TWI554650B - 一種具有冷卻功能的電化學治具 - Google Patents
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Description
本發明是關於一種適用於工作樣品表面或局部表面之電化學處理用模具，此模具可使待處理樣品之特定表面裸露，並使工作樣品在進行電化學加工時保持特定的溫度，此具有冷卻功能的電化學治具可提供需特定裸露之樣品表面進行電解、電解拋光、電鍍、陽極處理、蝕刻、浸鍍、酸洗、鹼洗、等綠能相關產業之製程。
學術或研究單位在製作電化學小試片時可簡單地控制所需的實驗條件，但是當樣品尺寸與數量放大至工業界量產時卻常常面臨到電流密度和溫度不穩定的問題。
一般教科書對於電化學的反應，常以簡單的示意圖解釋之，其中陽極又稱為氧化極，於反應過程中易失去電子、或產生離子化，陰極又稱為還原極，於反應過程中易得到電子或接受正離子，而外加電壓/電流值與電解液的成份、濃度、溫度、與攪伴乃是控制反應速率的重要參數，由於示意圖為一簡便且眾所容易接受之反應機構圖，因此，學界之基
本電化學實驗，或業界之量產製程中設備，均以此示意圖為標準設計的參考，然而，此圖乃是一理想化之示意圖，該設計於電化學反應中將產生如反應面積不易估算、電極邊緣反應速率較快等缺點。
為了改善以上示意圖於實際電化學反應中所產生之缺點，一些較精密的電化學量測實驗常以管罩式為設計，即工作電極(working electrode)表面利用一個已知表面積之玻璃管罩住，管內裝有電解液，而對極(counter electrode)電極則由管之上端開口處置入管內，並於管內形成一電化學反應系統，此設計可改善反應面積的量測與局部反應速率不均勻的問題，但是管內之電解液容量有限，易造成長時間反應後之濃度下降的情形。槽狀式為另一種電化學反應設計，乃是將工作樣品固定於電解槽外，而電解槽壁之開口面積即為樣品之反應面積，再將對極電極置於電解槽內，此設計可解決電解液濃度下降的問題，然而此設計之缺點在於裝卸工作電極時易造成電解液洩漏，或是需將電解液事先由反應槽內取出的缺點。
針對以上工件在反應過程中的電流密度與溫度控制的穩定性，本發明專利將提出不同設計之電化學處理用治具設計來提升量產形電化學製程的穩定性。
本發明之目的在於提供一種具有冷卻功能的電化學治具，藉由治具的輔助使樣品的特定區域可進行電化學反應與加工等化學反應。本發明專利考量了模具的操作方便性、使用壽命延長、與商業價值，因此利用低材料成本的聚合物、金屬、金屬表面經絕緣處理等絕緣材料聚
合物、工程塑膠、聚合物、或壓克力製造一種化學處理用的治具並應用濕式化學處理環境中，此化學處理用的治具結構具有生產簡單性與面積變化性大等特性，適用於工業量產上。此一種具有冷卻功能的電化學治具之分解圖10結構如第1圖所示，包含：治具群組10a；噴灑式同軸線水冷式電極群組10b；與導電棒群組所組合10c，其中，治具群組10a包含：治具下座101；下座第一表面螺牙孔102；下座第二表面螺牙孔103；導電棒螺牙孔104；治具上蓋105；治具下蓋106；上蓋防水墊圈107；下蓋防水墊圈108；導電片109；工作樣品110；試片防水墊圈111，噴灑式同軸線水冷式電極群組10b包含：電極腔體座112；電極蓋113；電極蓋防水墊圈114；進水管115；出水管116；進水導管117；出水導管118；此噴灑式同軸線水冷式電極群組10b的特點在於；進出水口在於同一軸線上，入水口將冷卻水噴灑致電極管內後，出水口讓冷卻水在同軸線上流出，達到快速冷卻的效果；導電棒群組10c包含：彎頭管119；彎頭管螺牙120；彎頭管蓋121；彎頭管銜接軟管122；矽膠塞123；絕緣套管124；導電棒125；導電柱126；彎頭管防水墊圈127。
第2圖更說明了具有冷卻功能的電化學治具立體組合圖20，其結構包括一中空之治具下座201；用於與治具下座201相結合之治具上蓋202與治具下蓋203；設置於冷卻電極端之進水管204與出水管205；用於延伸進水管204與出水管205之進水導管206與出水導管207；設置於中空治具下座201側邊之彎頭管208；彎頭管208下方設置有彎頭管蓋209；並於彎頭管208與彎頭管蓋209之間插入用於防止滲水之彎頭管銜接軟管210；彎頭管銜接軟管210之另一端設置有用於防止滲水之矽膠塞211；將
