電解錳陰極電沉積分形生長(zhǎng)行為的研究.pdf

1、電沉積是金屬材料制備的一種重要工藝[1-5]。在工業(yè)上，金屬錳主要通過(guò)在高濃度鹽水溶液中電解制得[6-8]。然而，電解錳過(guò)程中仍然存在許多問(wèn)題，特別是陰極枝晶生長(zhǎng)嚴(yán)重導(dǎo)致短路以及降低上板率已成為工業(yè)電解過(guò)程效率提升的瓶頸[9-11]?，F(xiàn)代分形幾何學(xué)的發(fā)展，為定量研究枝晶生長(zhǎng)行為提供了一條新的思路[11-13]。枝晶生長(zhǎng)過(guò)程分形特征的分析有助于從新的角度來(lái)理解枝晶產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)機(jī)理，從而為電沉積形貌控制提供一條新的途徑。
　　本文著重

2、考察金屬錳陰極電解過(guò)程中枝晶的產(chǎn)生及變化機(jī)理。研究搭建了一套在線觀測(cè)的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，并首次發(fā)現(xiàn)并制得了金屬錳的二維枝晶；在枝晶分形特征的研究基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)DLA模型進(jìn)行了修正，從而解析了不同金屬枝晶生長(zhǎng)行為差異的原因。
　　論文主要研究?jī)?nèi)容包括：
　?、傺芯吭O(shè)計(jì)并制作可以連續(xù)在線觀測(cè)金屬沉積形貌與電化學(xué)信號(hào)變化的點(diǎn)電極電解裝置。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)考察了電壓、電解液濃度、添加劑濃度等外控條件的影響。我們發(fā)現(xiàn)：隨著電壓增大，反應(yīng)

3、愈加劇烈，金屬錳枝晶的分形結(jié)構(gòu)逐漸明顯；金屬錳的分形維數(shù)隨著電壓增大而增大，隨著錳濃度增加而增加。但是，當(dāng)濃度超過(guò)20g/L后，維數(shù)又逐漸降低；SeO2也有助于促進(jìn)次級(jí)分形結(jié)構(gòu)的發(fā)育，從而導(dǎo)致周期性爆發(fā)式生長(zhǎng)。研究還發(fā)現(xiàn)，分形生長(zhǎng)過(guò)程中伴隨著電流振蕩。SeO2濃度增加，電流振蕩的振幅和頻率也有顯著增加。
　　②研究通過(guò)引入離子電遷移向?qū)鹘y(tǒng)DLA模型進(jìn)行修正，提出了金屬錳電解過(guò)程的隨機(jī)生長(zhǎng)機(jī)理。研究提出了兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)參量r和α來(lái)

4、分別表征電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)與隨機(jī)布朗運(yùn)動(dòng)。分析認(rèn)為，隨機(jī)布朗運(yùn)動(dòng)是導(dǎo)致枝晶產(chǎn)生的原因，而定向運(yùn)動(dòng)的快慢會(huì)影響分形結(jié)構(gòu)的特征。
　　③為進(jìn)一步理解陰極電沉積的隨機(jī)生長(zhǎng)機(jī)制，研究系統(tǒng)考察了Ni、Zn、Cu等系列第四周期金屬的分形生長(zhǎng)行為。研究發(fā)現(xiàn)，金屬錳枝晶的呈類似苔蘚的片狀結(jié)構(gòu)；其他金屬枝晶則呈枝狀結(jié)構(gòu)。枝晶的發(fā)散程度由高到低按照Mn-Ni-Cu-Zn的順序排列，且金屬沉積物分支越來(lái)越細(xì)。通過(guò)修正后的DLA模型，研究追溯了導(dǎo)致不同