МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ «ГРОДНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ЯНКИ КУПАЛЫ»
Физико-технический факультет
Кафедра общей физики
ЛАВЫШ ДМИТРИЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАССЕИВАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЭЛЕКТРОЛИТОВ НИКЕЛИРОВАНИЯ
Курсовая работа
студента 4 курса 1 группы дневного отделения
Научный руководитель:
доцент кафедры общей физики,
канд. физ.-мат. наук, Валько Н.Г.
ГРОДНО 2009
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 3
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 4
1.1 Теория рассеивающей способности 4
1.2 Современные методы определения рассеивающей способности 5
2. ЯЧЕЙКА МОЛЕРА И МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАССЕИВАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ 8
2.1 Сооружение ячейки Молера 8
2.2 Методика определения рассеивающей способности 10
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 11
ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 12
ВВЕДЕНИЕ
Изучению причин, оказывающих влияние на равномерность распределения тока и металла, уделялось много внимания в работе белорусских и зарубежных исследователей. Были установлены основные закономерности распределения тока и металла и в тоже время показано, что факторы, влияющие на их распределение, довольно разнообразны. Для оценки равномерности распределения тока и металла на поверхности электродов существует термин рассеивающая способность.[2]
В очень сложных геометрических системах даже в электролитах с высокими значениями показателя рассеивающей способности (РС) по току и сильным снижением выхода металла по току при увеличении плотности тока не всегда удается получить равномерное покрытие. В этом случае необходимо изменять геометрические параметры системы, т.е. первичное распределение тока.
С этой целью часто используют фигурные аноды, по форме соответствующие профилю катода, дополнительные аноды, которые подводятся к углубленным участкам изделия, дополнительные металлические катоды или неметаллические экраны, затрудняющие прохождению тока к выступающим участкам катода и снижающим тем самым плотность тока на этих местах.[6-8]
Поэтому целью исследования было изготовление ячейки для определения РС электролитов никелирования.
Для этого было необходимо решить следующие задачи:
1.Изучение различных методик для определения РС электролитов никелирования;
2.Обосновать выбор данной ячейки для определения РС;
3.Изготовить ячейку
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1 Теория рассеивающей способности.
Качество и свойства электрохимических покрытий определяются не только структурой, но и равномерностью распределения металла по толщине слоя на поверхности покрываемых изделий. Согласно закону Фарадея, толщина dэлектрохимических покрытий зависит от плотности тока i, продолжительности электролиза τ и с учетом выхода по току ВТ металла и его электрохимического эквивалента gможет быть вычислена по формуле:
/>(1.1)
γ-здесь плотность осаждаемого металла.
Расчет по формуле (1.1) дает лишь среднюю толщину покрытия. На практике ток распределяется по поверхности электрода неравномерно, поэтому фактическая плотность тока и толщина покрытия на различных участках катода различны: на одних больше среднего значения, на других меньше. Это может отрицательно сказаться на свойствах покрытия, поскольку на отдельных участках его толщина может быть меньше минимально допустимой. Распределение тока и металла по поверхности катода зависит:
1) от геометрических факторов размера и формы электродов и ванны, расположения электродов относительно друг друга и стенок ванны;
2) от электрохимических факторов электропроводимости электролита и характера изменения катодной поляризации и выхода по току металла с изменением плотности тока[3]
Различают первичное и вторичное распределение тока.
Первичное зависит только от соотношения геометрических параметров электролитической ванны. Оно наблюдается при отсутствии зависимости катодной поляризации от плотности тока и одинаково для геометрически подобных систем любого масштаба.
Вторичное, или действительное, распределение тока отклоняется от первичного, как правило, в сторону большей равномерности.
Оно зависит от поляризуемости катода />удельной электропроводимости раствора х и геометрических размеров системы. Параметром, обобщающим действие геометрических и электрохимических факторов на распределение тока, является критерий электрохимического подобия Э, представляющий собой произведение />где l— определяющий геометрический
размер системы. В геометрически подобных системах, чем больше критерий электрохимического подобия, тем более равномерно распределение тока.
