电镀

电镀是工业领域常用的一种在零件表面敷加金属涂层的技术。将需要敷加涂层的零件浸入包含金属离子的电解液中。然后在充当阴极的零件和阳极（采用与金属离子相同的金属制成）之间的电解液内通电。在本教程中，您要使用铬离子模拟为预涂铜和镍的塑料格栅零件电镀。



在本教程中，需要在铬阳极和由已有铜镍涂层的塑料格栅形成的阴极之间施加电压差。电压差会驱使带正电荷的铬离子 (Cr3+) 通过电解液从阳极到达阴极。当 Cr3+ 离子到达阴极表面时，它们会获得阴极产生的电子并形成铬原子。由于金属铬原子是不溶解的，所以它们会留在阴极表面形成一个薄镀层。当电子通过电路从阳极移动到阴极时，阳极的金属铬原子会失去电子，并变成电解液中的铬离子。



在本教程中，利用金属架将塑料格栅零件浸入电解液内，金属架会将电路中的电子传导至格栅零件。塑料格栅已预涂包含铜和三类镍的薄层。虽然金属架在靠近格栅每个接触点的地方暴露，但它已预涂油漆，以防止被电镀。金属架的导电率远远大于电解液或已电镀材料的导电率。因此，电阻损耗可忽略不计，金属架内的电势可视为恒定。在金属架和格栅之间的接触点定义恒定电势边界条件。

由于电解液是水性液体，所以氢离子比铬离子更易流失，电流通过电解液还会在阴极表面产生氢气。

2H++2e−→H2
(5273)

这种不良的副反应会消耗一部分电流。在本教程中，未为详细的反应机制建模。相反，从表 [997] 中导入总极化曲线，并采用法拉第效率因子阐释与金属沉积反应相关联的电流分数。

Simcenter STAR-CCM+ 采用下列电流守恒方程确保电解液主体和金属壳内的电流守恒：
图 1. EQUATION_DISPLAY
▿→⋅J→=0
(5274)
图 2. EQUATION_DISPLAY
J→=−σ▿→ϕ
(5275)
其中：
  • J→≡ 电流密度矢量
  • σ≡ 导电率
  • ϕ≡ 电势
在流体和固体域之间发生电化学反应的界面，Simcenter STAR-CCM+ 引入了下列项的直接线性化：
图 3. EQUATION_DISPLAY
J→⋅n→=j(η)
(5276)
图 4. EQUATION_DISPLAY
η=ϕsolid−ϕfluid−Ueq
(5277)

Ueq≡ 电流为零时的平衡电势

j(η) 为 Butler-Volmer、Tafel 或表格极化曲线描述的非线性函数。

界面的电流密度表示表面所有电化学反应的总电流。像产生氢气之类的副反应会导致效率降低。因此，所用的表面机制的效率表示参与电镀反应的电流量。这种机制的基础是根据 Song 和 Chin 的 [997]，按相对于标准氢电极 (SHE) 的电势，在阴极计算的电流密度。



金属涂层可能很厚，具体情况取决于零件电镀的目的。如果电镀是为了防止零件腐蚀，涂层就应该比装饰性电镀的涂层厚度更大。在本教程中，预涂层的厚度与表示涂层的壳区域的恒定厚度接近。要构建更精确的表示模型，可运行瞬态模拟，它能阐释每个时间步的厚度变化。

使用下列方程计算铬镀层的厚度：
图 5. EQUATION_DISPLAY
d=θMzFρjΔ⁢ t
(5278)
其中：
  • d 为镀层厚度 [m]
  • M 为金属镀层的分子质量，在此例中铬镀层的分子质量为 51.99 [kg/kmol]
  • z 为金属离子的电荷，在此例中为 3。
  • F 为法拉第常数，即 96,485,336.5 [s A/kmol]。
  • ρ 为电镀金属质量密度，在此例中为 7.19⁢×103 [kg/m³]
  • Δ⁢ t 为电镀时间，在此例中为 300 [s]
  • j 为利用场函数从模拟返回的电流密度（边界单位电流）[A/m²]
  • θ 为电镀效率。Song_Cr3+Polarization 表包含各种电流密度下的电镀效率列表。插入此数据以按电流密度（边界特定电流）的局部值返回电镀效率。

在运行模拟时，可使用标量场景监测铬镀层的厚度和阴极（格栅）的电势。如果阴极电流下降，铬电解沉积速度也会下降。因此，您还能为阳极和阴极的电流绘图。