外加能场辅助无掩模定域性电沉积三维金属微结构的研究进展

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.10.026

摘要/Abstract

摘要：

在无掩模定域性电沉积（LECD）过程中引入激光、射流、超声波、磁场等能场，可以克服传统单一电沉积电场加工技术的局限性，满足某些特定性能需求。介绍了激光、流场、超声场、磁场等能场辅助无掩模LECD技术的作用原理、特点、代表性研究成果及其研究进展。业内学者的研究结果表明，在无掩模LECD金属三维微结构过程中，通过严格控制外加能场的强度、作用方向和时间等，合理利用外加能场与电沉积电场协同耦合产生的复合效应，可以减小电沉积缺陷，获得较高的电沉积效率、较好的表面质量、细晶化微（纳）米组织结构、较好的物理机械性能。深入开展外加能场协同下的金属微结构无掩模LECD技术研究，可精益性解决无掩模LECD-增材制造效率、精度、尺度之间的矛盾，拓展无掩模LECD技术的工艺极限。

关键词: 外加能场协同, 三维金属微结构, 无掩模, 定域性电沉积

Abstract:

Introducing energy fields such as laser， jet flow， ultrasonic waves， and magnetic fields into the maskless LECD process can overcome the limitations of traditional electrodeposition and meet certain specific performance requirements. The working principles， characteristics， representative research achievements， and research progress of maskless LECD technique assisted by external energy fields， including laser， flow field， ultrasonic field， and magnetic field were introduced herein. Research results from scholars in the field indicate that in the process of maskless LECD for fabricating 3D metal microstructures， it is possible to reduce electrochemical deposition defects and achieve higher electrochemical deposition efficiency， better surface quality， refined micro/nano-scale grain structures， and improved physical and mechanical properties by strictly controlling the intensity， direction， and duration of the applied energy fields， and rationally utilizing the composite effects generated by the synergistic coupling of external energy fields and the electrochemical deposition electric field. Conducting in-depth research on maskless LECD technology for preparing metal microstructures under the synergy of external energy fields may resolve the conflicts between efficiency， precision， and scale in maskless LECD-additive manufacturing in a refined manner and expand the process limits of maskless LECD technique.

Key words: external energy fields assisted, 3D metal microstructures, maskless, localized electrochemical deposition（LECD）

中图分类号:

TQ153

吴蒙华, 黄志维, 贾卫平. 外加能场辅助无掩模定域性电沉积三维金属微结构的研究进展[J]. 中国机械工程, 2026, 37(10): 2631-2643.

WU Menghua, HUANG Zhiwei, JIA Weiping. Research Progress in Maskless Localized Electrochemical Deposition Technology of 3D Metal Microstructures Assisted by External Energy Fields[J]. China Mechanical Engineering, 2026, 37(10): 2631-2643.

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图/表 21

图1 LECD与FsLA-LECD技术的原理［8］

Fig.1 The principles of LECD & FsLA-LECD technology［8］

图2 制备的复杂铜微观几何特征［8］

Fig.2 Manufacturing of complex copper micro-geometrical features［8］

图3 制备的字母“CMN”、星形、卡通羊和圆环图案铜质涂层［18］

Fig.3 Deposited copper patterns of “CMN”，star，cartoon sheep， and circular ring coatings［18］

图4 制备的浮雕结构（SEM和EDS）［19］

Fig.4 Images of the prepared relief structures （SEM & EDS）［19］

图5 制备的典型Au涂层表面图案［21］

Fig.5 Preparation of typical surface patterns［21］

图6 激光单脉冲能量为93 μJ时制备的图案［22］

Fig.6 Patterns were prepared at a laser single pulse energy of 93 μJ［22］

图7 采用优化Jet-ECD工艺参数制备的微图案［24］

Fig.7 The micro patterns deposited with optimized parameters of Jet-ECD processes［24］

图8 制备的微Ni柱（SEM）［26］

Fig.8 SEM images of nickel column deposited［26］

图9 制备的悬挂结构与螺旋结构［28］

Fig.9 The automatically fabricated overhangs and helical structure［28］

图10 混合流场示意图

Fig.10 Schematics diagram of mixed flow field

图11 制备的亚毫米级铜阵列结构［29］

Fig.11 The prepared submillimeter-scale copper array structure［29］

图12 采用直径为240 µm喷嘴制备的螺旋微结构（SEM）［30］

Fig.12 SEM image of spiral microstructure formed with a nozzle diameter of 240 µm［30］

