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給鈦掛件鍍一層彩色外衣手工電子DIY教程

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給鈦掛件鍍一層彩色外衣

鈦除了廣爲人知的質輕強硬耐腐蝕之外,還有一個特別的特性。利用電化學反應可以在鈦上製備出厚度可控的牢固氧化層,通過光的干涉效應不用任何顏料就可以呈現出豐富多彩的顏色。再配合幹膜光刻技術進行圖形轉移,就能在鈦材上氧化出任意的圖案,通過電流和化學的藝術製造出自己獨一無二的飾品

材料和工具A.製版硫酸紙/透明菲林石油醚/無水酒精B.鈦材加工TA2工業純鈦板手工鋸史丹利雙金屬鋸條電鑽硬質合金鑽頭砂紙,銼刀臺鉗C.幹膜光刻感光幹膜顯影劑(碳酸鈉)脫模劑(氫氧化鈉)培養皿毛刷橡膠手套熱風槍/過塑機/電熨斗D.陽極氧化銅片/銅絲棉籤電解液(可樂20ml)實驗電源導線處理圖片

雖然說圖案可以自由發揮,但並不是所有的圖片都能夠直接用於製版曝光。對印刷有了解的人可能知道,絲網印刷時的灰度漸變色需要轉換成黑白二色的網點圖,通過網點疏密呈現顏色變化。幹膜光刻也類似,圖片需要轉換成黑白二色,邊緣清晰,去掉細小線條供打印製版。

首先,網上找來的圖片可能是這個樣子的,顏色多,有漸變,尺寸還很小。

用Photoshop放大去噪修整,然後在CorelDRAW裏描摹成矢量圖。這一步轉換是爲了便於縮放,否則邊緣容易在放大時出現鋸齒。

矢量圖再調整大小,輸出A4大小的高質量圖片,至少300dpi。記得要左右翻轉,因爲實際光刻時有墨粉的打印面要朝下。

打印製版

準備好高清晰度的圖片之後,需要把它們打印到實體上製成光刻版。較高精度下用的是石英版和玻璃版,印刷業中常用透明塑料加塗層製成的菲林版。雖然菲林版不貴(幾毛錢一張),但是它和紙張性質差距略大,有些打印機支持不好。個人來說,有一個更爲通用的選擇:硫酸紙製版。

硫酸紙又稱描圖紙,質地堅硬半透明,雖然製版精度不能和菲林片相比,但是還是比普通的白紙要好得多。更重要的是,幾乎所有打印機都能吃硫酸紙。

在硫酸紙上打印出準備好的圖案,由於紙質半透明,可以從背面看驗證圖形正確。

製版時對圖形的遮光度有很高的要求。一般的打印機打印硫酸紙的時候,“黑色”部分經常是深灰色半透明,對曝光很不利。如果是激光打印機的話,有一個事後對硫酸紙圖形加黑的方法——印刷界的祕方加黑液。

說穿了非常簡單,只要在紙上面塗抹適當的有機溶劑,就可以讓激光打印機的墨粉團溶解分散,在紙上更加均勻的分佈。過去常用的配方是烴類溶劑和酯類溶劑的混合配方,但是通常情況下溶劑汽油,石油醚,無水酒精都可以。在一塊乾淨的平板上倒上溶劑,均勻沾溼硫酸紙的背面,再晾乾就可以了。

鈦材加工

既然要在鈦上作陽極氧化,首先一件事自然是把鈦材加工成所需的形狀。買來的鈦板通常是標準尺寸的,需要自行切割。

TA2鈦板的硬度接近不鏽鋼,不是很容易加工,普通的高碳鋼工具極易磨鈍。事實證明史丹利的雙金屬硬質合金鋸條很好用——雖然手動還是費時。有可能的話建議上電鋸。

切割出方塊之後稍微用最粗的砂紙打磨一下,主要是檢查表面有沒有嚴重的凹凸不平現象。

然後打孔,金剛石磨頭對韌性大的鈦材很無力,於是上了電鑽。鑽孔時溫升很快,可以看到孔的周邊已經受熱氧化成金黃色。

打完孔以後就可以進一步打磨,粗磨出金屬光澤可以呈現拉絲效果,加水細磨可以磨出磨砂表面,用金相砂紙拋光的話還可以呈現鏡面反光,以及把鈦材打磨成其他各種各樣的形狀——這些也都可以用角磨機來做。

左邊一塊鈦牌是銀白磨砂效果,右邊一塊鏡面拋光。這一步做出來的牌子如果不繼續加工,叫做“無飾牌”(寓意平安無事)。

幹膜光刻

感光幹膜中含有丙烯酸共聚物和光聚合單體、光引發劑等成分,未感光時爲淡藍色,可溶於弱鹼。受光照後幹膜中的聚合物聚合,顏色變深質地變硬,僅溶於強鹼。與液態的光刻膠和感光油墨相比,幹膜不含溶劑,操作簡易,厚度均勻,尤其適用於DIY操作。買來的感光幹膜是成卷的淡藍色薄膜,需要避光保存。要用的時候,在暗處取出一段,剪成和光刻圖案大小相仿的小塊。