絕緣套管213插入矽膠塞211、彎頭管銜接軟管210、與彎頭管208內；再將導電棒214插入絕緣套管213內並與冷卻電極之側邊互相接觸；彎頭管208與中空治具下座201之接觸面設置有彎頭管防水墊圈212用於防止滲水。
第3圖說明了工作樣品置於具有冷卻功能的電化學治具立體組合圖30，用於與治具下座303相結合之治具上蓋304與治具下蓋306；設置於中空之治具下座303與治具上蓋304之間之上蓋防水墊圈305；工作樣品301裝置於治具下座303之一表面並利用治具上蓋304鎖緊； 工作樣品301之一表面與治具上蓋304之間設置有試片防水墊圈302；進水導管307與出水導管308設置於冷卻電極下端並由治具下座303之第二表面伸出；；設置於中空治具下座201側邊之彎頭管309；彎頭管309；彎頭管蓋310；彎頭管銜接軟管311；矽膠塞312；絕緣套管314；導電棒315；彎頭管防水墊圈313；彎頭管309下方設置有彎頭管蓋310；並於彎頭管309與彎頭管蓋310之間插入用於防止滲水之彎頭管銜接軟管311；彎頭管銜接軟管311之另一端設置有用於防止滲水之矽膠塞312；將絕緣套管314插入矽膠塞312、彎頭管銜接軟管311、與彎頭管內309；再將導電棒315插入絕緣套管314內並與冷卻電極之側邊互相接觸；彎頭管309與中空治具下座303之接觸面設置有彎頭管防水墊圈313用於防止滲水。
第4圖說明了水冷式電極分解結構圖40，包含中空之電極腔體座401用於進行水冷卻之熱交換用；電極腔體座401之第一表面為電極接觸面402；電極腔體座401之第二表面為母螺牙403結構；電極蓋防水墊圈404設置於電極腔體座401之第二表面與電極蓋405之間；電極蓋405之第一表面為公螺牙406結構；電極蓋405之第二表面設置
有進水管407與出水管408且進水管伸入中空之電極腔體座401內。
第5圖說明了水冷式電極立體組合圖50，包含一中空之電極腔體座501用於進行水冷卻之熱交換用；電極腔體座501之第一表面為電極接觸面502；電極蓋與503與電極腔體座501之第二表面相結合；電極蓋503之一表面設置有進水管504與出水管505；用於延伸進水管與出水管之進水導管506與出水導管507。
以下，茲使用第1圖~第9圖來詳細說明本發明相關之具有冷卻功能的電化學治具之各實施例。此外，在圖面的說明中，同一要素或具有同一機能的要素係使用同一符號，並省略重複的說明。
以第1圖之模具實體進行鋁材表面之電解拋光，具有冷卻功能的電化學治具照片如第6圖所示。此範例將表面經過酸洗與鹼洗後之鋁材進行電解拋光使鋁材表面具有鏡面反射效果。利用模具之開口範圍限定鋁片表面之待處理面積，並利用外加電壓與電解液成份來控制電解拋光的品質，電解拋光的條件為：5~20%過氯酸(HClO4)+5~20%單丁醚乙二脂(CH3(CH2)3OCH2CH2OH)+85~95%乙醇(C2H6O)，電解液溫度為2~40℃，電解電壓為5~50伏特，電解拋光時間為1~10分鐘，第6圖顯示較佳的電解拋光操作條件為15%過氯酸(HClO4)+15%單丁醚乙二脂(CH3(CH2)3OCH2CH2OH)+70%乙醇(C2H6O)，電解液溫度為25℃，電解電壓為40伏特，電解拋光時
間為1.5分鐘，利用本模具處理後的鋁板表面具有光學級的反射平面，其樣品照片如如第7圖所示。
以第1圖之模具實體進行鋁材表面之電解拋光，具有冷卻功能的電化學治具照片如第6圖所示。此範例將表面經過酸洗與鹼洗後之鋁材進行電解拋光使鋁材表面具有鏡面反射效果。利用模具之開口範圍限定鋁片表面之待處理面積，並利用外加電壓與電解液成份來控制電解拋光的品質，電解拋光操作條件為15%過氯酸(HClO4)+15%單丁醚乙二脂(CH3(CH2)3OCH2CH2OH)+70%乙醇(C2H6O)，電解液溫度為5℃，電解電壓為50伏特，電解拋光時間為3分鐘，利用本模具處理後的鋁板表面具有光學級的反射平面。
