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作者：异色瞳的猫 之前咱们的学园里面给大家简单的聊过蚀刻片的制作方式，但是iN总是觉得很多基础的操作大家都是直接就理解的。可以说是iN的疏忽之处吧。 没想到3年后，咱们的粉丝小妹妹在“2023年广州市中学生'我与化学’活动”中在孔韵娜老师的指导下完成了这一过程。而且她的实验报告写得更详尽，有很多部分可以帮助大家在制作蚀刻片的过程中避坑，相当有借鉴意义 。 如果大家仔细研读的话，是真的可以实现“蚀刻片自由的”。 所以今天学园的教授就请异色瞳的猫来担当。同时也感谢孔老师的指导以及三位同学的付出。 报告原文如下： 铜的艺术——化学蚀刻 组员：曾思语 郑晓瑜 杨芷铭 辅导老师：孔韵娜 学校名称：黄埔区会元学校 前言 我们通过小组合作进行化学蚀刻实验，不断思考，重试，改进实验并蚀刻出成品。本实验我们使用了2种蚀刻方式（FeCl3溶液和蚀刻剂），都成功蚀刻出作品。 FeCl3溶液蚀刻是较早使用的一种用于铜及合金腐蚀的加工方法，这种方法，原料容易获得，价格便宜，配制简单，易于操作，因此这一方法曾被广泛采用，但由于速率、难以回收等问题，现在逐渐被蚀刻剂所取代。 一、研究目的 1.通过进行蚀刻实践，以化学方式“画”出具有艺术的图案，提高对化学学习的积极性主动性。 2.我们热衷于制作模型。在做模型的时候，对细节的追求往往是没有止境的，所以我逐步学会刻线等一系列技巧。但是对于“塑料”这种材质本身来说，有着自己的局限性。例如在模型散热器处复杂的散热鳍片形卡栅，对于塑料来说是极难打磨到薄而细致的效果。所以在模型上要实现这种效果一般就需要使用金属蚀刻片。在本次实验中选择尝试制作个性化铜片，这也使我兴趣使然。 二、研究过程 研究背景（实验原理）：经查阅资料（高中化学书），得知电子工业中常用覆铜板(以绝缘板为基材，一面或两面覆以铜箔，经热压而成的一种板状材料)为基础材料制作印刷电路板，印刷电路板广泛用于电视机、计算机、手机等电子产品中。用覆铜板制作印刷电路板的原理是，利用FeCl3溶液作为“腐蚀波”将覆铜板上不需要的铜腐蚀。即把预先设计好的电路在覆铜板上用蜡或不透水的物料覆盖，以保护不被腐蚀；然后，把覆铜板放到FeCl3溶液中。根据工业上制作印刷电路板的原理，我们可以利用覆铜板制作所需要的图案。在这里，考虑到覆铜板在生活中难以制备，我们选用可以更好进行个性化设计的显影晒板铜片，利用晒板定影把具有个性化图案的胶膜覆盖在铜片上，以保护不被腐蚀。 在腐蚀剂方面，FeCl3溶液对铜的蚀刻是一个氧化还原过程，反应方程式为2FeCl3+Cu==2FeCl2+CuCl2。其中Fe3+的氧化能力强，蚀刻速度快，蚀刻质量好。但随着蚀刻液中Fe3+的消耗和Cu2+的增加而使蚀刻速度逐渐减慢，并使蚀刻质量恶化。同时蚀刻后的溶液难以回收。为了克服这些缺点，我们还选用了PCB蚀刻剂，价格低廉，腐蚀速度稍快于氯化铁，气味较小，蚀刻过程清晰可见，无明显杂质产生。蚀刻后的母液可重复使用，性价比高。 实验流程：选择并打印素材—>晒板（显影）—>定影（洗去多余显影胶）—>蚀刻 具体过程： （一）准备素材及实验前准备 1、选择素材，素材必须是黑白图片。黑色是要被蚀刻的部份，白色则为保留的部份。这里选择素材应尽量选择线条相对密集一些的图案，防止线条过于稀释导致各线条对于整体的支撑力不足而断裂。
