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模擬和控制電鍍過程的軟體
研究電鍍槽的所有重要特性

建模和模擬是瞭解、優化和控制電鍍過程的最節省成本的方法。

典型的模擬可以獲得電極表面的電流分佈,以及鍍層的厚度和組成。

模擬用於研究一些重要的參數,例如電鍍槽幾何結構、電解質組成、電極反應動力場、工作電壓和電流,以及溫度效應。

利用這些相關參數,您可以優化電化學槽的運行條件和光罩的位置與設計,確保沉積面的品質,同時最大程度降低材料和能量損失。

 

 

 

 

 

廣泛應用於各種不同的電化學過程

電鍍模組適合於一系列廣泛的應用,包括:電子器件的金屬沉積、腐蝕和磨損保護、裝飾電鍍、複雜薄結構的電鑄、蝕刻、電加工、電解以及精煉等。透過電鍍模組,可以考慮所有發生的現象,並一起進行模擬。

更具體地說,您可以耦合電流傳輸和守恆、化學物質傳遞、電荷平衡和電化學動力場等方程。

由於可以考慮多種現象,您能夠精確地計算電極表面上沉積的品質、形狀和厚度。

電鍍模組提供了定義電化學加工過程的工具和物理介面。您可以使用預定義的公式來模擬一次、二次和三次電流分佈——這些結果通常可以作為表面處理和產品品質的良好指標。

 

讓模擬成為建模流程的一部分

與所有化學過程一樣,您可以根據自己的目的,在不同尺度下研究電鍍過程中的諸多效應。

在微尺度級別下,這意味著分析參與反應中的電化學動力學,以及不同平整劑或衝擊條件對電鍍動力學的影響。在反電極上,可能需要仔細選擇電催化劑和電極微結構,特別是對於需要儘量減小損耗的電解沉積。

透過模擬這些過程並將其與實驗或工藝數據進行比較,您將能瞭解電極表面的電荷轉移反應機理,並推導出電化學動力學參數,例如交換電流密度和每個反應的電荷轉移係數。

理解了這些機理和參數之後,您可以在更大尺度上模擬沉積或蝕刻的速率和分佈。同時,您將能考慮系統的工作條件,例如電池和電極幾何、電池電壓或施加的電流、遮蓋與屏蔽、電解質組成與流動、氣體演化與溫度等。

標準 COMSOL Desktop® 用戶界面是電鍍模組的基礎平臺,也可用於 COMSOL ®模組套件中的所有其他專業模組。因此,您可以將描述電鍍或蝕刻過程的物理場與其他模組進行耦合,例如,與熱傳模組耦合來研究熱效應,或與 CFD 模組耦合來瞭解兩相流的效應。此外,其他物理特性(例如,結構完整性)可以使用模擬電化學槽的模型文件進行模擬。這種統一的模擬平臺是完美的協作工具,幫助在不同領域中研究相同過程的工程師進行合作。

模擬電鍍和電鍍槽的易用工具

電鍍模組附帶了許多簡單易用的工具,用於研究電鍍和電鍍槽的相關特性。這包括:

電化學反應動力學

您可以定義電化學電荷傳遞反應,其中的動力學表達式可以是模型變量的任意函數。例如,化學物質濃度、電極-電解質界面的局部電極和電解質電勢,以及溫度。

在二次和三次電流分佈介面中,您還可以輸入電極動力場的參數,例如交換電流密度、陽極與陰極電荷傳遞係數、化學計量係數,以及系統中電極反應的平衡電勢。此外,還包括 Butler-Volmer 和 Tafel 預定義表達式。並且,還可以在單個電極表面上添加多個相互抑制的反應,例如在電鍍電極添加氫演化反應。對於三次電流分佈,可以利用濃度變量,在電極動力學表達式中將電極反應與電活性物質的局部濃度相耦合。使用 Nernst 方程的描述還可以估算濃度過電勢。

流體流動

電鍍模組中還包括 Navier-Stokes、Darcy 定律和 Brinkman 方程等模擬層流或多孔介質流的介面。透過耦合 CFD 模組的相應物理介面,在模擬中還可以考慮紊流和兩相流。

