超臨界微細電鑄過程數(shù)值模擬及實驗研究.pdf

1、將超臨界特性與電沉積技術有機結合,采用超臨界CO2電沉積方法制備高性能納米晶粒沉積層,是制備納米材料(鑄層)的一種新方法,為微細特種加工領域提供新的技術途徑。
　　本文在國家自然科學基金項目(50875116)和江蘇省自然科學基金項目(BK2006043)的資助下,圍繞超臨界CO2流體微細電鑄技術制備金屬薄膜的工藝過程進行數(shù)值模擬與實驗研究。主要開展:
　　(1)針對超臨界CO2條件下壓力和溫度兩工藝參數(shù)對微細電鑄體系乳化液

2、電阻特性的影響,借助Eviews軟件建立其優(yōu)化數(shù)學模型,利用Matlab軟件最優(yōu)化工具箱和anoval2方差分析函數(shù)進行數(shù)值求解和影響程度分析,并通過實驗進行驗證。研究表明,模型優(yōu)化值與分析值基本吻合;在優(yōu)化條件下,體系乳化液的電阻分散狀態(tài)最佳,鑄層的顯微硬度提高約30％;同等條件下壓力參數(shù)對乳化液電阻的影響更顯著,而溫度參數(shù)對其影響弱一些,說明采用Matlab軟件分析超臨界流體電鑄溶液特性是行之有效的方法,可為開發(fā)微細電鑄新工藝提供科

3、學依據(jù)。
　　(2)利用Matlab軟件模擬分析超臨界CO2流體微細電鑄過程中的電場和流場分布情況。研究表明,深寬比對微結構的入口處電場電力線彎曲程度和稠密度有影響,而對底部陰極表面的電力線無明顯影響,從而導致入口處的電流密度分布不均,即鑄層表面均勻度不高;具有高深寬比結構的微器件,單純依靠攪拌的方式是難以改善離子的傳質過程,可借助輔助超聲攪拌、超臨界流體等方式改善離子的擴散傳質能力,并添加表面活性劑以提高微細電鑄的沉積效果,降低

4、鑄層的表面不均勻性。
　　(3)借助Matlab軟件偏微分pdetool工具箱對超臨界CO2環(huán)境下具有深寬比結構的單一鎳離子和多物質離子擴散傳質過程進行模擬分析與討論,探討單一離子擴散傳質作用下,不同電流密度和微結構深度對陰極鎳離子濃度的影響規(guī)律;同時模擬分析多離子擴散傳質過程伴隨微結構深寬比大小的變化規(guī)律。研究表明,隨著工作時間不斷變長,鎳離子擴散傳質過程逐漸趨于穩(wěn)態(tài)。較深的微結構應使用較小的電流密度實施微細電鑄,而較淺的應加載

5、較大的電流密度實施電鑄;多物質離子傳質過程表明,單純依靠擴散作用完成微細電鑄的傳質任務是不能實現(xiàn)的。
　　(4)采用非離子表面活性劑進行超臨界CO2流體微細電鑄的實驗研究,對微細電鑄原理、工藝路線、鑄層質量標志及特性評價進行了簡單概述,并對超臨界流體微細電鑄的實驗原理、工藝條件及實驗流程進行詳細介紹,主要討論分析電流密度對超臨界流體微細電鑄層的表面形貌、顯微硬度、陰極電流效率、沉積速率、鑄層厚度的影響規(guī)律。研究表明,隨著陰極表面電