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电镀法的艺术和科学
信息来源:www.gkpgjg.com    发布时间:2020.04.24

电镀因其相关效用常在汽车、电子、防腐、航空航天和国防工业中用于表面加工。自二战以来,声称能实现“完美电镀”的专利数量呈指数级增长。围绕电镀法的叙述焦点也已经从复杂的化学反应转向完善操作条件。在本篇文章中,我们将介绍如何使用 COMSOL Multiphysics® 软件和附加的“电镀模块”在反向脉冲电镀(reverse pulse plating,RPP)过程中得到更平滑的金属表面。

什么是反向脉冲电镀?

电镀过程涉及将金属电极浸入电解液槽中,然后在电极上施加外部电流。在阴极,槽中离子在其上还原,形成金属镀层。阳极可以是不溶性阳极,其中发生析氧或析氯反应,也可以是溶解性的电极(也称为退镀),其中电极会被氧化,使得金属作为离子进入溶液。

在电镀过程中,通常可以施加直流(direct current,DC)或电流脉冲。脉冲电流技术是在一定时间间隔内施加正向电流,其间插入短间隔的大电流反向脉冲或零电流周期。这些电流脉冲间隔的设置也称为占空比。在 RPP 工艺中,我们使用相同或不同幅度、持续时间和极性的电流脉冲来进行电镀和退镀。

RPP 由正向占空比()和反向占空比()组成,在正向占空比( )下,施加阴极电流,进行金属沉积(电镀),在反向占空比()下,电镀电流变为反向,进行金属离子溶解(退镀)。在每个方向(正向和反向),占空比定义为电镀/溶解时间与施加电流总时间的比值。占空比的平均电流密度由下式给出:


其中,分别是正向和反向占空比,两者之间的关系为 。

通过优化电镀和退镀工艺以及控制占空比,我们可以使用 RPP 工艺制备光滑的镀层。对于恒定的平均电流密度和溶解电流密度,电镀电流密度可定义为:


量化电流分布

根据 IUPAC 定义,当活化过电位的影响不可忽略而浓度过电位可忽略时,二次电流分布有效。当包含活化过电位时,高局部电流密度在电极表面引入高局部活化过电位,使电流自然地变得更加均匀。(有关更多信息,请阅读文末电池设计中的电流分布理论文章。)

二次电流分布通常用瓦格纳数来分析,这是一个无量纲量,由下式给出:


其中 ,电解质槽的电导率;是在上述条件下过电位-电流曲线的斜率;是系统的特征长度(例如,电极长度)。因此,瓦格纳数也可被视为一次电流分布效应(由表示,受几何结构和电解质特性的影响)与二次电流分布效应(由表示,动力学极化)之比。

在 Tafel 极限或高(阳极或阴极)过电位条件下,与工艺的电流密度成反比:


其中,是 Tafel 斜率。

较高的瓦格纳数本质上意味着一次电流分布效应被二次电流效应取代,会产生更均匀的电流分布。另外,对于具有尖端和凹陷的几何结构,可通过使用工作电极周围的一次电流密度分布来实现拉平效应。在下面的例子中,我们将看到如何使用 RPP 在具有给定凸起的几何结构上实现更好的表面光滑度。

使用 COMSOL Multiphysics® 为 RPP 建模

“案例下载”中的反向脉冲电镀模型利用二次电流分布接口来分析活化过电位(反应动力学)和一次电流分布效应(几何效应和电解质电导率)。

我们建立了一个简单的二维几何结构,其中有一个小突起,当受到不同形式的外加电流影响时,该突起可作为形状演化的标志位置(见下图)。二维模型模拟了一个铜衬底,其中包含一个突起。假设电化学电池因为有良好的搅拌使其具有恒定电导率(无浓度梯度)的电解液、可忽略欧姆损耗的阳极和阴极组成。