Способность электролита изменять первичное распределение тока называют рассеивающей способностью PC электролита. Обычно этот термин употребляют и для оценки способности электролита давать равномерные по толщине покрытия на изделиях сложного профиля. Поэтому принято различать соответственно рассеивающую способность по току (РСТ) и рассеивающую способность по металлу (РСМ).[2]
Современные представления о механизме перераспределения тока в электролитах основываются на теории полей поляризации. Рассмотрим коротко ее основные положения. При прохождении тока через электролитическую ванну в ней возникает электрическое поле. Как и любое другое электрическое поле, поле в электролитической ванне может быть охарактеризовано функцией распределения в нем потенциала, т. е. математическим уравнением, связывающим значение потенциала Uэлектрического поля в данной точке с координатами этой точки х и у:
/>(1.2)
В каждой данной электролитической ванне уравнение (1.2) имеет свой конкретный вид. Обычно функцию распределения потенциала в электрическом поле называют просто потенциалом данного поля. При отсутствии зависимости поляризации от плотности тока в электролитической ванне реализуется первичное поле, потенциал которого обозначается Utи определяется только соотношением геометрических параметров ванны. Появление на электродах поляризации, зависящей от плотности тока, можно рассматривать как появление так называемого поля поляризации, потенциал которого обозначается Uo.[1] На значение Uoвлияют геометрические параметры электролитической ванны и электрохимические характеристики электролита: электропроводимость и поляризуемость. Это поле Uo, суммируясь с первичным полем, дает в результате реально существующее на практике вторичное поле, потенциал которого обозначается U2. Очевидно, что:
/>(1.3)
Если поляризуемость стремится к бесконечности, то поле поляризации называют предельным полем поляризации, потенциал его равен />.Вторичное поле в этом случае называют предельным полем, потенциал которого равен />
1.2 Современные методы определения РС
Чтобы оценить рассеивающую способность электролитов, применяют ячейки различных конструкций, в которых экспериментально определяют распределение тока и металла и полученные с исследуемыми электролитами результаты сопоставляют. Иногда распределение тока и металла определяют расчетным путем.[1] По этим данным обычно приводят качественную характеристику рассеивающей способности; считают, что она выше у того электролита, у которого вторичное распределение тока или металла в данной ячейке более равномерное.
Одним из первых методов определения рассеивающей способности электролитов был метод Херинга-Блюма. Ячейка Херинга-Блюма представляет собой сосуд прямоугольного сечения, в котором между двумя плоскими катодами помещен дырчатый или сетчатый анод.[6] Первичное распределение тока в ячейке Херинга-Блюма соответствует отношению расстояний между катодами и анодом. Вторичное распределение тока определяют либо по привесу катодов (при 100%-ном выходе металла по току), либо с помощью амперметров, включенных в цепь ближнего и дальнего катодов.[8]
В ячейке Фильда катоды помещены по одну сторону от анода и разделены токонепроводящей перегородкой. Для исключения влияния анодной поляризации анод от разделяющей катоды перегородки необходимо помещать на расстоянии, не меньшем, чем ширина ячейки. [9]
Методы Херинга-Блюма и Фильда, хотя и весьма просты, имеют ряд существенных недостатков:
В ячейки Херинга-Блюма применяется сетчатый анод, который помещен между двумя катодами…;
В ячейки Фильда в связи с тем, что метод основан на расположении катодов на одну сторону от анода наблюдается большая поляризация анода, что плохо сказывается на покрытии;[10]
На практике рассеивающую способность электролитов определяют по ГОСТ 9.309—86.[4]
Согласно ГОСТ 9.309—86, рассеивающую способность электролитов определяют в щелевой ячейке Молера. Щелевая ячейка (рис. 1) представляет собой прямоугольный сосуд, в котором анодное и катодное пространства разделены токонепроводящей перегородкой с узкой щелью с одной стороны.
Преимущества щелевой ячейки перед другими ячейками сравнения:
1) катодное распределение тока в ней не зависит ни от формы, ни от расположения находящегося за щелью анода;
2) щель, играющая роль неполяризующегося анода, не вызывает концентрационных изменений в электролите. [5]
Рассеивающая способность электролита количественно может быть определена как отношение потенциала поля поляризации к потенциалу предельного поля поляризации:
/>(1.4)
/>
Практически отношение (1.5) может быть найдено по первичному и вторичному распределению тока по уравнению:
/>(1.5)
Здесь /> — вторичное распределение тока;/>/>первичное распределение тока;
Заменив />на распределение металла />(/>— масса покрытия на секции; />— средняя масса покрытия), можно определить рассеивающую способность по металлу (РСМ).
2. ЯЧЕКА МОЛЕРА И МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ РС
2.1Сооружение ячейки Молера
Стандартная ячейка имеет длину катода ℓ = 100 мм, ширину катодного пространства h= 42,5 мм. В этой ячейке отношение максимальной плотности первичного распределения тока к минимальной равно 10, что позволяет исследовать рассеивающую способность электролитов в довольно широком диапазоне плотностей тока. Уравнение для расчета рассеивающей способности в этой ячейке имеет следующий вид:
/>(2.1)
Ячейка представляет собой плоский прямоугольный сосуд, вдоль одной из стенок которого (длиной ℓ) располагается катод. Анодом служит щель (шириной от 1 до 2% длины катода) между боковой стенкой и перегородкой, расположенной на расстоянии hот катода. Преимущество щелевой ячейки перед другими ячейками в том, что катодное распределение тока в ней не зависит ни от формы, ни от расположения находящегося за щелью реального анода; кроме того, щель, являющаяся в данном случае неполяризующимся анодом, не вызывает концентрационных изменений в растворе, а изменяя геометрические размены ячейки hи ℓ. можно получить любое распределение плотностей тока на подложке.
