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電鍍模組 (Electrodeposition Module) 是 COMSOL Multiphysics® 的附加模組，讓工程師和科學家能透過模擬來理解、最佳化和控制電鍍過程。這是一種成本效益高的方法，用於研究不同參數的影響，包括電池幾何形狀 (cell geometry)、電解液成分 (electrolyte composition)、電極反應動力學 (electrode reaction kinetics)、操作電壓和電流 (operating voltages and currents) 以及溫度效應 (temperature effects)。

 

在電鍍模組中，典型的模擬可以得到電極表面的電流分佈 (current distribution) 以及沉積層的厚度和成分。您可以模擬各種應用，例如製造電氣和熱導體以及具有薄而複雜形狀的零件的電鑄 (electroforming)。您還可以將電鍍模組與 COMSOL 產品套件中的其他模組結合使用，以進一步擴展其多物理場 (multiphysics) 能力並模擬例如湍流 (turbulent) 和兩相流 (two-phase flow)。


電鍍模組適用於各種應用

電泳塗裝 (Electrocoating)

研究高電阻塗層的沉積，這導致塗層區域上的電流分佈動態變化。

電鍍 (Electroplating)

調查多個元件中的鍍層均勻性。

電解提煉 (Electrowinning)1

從電解液中提取銅，並研究陰極表面的沉積速率。

電化學加工 (Electrochemical Machining)

研究電化學加工過程以及變化的幾何形狀如何影響材料去除的進展。

脈衝反向電鍍 (Pulse Reverse Plating)

透過反向脈衝溶解來減弱金屬沉積過程中的小突起。

印刷電路板 (PCBs)2

模擬印刷電路板製造過程中的電鍍。

鋁陽極氧化 (Aluminum Anodization)

透過模擬陽極氧化過程來獲得金屬和塑料上的均勻保護或裝飾塗層，並優化電極覆蓋率。

吸附-脫附物種 (Adsorbing–Desorbing Species)

在窄通道和溝槽中模擬吸附-脫附動力學。

  1. 需要 CFD 模組
  2. 需要 ECAD 導入模組


電鍍模組中的功能和特性

探索用於模擬電鍍電池中不同現象的功能

一級、二級和三級電流密度分佈 (Primary, Secondary, and Tertiary Current Density Distribution)

COMSOL Multiphysics® 和電鍍模組為用戶提供了現成的、用戶友好的界面，用於模擬電鍍過程。基本功能涵蓋了一級電流分佈 (Primary Current Distribution)、二級電流分佈 (Secondary Current Distribution) 和三級電流分佈 (Tertiary Current Distribution) 界面。這些界面使得模擬電流分佈以及使用極化曲線的表面動力學成為可能，並且可以在模型中包含質量傳輸效應和體積平衡反應。

 

通過選擇其中一個界面，用戶可以選擇所需的保真度水平，以獲得對系統的足夠準確描述，無論模型是否只需要包含歐姆效應，或者是更複雜的，例如需要包含多個物種的質量傳輸和平衡反應。COMSOL Multiphysics® 使得可以無縫地添加所需的任意多個物種和反應，以適應給定的物理系統。

電鍍層和成分 (Electrodeposited Layers and Composition)

 當沉積的金屬層或陽極厚度變化較小時，該模組能夠跟蹤電鍍層厚度以及這可能對電極中的歐姆效應 (ohmic effects) 產生的影響，而無需實際改變幾何形狀。引入了一個影響電極局部電導率 (electrical conductance) 的厚度變量。電極厚度的變化可以通過定義化學計量係數 (stoichiometry coefficients)、摩爾質量 (molar mass) 和沉積或消耗金屬的密度 (density)，從電極動力學表達式 (electrode kinetic expressions) 自動計算。 

殼層電極中的電流導通 (Current Conduction in Shell Electrodes)

