航天制造中的电铸技术：毫米波/太赫兹器件

航天制造汇聚了当前国内外制造技术的最新研究成果，是高精尖先进制造技术的代表。重大工程的不断实施，可以大力提升中国航天装备水平，但也对航天制造技术提出了更高的要求。

电铸技术是基于电化学沉积原理的一种特种加工方法，通过电铸液中金属离子在阴极表面的还原及电结晶来制取金属零件。在电铸过程中，金属离子在预成形的作为阴极的芯模或基体表面不断还原沉积，逐渐生长成一定厚度的金属材料，从芯模脱模或者与基体连接成薄壁复杂结构零件。由于电铸的最小制造单位是离子，具有很高的制造精度，且其材料性能可控，特别适用于传统方法难以加工或加工成本过高的金属零件精密成形。由于具有独特的加工原理和优势特点，电铸技术已成为国内外航天制造领域不可或缺的先进制造技术。

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通常将频率处于30~300 GHz的电磁波称为毫米波，将频率处于300 GHz至10 THz的波称为太赫兹波。毫米波与太赫兹波技术在空间、航天等领域中具有独特而显著的应用。毫米波技术不仅应用于精确制导和导航，而且毫米波雷达得益于其较高的分辨率，可作为地基监测系统的补充，用于监测厘米级乃至毫米级的微小空间碎片。由于当前隐身飞行器的隐身效果主要针对厘米波，毫米波还具有优异的反隐身性能。

太赫兹技术在21世纪得到了飞速发展，在军事领域天基监视雷达搭载的太赫兹设备穿透性强，可用于对地面的高分辨率成像；在天文领域，太赫兹波在宇宙空间中传输损耗较低，基于太赫兹技术的天文望远镜具有更低的噪声背景，能接受到更丰富的信息。

随着人类对电磁波的应用从毫米波、亚毫米波拓展到太赫兹波，各类发射机和接收机的关键器件尺寸也逐渐减小到微米级，这对各类关键器件的加工带来了极大挑战，也成为制约毫米波和太赫兹波应用的一个重要因素。电铸技术以离子为最小加工单元，在微细结构的加工成形方面具有独特的优势，已被用于馈源喇叭、波导等关键器件的制造。

早在1999年，英国卢瑟福实验室的D. S. Wilsher等在精密车削制作的芯模上先电沉积金、再电铸铜，得到了工作频率高达2.5 THz的波纹喇叭。日本国家天文台的Alvaro Gonzalez等采用类似的工艺，即先通过精密加工得到电铸铝芯模，随后得到电铸厚层镍，最后溶解铝芯模得到波纹喇叭，并用该工艺为阿卡塔玛阵列望远镜项目（ALMA）制作了频率达到1.25~1.57 THz的波纹喇叭（图1）。

图1   ALMA项目使用的太赫兹波纹喇叭

除了用于制作馈源波纹喇叭，电铸技术还被用于波导的制作。南京电子技术研究所的佘小敏等使用电铸工艺在机加的铝芯模上电铸了毫米波缝隙天线，又使用多次组合电铸技术加工得到了毫米波波导行馈组件。南京理工大学的李智等基于焦磷酸盐电铸铜溶液制作了矩形波导。

为了克服直接电铸成形存在的电铸速度慢、生产效率低、超重等问题，研究人员将3D打印技术与电铸技术相复合来制备雷达器件。美国杜克大学的Ruoyu Zhu等于2015年使用高精度3D打印机打印出K波段塑料波导原型件，随后在该原型表面电镀铜作为导电层，又由于电镀层较薄继续在该电镀层表面电铸厚层铜，其近场扫描测试结果显示原型件各项性能均达指标。该原型件的制作流程见图2。

图2   K波段波导原型制作流程

FDM的工作原理导致其打印精度较低，而且通常只能用于打印较大尺寸的工件。双光子直写技术利用激光诱导光敏材料固化，同时结合纳米级移动平台，可成形微纳尺寸元件且加工精度较高，因而更适合应用于毫米/亚毫米波雷达器件的生产。比利时鲁汶大学的Alexander Standaert等基于双光子直写技术首先打印出馈源喇叭基体，然后使用蒸镀技术使表面导电化，最后表面铸铜作为导电层和防护层。由图3可看出，该馈源喇叭尺寸达到毫米级，壁厚为亚毫米级，成形质量较好。

图3   馈源喇叭基体截面及实物

LIGA和UV-LIGA作为制造微米尺度金属结构和零件的典型电铸技术，被用于高频段雷达器件的制造。韩国的G. S. Park等使用基于X射线的双层LIGA技术制作了W波段折叠波导振荡器（图4），其尺寸精度符合要求，测试频率达到100 GHz。

图4   W波折叠波导振荡器

挪威的Laxma Reddy Billa等利用UV-LIGA技术制作了太赫兹矩形慢波行波管，如图5所示，将行波管底部和顶部电铸结构组合即可得到完整的矩形慢波行波管。

图5   矩形慢波行波管结构示意