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给钛挂件镀一层彩色外衣

钛除了广为人知的质轻强硬耐腐蚀之外,还有一个特别的特性。利用电化学反应可以在钛上制备出厚度可控的牢固氧化层,通过光的干涉效应不用任何颜料就可以呈现出丰富多彩的颜色。再配合干膜光刻技术进行图形转移,就能在钛材上氧化出任意的图案,通过电流和化学的艺术制造出自己独一无二的饰品。

材料和工具

A.制版

  • 硫酸纸/透明菲林
  • 石油醚/无水酒精

B.钛材加工

  • TA2工业纯钛板
  • 手工锯
  • 史丹利双金属锯条
  • 电钻
  • 硬质合金钻头
  • 砂纸,锉刀
  • 台钳

C.干膜光刻

  • 感光干膜
  • 显影剂(碳酸钠)
  • 脱模剂(氢氧化钠)
  • 培养皿
  • 毛刷
  • 橡胶手套
  • 热风枪/过塑机/电熨斗

D.阳极氧化

  • 铜片/铜丝
  • 棉签
  • 电解液(可乐20ml)
  • 实验电源
  • 导线

处理图片

虽然说图案可以自由发挥,但并不是所有的图片都能够直接用于制版曝光。对印刷有了解的人可能知道,丝网印刷时的灰度渐变色需要转换成黑白二色的网点图,通过网点疏密呈现颜色变化。干膜光刻也类似,图片需要转换成黑白二色,边缘清晰,去掉细小线条供打印制版。

首先,网上找来的图片可能是这个样子的,颜色多,有渐变,尺寸还很小。

用Photoshop放大去噪修整,然后在CorelDRAW里描摹成矢量图。这一步转换是为了便于缩放,否则边缘容易在放大时出现锯齿。

矢量图再调整大小,输出A4大小的高质量图片,至少300dpi。记得要左右翻转,因为实际光刻时有墨粉的打印面要朝下。

打印制版

准备好高清晰度的图片之后,需要把它们打印到实体上制成光刻版。较高精度下用的是石英版和玻璃版,印刷业中常用透明塑料加涂层制成的菲林版。虽然菲林版不贵(几毛钱一张),但是它和纸张性质差距略大,有些打印机支持不好。个人来说,有一个更为通用的选择:硫酸纸制版。

硫酸纸又称描图纸,质地坚硬半透明,虽然制版精度不能和菲林片相比,但是还是比普通的白纸要好得多。更重要的是,几乎所有打印机都能吃硫酸纸。

在硫酸纸上打印出准备好的图案,由于纸质半透明,可以从背面看验证图形正确。

制版时对图形的遮光度有很高的要求。一般的打印机打印硫酸纸的时候,“黑色”部分经常是深灰色半透明,对曝光很不利。如果是激光打印机的话,有一个事后对硫酸纸图形加黑的方法——印刷界的秘方加黑液。

说穿了非常简单,只要在纸上面涂抹适当的有机溶剂,就可以让激光打印机的墨粉团溶解分散,在纸上更加均匀的分布。过去常用的配方是烃类溶剂和酯类溶剂的混合配方,但是通常情况下溶剂汽油,石油醚,无水酒精都可以。在一块干净的平板上倒上溶剂,均匀沾湿硫酸纸的背面,再晾干就可以了。

钛材加工

既然要在钛上作阳极氧化,首先一件事自然是把钛材加工成所需的形状。买来的钛板通常是标准尺寸的,需要自行切割。

TA2钛板的硬度接近不锈钢,不是很容易加工,普通的高碳钢工具极易磨钝。事实证明史丹利的双金属硬质合金锯条很好用——虽然手动还是费时。有可能的话建议上电锯。

切割出方块之后稍微用最粗的砂纸打磨一下,主要是检查表面有没有严重的凹凸不平现象。

然后打孔,金刚石磨头对韧性大的钛材很无力,于是上了电钻。钻孔时温升很快,可以看到孔的周边已经受热氧化成金黄色。

打完孔以后就可以进一步打磨,粗磨出金属光泽可以呈现拉丝效果,加水细磨可以磨出磨砂表面,用金相砂纸抛光的话还可以呈现镜面反光,以及把钛材打磨成其他各种各样的形状——这些也都可以用角磨机来做。

左边一块钛牌是银白磨砂效果,右边一块镜面抛光。这一步做出来的牌子如果不继续加工,叫做“无饰牌”(寓意平安无事)。

干膜光刻

感光干膜中含有丙烯酸共聚物和光聚合单体、光引发剂等成分,未感光时为淡蓝色,可溶于弱碱。受光照后干膜中的聚合物聚合,颜色变深质地变硬,仅溶于强碱。与液态的光刻胶和感光油墨相比,干膜不含溶剂,操作简易,厚度均匀,尤其适用于DIY操作。买来的感光干膜是成卷的淡蓝色薄膜,需要避光保存。要用的时候,在暗处取出一段,剪成和光刻图案大小相仿的小块。

