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各位前辈,我是初涉电镀的新手,我们实验室想买台主要用于脉冲电镀纳米材料的恒电位仪。但是我对仪器的又没什么概念,急切恳请各位建议和指导:)谢谢
脉冲电镀技术与脉冲电源兰为国 2006-05-24 09:45:41 在能源紧张、耗材昂贵、资源短缺、竞争激烈的新形势下,我们怎样才能立于不败之地?省钱等于赚钱才是硬道理。那么怎样才能省钱呢?降低成本就能省钱。表面处理行业,首先是个电老虎,而因为电的问题没解决好,电镀行业电的成本占经营成本的20%,耗材占经营成本的30%;氧化行业电的成本占经营成本的33%,耗材占经营成本的20%;有没有既能省电,又能节省材料,又能提高生产效率的设备,来帮助我们提高生产力呢? 高频脉冲电源是大家向往以久的设备。上世纪,我们国家表面处理行业的前辈们,就已提出这一脉冲工艺技术,而在国外更早已普遍应用了。 一、什么是脉冲电镀 脉冲电镀所依据的电化学原理,主要是利用脉冲电压或脉冲电流的张弛(间隙工作),增强阴极的活性极化和降低阴极的浓差极化,从而有效地改善镀层的物理化学特性。 在脉冲电镀过程中,电流导通时,接近阴极的金属离子充分地被沉积,而电流关断时,阴极周围的放电离子又恢复到初始浓度。脉冲电镀时的导通电流密度,远远大于直流电源电镀时的电流密度,这将使金属离子处在直流电镀实现不了的极高过电位下电沉积,其结果不仅能改善镀层的物理化学特性,而且还能降低析出电位较负金属电沉积时析氢副反应所占比例。 二、脉冲电镀的特点 能得到致密、均匀和导电率高的镀层。这是采用电子电镀最最可贵的,无论是硅整流还是可控硅整流都难以实现的。 降低浓度极化,提高阴极的电流密度。从而提高镀速(频率越高,镀速越快),缩短了电镀时间,为企业创造更好的效益。 减少镀层的孔隙率,增强镀层的抗蚀性。由于均匀脉冲有张有弛,使得镀层的致密性得到非常有效的改善,孔隙率降低,几乎是完美无缺,抗蚀能力得到加强。 消除氢脆,改善镀层的物理特性,由于采用脉冲电源镀层和被镀物的导电率极高,致密性极好,几乎不会出现氢脆现象,经电镀后的表面光洁平整。 降低镀层的内应力,提高镀层的韧性。由于脉冲电流电镀的一瞬间,电流及电流密度是非常之强大,此时金属离子处在直流电源电镀实现不了的极高过电位下电沉积(吸附能力极强),大大提高镀层的韧性。 减少镀层中杂质,提高镀层的纯度。因为在电镀的瞬间,脉冲电流只对金属离子作用,好比是过滤,这样,将有用的金属离子送到被镀物上沉积,而滤其杂质,提高镀层的纯度。 降低添加剂的成份,降低成本。由于脉冲电镀的均匀,致密性好,光洁度高,存放时间长,一般镀件免加添加剂,有要求的镀件,也可少加添加剂。 脉冲电镀中金属的电结晶。在金属电结晶过程中,晶核形成的几率与阴极的极化有关,阴极极化越大,阴极过电位越高,则阴极表面吸附原子的浓度越高,晶核形成的几率越大,晶核尺寸越小,使得沉积层的晶粒细微化,这就是脉冲电镀能获得细致光滑镀层的本质原因。 三、脉冲电源的特点 节电:效率≥90%,比硅整流省电达40%左右或比可控硅电源省电达20%左右。 节料:由于它的工作原理与普通电源不一样,因此在达到相同表面要求的前提下,可节料达15%左右。 节时:由于采用高频脉冲工作方式,电镀完全是在过电位下的电沉积,因此可节约时间达10%左右,提高工效。 高频脉冲电源采用N+1方式多个并联,(硅整流或可控硅电源不可以),大功率、大电流可任意并用,效率更高。 高频电源的稳定性:由于采用了最新现代半导体双极型器件(IGBT智能模块),其可靠性、安全性、稳固性和长时间工作寿命都大大加强和延长,这也是硅整流或可控硅电源无法比拟的。 高频脉冲电源:其工作时,脉冲顶部非常之平,完全是一条直线,纹波可小到0.5%,关断时可对被镀件进行瞬间退镀整平,因此克服了硅整流或可控硅电源的脉动波纹及被镀件表面的高低区,不会形成高的地方镀层厚,低的地方镀层薄的现象。 四、脉冲电源参数及选择 1.脉冲参数表示 Q:周期 Ton:脉冲导通时间 Toff:脉冲关断时间 f:频率 Jp: 脉冲电流密度 Jm:平均电流密度 r%:占空比(导通时间与周期之比的百分数) 2.