图一：错误示范（人物斗篷处线条过于稀疏，线条无法得到有力支撑）
图二：正确示范（各线条间连接紧密，不易断裂。） 2、根据打印机类型选择合适的菲林胶片（喷墨型与激光型）并将素材打印于其上（每种图案需至少打印2个）。
3、剪裁图案，并将相同图案的菲林对齐并固定（仅在2片菲林的边缘进行固定以方便铜板装入）。 4、裁剪大小合适的铜板，并将两面都贴上显影胶贴（颜色为浅蓝色），且胶贴要抚平，尽量减少粘贴留下的气泡（过多的气泡将直接影响下一步操作导致失败）装入步骤2所准备好的2片菲林间。 （1）我们小组使用的是干膜光致抗蚀剂。它是由聚酯薄膜，光致抗蚀剂膜及聚乙烯保护膜三部分组成。 （2）聚酯薄膜是支撑感光胶层的载体，厚度通常为25p m 左右。聚酯薄膜在曝光之后显影之前除去，防止曝光时氧气向抗蚀剂层扩散，破坏游离基，引起感光度下降（但是由于教程并未讲撕膜先后顺序，所以个别铜板我们在曝光前已经撕去了该膜，提前撕去该膜会造成粘下胶片上的油墨和线条变粗等问题，但对于实际操作影响不是特别大）
（3）聚乙烯膜是覆盖在感光胶层上的保护膜，防止灰尘等污染干膜，同时避免在卷膜时每层抗蚀剂膜之间相互粘连。（在将胶贴贴在铜板上时需事先撕去该膜）
5、晒板（显影），将组装好的铜板与菲林用透明亚克力板压紧（或手持），放在阳光下等待4～8分钟（根据实际情况而定）当铜板2面都已有极为清晰的深蓝色图案时即晒板完成。感光蚀刻油墨在光的作用下，油墨分子发生了交联反应，会很好地附着在金属材料上。
图一：我们有部份晒板是用节能灯进行的。效率极低，30W灯需要至少40分钟完成单面的显影。
图二：完成显影的部份铜板 6、定影，将铜板从菲林中取出，撕去胶贴表面的护膜，放入配置好的定影液（1:50）中，并振荡（或使用小毛刷轻刷）直到未显影部份的浅蓝色胶已洗净，只剩下深蓝色图案。（为方便后期腐蚀，已提前剪去多余出的部份铜片）
（二）正式实验部份 I 氯化铁蚀刻 1、配置氯化铁溶液，将需要蚀刻的铜片放入溶液中，可以观察到，铜片开始溶解。反应方程式：2FeCl3+Cu==2FeCl2+CuCl2
2、蚀刻完成后取出铜片，放入清水中洗净。可以观察到，进行蚀刻的氯化铁溶液出现了分层。（经查阅相关资料，下层的物质可能是Cu2+水解生成的氢氧化铜）
我们将氯化铁作为蚀刻液时，各因素的影响有： （1）Fe3+浓度的影响：Fe3+的浓度对蚀刻速率有很大的影响。当氯化铁蚀刻液中Fe3+浓度逐渐增加时，对铜的蚀刻速率相应加快。但是当所含超过某一浓度时，由于溶液粘度增加，蚀刻速率反而有所降低。所以Fe3+的浓度并不是越高越好！ （2）温度对于蚀刻的影响，当蚀刻液温度越高，蚀刻速率越快，温度的选择应以不损坏抗蚀层为原则，一般在40~50°C为宜。 （3）盐酸添加量对于蚀刻的影响，我们在FeCl3蚀刻液中添加盐酸可以抑制FeCl3水解，并可提高蚀刻速率。 （4）蚀刻液的搅拌问题，静止搅拌会影响蚀刻的效率和质量，原因是在蚀刻过程中在板面和溶液里会有沉淀生成，而使溶液呈暗绿色，这些沉淀会影响进一步的蚀刻。 II 蚀刻剂蚀刻 1、配制蚀刻剂溶液（为提高反应速率我们根据教程和说明书指引使用了热水），少量多次加入蚀刻剂（粉状），直到溶液饱和，此时溶液为澄清无色液体（质量比，蚀刻剂：水=3:1，图二数值已除去烧杯自重） 2、放入前期已处理好的铜片，用玻璃棒不断搅拌。可以观察到，图案外裸露的铜片开始变红并且开始溶解。
