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金属电沉积过程枝晶生长的分形研究

陈书荣  
【摘要】: 枝晶生长是电沉积过程中存在的一个较为重要的问题,在以电解法生产金属时,往往会因为枝晶的生长而影响生产的正常进行,对枝晶生长的过程和形貌进行研究,以实现对这一生长现象的深入了解,无疑会对在错综复杂的工业过程的顺利进行以及得到优质的产品有所帮助。此外,由于在电沉积生产过程中,产生的枝状晶具有形式上的对称性的实质上难以理解的复杂性而进一步吸引了科学工作者的广泛兴趣。然而这些沉积生成的枝晶,其形貌上呈现出的极不规则、极其复杂的几何特征,这一非线性的生长问题用传统的欧氏几何来处理是十分困难的,甚至于无法获得数值解,所以在近半个世纪以来一直困扰着科学工作者。 在计算机已经得到迅速发展的今天,人们广泛地将计算机应用于各种生长过程的模拟中,计算机模拟的一个主要优点是可以随意地设定或改变各种参数,编写一个不太复杂的程序后,计算机就可以自动执行,完成大量繁琐的工作量,最后产生一个人们期待的或者意想不到的结果。分形的计算机模拟,有重大的应用价值。在计算机的帮助下,结合分形几何的基本理论,通过模拟,解决了一些经典电化学未能顾及的问题,从而可以实现对枝晶生长情况更为真实客观地理解和把握,引导出更为精细的结论,这无疑将对枝晶生长问题的进一步研究从基理上提供巨大的帮助。 在论文中,以分形与电化学相结合,通过对DLA模型进行改进,使用计算机对金属在以点电极、平行板电极作为阴极进行电沉积时所生成的沉积产物的形貌进行了模拟,对使用不同形状的点阴极、不同离子沉积速度以及沉积过程中不同阶段时生成沉积物的形貌进行了计算机模拟,并从分形维数的角度对模拟结果之间存在的差异进行了比较、说明。在此基础上,以金属铜和金属锌的电沉积过程中的枝晶的二维生长情况为实例进行了实验,从物理学的角度对枝晶的生长进行研究,实现了对二维条件下,不同情况时金属生长规律和形态进行定量的研究,得到了沉积产物形貌与相关条件的相互关系,并对金属铜电沉积过程中,通过装置的电流随沉积时间的变化情况进行了测定、分析,最后,从分形维数的角度对实验获得的金属铜、金属锌电沉积产物形貌与电解实验所使用的电解液浓度、外加电压以及实验温度等条件的相互关系进行了研究、分析。研究认为: 1.在模拟点电极的电沉积过程中,粒子移动速度增加时,生成的粒子团簇形貌有由疏松分枝发展为致密结构的生长趋势;对于模拟平行板电极的电沉积过程,离子移动速度的变化对模拟产物形貌的影响不大。但是随着粒子移动速度的加大,对两种电极而言,所得到的粒子团簇的分形维数均呈现逐渐增大的趋势; 2.凝结核的形状对模拟得到的金属电沉积产物团簇的图形结构有明显影响, 昆明理工大学博士学位论文 摘要- 、但是其分形维数在数值上的差别不大。- 3.在电沉积过程的不同阶段进行模拟时发现,在金属电沉积的最初阶段,~: ,沉积金属形成团簇的分形维数随时间的增加而增大,而此后,对于点电极的模拟, -所得团簇的分形维数将随时间变化在一恒定数值上下波动;而对于平行板电极的 一。 (一 不同阶段的模拟结果,其分形维数随时间仍然存在有微小增大的趋势。-._’ 4.在进行金属铜电沉积实验研究时发现,通过装置的电流随电沉积时间的 一: 。增加而不断增大,且在高电压、高硫酸铜浓度的情况下电流增长较快,电流与时 一二 。间呈现较明显的指数关系。“-” 。。”5.在金属铜电沉积实验中,阴极有明显的析氢过程存在,而在在金属锌的。: 一 电沉积实验研究中,没有发现存在有明显的阴极析氢过程。在实验测定的范围内,-~, “金属铜电沉积产物的分形维数随外加电压的改变呈现不规则的变动。而在金属锌 卜: 二 的电沉积中,存在有一临界电压(研究认为在6到8伏之间),外加电压小于这’_’ ,一数值时,分形维数随电压的变化呈现不规律的波动;当外加电压高于这一临界--。 。值后,随外加电压的加大,沉积产物分形维数呈现出较为明显的


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