【摘 要】
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随着行波管由毫米波频段向太赫兹频段拓展,作为其核心零件的慢波结构的关键尺寸由毫米量级降低到了微米至百微米量级,对于慢波结构的加工质量也有了更高的要求。用于制造慢波结构的铜基板的平面度以及慢波结构本身的表面粗糙度对折叠波导行波管的性能有着很大的影响。为了进一步提高慢波结构的质量,必须对铜基板进行无损伤平整加工,对铜微细结构表面进行高精度抛光。电化学抛光作为典型的无应力抛光方法,在铜高质量表面抛光方面
【基金项目】
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国家自然科学基金(51991373,51975094和51875078);
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随着行波管由毫米波频段向太赫兹频段拓展,作为其核心零件的慢波结构的关键尺寸由毫米量级降低到了微米至百微米量级,对于慢波结构的加工质量也有了更高的要求。用于制造慢波结构的铜基板的平面度以及慢波结构本身的表面粗糙度对折叠波导行波管的性能有着很大的影响。为了进一步提高慢波结构的质量,必须对铜基板进行无损伤平整加工,对铜微细结构表面进行高精度抛光。电化学抛光作为典型的无应力抛光方法,在铜高质量表面抛光方面具有巨大的潜力,但是目前传统的电化学抛光技术抛光平面件时整平能力不足,抛光大深宽比微结构时抛光效果不佳。本文提出了一种利用超平滑固体电解质抛光垫进行辅助的新型无应力抛光方法——固-液电解质电化学抛光(SL-ECP),解决了传统的液体电解质电化学抛光(L-ECP)整平能力不足的问题。另外,本文利用仿真模型研究了铜微结构电化学抛光中粘膜层的作用与影响机理并开展了折叠波导慢波结构的电化学抛光工艺实验研究。主要研究内容与结论如下:(1)根据SL-ECP原理设计并搭建了专门的SL-ECP实验系统,开展了SL-ECP工艺实验研究并和使用相同电解液的L-ECP工艺进行了对比分析,对铜与固体电解质接触的极化曲线和铜浸泡于磷酸基电解液中的极化曲线分别进行了测试以确定两种工艺的加工电压,从加工效率、加工精度和表面质量三个方面对两种工艺的加工能力进行了分析。研究结果表明,固体电解质抛光垫的使用可以提高电化学抛光工艺的整平能力,且不影响其对粗糙度的抛光能力,还显著提高了电化学抛光工艺的抛光效率。(2)使用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件建立了考虑粘膜层流动性、物质传递和电场的多物理场耦合两相流模型,分析了粘膜层的流动特征、粘膜层的生成及其流动对微结构不同位置处铜离子浓度、电流密度大小以及材料去除速率的影响。仿真结果表明,电化学抛光过程中生成的粘膜层沿微结构表面流动,导致微结构表面粘膜层厚度不均,越厚的地方电阻和铜离子浓度越大,从而电流密度越小,材料去除率越小。(3)进行了折叠波导慢波结构电化学抛光工艺实验研究,通过铜微结构电化学抛光工艺实验分析了重力对微结构抛光效果的影响和不同深宽比的微槽受粘膜层堆积影响的敏感程度。最后通过微铣削和电化学抛光的组合工艺制造出了高表面质量的折叠波导慢波结构,槽底的粗糙度Sa为57 nm(25μm×25μm),外表面的粗糙度Sa为34nm,可以满足高性能行波管的使用需求。
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