Page 47 - 《应用声学）》2023年第5期

第 42 卷 第 5 期 王文亚等： 超声辅助电镀的仿真与实验 939

以及研究阴极与超声振动子之间的相对位置关系，
0 引言 最后实验验证超声对镀层质量的辅助效果。

随着世界制造业的中心逐步向国内转移，制造 1 超声辅助电镀的机理及超声振子的设计
业的机械设备也必须向高科技、高质量方向发展，因
此人们对设备的寿命和可靠性提出了更高的要求。 1.1 超声辅助电镀机理
电镀可以提高产品表面的质量，起到防腐与耐磨的 在电镀过程中，大电流密度对应快的沉积速度。
作用，因此探索提高镀层质量的方法非常重要。超 工艺条件不同，获得的理想镀层会对应一定的电流
声辅助电镀作为一种新的电镀工艺，近年来国内外 密度上下限，其电流上限值决定最快的沉积速度，所
学者对其研究十分活跃。通过将超声波引入到电镀 以电流密度的大小决定沉积速度的快慢。通过研究
过程中，利用超声的空化作用和搅拌作用来影响电 沉积过程的动力学方程 [6] ，电沉积的速度主要由液
镀的扩散、电迁移与化学传质过程，为电镀质量的 相传质的扩散、电化学过程与电结晶过程决定，三
提高提供了一种新的途径。 个过程串联进行，沉积的整体反应速度由最慢的过
近年来，国内外学者对超声辅助电镀进行了一 程决定。

系列的研究。Behera 等 [1] 在同一基底上不同温度 根据菲克第一定律 [7] ：
下电镀纯铜薄膜，来研究电镀纳米复合材料的沉积 dc i
V 扩 = D i , (1)
温度。温度在 15 C，并在无声和超声波搅拌条件下 dx
◦
进行比较。从结构和显微图形分析可以看出，在超 式 (1) 中：V 为 i 离子的扩散通量，D i 为 i 离子的扩
扩
声波作用下，石墨烯在铜基体中的分布更好。Sassi 散系数， dc i 为 i 离子在 x 轴方向的浓度梯度，c i 为
dx
等 [2] 在超声波和连续流动钛纳米流体作用下，在多 离子浓度。
孔基底上成功电镀纳米复合 Ni-Cr 合金，并通过激 I Q nFM
i k = = = = nFV , (2)
扩
光轮廓仪的测量，98% 的孔隙已经填满。超声的加 S St St
入也提高了结晶速度与耐腐蚀性。李家明等 [3] 对比 式(2)中：i k 为电流密度，Q为nmol电子从负极通过
了常规电镀和超声电镀制备 Cu-ZrO 2 复合镀层实 外电路转移到正极产生的电量。
验，结果显示：超声电镀 Cu-ZrO 2 复合镀层的晶粒 当扩散达到稳定时：
s
0
较细、组织较致密，明显优于常规复合镀层。徐火平 c i − c i
V 扩 = D i , (3)
等 [4] 在印制板电镀铜和化学镀铜过程加入了超声 δ
0
s
波，对电镀过程的结果和性能进行了研究，结果显 式 (3) 中：c i 为扩散区的放电离子浓度值，c i 为电
示，超声的加入可以提高电镀铜与化学镀铜的沉积 极表面放电离子浓度值，δ 为扩散层的厚度。联立公
速率。龙琼等 [5] 在循环镀液超声波作用下，采用双 式(2)∼(3)得：
0
s
脉冲电镀法制备 Fe-Si 复合镀层，结果表明，当镀液 I Q nFM c i − c i
i k = = = = nFD i , (4)
颗粒质量浓度为50 g/L、平均电流密度为2 A/dm 、 S St St δ
2
0
脉冲电流频率为100 Hz 条件下，镀层硅质量分数达 s c i
当c i → 0时，i k = i L = nFD i 为极限电流。
δ
9.67%，镀层表面平整光滑。 而电镀过程超声的加入，主要是利用超声的空
对国内外相关研究的分析可知，多数学者的研 化效应和搅拌作用，Rayleigh 研究的空泡溃灭压力
究重点是直接进行电镀实验，对比加与不加超声波 方程 [8] 如式(5)所示：
来观察镀层的宏观状态，对超声电镀产生的影响有
p m = ρ 0 c 0 u m , (5)
较好的参考价值。本研究主要是从超声电镀机理进
行理论分析，设计了一套超声辅助电镀的实验装置， 其中，p m 为声压幅值，u m 为质点的速度幅值，ρ 0 为
并进行了声、结构、静电、电镀等多物理场耦合分析， 液体的密度，c 0 为声速。
初步研究了超声电镀声压的分布情况、电镀过程加 超声的加入使液体不同区域压强不同，液体的
与未加超声获得镀层的厚度与电流密度分布情况， 质点产生相应的振动，质点之间发生相对的运动，起