图一：初次实验，未搅拌；
图二、三：第三次实验，有搅拌 3、继续搅拌，溶液由白色澄清液体逐渐变为浅绿色浑浊液体（实际上是在蚀刻过程中产生大量小气泡，在搅拌过程中从铜板上脱离，暂时留在液体中，静置溶液会恢复澄清），直到除图案外所有铜已被蚀去。此过程实际需要15分钟及以上，才能蚀刻完全。
4、用镊子取出图案，放入清水中浸泡。此时可以观察到溶液已由无色变为绿色。 由于蚀刻剂成分未知，我们做了如下实验： （1）测pH值：通过使用pH试纸，测得溶液进行蚀刻前的无色液体，为酸性（pH=3）。蚀刻后的深绿色液体也为酸性（pH=1） （2）观察溶解及蚀刻现象：粉末溶于水及进行蚀刻时，都产生大量气泡。 （3）阅读商品参数：白色固体，溶液可重复利用，会吸氧。 （4）具体操作分析：在溶解及蚀刻过程中，有刺激性气味产生。蚀刻后加入小苏打，溶液由绿色变层蓝色，有沉淀产生。 蚀刻剂成分较为复杂，经多次查阅资料或多次实验，尚未有结论，待后续再进行探究。 三、研究成果 在这个研究过程中，我们也积累了一些失败的经验。我们的反思： 1.无论是FeCl3溶液还是蚀刻剂，与铜片反应的时间不能太长，不然铜片会全部反应完。 2. 铜片在显影晒板时，若时间不够长，胶膜不牢固，会导致实验失败。 经过了较长时间的实验研究，多次改进实验方案，我们终于成功地蚀刻出了个性化成品。利用铜片蚀刻的方式，我们可以制作书签等日常用品。这次研究丰富了我们的学校生活，释放学习压力，提高时间利用率。
四、组员感想 曾思语：在化学实验的实际操作前，我们需要花费大量时间用于准备工作，且我们实际操作所花时间远比教程所预估的时间长。这说明在化学实验前后有很多客观因素会导致实验的拉长，所以完成本次实验需要各组员合理计划时间，提高时间利用率。同时我们在蚀刻过程中，有因操作不慎导致失败的作品，也有因素材本身过于单薄，各线条过稀无法得到有力支撑而断裂的作品。这说明我们在选择素材时偏向实验理想化，对于很多潜在因素未考虑周全。相信经过这一次实验，我们能对化学有更深刻的理解，在生活中思考问题的思维能够扩展，更好的考虑其他因素。 郑晓瑜：做什么都要有耐心，要经历过失败才有如何成功的经验。 杨芷铭：感想就是不能贸然的去做一个自己不了解的事，要准备充分再去实施。 五、辅导老师点评 曾思语、郑晓瑜、杨芷铭三位同学在查找资料、实验探究、实验改进等方面都花了较多的时间和精力，善于思考，积极和老师沟通交流，有选择地接受老师的建议，同时也带动班里的部分学生参与其中，给平时枯燥的化学学习带来新的活力。她们利用显影晒板铜片代替覆铜板，显影晒板铜片与覆铜板是相似的，但显影晒板铜片可以更好地进行个性化设计的。在制备显影晒板铜片的过程中，图案是学生自己设计的，她们也乐在其中。当然在实验过程中，也遇到不少的困难，花了大量的时间，反复修正，知难而上，没有放弃，在繁忙的初三学习中能有这样的魄力与表现，值得表扬。 |
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