基于COMSOL Multiphysics電沉積鎳鍍層仿真分析

王守龍

日照實華原油碼頭有限公司 山東 日照 276800

引言

電沉積技術作為一門交叉學科具有廣闊的發展空間和應用前景[1]，在機械、電子、儀器儀表、光學儀器、航空航天等領域發揮了獨特的作用。金屬電沉積過程中離子獲得電子的難易程度以及沉積物的最終形態除與沉積金屬的屬性有關外，還與電鍍液的組成[2]、溫度、PH、電流密度[3]、電源類型等有很大關系。

相對于其他表面處理方式[4-5]，電沉積技術獲得的表面鍍層具有結合力強、孔隙率較低且所獲得的鍍層具有較強的耐蝕性、耐磨性、環境污染輕等優點成為現今國內外學者研究的熱點。

1 建立裝置模型

電沉積裝置模型如圖1所示，本裝置模型由電源、沉積槽（燒杯）、Q235鋼板、鎳板、電鍍液等幾部分構成。為了方便計算，現將整個電沉積裝置模型簡化為二維模型來處理。通過有限元分析軟件建立了電沉積仿真模型。

圖1 兩極板電沉積裝置示意圖

該裝置為兩極板裝置模型。在電沉積過程中陽極板接電源正極發生溶解，陰極板接電源負極表面電沉積金屬鍍層。

2 建立理論模型

2.1 數學模型的建立

為了簡化模型和提高求解的收斂性，現將模型做如下假設：a.離子在運動過程中互不干擾，且極板間電場線分布合理。b.忽略陽極表面氣泡流動對電鍍液的影響，電鍍液的流動視為不可壓等溫單相流動液體，電鍍液上表面設為自由面。c.流體的電導率、密度和動力黏度均為常數。

基于上述假設可以得到以下方程：電流密度方程：J=δE，連續性方程：▽·u=0，電場力方程：f=EJ，流體運動方程：

式中：E代表電場強度，J代表電流密度，u代表流體的速度，δ代表電導率，f 代表電場力，p代表壓力，μ代表流體的動力黏度，ρ 代表流體的密度。

2.2 邊界條件及解法

溶液中的離子會受到電場力、浮力、流體黏度引起的粘拽力和重力等多個力的作用，由于黏拽力較小相對于電場力不在同一個數量級，并近似認為陽離子在流體中處于懸浮狀態，因此只考慮電場力。

3 模擬結果及討論

圖3 兩極板電解質電勢云圖

仿真條件為物質量濃度600mol/m3、溫度T=298K、電流密度I=600A/m2的兩極板云圖、曲線圖。圖2為時間t=1s時濃度云圖計算結果，圖3為時間t=1s時電解質電勢云圖計算結果，圖4為正面鍍層厚度隨時間變化的計算結果，圖中每0.2秒顯示一次極板不同位置鍍層厚度瞬態值，共顯示11次。圖5為側面鍍層厚度隨時間變化的計算結果，圖中每0.2秒顯示一次極板不同位置鍍層厚度瞬態值，共顯示11次，如上圖所示：

圖2 兩極板離子濃度云圖

圖4 兩極板正面鍍層厚度曲線圖

圖5 兩極板側面鍍層厚度曲線圖

在圖2兩極板離子濃度云圖中我們可以看出陰極板變厚陽極板變薄，陽極板背面離子區域濃度較高，陰極板背面區域離子濃度較低，兩端及中間部分云圖呈現出了明顯的濃度梯度。產生該現象的主要原因可能是由于隨著電沉積反應的不斷進行，電解質溶液中的離子不斷被還原沉積到陰極板表面，同時陽極板不斷溶解釋放出新的金屬離子，陽極板背面區域由于遠離陰極板離子被還原的較少，同時陽極板在不斷溶解產生新的金屬離子從而導致陽極板背面區域離子濃度較高。陰極板背面區域由于在不斷進行金屬離子沉積到陰極板表面并且該區域遠離陽極板不能及時補充沉積消耗的金屬離子，從而導致陰極板背面區域金屬離子濃度變的較低。在圖3兩極板電解質電勢云圖中我們可以看出陽極板連接電源正極電勢較高，陰極板連接電源負極電勢較低。陽極板背面電勢較高，陰極板背面電勢較低，兩端及中間部分云圖也同樣呈現出了明顯的電勢梯度。

圖4為陰極板正面鍍層厚度隨著電沉積反應不斷進行的變化情況，從圖4我們可以看出在電沉積剛進行時電沉積鍍層厚度較為均勻。隨著電沉積反應的不斷進行陰極板正面鍍層厚度曲線大體呈現兩端高中間低的趨勢，產生該現象的主要原因可能是由于隨著電沉積反應的不斷進行電沉積極板中間區域金屬離子不斷被消耗且沒有得到及時補充而兩端補充的金屬離子較多導致電沉積鍍層呈現出了中間薄兩端厚的現象。圖5為側面鍍層的鍍層厚度曲線，從圖5可以看出靠近陽極端的鍍層厚度隨著電沉積反應的不斷進行由于該端靠近電沉積陽極，該區域電勢較高，電沉積電勢線密度較高，金屬離子移動速度較快，沉積效率較高，而遠離陽極端電勢相對較低，離子移動相對較慢，金屬離子電沉積效率較低，沉積鍍層相對較薄。

4 結束語

本文主要通過COMSOL Multiphysics軟件系統模擬分析了電沉積鎳鍍層厚度及均勻性隨電沉積進行的變化情況。通過電沉積物質量濃度云圖和電沉積電勢云圖分析了電沉積反應過程中金屬離子物質量濃度及電解質電勢的分布情況。通過陰極板正面鍍層厚度曲線和陰極板側面鍍層厚度曲線分析了不同位置鎳鍍層厚度隨著電沉積反應的進行鎳鍍層厚度的變化情況。