常用计算公式 ①占空比:r%=(Ton/Q)×100% =[Ton/(Ton+Toff)]×100% ②平均电流密度:Jm=Jp×r% =Jp×[Ton/(Ton+Toff)]×100% ③频率:f=1/Q=1/×(Ton+Toff) ④平均电流密度:Jm=Jp×r% 3.脉冲参数的选择 ⑴脉冲导通时间Ton选择: 脉冲导通时间Ton是由阴极脉动扩散层建立的速率或由金属离子在阴极表面消耗的速率Jp来确定。如果Jp大,金属离子在阴极表面消耗得快,那么,脉动扩散层也建立得快,则Ton可短些,反之则取长。但无论Ton取长或短,只要大于tc(电容效应产生的放电常数)即可。 ⑵脉冲关断时间Toff选择: 脉冲关断时间Toff是受特定离子迁移率控制的阴极脉动扩散层的消失速率来确定。如果将扩散层向脉动扩散层补充金属离子使之消失得快,则Toff可取短些,反之则长,但Toff只要大于tcd(电容效应产生的时间常数)即可。 ⑶脉冲电流密度Jp的选择: 脉冲电流密度Jp是脉冲电镀时金属离子在阴极表面的最大沉积速度,它的大小受Ton、Toff、Jm的制约,在选定Ton和Toff,并保持Jm/Jgg≤0.5这个比值,则希望Jp越大越好。 ⑷脉冲占空比r%选择: 脉冲占空比是由Ton和Toff及Q决定的,一般脉冲电镀贵重金属时,占空比选取10~50%为最佳,脉冲电镀普通金属时,占空比选取25~70%。占空比的真正选择要在实际试验后得到最佳结果。 五、脉冲电镀电源使用须知 1.脉冲电镀电源与镀槽之间的距离 为了确保脉冲电流波形引入镀槽时不畸变,且衰减小,希望在安装时,脉冲电镀电源与镀槽的间距2~3m为佳,否则对脉冲电流波形的后沿(下降沿)影响较大,电镀将不能达到预期效果。 2.阴、阳极的导线连接方式 直流电源的导线连接方式,不适合脉冲电源的连接,脉冲电镀电源的输出连接,希望两根导线的极间电容能够抵消导线的传输电感效应,因此阴、阳极导线最好的方法就是双绞交叉后,引送到镀槽边,从而保持脉冲波形不变。 总之,采用高频脉冲整流机,总体效益提高20%左右,符合现代企业清洁生产与可持续发展之要求,这是淘汰硅整流和可控硅整流机的必然优势。
最近有朋友对导热系数测试方法如何选择想进行一些讨论,这里就我们在导热系数测试中的经验,以及导热系数测试设备研制和测试方法研究中的体会谈一些感受,欢迎大家批评指正。 材料的导热系数一般采用两类测试方法,一类是稳态法,主要包括护热板法、护热板热流计法和护热式圆筒法等;另一是非稳态法,主要包括激光脉冲法、热线法、热探针法和平面热源法等。这些方法国内外都有相应的测试标准,是比较成熟和经典测试方法。 对于稳态护热板法和激光脉冲法来说,这两种测试方法基本上属于互补性关系,即分别覆盖不同导热系数范围的测量。通常,稳态法的导热系数测试范围为0.005~1 W/mK;非稳态激光脉冲法的导热系数测试范围为1~400 W/mK。在满足测试条件的前提下,稳态法的测量精度可以达到±3%以内,激光脉冲法的测量精度可以达到±5%以内。 材料的导热系数一般采用两类测试方法,一类是稳态法,主要包括护热板法、护热板热流计法和护热式圆筒法等;另一是非稳态法,主要包括激光脉冲法、热线法、热探针法和平面热源法等。这些方法国内外都有相应的测试标准,是比较成熟和经典测试方法。 低导热材料一般泛指导热系数在0.1~1W/mK 范围的隔热材料。这类材料由于导热系数低常被用作工程隔热材料,如各种玻璃钢类材料、树脂基类复合材料和陶瓷材料等。在这类低导热材料的导热系数测量中,测试方法的选择常常容易出现偏差,很多测量机构由于只有激光脉冲法测试设备,而就用激光脉冲法测量这类低导热材料,测量结果往往出现比稳态法准确测量值低15%~20%的现象。采用氟塑料(导热系数0.2 W/mK 左右)和纯聚酰亚氨树脂材料Vespel SP1(导热系数0.4W/mK 左右),用稳态法和瞬态激光脉冲法进行的比对试验也证明激光脉冲法的测试结果确实偏低。有些材料研制机构也利用这种现象来证明研制的材料达到了验收标准,这样很容易误导材料设计和使用部门的正常使用。 对于低导热材料的测试,造成激光脉冲法测量结果总是要低于稳态法测量结果的主要原因是由测量装置的固有因素造成,主要体现在以下两个方面:一、激光脉冲法测量装置的影响 激光脉冲法测试设备的试样支架,一般都是采用导热系数较低的陶瓷材料做成,其目的是在固定试样的同时尽可能减少传导热损失,以保证激光脉冲加热试样后,试样内的热流沿着试样厚度方向以一维形式传递。