以第1圖之模具實體進行鋁材表面之電解拋光，具有冷卻功能的電化學治具照片如第6圖所示。此範例將表面經過酸洗與鹼洗後之鋁材進行電解拋光使鋁材表面具有鏡面反射效果。利用模具之開口範圍限定鋁片表面之待處理面積，並利用外加電壓與電解液成份來控制電解拋光的品質，電解拋光操作條件為15%過氯酸(HClO4)+15%單丁醚乙二脂(CH3(CH2)3OCH2CH2OH)+70%乙醇(C2H6O)，電解液溫度為40℃，電解電壓為20伏特，電解拋光時間為0.5分鐘，利用本模具處理後的鋁板表面具有光學級的反射平面，此平整的表面具有光學級的反射平面。
以第1圖之模具實體進行鋁材之表面之陽極處理處理，具有冷卻功能的電化學治具照片如第6圖所示。此範例將表面經過機械研磨之鋁片再經陽極處理後可使鋁片反應成多孔性之三氧化二鋁薄膜。利用模具之開口範圍限定鋁片表面之待處理面積，使鋁片表面與經陽極處理後產生多孔性之三氧化二鋁薄膜，並利用外加電壓與電解液成份來控制孔密度的分佈與孔洞的大小，陽極處理的電解液主要以硫酸、磷酸、或草酸為主。利用3wt.%(重量百分比)草酸水溶液為電解液、外加40伏特直流電壓、陽極處理時間1小時、電解液溫度為25℃、可使金屬鋁片表面反應產生半透明的三氧化二鋁薄膜，再利用飽和氯化銅溶液將殘留的鋁基材移除後可得多孔性透明的三氧化二鋁薄膜。
以第1圖之模具實體進行鋁材之表面之陽極處理處理，具有冷卻功能的電化學治具照片如第6圖所示。此範例將表面經過機械研磨之鋁片再經陽極處理後可使鋁片反應成多孔性之三氧化二鋁薄膜。利用模具之開口範圍限定鋁片表面之待處理面積，使鋁片表面與經陽極處理後產生多孔性之三氧化二鋁薄膜，並利用外加電壓與電解液成份來控制孔密度的分佈與孔洞的大小，陽極處理的電解液主要以硫酸、磷酸、或草酸為主，利用10vol.%(體積百分比)硫酸水溶液為電解液、外加20伏特直流電壓、陽極處理時間1小時、電解液溫度為15℃、可使金屬鋁片表面反應產生半透明的三氧化二鋁薄膜，再利用飽和氯化銅溶液將殘留的鋁基材移除
後可得透明的三氧化二鋁薄膜。
以第1圖之模具實體進行鋁材之表面之陽極處理處理，具有冷卻功能的電化學治具照片如第6圖所示。此範例將表面經過機械研磨之鋁片再經陽極處理後可使鋁片反應成多孔性之三氧化二鋁薄膜。利用模具之開口範圍限定鋁片表面之待處理面積，使鋁片表面與經陽極處理後產生多孔性之三氧化二鋁薄膜，並利用外加電壓與電解液成份來控制孔密度的分佈與孔洞的大小，陽極處理的電解液主要以硫酸、磷酸、或草酸為主，利用1vol.%(體積百分比)磷酸水溶液為電解液、外加200伏特直流電壓、陽極處理時間5小時、電解液溫度為1℃、可使金屬鋁片表面反應產生透明的三氧化二鋁薄膜，再利用飽和氯化銅溶液將殘留的鋁基材移除後可得半透明的三氧化二鋁薄膜，其樣品照片如第8(a)圖所示，顯微結構圖如第8(b)圖所示。
以第1圖之模具實體進行鈦材之表面之陽極處理處理，具有冷卻功能的電化學治具照片如第6圖所示。此範例將表面經過機械研磨之鈦片再經陽極處理後可使鈦片反應成多孔性之二氧化鈦薄膜。利用模具之開口範圍限定鈦片表面之待處理面積，使鈦片表面與經陽極處理後產生多孔性之二氧化鈦薄膜，並利用外加電壓與電解液成份來控制孔密度的分佈與孔洞的大小，陽極處理的電解液主要以氟化氨或氫氟酸主，利用0.4
vol.%HF(氫氟酸)水溶液為電解液、外加60伏特直流電壓、陽極處理時間1小時、電解液溫度為25℃、可使金屬鈦片表面反應產生多孔性透明的二氧化鈦薄膜，樣品之顯微結構如第9圖顯示。
以第1圖之模具實體進行鈦材之表面之陽極處理處理，具有冷卻功能的電化學治具照片如第6圖所示。此範例將表面經過機械研磨之鈦片再經陽極處理後可使鈦片反應成多孔性之二氧化鈦薄膜。利用模具之開口範圍限定鈦片表面之待處理面積，使鈦片表面與經陽極處理後產生多孔性之二氧化鈦薄膜，並利用外加電壓與電解液成份來控制孔密度的分佈與孔洞的大小，陽極處理的電解液主要以氟化氨或氫氟酸主，利用0.4vol.%HF(氫氟酸)水溶液為電解液、外加80伏特直流電壓、陽極處理時間1小時、電解液溫度為25℃、可使金屬鈦片表面反應產生多孔性透明的二氧化鈦薄膜。
