印度理工學院孟買分校的研究發現，超聲波振動是脆性材料精密鑽孔的關鍵
在玻璃和陶瓷等脆性材料上鑽微小孔對於智能手機、醫療設備和微流控芯片至關重要，長期以來一直對製造商構成挑戰。當碎片堵塞又窄又深的孔時，傳統方法常常會使材料破裂或失敗。印度理工學院 (IIT) 孟買分校的研究人員展示了超聲波輔助電化學放電加工 (UA-ECDM) 如何克服這些障礙，從而在精密製造方面取得突破。這項研究由 IIT 孟買分校機械工程系的 Pradeep Dixit 和 Anurag Shanu 教授領導，解釋了 UA-ECDM 卓越性能背後的機制。與依賴電解質溶液中放電的傳統電化學放電加工 (ECDM) 不同，UA-ECDM 引入超聲波振動（超出人類聽覺範圍的聲波），以增強碎屑去除和電解質循環。 Dixit說：“雖然早期的研究主要集中在實驗結果，如加工深度（孔或凹槽的深度），但他們沒有解釋通過超聲波振動改善加工性能的實際機制。通過分析電解液流動和碎片動力學，我們可以解釋基本機制以及振動幅度對提高碎片清除效率的影響。”該團隊將其比喻為用柱塞疏通排水管的過程。 “想像一下，一個小玻璃在一個裝滿水和糖晶體的大玻璃內上下移動。當小玻璃移動時，水和晶體會移位並循環。同樣，在 UA-ECDM 中，工具產生的超聲波振動在微觀尺度上對電解質施加力。這種運動會清除加工間隙中的碎屑並循環新鮮電解質。應用超聲波攪拌後，總體污泥去除效率顯著提高。與傳統方法相比，材料去除率提高了 33% Dixit 先生解釋道。研究人員發現孔的縱橫比為 2.5（深度與直徑），這意味著它們的深度是寬度的 2.5 倍。與傳統 ECDM 相比，UA-ECDM 產生的孔深 33%，深寬比高 16%。實驗裝置包括使用多尖工具在 1.1 mm 厚的玻璃基板上打出 9 個通孔。該工具以 20 kHz（每秒 20,000 次）的頻率振動，行程為 5-10 μm，攪動微孔內的電解質。這改善了流體循環，並提高了 50% 的碎片去除率。使用高速攝像機和能量色散光譜 (EDS) 進行驗證，以觀察過程並分析元素成分。數值模擬顯示，在較高振幅（約 8-10 μm）下，幾乎所有碎片顆粒都在幾個振動週期內被清除，甚至是在微孔深處。在較低的振幅下，碎屑會滯留並堵塞間隙，而在非常高的振幅下過度攪拌則有損壞工具和工件的風險。該研究確定了實現最大效率的最佳振動幅度。“UA-ECDM 在鈉鈣、硼矽酸鹽玻璃、熔融石英、聚合物基複合材料和氧化鋁等非導電材料中需要深度和精確的微特徵（如盲孔/通孔/通道等）時非常有用。具體應用包括嵌入式集成無源器件，例如電感器、基於玻璃通孔 (TGV) 的 MEMS 傳感器、微流體器件的 3D 封裝，以及Dixit 先生說道。然而，由於電火花線切割加工 (wire-EDM) 的局限性，該研究中可實現的最小刀尖為 150 μm，這限制了進一步的小型化。該團隊計劃將研究擴展到氧化鋁陶瓷，這種陶瓷結合了電絕緣性和良好的導熱性，但比玻璃更難加工。迪克西特先生補充道，隨著材料工程不斷突破微型化的界限，“最大的進步來自最小的成就，有時需要適量的振動”。研究結果已發表在《電化學學會雜誌》上。發布 – 十一月 17, 2025 03:17 am IST
已发布: 2025-11-16 21:47:00
来源: www.thehindu.com
