Ускорение электрохимических процессов с помощью ультразвуковых волн

Воздействие ультразвука на электрохимические процессы

Процессы электрохимического осаждения металлов, используемые в технике для нанесения металлических покрытий, могут интенсифицироваться под действием ультразвука.

При прохождении постоянного тока через электролит на катоде выделяются атомы металла, которые образуются в результате присоединения электронов к ионам электролита. Эффективность этого процесса характеризуют, так называемым, "выходом металла по току", то есть, отношением фактически выделенного на катоде вещества к теоретически возможному (по закону Фарадея). В обычных условиях выход металла по току с увеличением плотности тока резко падает. Это обусловлено тем, что:

1. При прохождении тока концентрация ионов в электролите становится неравномерной, и вблизи катода он обедняется, то есть, число ионов металла уменьшается.

2. На катоде выделяется водород, ионы которого вместе с гидроксильными группами содержатся в водном растворе электролита, при этом прикатодное пространство обогащается газовой фазой.
В результате процессы электроосаждения идут при значительном перенапряжении на катоде (то есть, повышается необходимый для проведения процесса потенциал катода), это и обусловливает уменьшение выхода металла по току и увеличение длительности электролиза.

3. Процесс электролиза уменьшается из-за адсорбции на поверхности катода чужеродных молекул, что можно трактовать как уменьшение активной поверхности катода. Выделение водорода на катоде (так называемая, поляризация катода), а также наличие посторонних примесей на нем ухудшают качество покрытия (делают его пористым), уменьшают степень адгезии покрытия к подложке.

Воздействие ультразвука на кинетику электрохимических процессов при малых интенсивностях обусловлено, главным образом, возникновением в электролите акустических течений, которые, вызывая перемешивание электролита, способствуют выравниванию концентрации ионов и дегазацию электролита в прикатодном слое.

При увеличении интенсивности ультразвука и возникновении кавитации эффективность ультразвукового воздействия на электрохимические процессы возрастает. Находящиеся в порах и трещинах катода зародыши газовой фазы усиленно растут и покидают электролит, то есть, усиливается дегазация; происходит очистка поверхности катода, которая приводит к увеличению его активной поверхности почти в 3 раза; резко усиливаются микромасштабные акустические течения, а с ними и процессы перемешивания.

Все это способствует интенсификации процесса электроосаждения: ускоряется растворение металла анода, ослабляется истощение электролита вблизи катода ( даже при плотностях тока до 7 - 8 А/дм²). Под действием ультразвука снижается потенциал выделения водорода и, следовательно, процесс дегазации электролита идет при меньших напряжениях.

В результате действия этих факторов заметно увеличивается выход металла по току, допустимые значения тока возрастают для большинства типов электролитов в несколько раз (до 10 и более) и достигает 8-10 А/дм².

То есть, под действием ультразвука повышается производительность электроосаждения, характеризуемая увеличением толщины покрытия в единицу времени.

Под воздействием явлений, обусловленных ультразвуком, улучшается качество покрытий:

• повышается плотность;
• улучшается структура (металл становится мелкозернистым, блестящим);
• увеличивается микротвердость.

Покрытия получаются равномернее и толще в несколько раз, улучшается его адгезия к подложке.

Однако, при больших интенсивностях ультразвука и сильно развитой кавитации возможна кавитационная эрозия покрытия, поэтому ограничивают интенсивность ультразвука величиной 3-5 Вт/см².