以第1圖之模具實體進行鈦材之表面之陽極處理處理，具有冷卻功能的電化學治具照片如第6圖所示。此範例將表面經過機械研磨之鈦片再經陽極處理後可使鈦片反應成多孔性之二氧化鈦薄膜。利用模具之開口範圍限定鈦片表面之待處理面積，使鈦片表面與經陽極處理後產生多孔性之二氧化鈦薄膜，並利用外加電壓與電解液成份來控制孔密度的分佈與孔洞的大小，陽極處理的電解液主要以氟化氨或氫氟酸主，利用0.4
vol.%HF(氫氟酸)水溶液為電解液、外加40伏特直流電壓、陽極處理時間1小時、電解液溫度為30℃、可使金屬鈦片表面反應產生多孔性透明的二氧化鈦薄膜。
10‧‧‧具有冷卻功能的電化學治具分解結構圖
20‧‧‧具有冷卻功能的電化學治具立體組合圖
30‧‧‧工作樣品置於具有冷卻功能的電化學治具立體組合圖
40‧‧‧水冷式電極分解結構圖
50‧‧‧水冷式電極立體組合圖
10a‧‧‧治具群組
101、201、303‧‧‧治具下座
102‧‧‧下座第一表面螺牙孔
103‧‧‧下座第二表面螺牙孔
104‧‧‧導電棒螺牙孔
105、202、304‧‧‧治具上蓋
106、203、306‧‧‧治具下蓋
107、305‧‧‧上蓋防水墊圈
108‧‧‧下蓋防水墊圈
109‧‧‧導電片
110、301‧‧‧工作樣品
111、302‧‧‧試片防水墊圈
10b‧‧‧噴灑式同軸線水冷式電極群組
112、401、501‧‧‧電極腔體座
113、405、503‧‧‧電極蓋
114、404‧‧‧電極蓋防水墊圈
115、204、407、504‧‧‧進水管
116、205、408、505‧‧‧出水管
117、206、307、506‧‧‧進水導管
118、207、308、507‧‧‧出水導管
10c‧‧‧導電棒群組
119、208、309‧‧‧彎頭管
120‧‧‧彎頭管螺牙
121、209、310‧‧‧彎頭管蓋
122、210、311‧‧‧彎頭管銜接軟管
123、211、312‧‧‧矽膠塞
124、213、314‧‧‧絕緣套管
125、214、315‧‧‧導電棒
126‧‧‧導電柱
127、212、313‧‧‧彎頭管防水墊圈
402、502‧‧‧電極接觸面
403‧‧‧電極腔體座母螺牙
406‧‧‧電極蓋公螺牙
第1圖 具有冷卻功能的電化學治具分解結構圖。
第2圖 具有冷卻功能的電化學治具立體組合圖。
第3圖 工作樣品置於具有冷卻功能的電化學治具立體組合圖。
第4圖 水冷式電極分解結構圖。
第5圖 水冷式電極立體組合圖。
第6圖 具有冷卻功能的電化學治具照片。
第7圖 鋁樣品經電解拋光後的照片。
第8圖 鋁陽極處理薄膜照片與顯微影像。
第9圖 多孔性二氧化鈦薄膜顯微影像。
10‧‧‧具有冷卻功能的電化學治具分解結構圖
10a‧‧‧治具群組
101‧‧‧治具下座
102‧‧‧下座第一表面螺牙孔
103‧‧‧下座第二表面螺牙孔
104‧‧‧導電棒螺牙孔
105‧‧‧治具上蓋
106‧‧‧治具下蓋
107‧‧‧上蓋防水墊圈
108‧‧‧下蓋防水墊圈
109‧‧‧導電片
110‧‧‧試片
111‧‧‧試片防水墊圈
10b‧‧‧噴灑式同軸線水冷式電極群組
112‧‧‧電極腔體座
113‧‧‧電極蓋
114‧‧‧電極蓋防水墊圈
115‧‧‧進水管
116‧‧‧出水管
117‧‧‧進水導管
118‧‧‧出水導管
10c‧‧‧導電棒群組
119‧‧‧彎頭管
120‧‧‧彎頭管螺牙
121‧‧‧彎頭管蓋
122‧‧‧彎頭管銜接軟管
123‧‧‧矽膠塞
124‧‧‧絕緣套管
125‧‧‧導電棒
126‧‧‧導電柱
127‧‧‧彎頭管防水墊圈
Claims (9)
- 一種具有冷卻功能的電化學治具，其結構包含：用於裝置水冷式電極群組與金屬工作樣品的治具群組；設置於金屬工作樣品下端之冷卻水循環；用於產生熱交換功能與導電功能的水冷式電極群組；用於達到快速冷卻功能的噴灑式同軸線水冷卻組；進出水口在於同一軸線上且設置於電極腔體之下端，入水口將冷卻水噴灑致電極管內後，出水口讓冷卻水在同軸線上流出，達到快速冷卻的效果；與用於連結電源與電極之間的導電棒群組。