電鍍層

根據陰極表面沉積層的厚度生長可以模擬移動邊界,電鍍模組由此還進一步考慮幾何結構變化對電化學過程的影響。溶解或生長表面會顯著影響電鍍槽的運行,而電鍍模組可以將這些動態變化作為模擬的一部分來考慮。

此外,在沉積金屬層或陽極厚度變化很小的情況下,您還可以選擇特定的物理介面,來不停地追蹤鍍層厚度變化及其電極歐姆效應的影響,而無需實際更改幾何結構。

引入描述厚度的變量,該變量也會影響電極的局部電導。根據電極反應的化學計量係數、莫耳品質和沉積(或溶解)金屬的密度,電極的厚度變化可以透過電極動力學表達式自動計算。

電解質與電極中的電流平衡

電解質中離子傳遞和電極中電子傳導,結合電流守恆和電荷守恆,構成了電鍍模組的基本理論框架。

在一次和二次電流分佈介面中,電解質中的離子傳遞被假定為離子遷移過程,忽略擴散的影響。

當電解質中混合足夠均勻以致可以忽略濃度梯度時,可以使用這兩個介面。當只有電極表面附近具有濃度梯度時,也可以使用二次電流分佈公式:透過使用解析表達式來表示電極表面邊界層上的濃度變化。

在三次電流分佈介面中,電解質中的離子傳遞使用擴散、對流和遷移(Nernst-Planck 方程)三個因素進行描述。模組會考慮所有離子傳遞的貢獻,並自動計算電流密度。

因而,電流密度最終透過離子的擴散和遷移描述,這是當電解質中存在顯著濃度變化時所必須要考慮的。

透過電極反應動力場,電極中的電流平衡與其表面周圍電解質的電流平衡完全耦合。歐姆定律用於描述電極中的電流傳導。電鍍模組還包含模擬薄金屬結構或薄殼的電流傳輸的介面,例如,對電鍍過程開始時的電反應進行模擬。

您可以用來模擬非導電結構上的薄層電鍍,以及考慮電極歐姆損耗時電解質中的電流平衡。

材料傳遞

電鍍模組可以模擬稀溶液和濃溶液中透過擴散、對流和遷移發生的化學物質傳遞。

其中包含預定義的 Nernst-Planck 方程介面,而且還可以在稀溶液與濃溶液以及多孔介質的化學物質傳遞介面中添加遷移項。

熱傳

電鍍模組可以模擬對流、傳導和焦耳熱等,也包含了描述多孔介質熱傳的特定物理場介面。

在熱平衡模擬中考慮電化學過程中的各種作用。例如,在電極邊界中添加由於活化超電勢產生的熱源。

特點

▲一次、二次和三次電流分佈介面,用於描述電解質電流平衡

▲電荷平衡假設:電中性、支持電解質或Poisson 方程

▲稀溶液和濃溶液中的Nernst-Planck 方程

▲Nernst-Einstein 方程,用於關聯電解質的遷移率和擴散係數

▲電極歐姆定律和電流守恆

▲Nernst 方程,用於描述平衡電勢和濃度過電勢

 

▲化學計量係數和Faraday 定律自動關聯,從而將材料平衡和電流平衡耦合到電極反應

▲電極動力學,考慮活化過電勢和濃度過電勢

▲對電極電催化,例如氧的反應

▲Butler-Volmer 和Tafel 方程,預定義的動力學表達式

▲預定義了電極表面的電極厚度變量,沉積過程中電極幾何結構的微小變化都會影響局部電導率

 

▲利用移動邊界描述沉積層和電化學蝕刻產生的電極幾何大變形

▲電極和電解質中的歐姆損失產生焦耳熱

▲活化損耗產熱

▲分散能力估計

▲Wagner 數估計

應用

▲陽極氧化

▲金屬單元中的雙極效應估計

▲鍍鉻層

▲鍍鉻(Chroming)

▲E-塗層技術

▲電泳塗裝(Electrocoating)

▲電染

▲採礦電沉積

 

▲PCB 電沉積製造

▲電鑄

▲電鍍

▲電解

▲蝕刻

▲平整鍍層

▲功能性電鍍

▲霍爾槽

 

▲衝擊方法

▲表面處理

▲耐磨性鍍層

▲電化學製造

▲電化學拋光

▲電化學加工

▲防護和掩蔽

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