第二章---金属电沉积过程中的极化ppt课件.ppt
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1、1/13/20231/13/2023第二章第二章 金属电沉积过程中的极化金属电沉积过程中的极化电镀理论及工艺电镀理论及工艺 寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多一、金属电沉积步骤和稳态过程一、金属电沉积步骤和稳态过程实现金属离子在阴极上的电沉积过程,必须对其过程有实现金属离子在阴极上的电沉积过程,必须对其过程有深刻了解,分析其影响因素。深刻了解,分析其影响因素。1、电沉积步骤、电沉积步骤1)传质步骤:)传质步骤:电解液中金属离子(或其络离子)向阴电解液中金属离子(或其络离子)向阴极界面传递。极界面传递。2)表面转化
2、步骤:)表面转化步骤:反应粒子在电化学反应前处于阴极反应粒子在电化学反应前处于阴极表面或表面液层中的转化步骤,通常包括简单金属离子水表面或表面液层中的转化步骤,通常包括简单金属离子水化程度的降低和重排,或者是络合离子配位体的改组或配化程度的降低和重排,或者是络合离子配位体的改组或配位数的降低等。位数的降低等。寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多一、金属电沉积步骤和稳态过程一、金属电沉积步骤和稳态过程3)电电化学步化学步骤骤:反反应应粒子在阴极上得到粒子在阴极上得到电电子子还还原成原成为为金属的金属的过过程。程。如:
3、如:4)新相生成步)新相生成步骤骤:反反应产应产物生成新相,如物生成新相,如电结电结晶体、气体等。晶体、气体等。寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多如:如:一、金属电沉积步骤和稳态过程一、金属电沉积步骤和稳态过程寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多一、金属电沉积步骤和稳态过程一、金属电沉积步骤和稳态过程 2、稳态过程、稳态过程 以上以上4个步骤的反应速度不一致,但因串联进行,个步骤的反应速度不一致,但因串联进行,因此整体反应速度就由四个
4、步骤中最慢的决定,称因此整体反应速度就由四个步骤中最慢的决定,称该过程中各个步骤的反应速度趋于相等时的状态为该过程中各个步骤的反应速度趋于相等时的状态为稳态过程,而决定整个反应过程的速度最后的一步稳态过程,而决定整个反应过程的速度最后的一步称为称为“控制步骤控制步骤”。不同的控制步骤对电沉积的结。不同的控制步骤对电沉积的结果是不相同的,因此掌握果是不相同的,因此掌握“控制步骤控制步骤”对分析整对分析整寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多个电沉积行为极为有利,一般来说,稳态过程有以个电沉积行为极为有利,一般来说,稳态
5、过程有以下两个特征:下两个特征:1)由于过程是串联进行的,且是连续的,因此反)由于过程是串联进行的,且是连续的,因此反应快的步骤被迫趋于同反应慢的控制步骤速度速度应快的步骤被迫趋于同反应慢的控制步骤速度速度相等。相等。2)将反应快的步骤看成是平衡态来处理问题。)将反应快的步骤看成是平衡态来处理问题。一、金属电沉积步骤和稳态过程一、金属电沉积步骤和稳态过程寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多二、传质控制步骤二、传质控制步骤 在电沉积过程中,习惯以阴极电流密度在电沉积过程中,习惯以阴极电流密度Dk大小大小反映电极过程速
6、度的快慢,反映电极过程速度的快慢,DK的大小不但影响沉的大小不但影响沉积速度大小,还会影响镀层质量。在电沉积过程积速度大小,还会影响镀层质量。在电沉积过程中,液相传质步骤成为过程的控制步骤时中,液相传质步骤成为过程的控制步骤时,传质的传质的快慢直接影响了快慢直接影响了DK的大小,当然也会影响镀层的的大小,当然也会影响镀层的质量和沉积速度。质量和沉积速度。1、液相传质方式、液相传质方式1)电迁移:)电迁移:溶液中的荷电粒子(离子)在外电场作用下,向溶液中的荷电粒子(离子)在外电场作用下,向电极迁移的一种传质方式。电极迁移的一种传质方式。寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一
7、个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多 在电镀中,由于大量导电盐的加入或其它不在电镀中,由于大量导电盐的加入或其它不参加电极反应的荷电粒子的存在,一般沉积金属参加电极反应的荷电粒子的存在,一般沉积金属离子的电迁移可忽略不计。离子的电迁移可忽略不计。2)对流:)对流:溶液中的反应粒子(或组分)随液体溶液中的反应粒子(或组分)随液体流动同时进行传递的过程称为对流。流动同时进行传递的过程称为对流。此时液体与物质粒子之间不存在相对运动,电解此时液体与物质粒子之间不存在相对运动,电解液流动的主要原因为:液流动的主要原因为:二、传质控制步骤二、传质控制步骤寒假来临,不少的高中毕业生和大学
8、在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多密度差异;密度差异;温度不同;温度不同;搅拌。搅拌。当不考虑搅拌所产生的强制对流时,其电极当不考虑搅拌所产生的强制对流时,其电极表面的液流速度很小,近似于静止状态,表面的液流速度很小,近似于静止状态,这是流体力学中的一个基本概念。可见,对这是流体力学中的一个基本概念。可见,对二、传质控制步骤二、传质控制步骤寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多流也不是反应粒子向电极表面传质的主要方式,流也不是反应粒子向电极表面传质的主要方式,但搅拌形
9、成的对流是不能忽略,它将严重影但搅拌形成的对流是不能忽略,它将严重影响扩散层的厚度。响扩散层的厚度。综上所述,对流分为自然对流(温度、密度综上所述,对流分为自然对流(温度、密度引起)和强制对流(搅拌)。引起)和强制对流(搅拌)。二、传质控制步骤二、传质控制步骤寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多二、传质控制步骤二、传质控制步骤3)扩散:)扩散:溶液中某一组分自高浓度向低浓度溶液中某一组分自高浓度向低浓度传递的过程称为扩散,动力是浓度梯度引起。传递的过程称为扩散,动力是浓度梯度引起。在电沉积过程中,阴极表面不断进行反