- 如請求項1之一種具有冷卻功能的電化學治具，其中治具群組的結構包括：用於防止滲水之金屬工作樣品防水墊圈、上蓋防水墊圈、與下蓋防水墊圈；用於裝置水冷式電極腔體的治具下座、治具上蓋、與治具下蓋、下座第一表面螺牙孔、下座第二表面螺牙孔；用於導電的導電棒螺牙孔、導電片、與工作樣品。
- 如請求項1之一種具有冷卻功能的電化學治具，其中水冷式電極群組結構包括：用於防止滲水之電極蓋防水墊圈；用於填裝噴灑式同軸線冷卻水之電極腔體座與電極蓋；用於進出水之進水管、出水管、進水導管、與出水導管。
- 如請求項1之一種具有冷卻功能的電化學治具，其中導電棒群組結構包 括：用於防止滲水之矽膠塞、絕緣套管、與彎頭管防水墊圈；用於導電之導電棒與導電柱、用於連結導電棒與噴灑式同軸線水冷式電極之間的彎頭管、彎頭管螺牙、彎頭管蓋、與彎頭管銜接軟管。
- 如請求項1之一種具有冷卻功能的電化學治具，其中當樣品進行電解、電解拋光、電鍍、陽極處理、蝕刻、浸鍍、酸洗、與鹼洗等反應時可防止反應液體滲入特定裸露區以外之表面。
- 如請求項1之一種具有冷卻功能的電化學治具，其中當樣品進行電解、電解拋光、電鍍、陽極處理、蝕刻、浸鍍、酸洗、與鹼洗等反應時可保持工作樣品表面的溫度恆定。
- 如請求項1之一種具有冷卻功能的電化學治具，其中治具之材質包含金屬、陶瓷、玻璃、聚合物、或金屬表面經絕緣處理等絕緣材料。
- 如請求項1之一種具有冷卻功能的電化學治具，其中噴灑式同軸線水冷式電極群的進出水口位於電極腔體的同一軸線位置上。
- 如請求項1之一種具有冷卻功能的電化學治具，其設計為一可拆式之組裝結構。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW104111191A TWI554650B (zh) | 2015-04-08 | 2015-04-08 | 一種具有冷卻功能的電化學治具 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| TW104111191A TWI554650B (zh) | 2015-04-08 | 2015-04-08 | 一種具有冷卻功能的電化學治具 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW201636456A TW201636456A (zh) | 2016-10-16 |
| TWI554650B true TWI554650B (zh) | 2016-10-21 |
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ID=57847590
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| TW104111191A TWI554650B (zh) | 2015-04-08 | 2015-04-08 | 一種具有冷卻功能的電化學治具 |
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| TW (1) | TWI554650B (zh) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW200923136A (en) * | 2007-11-16 | 2009-06-01 | Univ Nat Chiao Tung | Electrochemistry mold |
| CN102445478A (zh) * | 2011-09-22 | 2012-05-09 | 中国科学院金属研究所 | 实现高温高压水体系电化学测试的工作电极 |
-
2015
- 2015-04-08 TW TW104111191A patent/TWI554650B/zh not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| TW201636456A (zh) | 2016-10-16 |
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