金属表面微结构阵列具有减磨降阻、提高传质传热效率、改变表面润湿状态等功能。微结构阵列的制备方法有多种,其中,掩膜电解加工因具有不产生残余应力与再铸层、成形表面质量好、不受工件材料机械力学性能限制等优势,潜在技术优势突出,应用前景看好。旨在高效、低成本地制备尺寸一致性高的金属微结构阵列,本文提出一种基于柔性泡沫金属的阴极—掩膜—工件“三明治”配置式活动掩膜电解加工技术,简称泡沫阴极掩膜电解加工技术。工作时,泡沫金属既是阴极,又是传质通道,还是传递压贴掩膜压力的媒介。兼具多重功能特殊性态阴极的采用、小至极限的极间间隙(等于掩膜厚度)等特质使得该技术充满探索空间。为此,本文在国家自然科学基金(No.51475149)、河南省科技创新人才支持计划(No.154100510008)、河南省高校科技创新团队支持计划(No.15IRTSTHN013)和河南理工大学科技创新团队项目(No.T2014-1)的共同资助下,从加工原理、实施方式、工艺条件、加工效果等方面对该技术进行研究。主要研究内容和结论如下:(1)阐明了泡沫阴极掩膜电解加工技术的原理,数值仿真分析了该技术极间间隙的电场分布特性,仿真结果表明:与常规掩膜电解加工相比,该技术的极间电流分布均匀性更高,不同位置微坑的电流分布特性几近相同,且随加工时间发生同步改变。(2)在试验验证了机械压膜泵驱供液式泡沫阴极掩膜电解加工技术可行性的基础上,系统研究分析了主要加工参数,如极间电压、掩膜厚度、掩膜孔径等,对阵列微坑廓形特征与尺寸大小的影响规律,并开展了平面与圆柱面微坑阵列群的加工试验研究。研究表明:该技术可制备出几何尺寸变化范围非常窄、廓形一致性好的微坑阵列;在优化试验条件下,微坑阵列的深度和直径分别为53.38~61.33μm和349.6~377.3μm,对应的变异系数分别小至5.6%和2.4%;在360°圆柱面上可一次性加工均匀性高的微坑阵列。机械压膜的方式可能在操作方面有些许不便,且在曲面工件上压贴掩膜往往难度更大。(3)开发出一种借助磁力来固定掩膜的新方法——磁吸固定掩膜法,实现了泡沫阴极掩膜电解加工用超薄柔性掩膜的均匀可靠且对极间传质无干扰化压贴;在此基础上,开发出了磁场辅助极间间隙传质无泵驱动技术,即仅利用“三明治”型配置体相对于电解液作周期换向周向平动—微幅摆动的复合运动及磁流体力学效应(MHD)来驱动极间间隙的物质进行均衡化运输与交换,阐释了其工作原理,研制了其实现装置,并开展了实验研究。研究表明:基于复合运动的磁场辅助无泵驱传质技术有助于提升泡沫阴极掩膜电解加工微结构阵列的操作简便性和实用性,优化条件下的微坑阵列的深度和直径变异系数分别为6.8%和3.5%。但是,该传质驱动方法极间液流缓慢,加工效率偏低,且不太适合于大深度微坑阵列的制备。(4)为进一步提高磁场辅助无泵驱泡沫阴极掩膜电解加工速度和适用性,开发出一种基于往复冲击运动的磁场辅助无泵驱传质技术。阐释了该技术的工作原理,研发了相应的执行装置,实验探究和分析了基于该传质技术的磁场辅助泡沫阴极掩膜电解加工微坑阵列的工艺效果。研究表明:基于向下单程冲击运动的磁场辅助无泵驱传质技术有助于提升泡沫阴极掩膜电解加工微结构阵列的操作简便性和实用性;可更高速度制备廓形一致性极高的微坑阵列;优化条件下微坑阵列的深度和直径变异系数分别小至5.4%和1.9%。泡沫阴极掩膜电解加工技术在高效制备高廓形一致性的微结构阵列方面极具优势。本文特别开发的无泵驱动极间间隙传质技术,包括基于复合运动的磁场辅助无泵驱传质技术和基于往复冲击运动的磁场辅助无泵驱传质技术,有利于进一步改善泡沫阴极掩膜电解加工的可操作性、适用性和工艺效果。