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電鍍法的藝術和科學
信息來源:www.moneyvariety.com    發布時間:2020.04.24

電鍍因其相關效用常在汽車、電子、防腐、航空航天和國防工業中用于表面加工。自二戰以來,聲稱能實現“完美電鍍”的專利數量呈指數級增長。圍繞電鍍法的敘述焦點也已經從復雜的化學反應轉向完善操作條件。在本篇文章中,我們將介紹如何使用 COMSOL Multiphysics® 軟件和附加的“電鍍模塊”在反向脈沖電鍍(reverse pulse plating,RPP)過程中得到更平滑的金屬表面。

什么是反向脈沖電鍍?

電鍍過程涉及將金屬電極浸入電解液槽中,然后在電極上施加外部電流。在陰極,槽中離子在其上還原,形成金屬鍍層。陽極可以是不溶性陽極,其中發生析氧或析氯反應,也可以是溶解性的電極(也稱為退鍍),其中電極會被氧化,使得金屬作為離子進入溶液。

在電鍍過程中,通??梢允┘又绷鳎╠irect current,DC)或電流脈沖。脈沖電流技術是在一定時間間隔內施加正向電流,其間插入短間隔的大電流反向脈沖或零電流周期。這些電流脈沖間隔的設置也稱為占空比。在 RPP 工藝中,我們使用相同或不同幅度、持續時間和極性的電流脈沖來進行電鍍和退鍍。

RPP 由正向占空比()和反向占空比()組成,在正向占空比( )下,施加陰極電流,進行金屬沉積(電鍍),在反向占空比()下,電鍍電流變為反向,進行金屬離子溶解(退鍍)。在每個方向(正向和反向),占空比定義為電鍍/溶解時間與施加電流總時間的比值。占空比的平均電流密度由下式給出:


其中,分別是正向和反向占空比,兩者之間的關系為 。

通過優化電鍍和退鍍工藝以及控制占空比,我們可以使用 RPP 工藝制備光滑的鍍層。對于恒定的平均電流密度和溶解電流密度,電鍍電流密度可定義為:


量化電流分布

根據 IUPAC 定義,當活化過電位的影響不可忽略而濃度過電位可忽略時,二次電流分布有效。當包含活化過電位時,高局部電流密度在電極表面引入高局部活化過電位,使電流自然地變得更加均勻。(有關更多信息,請閱讀文末電池設計中的電流分布理論文章。)

二次電流分布通常用瓦格納數來分析,這是一個無量綱量,由下式給出:


其中 ,電解質槽的電導率;是在上述條件下過電位-電流曲線的斜率;是系統的特征長度(例如,電極長度)。因此,瓦格納數也可被視為一次電流分布效應(由表示,受幾何結構和電解質特性的影響)與二次電流分布效應(由表示,動力學極化)之比。

在 Tafel 極限或高(陽極或陰極)過電位條件下,與工藝的電流密度成反比:


其中,是 Tafel 斜率。

較高的瓦格納數本質上意味著一次電流分布效應被二次電流效應取代,會產生更均勻的電流分布。另外,對于具有尖端和凹陷的幾何結構,可通過使用工作電極周圍的一次電流密度分布來實現拉平效應。在下面的例子中,我們將看到如何使用 RPP 在具有給定凸起的幾何結構上實現更好的表面光滑度。

使用 COMSOL Multiphysics® 為 RPP 建模

“案例下載”中的反向脈沖電鍍模型利用二次電流分布接口來分析活化過電位(反應動力學)和一次電流分布效應(幾何效應和電解質電導率)。

我們建立了一個簡單的二維幾何結構,其中有一個小突起,當受到不同形式的外加電流影響時,該突起可作為形狀演化的標志位置(見下圖)。二維模型模擬了一個銅襯底,其中包含一個突起。假設電化學電池因為有良好的攪拌使其具有恒定電導率(無濃度梯度)的電解液、可忽略歐姆損耗的陽極和陰極組成。

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