10、应粒子在电沉积过程中,阴极表面不断进行反应粒子的放电反应,使阴极表面的液层中反应粒子不的放电反应,使阴极表面的液层中反应粒子不断消耗,与液体主部相比,产生浓度梯度,扩断消耗,与液体主部相比,产生浓度梯度,扩散传质便会发生。当由扩散传质方式传递到电散传质便会发生。当由扩散传质方式传递到电寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多极表面液层的流量足以补偿由于金属电沉积而极表面液层的流量足以补偿由于金属电沉积而引起的反应粒子的消耗时,就认为扩散过程达引起的反应粒子的消耗时,就认为扩散过程达到稳态,此时反应粒子到稳态,此时反应粒
11、子i i在电极表面液层(扩散在电极表面液层(扩散层)中的浓度层)中的浓度CiCi,可用菲克第一定律来描述。,可用菲克第一定律来描述。二、传质控制步骤二、传质控制步骤寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多二、传质控制步骤二、传质控制步骤寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多2、反应粒子浓度对阴极反应速度的影响。、反应粒子浓度对阴极反应速度的影响。当达到稳定后当达到稳定后根据法拉弟定律根据法拉弟定律:费克第一定律形式:费克第一定律形式:二、传质
12、控制步骤二、传质控制步骤寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多该式即表示电沉积为稳态扩散控制时,反应粒子该式即表示电沉积为稳态扩散控制时,反应粒子浓度对电流密度的影响,即对反应速度的影响。浓度对电流密度的影响,即对反应速度的影响。说明:说明:Ci Ci0 0 D Dk k ,表明较高的反应离子浓度,可,表明较高的反应离子浓度,可使用较高的使用较高的D DK K;二、传质控制步骤二、传质控制步骤寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多 ,则电流
13、密度达到则电流密度达到极限值,此时的电流密度称为极流电流密度,极限值,此时的电流密度称为极流电流密度,以以DL表示,这表示以扩散传质为控制步骤的表示,这表示以扩散传质为控制步骤的电沉积时,电沉积时,DK不能太大,否则很易达到不能太大,否则很易达到DL而而使镀层质量下降。使镀层质量下降。二、传质控制步骤二、传质控制步骤寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多式中:式中:K反应离子扩散系数反应离子扩散系数 v溶液动力学粘度系数,溶液动力学粘度系数,x距冲击点的距离距冲击点的距离 u溶液沿电极平行方向的流速(搅拌强度);溶液
14、沿电极平行方向的流速(搅拌强度);当施于强烈搅拌时,此时扩散层厚度当施于强烈搅拌时,此时扩散层厚度搅为:搅为:二、传质控制步骤二、传质控制步骤寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多(2)由于搅拌,由于搅拌,可得到提高,是增加可得到提高,是增加扩扩散散电电流的行之有效的方法。流的行之有效的方法。即搅拌越强,即搅拌越强,越小。越小。说说明:明:(1)Dk K2/3 由于由于搅搅拌,拌,Dk受受扩扩散系数影响程散系数影响程度下降。度下降。二、传质控制步骤二、传质控制步骤寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准
15、备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多3、扩散控制时的阴极极化特征、扩散控制时的阴极极化特征二、传质控制步骤二、传质控制步骤寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多扩散过电位:扩散过电位:注:注:二、传质控制步骤二、传质控制步骤寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多(1)按上式所得曲线右图)按上式所得曲线右图 二、传质控制步骤二、传质控制步骤寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒
16、假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多(3)当)当 时,说明时,说明DK的微小变化,会使的微小变化,会使阴极电位迅速变负,此时已达到完全浓差极化,即使阴极电位迅速变负,此时已达到完全浓差极化,即使再增加再增加DK,阴极的电沉积量已达到了以,阴极的电沉积量已达到了以DL为代表的为代表的恒定值。若阴极电位变负能使其它离子析出所需电位,恒定值。若阴极电位变负能使其它离子析出所需电位,将出现虚线表示的阴极反应,同时还将大大将出现虚线表示的阴极反应,同时还将大大(2)当)当 时,说明阴极电位的负值稍有增时,说明阴极电位的负值稍有增加,即可引起反应速度的迅速增大;加,即可引起反应速度的迅速增大;二、传质控
17、制步骤二、传质控制步骤寒假来临,不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是,目前社会上寒假招工的陷阱很多影响沉积金属的质量。影响沉积金属的质量。若电极反应为浓差极化控制,说明电子传递反若电极反应为浓差极化控制,说明电子传递反应的速度比离子扩散到电极的速度要快的多,因此种应的速度比离子扩散到电极的速度要快的多,因此种还原后的金属原子没有足够的时间按品格点阵排列,还原后的金属原子没有足够的时间按品格点阵排列,所得到的常是疏松、海棉状或粗糙的镀层,因此可以所得到的常是疏松、海棉状或粗糙的镀层,因此可以说,纯粹的浓差极化控制的电沉积是得不到质量好的说,纯粹的浓差极化控
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