超臨界微細(xì)電鑄過程數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、將超臨界特性與電沉積技術(shù)有機(jī)結(jié)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(xì)特種加工領(lǐng)域提供新的技術(shù)途徑。
　　本文在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50875116)和江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK2006043)的資助下,圍繞超臨界CO2流體微細(xì)電鑄技術(shù)制備金屬薄膜的工藝過程進(jìn)行數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)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(xì)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(xué)模型,利用Matlab軟件最優(yōu)化工具箱和anoval2方差分析函數(shù)進(jìn)行數(shù)值求解和影響程度分析,并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)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(xì)電鑄新工藝提供科

3、學(xué)依據(jù)。
　　(2)利用Matlab軟件模擬分析超臨界CO2流體微細(xì)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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(jié)構(gòu)的微器件,單純依靠攪拌的方式是難以改善離子的傳質(zhì)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(kuò)散傳質(zhì)能力,并添加表面活性劑以提高微細(xì)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(jié)構(gòu)的單一鎳離子和多物質(zhì)離子擴(kuò)散傳質(zhì)過程進(jìn)行模擬分析與討論,探討單一離子擴(kuò)散傳質(zhì)作用下,不同電流密度和微結(jié)構(gòu)深度對陰極鎳離子濃度的影響規(guī)律;同時(shí)模擬分析多離子擴(kuò)散傳質(zhì)過程伴隨微結(jié)構(gòu)深寬比大小的變化規(guī)律。研究表明,隨著工作時(shí)間不斷變長,鎳離子擴(kuò)散傳質(zhì)過程逐漸趨于穩(wěn)態(tài)。較深的微結(jié)構(gòu)應(yīng)使用較小的電流密度實(shí)施微細(xì)電鑄,而較淺的應(yīng)加載

5、較大的電流密度實(shí)施電鑄;多物質(zhì)離子傳質(zhì)過程表明,單純依靠擴(kuò)散作用完成微細(xì)電鑄的傳質(zhì)任務(wù)是不能實(shí)現(xiàn)的。
　　(4)采用非離子表面活性劑進(jìn)行超臨界CO2流體微細(xì)電鑄的實(shí)驗(yàn)研究,對微細(xì)電鑄原理、工藝路線、鑄層質(zhì)量標(biāo)志及特性評價(jià)進(jìn)行了簡單概述,并對超臨界流體微細(xì)電鑄的實(shí)驗(yàn)原理、工藝條件及實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行詳細(xì)介紹,主要討論分析電流密度對超臨界流體微細(xì)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