電鍍模組包括一個電極，殼層界面 (Electrode, Shell interface)，用於在邊界上模擬電流在切向方向的導通。該界面適用於模擬薄電極，其中電極正常方向的電位變化可以忽略不計。在這種情況下，薄電極領域被替換為邊界上的偏微分方程 (partial differential equation) 公式。通過這種替換，可以減少問題大小，並避免薄層中網格各向異性 (mesh anisotropy) 的潛在問題。

移動電極表面的變形幾何 (Deformed Geometry for Moving Electrode Surfaces)

電鍍模組包含預定義的多物理場 (multiphysics) 界面，用於對電化學電池中由於沉積或溶解過程而發生的變形進行時間依賴的建模。這種建模涉及使用變形幾何 (deforming geometry)，其中邊界的速度由電化學反應 (electrochemical reactions) 規定。

 

此外，還提供了水平集界面 (Level Set interface) 和相場界面 (Phase Field interface)，用於模擬電極表面拓撲由於電鍍過程而發生變化的電鍍。

電化學反應動力學 (Electrochemical Reaction Kinetics)

電鍍模組支持對電化學電荷轉移反應進行建模，其中動力學表達式可以是模擬變量的任意函數。這包括例如化學物種濃度、電極和電解液在電極-電解液界面的局部電位以及溫度。

在二級電流分佈界面 (Secondary Current Distribution interface) 和三級電流分佈界面 (Tertiary Current Distribution interface) 中，可以為電極動力學 (electrode kinetics) 輸入參數，例如交換電流密度 (exchange current density)、陽極和陰極電荷轉移係數 (anodic and cathodic charge transfer coefficients)、化學計量 (stoichiometry) 和電極反應的平衡電位 (equilibrium potential)。同一電極表面還可以添加競爭反應，例如在鍍層電極上的氫進化 (hydrogen evolution)。此外，在化學物種傳輸 (Chemical Species Transport) 分支下，提供了化學界面 (Chemistry interface) 用於定義各種均相和非均相反應 (homogeneous and heterogeneous reactions)。

物質傳輸 (Material Transport)

電鍍模組可用於通過擴散 (diffusion)、對流 (convection) 和遷移 (migration) 模擬稀溶液中化學物種的傳輸。在多孔介質中稀釋物種的傳輸界面 (Transport of Diluted Species in Porous Media interface) 用於計算物種濃度以及在自由和多孔介質中的傳輸。這可用於固相基質完全不可移動的情況，或者假設充填介質也不可移動的情況。

 

Nernst-Planck 方程界面 (Nernst-Planck Equations interface) 可用於計算受電場影響的電解液中的濃度。它也可用於模擬具有顯著電流攜帶物種（離子）濃度梯度的通用電化學電池。此外，表面反應界面 (Surface Reactions interface) 可用於模擬表面物種的菲克傳輸 (Fickian transport)。

擴展多物理場分析 (Extended Multiphysics Analyses)

電鍍模組可以與 COMSOL 產品套件中的其他附加產品結合使用。這使得用戶能夠將描述電鍍或蝕刻過程的物理學與其他模組相結合，例如，與熱傳遞模組 (Heat Transfer Module) 結合以研究熱效應，或與流體力學模組 (CFD Module) 結合以了解漩渦、湍流或兩相流的影響。

熱傳遞 (Heat Transfer)

在電化學電池中，由於電解液或固體導體材料中的電荷傳輸、電極反應中的活化過電位 (activation overpotentials) 和混合熱 (heat of mixing)，可能會發生不可逆的電壓損失。此外，由於電極反應中的熵變化，可逆的熱源和熱匯 (heat sinks) 可能會出現。

 

電化學加熱 (Electrochemical Heating) 多物理場耦合可用於根據不可逆熱 (焦耳熱和活化損失) 和可逆熱效應的總和在電化學界面定義熱源。在模型中設定不同組件之間的手動耦合時，您還可以使用由電化學界面定義的熱源變量。

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