图13 压缩气膜包裹射流流场辅助LECD示意图［31］

Fig.13 Schematic diagram of the compressed air-film encircling Jet-LECD［31］

图14 制备的高精度微镍柱［31］

Fig.14 High precision nickel micro-columns prepared［31］

图15 有/无功率超声作用下制备的微镍柱表面微观形貌［39］

Fig.15 Surface micromorphology of micro-nickel columns prepared under/without action of power ultrasonic［39］

图16 超声辅助LECD制备的Fe-Ni三维掩模表面形貌［40］

Fig.16 Surface topography of Fe-Ni 3D mask prepared by ultrasonic-LECD［40］

图17 磁场作用下LECD实验装置［47］

Fig.17 MLED experimental setup under the action of magnetic field［47］

图18 顺向磁场作用下LECD微镍柱的表面微观形貌（SEM）［47］

Fig.18 SEM image of MLED micro-nickel column under the action of cis magnetic field［47］

图19 0.86 T垂直磁场作用下制备的Ni微结构［48］

Fig.19 Ni microstructures prepared under a perpendicular magnetic field of 0.86T［48］

图20 平行磁场中电沉积诱导的MHD效应［50］

Fig.20 MHD effect induced by electrodeposition in parallel magnetic field［50］

表1 不同能场辅助无掩模LECD作用效果的对比

Tab.1 Comparison of the effects of different energy field-assisted maskless LECD

	所制备微结构的特征尺寸	精度（表面粗糙度）	沉积速率（度）	微观组织	结构特征	主要优缺点
激光辅助无掩模LECD 技术	Cu质微米尺度三维微结构最大深宽比8∶1，Cu质微米尺度涂层、图案，Cu质微米尺度阵列，Ni质微米尺度线条、沉积层，Au质微米尺度线条，Ag质微米尺度涂层，Au质微米尺度螺旋弹簧。	nm级、μm级，线宽变化量7~30 μm。	15.47~6610 μm³/s、0.167 mg/min	微米晶、纳米（孪）晶	简单、复杂三维微结构，准三维图案、涂层，微阵列	优点：可提高屈服强度、沉积效率、硬度、弹性模量、阴极电流，微结构表面平整、耐腐蚀性强、成形精度高，具有大规模增材制造的优势。缺点：工艺过程复杂。
流场辅助无掩模LECD 技术	Cu质微米尺度线条与字母，Ni质微米尺度圆柱最大深宽比22∶1，Cu质微米尺度圆柱最大深宽比8∶1，Ni质毫米尺度双弧圆柱最大长径比110∶1，Ni质毫微米尺度U形悬臂、30°~60°悬挑，Cu质微米尺度，Ni质微米尺度螺旋结构，深宽比>3的亚毫米、纳米Cu柱阵列。	线宽变化量≈30 μm，尺寸误差≤7 μm，Ra=0.18~7.3 μm、面粗糙度Sa=0.2~0.38 µm，微柱直径变化量±3~±12 μm，精度≤±8 µm。	5600 μm³/s、 16 μg/s、16.6~126 µm/min	Ni微米晶、Cu纳米晶和微米晶	准三维结构，简单三维微结构，复杂三维精密微结构	优点：定域性电沉积定位精度和沉积速率高，微结构表面光滑、结构致密、孔隙率小、弹性模量大、具有较高的显微硬度和深宽比，可有效减少扩散层平均厚度。缺点：微结构垂直度差、成形精度不高、工艺过程复杂。
超声辅助无掩模LECD	Ni质微米尺度圆柱最大深宽比8∶1，GO/Cu复合箔厚100 μm，Ni-Co-Fe合金涂层面积50 mm×30 mm、厚60 μm，Gr/Ni-Co复合涂层面积20 mm×20 mm、厚45 μm。	GO/Cu箔Ra=36 nm。	15 340 μm³/s、1.0~2.5 µm/min	纳米晶、微米晶	简单三维微结构，准三维结构	优点：沉积速率高，微结构具有较高的导热系数和显微硬度、较低的摩擦因数和较小的磨损量与腐蚀速率。缺点：微结构垂直度差、表面粗糙。
磁场辅助无掩模LECD	Ni质微米尺度圆柱最大深宽比10∶1，Ni质微米尺度微结构深宽比≥7，毫米尺度的Fe、Cu锥形结构，微米尺度的Ni-SiC复合层、NiCoP合金薄膜，微纳尺度粗糙分级结构的Ni沉积层。	成形精度达μm级，Ra=84 nm、面粗糙度Sa=2.94 μm。	13 800 μm³/s、 0.67 µm/min	纳米晶、微米晶	简单三维微结构，准三维结构	优点：沉积速率高，微结构具有较高显微硬度和饱和磁化强度、较低的摩擦因数和较小的磨损率与腐蚀电流。缺点：微结构表面粗糙、影响因素多。

