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.

     Распределение тока и металла определяют с помощью  разборного катода. Разборный катод  состоит  из специального измерительного блока (см. приложение VIII) 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.

      По 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:

1. 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 .
2. Дальнейшее исследования по определению рассеивающей способности в изготовленной мной ячейки Молера являются актуальными.

ПЕРЕЧЕНЬ  ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Гамбург Ю.Д. Гальванические покрытия. Справочник по применению /Ю.Д. Гамбург. —Москва: Техносфера, 2006. – 216 с.
2. Кудрявцев Н.Т. Электролитические покрытия металлами: Химия, 1979. – 352 с.
3. Учебное пособие для вузов/ Н.Г. Бахчисарабцьян, Ю.В. Борисоглебский, Г.К. Буркат и др. — Киев: 3-е изд. 1990.
4. Вирбилис С. Гальванотехника для мастеров. Пер. с польского/Под редакцией А.Ф. Иванова Металлургия 1990 –208 с.
5. ГОСТ 9.309-86.
6. Садаков Г.А. Гальванопластика – Машиностроение 1987. –288с.
7. Справочные  материалы по гальванопластике
8. Электроосаждение металлических покрытий Справ. изд. Беленький М.А., Иванов А.Ф. Металлургия 1985. –288с.
9. Ямпольский А.М. Гальванотехника / А.М. Ямпольский. –Ленинград: Машгиз, 1952. – 146 с.
10. Ямпольский А.М. Ильин В.А Краткий справочник гальванотехника / Москва–Ленинград: 1962. – 244 с.