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 d электрохимических покрытий зависит от плотности тока i, продолжительности электролиза τ и с учетом выхода по току ВТ металла и его электрохимического эквивалента g может 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 l₀ — 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 (РС_Т) и рассеивающую способность по металлу (РС_М).[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 U электрического 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 U_t и 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 U_o.[1] На значение U_o влияют 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:

1. В ячейки Херинга-Блюма применяется сетчатый анод, который помещен между двумя катодами…;
2. 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 (РС_М).

 

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 h от 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 h и ℓ. можно получить любое распределение плотностей тока на подложке.