如果被测试样的导热系数小于1W/mK,基本上与陶瓷支架相近,这样必然会引起较大的侧面热失,破坏一维传热模型。如图 1 所示,侧面热损会使得试样背面的最大温升Tm 降低,从而造成较大的测量误差。而这些热损情况在稳态测量方法中不会出现。 如图 1 所示,采用激光脉冲法测量材料热扩散时,导热系数越大,背面温升达到一半最高点的时间t0.5 越短,背面温升采集时间10t0.5 也越短。一般金属材料背面温升达到一般最大值的时间t0.5 大约在50 毫秒以内,而对低热导率材料,背面温升达到一半最大值时间t0.5 就需要上百毫秒以上,同时总的采集时间10t0.5 也将相应的增大很多,如此长的传热时间,必然会引起强烈的侧面热损。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2015/03/201503202143_539038_3384_3.png图1 激光脉冲法典型背面温升曲线 激光脉冲法一般都是采用间接测量方式获得被测材料的导热系数,即激光脉冲法测量材料的热扩散率,然后与其它方法测得的密度和比热容数据相乘后得到被测材料的导热系数。这样得到的导热系数数据势必会叠加上其它方法测量误差,特别是比热容的测试误差一般较大。这样获得的导热系数测量精度就势必要比稳态法直接测量的热导率误差偏大。二、激光脉冲法试验参数的影响 如图 1 所示,激光脉冲法在测试过程中,试样在激光脉冲加热后,试样背面温升快速升高,最大温升也仅1 ~ 5℃之间。但对于低导热材料,由于材料导热系数比较低,要使背面温度达到可探测的幅度很困难。为了解决背面温升的可探测性,必须通过两种途径:一是采用很薄的试样,约为1mm 厚,否则很难探测到有效信号;二是在采用薄试样的同时增大激光脉冲的能量,也就是提高脉冲加热试样的功率,使得试样前表面达到更高的温度。这两种途径都会对低导热材料的测量结果带来影响: (1)低导热材料多为复合材料,密度一般都很小。激光脉冲法的试样直径(10mm ~ 12mm)本来就很小,如果试样厚度再很薄,对于复合材料来说很难具有代表性。并且密度分布的不均匀,会使得测量结果的离散性比较大。而稳态法测量所用的试样一般较大,代表性强。 (2)激光脉冲法认为激光脉冲加热试样前表面时,前表面热量的吸收层相比试样总体厚度越小越好。而一般低导热材料的热分解温度和熔点较低,高功率脉冲激光很容易使得试样表面产生高温加热而带来化学反应,反应层厚度相比试样总体厚度较大,破坏了激光脉冲法测试模型的要求,带来测量结果的不真实性。而在稳态法测量过程中,测试过程中的温度变化都严格控制在被测材料热分解温度点以下,就是为了避免热分解现象的产生带来测量结果的不真实性。 (3)一般导热系数测量过程都带有温度变化和一定的温度梯度。激光脉冲法测量如果在静止气氛中进行,背面温升的变化会受到辐射和对流的影响。所以,激光脉冲法在测量过程中,一般需要抽真空测试,以消除对流影响。而对一般复合材料来说,密度越低,在真空下发生真空质量损失的现象也越强烈。如果被测材料密度较低,真空质量损失会使得试样厚度和质量发生变化,如果再加上激光脉冲加热更会加剧质量损失过程,对测量结果带来影响。 (4)由于低密度材料内部容易存在着空隙和气孔,如果在真空中测量这类材料,真空环境将严重的改变试样内部的传热方式,基本上不再有对流传热。因此真空下测量的热导率会比在常压大气环境的测量值明显偏低。而稳态法测试设备绝大多数是在常压大气下进行,通过特别的护热装置使得在试样外部不存在温度梯度以消除对流,传热现象只发生在试样内部,因此稳态法测量结果代表的是常压大气环境下材料的热导率。个别变真空稳态法测量装置,也是专门用来测量评价材料在不同真空度下的热导率,以用于准确表征材料在不同真空度下的隔热性能。 因此,对于低导热材料热导率的测量,如果条件允许,尽量采用稳态测量方法,并明确试验条件,建议不采用激光脉冲法测量低导热材料热导率。 目前在国内的军工系统中都普遍采用稳态的保护热流计法导热系数测定仪来进行树脂基复合材料的导热系数测试,并已经做为工艺考核标准。多数采用的是美国TA公司的MODEL 2022导热仪,圆片状试样直径有1英寸(25.4mm)和2英寸(50.8mm)两种规格,最高测试温度为300℃。同时,美国TA公司的MODEL 2022导热仪也是该公司的主流产品,由此也可以看出这种稳态测试方法的应用十分广泛。