如果貼過手機膜的筒子們應該對幹膜的結構很熟悉,它也分三層:較軟的聚烯烴上保護層,較硬的多元酯下保護層和中間的淡藍色幹膜感光層。光刻的第一步是揭掉下保護層,然後把幹膜粘貼到鈦牌上。貼膜的要領和貼手機膜一樣,儘量不要有氣泡和灰塵,多的話就返工重貼。貼完以後剪去周邊多餘的幹膜,然後熱壓固定。

幹膜本身和基材的粘貼力不強,需要加熱加壓讓兩者緊密接觸粘貼良好。工業上給PCB板上的幹膜熱壓用的是類似過塑機的機器,家用可以使用熨斗隔溼毛巾加壓,實驗室條件下,還可以用熱風槍加熱,隨吹隨壓。

粘貼好乾膜以後,裁剪適當大小的硫酸紙版,打印面朝下用膠帶固定在幹膜的上保護層上。有條件的話也可以使用兩塊玻璃板把紙版和材料夾緊在一起,效果會更好。

這是另外一塊固定好的樣子。

然後就是找一個光源暴曬。有紫外線曝光機的話當然好,沒有的話可以考慮正午的直射陽光或者離得很近的熒光燈。各種光源適合的曝光時間不同,強烈日光只要幾十秒,熒光燈可能需要十幾分鍾,各自條件不同最好多實驗幾次控制。

幹膜的一個好處是曝光後膜自身會變色,所以可以直觀地判斷曝光進度。去掉紙版之後,遮蓋部分淡藍原色,其他部位深藍色的狀態最好。

曝光完成後儘快撕去幹膜的上保護層進行顯影,避免過度曝光。

顯影液的配方是5%的碳酸鈉溶液,未曝光的幹膜會在弱鹼性溶液中分解成白色懸濁液。顯影時用細毛刷小心刷洗表面,未曝光幹膜全部溶解露出金屬表面時即可取出用清水衝淨。避免顯影過久,這會導致其他部位的幹膜翹起穿孔。

如果之前貼膜的時候有氣泡灰塵沒有去除,顯影的時候就很容易出現膜層損傷。小的損傷可以通過修版修復,用油性記號筆在損傷處輕點,讓油墨在露出的金屬表面形成覆蓋層即可。

陽極氧化

爲了控制氧化反應的範圍,首先要做一個簡單的電解刷。刷子的本體是醫用棉籤,上面纏上了銅箔並用膠帶固定。使用時在棉籤上沾上電解液,電流即可通過銅箔和棉籤中的電解液流向工件。

然後是一張L型的銅片用於放置鈦牌。

實際操作的時候,把鈦牌放在銅片上,背面與銅片接觸。然後銅片接電源正極,電解刷接電源負極,在刷子上沾適量電解液,就可以在作爲陽極的鈦牌上上色。這樣獲得的有色氧化層成分是二氧化鈦,摩氏硬度6~6.5,和鈦本身以及玉石的硬度相仿,非常耐磨損。

圖片中右邊培養皿裏的棕褐色電解液不時冒出氣泡,事實上它來自一瓶百事可樂。鈦的陽極氧化對電解液要求很低,只要自身不分解的導電液體一般都可以。 

在正式氧化之前,最好先找塊材料練習練習。調節電源的電壓和電解刷接觸鈦材的時間,可以控制氧化層的厚度,由於干涉效應呈現不同的顏色。

鈦陽極氧化時最大氧化層厚度和所加電壓成正比,我手頭的電源電壓設定爲25V時,在實驗中可以呈現金黃,棕紅,紫紅,藍紫到深藍的一系列顏色,最後變爲深藍色以後就不再變化。通過更大的電壓還可以在鈦上獲得紅色和綠色系的顏色。

在帶有圖形幹膜的鈦材上用電解刷刷塗,和電解刷接觸的裸露金屬面被氧化,就呈現出了顏色和圖案。左側刷塗得時間較短,呈現棕黃色,右側刷塗次數多,呈現的是深藍色的氧化層。

脫模沖洗

陽極氧化以後需要脫模,固化以後的幹膜雖然不溶於弱鹼但是會在強鹼性溶液中溶解。因此配製一些2%的氫氧化鈉溶液,浸泡一段時間後固化的幹膜就會自行脫落。戴上橡膠手套把鈦牌撈出,沖洗晾乾就完工了。

最後給鈦牌加一條鏈子,就可以隨意掛在希望的地方啦~

參考文獻楊爲正.  淺談硫酸紙加黑劑[J]. 絲網印刷. 2010(01)閆召民,郭天文,餘建軍,潘會波.  電解電壓對鈦陽極氧化色彩的影響[J]. 實用口腔醫學雜誌. 2001(06)戴正宏,王玉林,何寶明.  鈦陽極氧化膜的着色研究[J]. 材料保護. 2004(03)秦健,劉澤文,鍾豔,王太宏.  丙烯酸酯幹膜光刻膠曝光特性及其應用[J]. 微納電子技術. 2011(07)朱昊樞,胡進,朱新生.  用於微電子機械系統的幹膜光刻工藝研究[J]. 蘇州大學學報. 2011(04)