電解錳陰極電沉積分形生長行為的研究.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，金屬錳主要通過在高濃度鹽水溶液中電解制得[6-8]。然而，電解錳過程中仍然存在許多問題，特別是陰極枝晶生長嚴重導致短路以及降低上板率已成為工業(yè)電解過程效率提升的瓶頸[9-11]?，F(xiàn)代分形幾何學的發(fā)展，為定量研究枝晶生長行為提供了一條新的思路[11-13]。枝晶生長過程分形特征的分析有助于從新的角度來理解枝晶產(chǎn)生的動力學機理，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程中枝晶的產(chǎn)生及變化機理。研究搭建了一套在線觀測的電化學實驗裝置，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上，對傳統(tǒng)DLA模型進行了修正，從而解析了不同金屬枝晶生長行為差異的原因。
　　論文主要研究內容包括：
　?、傺芯吭O計并制作可以連續(xù)在線觀測金屬沉積形貌與電化學信號變化的點電極電解裝置。在此基礎上，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

3、愈加劇烈，金屬錳枝晶的分形結構逐漸明顯；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，當濃度超過20g/L后，維數(shù)又逐漸降低；SeO2也有助于促進次級分形結構的發(fā)育，從而導致周期性爆發(fā)式生長。研究還發(fā)現(xiàn)，分形生長過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研究通過引入離子電遷移向對傳統(tǒng)DLA模型進行修正，提出了金屬錳電解過程的隨機生長機理。研究提出了兩個獨立的運動參量r和α來

4、分別表征電場作用下的定向運動與隨機布朗運動。分析認為，隨機布朗運動是導致枝晶產(chǎn)生的原因，而定向運動的快慢會影響分形結構的特征。
　　③為進一步理解陰極電沉積的隨機生長機制，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行為。研究發(fā)現(xiàn)，金屬錳枝晶的呈類似苔蘚的片狀結構；其他金屬枝晶則呈枝狀結構。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越細。通過修正后的DLA模型，研究追溯了導致不同