国际期刊《Journal of Materials Processing Tech.》在线发表了南京工业大学机械与动力工程学院题为“Controllable vertical and radial corrosion by step flow fields for fabricating large aspect ratio micro-cone arrays in through-mask electrochemical micromachining”的研究论文。针对掩膜电化学微细加工中高深宽比微锥阵列制备时径向过腐蚀、垂直腐蚀速率下降的问题，采用阶跃流场调控垂直与径向腐蚀速率的方法，构建多物理场耦合仿真与实验验证体系。基于流场–电场–产物分布协同作用机制，开展仿真分析、电化学测试与形貌表征，揭示低速流场涡旋诱导产物成膜抑制径向腐蚀的核心机理。实验结果表明制备出高度256.2μm、尖端直径20.3μm、高宽比12.6的微锥阵列，实现高深宽比与高精度形貌的协同优化。
《Journal of Materials Processing Tech.》是Elsevier出版社旗下期刊，是材料加工工程领域国际权威期刊，聚焦材料加工工艺、机理与装备研究，兼具学术深度与工程应用价值。
航天器小型化推动微纳卫星推进技术快速发展，离子液体电喷雾推力器因高效、微型、低功耗成为核心方案，其核心部件微锥发射阵列的高度与尖端直径直接决定推力性能。掩膜电化学微细加工是大面积金属微锥阵列的主流制备技术，但加工深度增加时，易出现径向过腐蚀、垂直腐蚀速率衰减，难以实现高深宽比结构加工。流场与产物分布是影响腐蚀各向异性的关键因素，现有方法多聚焦产物去除，未实现产物分布的主动调控。本文提出阶跃流场调控策略，利用低速涡旋诱导侧壁产物成膜抑制径向腐蚀、高速流场提升精度与表面质量，通过流场动态切换控制垂直 / 径向腐蚀速率，成功制备高性能微锥阵列，为电喷雾推力器核心部件制造提供新路径。
- 创新利用低速流场掩膜下涡旋，使气固产物聚集形成膜，精准降低径向腐蚀速率。
- 构建阶跃流场加工模式，耦合高低速流场优势，兼顾加工深度与形貌精度。
- 建立多物理场仿真模型，量化流场–产物–电流密度关联，确定最优流场切换时机。
研究围绕高深宽比微锥制备、垂直/径向腐蚀速率调控、产物定向分布、流场动态控制四大核心问题展开，采用多物理场耦合、蚀刻模型构建、仿真分析与实验验证的研究思路，结合粒子追踪模型、液相/气相/固相产物分析、电场模拟探究微观机理，通过激光共聚焦显微镜、扫描电镜、能谱分析、电化学测试进行表征，最终实现电流密度、传质、腐蚀速率动态控制、产物分布调控，输出微锥高度、直径、高宽比等关键指标。
图1：研究路线图
采用低速流场，利用涡旋使氯气、氢气气泡与固相电解产物聚集，在加工侧壁形成产物膜，限制反应离子传输，降低径向腐蚀速率，优先实现垂直方向加工；第二阶段切换为高速流场，强力冲刷去除表面产物膜，及时更新反应离子，提升径向腐蚀速率与尖端轮廓精度，改善表面质量。通过高低速流场交替切换，实现垂直与径向腐蚀速率的精准调控，最终获得高一致性、大高度、小尖端直径的微锥阵列。
图2：阶跃流场电化学加工原理图
低速流场产生的涡旋将气、固产物牵引至加工侧壁，堆积形成连续产物膜，该膜显著降低侧壁区域电导率与电流密度，有效限制径向腐蚀，使未被掩膜保护的区域优先发生垂直方向腐蚀。通过主动利用涡旋与产物膜，实现腐蚀方向的定向调控，解决传统加工中径向过腐蚀的难题。
图5：低速流场作用原理示意图
作者展示了不同流场下气相体积分数随时间与微锥高度的变化图。结果显示，低速流场底部气相体积分数增长速率远高于高速流场，侧壁区域低速流场气相分数显著更高；加工高度50–100μm时，低速流场径向区域气相分数达0.32–0.35，远高于高速流场，垂直区域差异较小；高度达200μm 时，低速流场底部出现死水区域，气相大量滞留。
图6：不同流场下气相体积分数随时间与微锥高度的变化图
文章对比1m/s与4m/s流速、加工时间1T与10T的颗粒状态。加工时间1T时，高速流场下固相颗粒快速被卷起并脱离加工表面，低速流场下颗粒仅小范围向侧壁移动且无法排出；加工时间10T时，高速流场下颗粒完全被清除，低速流场下颗粒在涡旋作用下持续聚集于掩膜下方。固相颗粒的分布差异直接影响产物膜形成，低速流场促进侧壁成膜，高速流场实现产物高效去除。
图7：不同流场下固相颗粒分布对比图
不同流场下电流密度随时间与微锥高度的变化图表明，底部区域电流密度随流速变化不明显，侧壁区域电流密度随流速升高而增大；加工高度超200μm时，低速流场底部趋近静水状态，电流密度趋于恒定，径向平均电流密度高于高速流场。电流密度分布直接对应腐蚀速率，低速流场降低侧壁电流密度以抑制径向腐蚀，高速流场提升侧壁电流密度以优化轮廓。
图8：不同流场下电流密度随时间与微锥高度的变化图
随流速从1m/s升至4m/s，微锥平均高度从194.8μm增至217.2μm，平均尖端直径从132.0μm降至49.4μm，高度与直径的标准偏差均显著减小，一致性提升；蚀刻因子EF随流速升高而降低，表明低速流场更利于提升腐蚀各向异性。
图10：不同流速加工结果对比图
依次展示1m/s、2m/s、3m/s、4m/s流速的加工形貌。流速越低，微锥高度越小、尖端直径越大、轮廓一致性越差；流速越高，微锥高度越大、尖端直径越小、阵列均匀性越好。直观呈现流速对微锥宏观形貌的影响规律，验证流场流速对微锥尺寸与形貌的调控作用，为阶跃流场参数选择提供直观形貌依据。
图11：不同流速下微锥阵列激光共聚焦显微镜图
低速流场平均气相体积分数为28.5%，高速流场为16.3%，前者是后者的 1.75 倍；低速流场气泡尺寸不均，存在大量120–200μm大气泡，为产物聚集合并所致；高速流场气泡尺寸均匀，为20–30μm，产物可及时排出无合并。实验结果与仿真数据高度一致，直接验证低速流场利于气相产物聚集、高速流场利于产物排出的结论。
图12：不同流速下气相产物对比图
随流速升高，样品阻抗半径逐渐减小，产物膜等效电容降低、膜电阻减小，表明低速流场下产物膜附着更严重、保护能力更强，径向产物膜电阻远高于垂直方向，加工呈各向异性；高速流场下径向与垂直电阻接近，加工呈各向同性。
图14：产物膜阻抗测试结果图
作者展示了阶跃流场制备的微锥阵列表征图，包含扫描电镜与激光共聚焦显微镜图。采用63.5s切换高低速流场的阶跃模式加工，最终获得平均高度256.2μm、平均尖端直径 0.3μm、平均高宽比12.6的微锥阵列，形貌均匀、轮廓精准、尖端细小。该图展示本研究最优加工成果，证实阶跃流场策略可有效实现高深宽比、高精度微锥阵列的制备，达到离子液体电喷雾推力器核心部件的性能要求。
图16：阶跃流场制备的微锥阵列表征图
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