如果贴过手机膜的筒子们应该对干膜的结构很熟悉,它也分三层:较软的聚烯烃上保护层,较硬的多元酯下保护层和中间的淡蓝色干膜感光层。光刻的第一步是揭掉下保护层,然后把干膜粘贴到钛牌上。贴膜的要领和贴手机膜一样,尽量不要有气泡和灰尘,多的话就返工重贴。贴完以后剪去周边多余的干膜,然后热压固定。

干膜本身和基材的粘贴力不强,需要加热加压让两者紧密接触粘贴良好。工业上给PCB板上的干膜热压用的是类似过塑机的机器,家用可以使用熨斗隔湿毛巾加压,实验室条件下,还可以用热风枪加热,随吹随压。

粘贴好干膜以后,裁剪适当大小的硫酸纸版,打印面朝下用胶带固定在干膜的上保护层上。有条件的话也可以使用两块玻璃板把纸版和材料夹紧在一起,效果会更好。

这是另外一块固定好的样子。

然后就是找一个光源暴晒。有紫外线曝光机的话当然好,没有的话可以考虑正午的直射阳光或者离得很近的荧光灯。各种光源适合的曝光时间不同,强烈日光只要几十秒,荧光灯可能需要十几分钟,各自条件不同最好多实验几次控制。

干膜的一个好处是曝光后膜自身会变色,所以可以直观地判断曝光进度。去掉纸版之后,遮盖部分淡蓝原色,其他部位深蓝色的状态最好。

曝光完成后尽快撕去干膜的上保护层进行显影,避免过度曝光。

显影液的配方是5%的碳酸钠溶液,未曝光的干膜会在弱碱性溶液中分解成白色悬浊液。显影时用细毛刷小心刷洗表面,未曝光干膜全部溶解露出金属表面时即可取出用清水冲净。避免显影过久,这会导致其他部位的干膜翘起穿孔。

如果之前贴膜的时候有气泡灰尘没有去除,显影的时候就很容易出现膜层损伤。小的损伤可以通过修版修复,用油性记号笔在损伤处轻点,让油墨在露出的金属表面形成覆盖层即可。

阳极氧化

为了控制氧化反应的范围,首先要做一个简单的电解刷。刷子的本体是医用棉签,上面缠上了铜箔并用胶带固定。使用时在棉签上沾上电解液,电流即可通过铜箔和棉签中的电解液流向工件。

然后是一张L型的铜片用于放置钛牌。

实际操作的时候,把钛牌放在铜片上,背面与铜片接触。然后铜片接电源正极,电解刷接电源负极,在刷子上沾适量电解液,就可以在作为阳极的钛牌上上色。这样获得的有色氧化层成分是二氧化钛,摩氏硬度6~6.5,和钛本身以及玉石的硬度相仿,非常耐磨损。

图片中右边培养皿里的棕褐色电解液不时冒出气泡,事实上它来自一瓶百事可乐。钛的阳极氧化对电解液要求很低,只要自身不分解的导电液体一般都可以。 

在正式氧化之前,最好先找块材料练习练习。调节电源的电压和电解刷接触钛材的时间,可以控制氧化层的厚度,由于干涉效应呈现不同的颜色。

钛阳极氧化时最大氧化层厚度和所加电压成正比,我手头的电源电压设定为25V时,在实验中可以呈现金黄,棕红,紫红,蓝紫到深蓝的一系列颜色,最后变为深蓝色以后就不再变化。通过更大的电压还可以在钛上获得红色和绿色系的颜色。

在带有图形干膜的钛材上用电解刷刷涂,和电解刷接触的裸露金属面被氧化,就呈现出了颜色和图案。左侧刷涂得时间较短,呈现棕黄色,右侧刷涂次数多,呈现的是深蓝色的氧化层。

脱模冲洗

阳极氧化以后需要脱模,固化以后的干膜虽然不溶于弱碱但是会在强碱性溶液中溶解。因此配制一些2%的氢氧化钠溶液,浸泡一段时间后固化的干膜就会自行脱落。戴上橡胶手套把钛牌捞出,冲洗晾干就完工了。

最后给钛牌加一条链子,就可以随意挂在希望的地方啦~

参考文献

  1. 杨为正.  浅谈硫酸纸加黑剂[J]. 丝网印刷. 2010(01)
  2. 闫召民,郭天文,余建军,潘会波.  电解电压对钛阳极氧化色彩的影响[J]. 实用口腔医学杂志. 2001(06)
  3. 戴正宏,王玉林,何宝明.  钛阳极氧化膜的着色研究[J]. 材料保护. 2004(03)
  4. 秦健,刘泽文,钟艳,王太宏.  丙烯酸酯干膜光刻胶曝光特性及其应用[J]. 微纳电子技术. 2011(07)
  5. 朱昊枢,胡进,朱新生.  用于微电子机械系统的干膜光刻工艺研究[J]. 苏州大学学报. 2011(04)
The End

发布于2013-05-16, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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叶子疏

微电子专业硕士研究生,DIY爱好者

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