表1 不同能场辅助无掩模LECD作用效果的对比

Tab.1 Comparison of the effects of different energy field-assisted maskless LECD

	所制备微结构的特征尺寸	精度（表面粗糙度）	沉积速率（度）	微观组织	结构特征	主要优缺点
激光辅助无掩模LECD 技术	Cu质微米尺度三维微结构最大深宽比8∶1，Cu质微米尺度涂层、图案，Cu质微米尺度阵列，Ni质微米尺度线条、沉积层，Au质微米尺度线条，Ag质微米尺度涂层，Au质微米尺度螺旋弹簧。	nm级、μm级，线宽变化量7~30 μm。	15.47~6610 μm³/s、0.167 mg/min	微米晶、纳米（孪）晶	简单、复杂三维微结构，准三维图案、涂层，微阵列	优点：可提高屈服强度、沉积效率、硬度、弹性模量、阴极电流，微结构表面平整、耐腐蚀性强、成形精度高，具有大规模增材制造的优势。缺点：工艺过程复杂。
流场辅助无掩模LECD 技术	Cu质微米尺度线条与字母，Ni质微米尺度圆柱最大深宽比22∶1，Cu质微米尺度圆柱最大深宽比8∶1，Ni质毫米尺度双弧圆柱最大长径比110∶1，Ni质毫微米尺度U形悬臂、30°~60°悬挑，Cu质微米尺度，Ni质微米尺度螺旋结构，深宽比>3的亚毫米、纳米Cu柱阵列。	线宽变化量≈30 μm，尺寸误差≤7 μm，Ra=0.18~7.3 μm、面粗糙度Sa=0.2~0.38 µm，微柱直径变化量±3~±12 μm，精度≤±8 µm。	5600 μm³/s、 16 μg/s、16.6~126 µm/min	Ni微米晶、Cu纳米晶和微米晶	准三维结构，简单三维微结构，复杂三维精密微结构	优点：定域性电沉积定位精度和沉积速率高，微结构表面光滑、结构致密、孔隙率小、弹性模量大、具有较高的显微硬度和深宽比，可有效减少扩散层平均厚度。缺点：微结构垂直度差、成形精度不高、工艺过程复杂。
超声辅助无掩模LECD	Ni质微米尺度圆柱最大深宽比8∶1，GO/Cu复合箔厚100 μm，Ni-Co-Fe合金涂层面积50 mm×30 mm、厚60 μm，Gr/Ni-Co复合涂层面积20 mm×20 mm、厚45 μm。	GO/Cu箔Ra=36 nm。	15 340 μm³/s、1.0~2.5 µm/min	纳米晶、微米晶	简单三维微结构，准三维结构	优点：沉积速率高，微结构具有较高的导热系数和显微硬度、较低的摩擦因数和较小的磨损量与腐蚀速率。缺点：微结构垂直度差、表面粗糙。
磁场辅助无掩模LECD	Ni质微米尺度圆柱最大深宽比10∶1，Ni质微米尺度微结构深宽比≥7，毫米尺度的Fe、Cu锥形结构，微米尺度的Ni-SiC复合层、NiCoP合金薄膜，微纳尺度粗糙分级结构的Ni沉积层。	成形精度达μm级，Ra=84 nm、面粗糙度Sa=2.94 μm。	13 800 μm³/s、 0.67 µm/min	纳米晶、微米晶	简单三维微结构，准三维结构	优点：沉积速率高，微结构具有较高显微硬度和饱和磁化强度、较低的摩擦因数和较小的磨损率与腐蚀电流。缺点：微结构表面粗糙、影响因素多。

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