Распределение тока и металла определяют с помощью разборного катода. Разборный катод состоит из специального измерительного блока (см. приложениеVIII) и 10 секций — пластин, изготовленных из алюминия толщиной 2—3 мм. Ширина секции — 9,5 мм, длина—125 мм. Подготовка поверхности секций перед нанесением покрытия описана в приложении II. [5]После проведения предварительной подготовки катодные секции тщательно сушат и взвешивают. Затем на их нерабочую сторону наносят химически стойкий в исследуемом электролите лак. Его следует наносить так, чтобы верхняя часть секции (около 30 мм) осталась неизолированной. Подготовленные таким образом секции помещают в измерительный блок. Необходимо тщательно следить за равномерностью прижима секций к контактам измерительного блока. Для получения качественного покрытия на всех секциях среднюю плотность тока следует выбирать, исходя из того, что действительное значение плотности тока на ближних к щели секциях катода значительно выше среднего.
Для проведения опытов собирают электрическую схему. Блок с закрепленными в нем катодными секциями 1 помещают в специальные пазы ячейки 2. В ячейку погружают предварительно протравленный и промытый анод 3, заливают подогретый при необходимости до нужной температуры электролит до уровня примерно 50 мм, ячейку закрывают крышкой и включают ток. Продолжительность электролиза выбирают, исходя из необходимости получения покрытия средней толщиной около 10 мкм. Во время электролиза температуру электролита следует поддерживать с точностью ±2 0С.[5]
Распределение металла определяют по изменению массы катодных секций за время электролиза.
/>
П/>
о окончании электролиза выключают ток, извлекают катодные секции из измерительного блока, промывают в горячей воде, удаляют в ацетоне лак, сушат их и взвешивают.
Рис 3. Щелевая ячейка Молера
2.2 Методика определения РС
По результатам измерений на разборном катоде массу покрытия (/>) на каждой пластине, г, вычисляют по формуле:
/>(2.2)
где /> — масса каждой пластины после электролиза, г;
/>-масса каждой пластины до электролиза, г.
Среднюю массу покрытия одной пластины (/>), г, вычисляют по формуле
/>(2.3)
Относительное распределение массы покрытия (/>) вычисляют по формуле:
/>(2.4)
По результатам измерений на сплошном катоде среднюю толщину покрытия (/>) мкм, вычисляют по формуле:
/>(2.5)
Относительное распределение толщины покрытия (/>) вычисляют по формуле:
/>(2.6)
Рассевающая способность в обоих случаях рассчитывается по формуле:
/>(2.7)
где /> — абсолютные величины разностей />или />6,37 – коэффициент, определяемый первичным распределением тока.
За результат определения PC принимают среднее арифметическое результатов трех измерений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проделанный мной литературный обзор позволяют сделать следующие выводы:
Рассеивающая способность является очень важной характеристикой, своего рода КПД электролита, но к сожалению многие исследователи не указывают рассеивающую способность в своих работах, что подвергает сомнению достоверности .
Дальнейшее исследования по определению рассеивающей способности в изготовленной мной ячейки Молера являются актуальными.
ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Гамбург Ю.Д. Гальванические покрытия. Справочник по применению /Ю.Д. Гамбург. —Москва: Техносфера, 2006. – 216 с.
Кудрявцев Н.Т. Электролитические покрытия металлами: Химия, 1979. – 352 с.
Учебное пособие для вузов/ Н.Г. Бахчисарабцьян, Ю.В. Борисоглебский, Г.К. Буркат и др. — Киев: 3-е изд. 1990.
Вирбилис С. Гальванотехника для мастеров. Пер. с польского/Под редакцией А.Ф. Иванова Металлургия 1990 –208 с.
ГОСТ 9.309-86.
Садаков Г.А. Гальванопластика – Машиностроение 1987. –288с.
Справочные материалы по гальванопластике
Электроосаждение металлических покрытий Справ. изд. Беленький М.А., Иванов А.Ф. Металлургия 1985. –288с.
Ямпольский А.М. Гальванотехника / А.М. Ямпольский. –Ленинград: Машгиз, 1952. – 146 с.
Ямпольский А.М. Ильин В.А Краткий справочник гальванотехника / Москва–Ленинград: 1962. – 244 с.