiece and controlling the output machining parameters, the machining accuracy can be improved. It is expected to achieve an ECM process for 3D micro structures, which has the integrated characteristics of alloy machining, good machining accuracy and surface finishing. And the research results are expected to be used in the manufacturing for micro biomedical devices especially the microfluidic chip moulds and micro navigating robots.
面向生物医疗器件的精密制造,以实现合金钢上具有三维微结构、较高精度和表面质量要求的微加工为目标,提出一种采用硅电极的微细电解加工技术路线。在研究合金钢金相组织和各合金相的电化学特性基础上,探索电解材料蚀除机理,建立考虑金相组织的电解材料蚀除模型,确定合金材料蚀除速率与工艺参数间的量化规律。为了实现合金钢电解蚀除的可控性、均一性和快速性,测量其在钝化电解液中的电化学反应极化阻抗,分析阻抗参数对材料蚀除的影响,优化电解液化学成分。探索一种新型的工具电极侧壁绝缘层制备工艺,单晶硅作为工具电极基体,表面沉积厚度薄且均匀、绝缘性能好、与基体紧密结合的二氧化硅作为绝缘层;提出了间隙检测和控制策略,优化工件的运动轨迹。从机理研究和关键技术突破两个方面,形成适用于合金钢材料、具有高精度定域性加工和表面光整综合特征的三维微结构加工的新工艺。并应用于微流控芯片模具、微创介入医疗器件等生物医疗关键部件的制造中。

结项摘要

项目研究涉及金属合金的电解加工材料蚀除机理、电解液成分优化、电解材料蚀除模型等基础科学问题,以及创新的侧壁可靠绝缘的微细硅电极制备和微细电解加工工艺的关键技术问题。研究获得主要成果如下:. 在材料蚀除机理研究中,提出了基于界面等效电路的材料蚀除分析方法,通过对工件/电解液界面等效电路阻抗参数的测试,定量分析金属溶解电化学反应条件和电流密度,计算工件材料蚀除速率,建立材料去除模型。从而可预测并改善微细电解加工中Fe-Cr-Ni基合金的材料蚀除速率。. 在分析影响材料蚀除速率的因素和络合添加剂对固体沉淀物溶解作用的基础上,提出了针对铁基合金材料的复合电解液成分优化选用方法:采用电流效率较大、电化学反应阻抗和界面电容较小的钝性成分,采用配位体络合能力强、亲水基团数量多、生成的络合物表面活性弱的络合添加剂。为微细电解加工中电解液成分优化选取提供一指导性理论依据。. 基于合金钢蚀除的电化学反应极化阻抗和材料蚀除规律,通过计算金属溶解电流密度和材料蚀除速率的瞬态变化规律,结合网格变形技术,预测了微结构的加工轮廓。仿真模型对加工结果的预测精度较高,且可用于深入的电解加工机理研究。. 创新性地提出微细硅工具电极的设计制作思路。以重掺杂硅为电极基体、二氧化硅/氮化硅薄膜为绝缘层的硅电极,实验验证了其优秀的加工可靠性和耐久性。采用微细硅电极形成的电解加工新体系有望解决加工中的杂散腐蚀和可控性问题,形成新的微细电解加工技术途径。. 在对材料去除区域和单层深度的数学理论分析基础上,提出了系统优化的分层扫描加工轨迹规划、控制策略和工艺路线,用于微结构的成型加工。在微流控生物芯片模具微小结构的精密加工中,验证了材料蚀除机理、电解液优化方法、加工仿真模型、微细硅工具电极和分层扫描加工工艺等项目研究可行性,使用加工的芯片模具注塑出相应的微流控生物芯片。

项目成果

期刊论文数量(15)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(4)
Novel structure of a sidewall-insulated hollow electrode for micro electrochemical machining
用于微电化学加工的侧壁绝缘空心电极的新型结构
  • DOI:
    10.1016/j.precisioneng.2021.05.009
  • 发表时间:
    2021-06-08
  • 期刊:
    PRECISION ENGINEERING-JOURNAL OF THE INTERNATIONAL SOCIETIES FOR PRECISION ENGINEERING AND NANOTECHNOLOGY
  • 影响因子:
    3.6
  • 作者:
    Liu, Guodong;Tong, Hao;Zhong, Hao
  • 通讯作者:
    Zhong, Hao
Multiphysics research on electrochemical machining of micro holes with internal features
具有内部特征的微孔电化学加工的多物理场研究
  • DOI:
    10.1007/s00170-020-05973-9
  • 发表时间:
    2020-08-24
  • 期刊:
    INTERNATIONAL JOURNAL OF ADVANCED MANUFACTURING TECHNOLOGY
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Liu, Guodong;Tong, Hao;Tan, Qifeng
  • 通讯作者:
    Tan, Qifeng
Fabrication of silicon electrodes used for micro electrochemical machining
用于微电化学加工的硅电极的制造
  • DOI:
    10.1088/1361-6439/ab82f3
  • 发表时间:
    2020-05
  • 期刊:
    Journal of Micromechanics and Microengineering
  • 影响因子:
    2.3
  • 作者:
    Guodong Liu;Yong Li;Hao Tong
  • 通讯作者:
    Hao Tong
Scanning Micro ECM Process for V-shaped Grooves
V 形槽扫描微 ECM 工艺
  • DOI:
    10.1115/1.4046036
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Journal of Micro and Nano-Manufacturing
  • 影响因子:
    1
  • 作者:
    Hao Zhong;Hao Tong;Zhiqiang Wang;Yong Li;Yubin Pu
  • 通讯作者:
    Yubin Pu
Fabrication of optimized streamlined micro nozzles by hybrid electrochemical techniques
通过混合电化学技术制造优化的流线型微喷嘴
  • DOI:
    10.1088/1361-6439/aae818
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Journal of Micromechanics and Microengineering
  • 影响因子:
    2.3
  • 作者:
    Xiang Zhao;Zhixin Jia;Wei Li;Yong Li;Quancun Kong
  • 通讯作者:
    Quancun Kong

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其他文献

Fe_(70)Ni_(30)粉末触媒中Ⅱa型金刚石大单晶的高温高压合成
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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  • 作者:
    王勇;李昊轩;姜文安;汪若尘;李勇
  • 通讯作者:
    李勇

其他文献

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李勇的其他基金

基于硅电极的微细电解加工状态检测与控制研究
  • 批准号:
    52375449
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相似国自然基金

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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